纤维长度对高性能砂浆力学性能的影响研究

刘一翔

（中铁十六局集团置业投资有限公司 北京 101400）

1 引言

传统的水泥基材料具有抗压性能好的优点，同时具有明显的脆性特征，抗拉性能、韧性及抗裂性能较差，在实际应用中时常会因上述缺陷导致构件甚至结构性能降低。为了改善普通水泥基材料上述性能缺陷，国内外学者尝试在水泥基材中掺入纤维（如耐碱玻璃纤维、聚丙烯纤维等）以达到增强、增韧及阻裂的目的。

早在20世纪70年代国外就有学者开始将纤维材料用于水泥基材料增强，并发现在水泥基材中掺入纤维能有效控制早期收缩裂缝，显著改善混凝土的耐久性，有些高弹模纤维的加入对混凝土还有增强增韧效果［1-3］。此外，水泥基中掺入适量纤维，还可以提高增强筋与基体的粘结力。Kim［4］通过FRP筋增强纤维混凝土的拉拔试验得到了FRP筋与纤维混凝土之间的粘结应力-滑移关系曲线。结果表明，掺加耐碱玻璃纤维可以增强FRP筋与基体的粘结力，而且这一增强效果受纤维体积掺量的影响较小。Jess［5］对耐碱玻璃纤维与增强混凝土之间粘结性能进行了研究。结果表明，当纤维单丝之间的粘结被改善后，纤维束所需要的应力传递长度也随之减小，因而能有效提高混凝土基体与增强筋的粘结性能。为改善纤维增强水泥基材料的抗冻性和工作性能，Takeuchi［6］等通过在纤维混凝土中掺加引气剂、防水剂等改善纤维混凝土的抗冻融性及流动性。这表明，采用纤维来增强水泥基材料并改善其性能，已成为未来高性能水泥基材料发展的重要方向之一。

在国内，用纤维来改善混凝土性能也一直备受关注，有很多学者针对纤维增强混凝土材料的强度、抗裂性、耐久性及抗火性能等进行了一系列的研究。在纤维增强水泥基材料强度方面，傅翔［7］等在永久模板中加入了耐碱玻璃纤维增强了永久模板的抗折性能，并给出耐碱玻璃纤维的最优掺量参考比例。高妮［8］等、李国忠［9］等分别对改性纤维增强混凝土的宏观力学性能和微观增强机理进行了研究，结果显示改性纤维的加入改善了纤维与混凝土基体的界面性能，增强了混凝土的力学性能。

综上所述，采用纤维增强水泥基材料的力学性能已有不少学者开展了相关研究，但这些研究关注点大都在纤维掺量和基体不同力学性能的影响，对于纤维长度对水泥基力学性能影响的研究还不够全面，特别是纤维长度对高性能砂浆（砂浆抗压强度可达30～50 MPa）力学性能的影响。为此，与某大学实验室联合实验，取得相关数据，针对耐碱玻璃纤维长度对高性能砂浆力学性能的影响开展相关研究。

2 试验设计及试件制作

2．1 原材料

（1）高性能砂浆基体

试验配制的高性能砂浆基体（也可称为细骨料混凝土）原材料主要包括普通硅酸盐水泥、普通河砂、高性能萘系减水剂及自来水。高性能砂浆配合比为水泥∶砂∶水∶减水剂 ＝1∶1.6∶0.42∶0.018，以水泥质量比计。

（2）耐碱玻璃纤维

耐碱玻璃纤维是常用的水泥基增强材料，它的优点在于耐碱、抗腐蚀、抗冲击等，性能良好且具有较好的可设计性，是替代石棉和钢质纤维的绝佳材料［10-12］。为探讨纤维长度对高性能砂浆力学性能的影响，本试验选用长度分别为6 mm和12 mm的耐碱玻璃纤维作为砂浆增强材料。耐碱玻璃纤维外观为白色束状，其中12 mm长的玻璃纤维在自然状态下的团聚现象较6 mm长纤维更明显，如图1所示。此外，耐碱玻璃纤维在自然状态下呈束状，每一纤维束均由大量纤维单丝复合而成，表面经过浸润剂微处理，掺入时分散性更好。玻璃纤维的物理学性能见表1，单丝的抗拉强度大于2 500 MPa。

