超韧水泥基复合材料力学性能试验研究

赵刚 李暾

（1中交铁道设计研究总院有限公司，北京 100088；2中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075）

0 引言

普通混凝土由于其原材料分布广、成本低、抗压强度高、拌合物具有一定的可塑性等优点，使其成为一种用途最广、而且非常重要的工程材料。但是，混凝土固有的脆性、受荷后容易开裂等缺点限制了它的进一步扩大应用。在水泥基材中添加长径比适宜、均匀分布的纤维是增强韧性，控制裂缝发展的有效方法。

目前的纤维增强水泥基复合材料主要有两类，但是都有其自身的缺陷。11 Fiber Reinforced Cementitious Composites，简记为FRC。虽然能够改变混凝土的脆性，但是其纤维掺量过高，需要高频振动才能密实，施工工艺复杂，限制其推广应用；22 Engineered Cementitious Composites，简记为ECC，虽然具有优异的力学性能和良好的耐久性，但是其力学性能不稳定，而且ECC所用的纤维为国外生产，使得ECC造价偏高，不适合工程的大量应用。因此，研发一种低掺量、价格低廉的国产纤维增强水泥基复合材料很有必要。

1 原材料选择

1.1 基体材料的选择

水泥：冀东牌P.O 42.5普通硅酸盐水泥。

粉煤灰：采用Ⅱ级粉煤灰，比表面积为655m2/kg，密度为2.43g/m3。

石英砂：采用70～140目石英砂。

水：西安市生活饮用水。

外加剂：增稠剂、减水剂。

1.2 纤维的选择

一般情况下，超韧水泥基复合材料在纤维的选取上要符合下列要求：

1）高抗拉强度。纤维的抗拉强度至少要为基材的100倍以上；

2）高杨氏模量。纤维的杨氏模量比基材大的越多，则在荷载的作用下纤维发挥的作用越大；

3）高变形能力。纤维的极限延伸率需比基材高10倍以上，但是也不能高太多，否则会造成纤维过早从基材中脱离，纤维的作用未能完全发挥；

4）低泊松比。纤维的泊松比应小于0.40；

5）高粘结强度。基材与纤维的界面粘结强度需超过1MPa；

6）适宜的长径比。纤维掺入基体中要起到明显的增韧效果需其长度与直径的比大于临界值；

7）纤维体积掺量确定。纤维在基材中的掺量需满足下例两个条件

其中：Efc—复合材料的杨氏模量；

εu m—水泥基材的极限应变值；

σu f—纤维的抗拉强度；

Vf—纤维的体积率；

Vm—水泥基材的体积率；

σu m—水泥基材的抗拉强度；

因此，试验选取的纤维参数见表1。

表1 纤维材料性能

2 搅拌工艺

搅拌工艺直接影响纤维在基体中的分散性，进而影响到纤维增强水泥基复合材料的力学性能，本文通过对比几种不同的搅拌工艺，最后确定如下工艺为最优搅拌方法。设置到手动搅拌，开动搅拌机干拌5分钟，等其混合均匀后加水湿拌5分钟，接着将纤维和外加剂均匀的添加到搅拌锅中，搅拌5分钟后将叶片和锅壁上的浆体刮入料斗内继续搅拌10分钟，使其搅拌均匀。

3 流动度测试

流动度是衡量水泥基材料和易性、流动性的一个重要指标。当水灰比不变时，其值的大小取决于水泥的质量、细度等特性，也就是说水泥的水化需水量越大，则剩余用于保证流动性的水量就越少，流动度就越低。流动度用水泥基材料在流动桌上铺开的正交两个方向的平均直径（mm）表示，是控制水泥基复合材料性能的一种简单而实用的指数。本实验测试的纤维掺量分别为1.6%、2%、2.3%的聚丙烯纤维增水泥基复合材料流动度分别190mm、180mm、165mm，而且粘聚性和保水性均顺次降低。这可以用沈荣熹及Krenchel等人总结的纤维在单位体积中的根数N、表面积FSS及纤维的平均间距之间的相互作用解释，公式如下：