图1 耐碱玻璃纤维外观

表1 耐碱玻璃纤维物理力学性能

2．2 试件设计及制作

为研究不同长度的耐碱玻璃纤维对高性能砂浆基体力学性能的影响，试验设计4组纤维总掺量为5%（参考文献［13］建议的最优质量掺量）的不同长度耐碱玻璃纤维混掺高性能砂浆，分别进行砂浆基体的抗压、抗折及劈拉强度试验。其中，抗压和劈拉强度试验的试件尺寸为70.7 mm立方体试块，抗折强度试验的试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体，每种工况各制作6个试件，按《建筑砂浆基本性能试验方法标准》［14］中规定的试验方案进行试验。试件具体参数见表2，表中：“PC”代表不掺任何纤维的高性能砂浆材料；“GFiber”代表耐碱玻璃纤维增强；“-5”代表耐碱玻璃纤维的掺量为5%；“6+12”代表在总掺量为5%的情况下，6 mm和12 mm长度耐碱玻璃纤维各掺入2.5%。

表2 耐碱玻璃纤维增强高性能砂浆试件参数设计

2．3 试验加载及量测

纤维增强高性能砂浆的抗压、抗折、劈拉强度试验结果按每组三个试件算术平均值确定。

抗压试验在万能试验机上进行，试件上下对中后，连续均匀地加荷至试件破坏，记录破坏时最大荷载，如图2a所示。砂浆抗压强度按式（1）计算，精确至0.1 MPa。

式中，fc为砂浆抗压强度，单位为MPa；Fc为破坏时的最大荷载，单位为N；A为受压部分面积，单位为mm2。

抗折强度试验前，检查试件外观，确保试件没有明显缺陷。将试件的一个侧面放在抗折试验机支撑圆柱上，然后连续而均匀地加荷，直至试件破坏，记录破坏荷载及破坏位置，如图2b所示。砂浆抗折试验强度按式（2）计算。

式中，f为砂浆抗折强度，单位为MPa；Ff为折断时施加于棱柱体中部的荷载，单位为N；L为支撑圆柱之间的距离，为100 mm；b为棱柱体正方形截面的边长，公称尺寸为40 mm。

劈裂试验试件尺寸与抗压试件相同，采用带有凸圆的特制加载装置进行，连续加荷至试件破坏，记录破坏荷载，如图2c所示。砂浆劈裂抗拉强度的计算见式（3）。

式中，ft为砂浆劈裂抗拉强度，单位为MPa；F为破坏荷载，单位为N；A为试件劈裂面积，单位为mm2。

图2 基体强度试验

3 试验结果与分析

3．1 试验现象及破坏形态

未掺纤维的高性能砂浆基体破坏表现出明显的脆性特征，当荷载达到试件极限承载力时，受压破坏伴随着“砰”地一声闷响，侧面大部分混凝土破坏剥落，试件失去继续承载的能力，破坏没有预兆，脆性明显，试件破坏后裂开；掺入纤维的高性能砂浆基体破坏时脆性性能明显改善，基体的开裂荷载显著提高，达到极限承载力时基体有几条裂缝，但不会裂开，而且掺入纤维长度越长，裂缝宽度越小且密集。图3a给出了为掺入耐碱玻璃纤维的普通砂浆（PC）基体、掺入6 mm耐碱玻璃纤维增强砂浆基体以及掺入12 mm玻璃纤维增强砂浆基体的抗压破坏对比图。图3b给出了采用不同长度耐碱玻璃纤维（分别为12 mm和6 mm）和未掺入纤维的砂浆基体抗折试验破坏形态对比图。由图可看出未掺砂浆基体和掺入纤维的砂浆基体的抗折破坏形态有明显的不同，未掺纤维的砂浆基体破坏时均裂为两半，表现出明显的脆性破坏，而掺纤维的砂浆基体破坏时出现裂缝，但不会裂成两半，脆性破坏有明显地改善，而且随着掺入纤维长度的增加，裂缝的宽度也会变得更密更细，裂缝发展得到有效控制。图3c给出了各试件劈拉破坏时的破坏形态对比结果，由图中可以看出，未掺纤维的砂浆基体明显劈为两半，且常伴有碎块崩出；短切耐碱玻璃纤维掺入后，明显改善了普通水泥基材的脆性破坏特征。需要说明的是，图3的基体破坏图中未给出混掺6 mm和12 mm耐碱玻璃纤维的砂浆基体破坏图，主要因为混掺纤维增强砂浆基体的破坏形态与单掺12 mm耐碱玻纤增强时基本相同。

图3 基体破坏形态

3．2 结果分析

表3给出了在不同长度耐碱玻璃纤维高性能砂浆基体与普通砂浆基体的抗压、抗折和劈拉强度的试验值（表中各数值为试件28 d强度的平均值）。由表中可看出，采用纤维增强后，砂浆基体的抗压、抗折及劈拉强度均明显提高。在保持纤维总掺量相同的情况下，纤维增强砂浆基体的抗压、抗折和劈拉强度比未掺纤维时总体上分别提高35.4%、39.2%和43.2%。

表3 不同长度耐碱玻璃纤维增强高性能砂浆基体抗压、抗折、劈拉强度

为进一步明确不同耐碱玻纤长度对砂浆基体力学性能的影响，图4给出了砂浆基体抗压、抗折和劈拉强度随掺入不同长度纤维的变化关系。从图中可以看出，在保持纤维掺量为5%不变时，砂浆的抗压、抗折和劈拉强度随纤维长度的增长呈递增趋势。掺入6 mm纤维砂浆基体的抗压、抗折、劈拉强度比未掺入纤维砂浆基体的抗压强度分别增加约26.5%、36.7%、32.4%；掺入12 mm纤维砂浆基体的抗压、抗折、劈拉强度提高最多，分别达到45.8 MPa、11.20 MPa和5.6 MPa，比未掺入纤维砂浆基体抗折、劈拉强度分别增加约44.5%、41.8%、51.4%。采用6 mm和12 mm混掺耐碱玻纤增强砂浆基体可提高增强效果，比6 mm耐碱玻纤单掺时的抗压、抗折和劈拉强度提高约10%，而与12 mm耐碱玻纤单掺时的对应强度值基本相当。假定混杂效应系数k＝f混／f单（f混为混掺时的基体强度；f单为单掺时的基体强度），则该系数基本大于1.0。可以认为，不同长度的纤维混杂后对砂浆力学性能的改善呈一定的正相关性。

图4 不同长度纤维增强砂浆抗压、抗折、劈拉强度变化规律

4 增强机理分析

在水泥基材料中掺入纤维，可明显改善砂浆的力学性能。纤维在砂浆中主要有填充密实、桥联搭接和握裹约束三种作用，使得砂浆的抗压、抗折和劈拉强度均有不同程度地提高。在砂浆基体中掺入纤维后，由于纤维的填充作用，使得砂浆基体在受压时更密实，而且由于纤维对其周围的砂浆颗粒也有一定的握裹约束作用，使得砂浆基体在压力作用下不易散开，抗压强度明显提高（本研究中提高幅度达30%）。砂浆基体中掺入纤维后使得其受拉边缘的极限抗拉强度有所提高，基体的抗裂能力明显增强；微裂缝产生后，由于基体中的纤维存在桥联作用，因而抗拉能力有效提高，抗折和劈拉试验时均呈现裂而不碎的延性特征，对应的抗折和劈拉强度明显提高（本试验中纤维增强砂浆基体的抗折和劈拉强度比未掺时分别提高约40%和50%）。此外，纤维长度增加，砂浆基体的力学性能改善效果趋于明显，这主要是长纤维的桥联作用和整体约束握裹能力都比短纤维好，本文中12 mm耐碱玻纤增强砂浆基体的强度比6 mm玻纤增强时提高约10%。混掺纤维的混杂效应大约呈正相关性，这主要是因为不同尺寸的纤维可针对基体不同的损伤情况和裂缝发展状态进行增强。

5 结论

在水泥基材料中掺入纤维，可明显改善基材的砂浆力学性能，通过对比不同长度纤维增强高性能砂浆的试验结果，有以下结论：

（1）基体中掺入纤维可以改善其脆性破坏的特征，其抗压、抗折和劈拉强度也会有相应地提高。采用5%的耐碱玻纤增强高性能砂浆后，其抗压、抗折和劈拉强度比未掺纤维时总体上可提高40%左右。

（2）基体中掺入纤维时，砂浆的抗压、抗折和劈拉强度随纤维长度的增长呈递增趋势。掺入6 mm耐碱玻纤的砂浆基体抗压、抗折、劈拉强度比未掺入纤维时分别增加约26.5%、36.7%和32.4%；掺入12 mm耐碱玻纤时，分别增加约44.5%、41.8%和51.4%。

（3）不同长度的纤维混杂后对砂浆力学性能的改善呈一定的正相关性。混掺6 mm与12 mm耐碱玻纤后，砂浆基体的力学性能比单掺6 mm玻纤时有明显提高，与单掺12 mm玻纤时大致相当，混杂效应呈正相关。