式中：

N—单位体积中纤维的根数；

lf—每根纤维长度（mm）；

Vf—纤维体积率；

Af—每根纤维的横截面；

FSS—单位体积复合材料中纤维的表面积；

df—纤维的直径；

S—纤维平均中心间距。

这是由于纤维的无序分布，形成空间网络结构，将水泥浆体包裹在其中，限制了浆体流动进而影响其整体的流动性。同时，纤维加入的越多，单位体积中纤维的根数就越多、比表面积也就越大，需包裹纤维表面所用的水泥浆就要越多，因此，随着纤维掺入基体中数量的增加，其流动度逐渐降低的。因此，纤维的掺量必须控制在界限掺量范围之内。

4 抗压强度测试

采用立方体试件，每组3个试件，试件各边长均为70.7mm。立方体抗压强度计算公式如下：

式中：fm cu,—立方体试件抗压强度（MPa）；

Nu—破坏荷载（KN）；

A—承压面积（mm2）。

表2 抗压强度测试结果

图1 抗压破坏形态对比

图1左侧为普通混凝土抗压破坏形态，右侧为聚丙烯纤维增强水泥基复合材料抗压破坏形态。由图可以看出，普通混凝土试件在达到峰值荷载后，先出现细小裂缝，逐步扩大，最后破裂，响声很大，呈脆性破坏。聚丙烯纤维增强水泥基复合材料在荷载达到峰值荷载时，没有明显的裂缝，然而在继续加载后，由于纤维的作用，变形继续增加，施加的外部荷载能够保持在某一数值而不是突然下降，同时在荷载施加的过程中会发出吱吱的被压碎的声音，最后多条裂缝逐渐变宽，承载能力下降。同时，聚丙烯纤维增强水泥基复合材料的抗压曲线有完整的上升段和下降段，而普通混凝土却没有测试出下降段，主要是因为试验机的刚度不足，在普通混凝土达到最大荷载破坏后，试验机的支撑钢柱突然回缩将试块压坏，因此测试不出混凝土的下降段，但是聚丙烯纤维增强水泥基复合材料达到最大荷载后，出现细小裂缝并逐步扩大，但跨越裂缝的纤维能够阻止其一直开裂，而且在其相邻的薄弱地方出现新的裂缝，继续承受荷载，包括支撑钢柱突然回缩的荷载，因此，聚丙烯纤维增强水泥基复合材料能够在普通的试验机上测出完整的荷载-历程曲线。

5 抗弯性能测试

试验选用薄板进行抗弯试验，薄板尺寸为400mm×100mm×15mm，试验一共制作两组试件，第一组为聚丙烯纤维增强水泥基复合材料，纤维体积率分别为1.6%、2%、2.3%，第二组为玄武岩纤维增强水泥基复合材料，纤维体积率分别为1.6%、2%、2.3%。

1）抗弯性能测试试件加载（示意见图2）。

2）实验结果

由上图可以看出，纤维体积率为1.6%、2.0%、2.3%的玄武岩纤维增强水泥基复合材料的的挠度分别为8.1mm、8.6mm、9.2mm。纤维体积率为1.6%、2.0%、2.3%的聚丙烯纤维增强水泥基复合材料的的挠度分别为29.2mm、35.6mm、31.2mm。这是由于当纤维的体积率在界限体积率范围内时，随着纤维掺量的提高，纤维桥联作用就越充分，基体材料出现裂缝后，荷载由基材转为横跨裂缝的纤维承受，与裂缝相交的纤维越多，纤维所发挥的拉拔力越大，基体的裂缝开展就会被抑制，而在其相邻处开裂，即“多缝开裂”。由于“多缝开裂”的形成，复合材料的抗弯韧性就会大大的提高。但是聚丙烯纤维的增韧效果要比玄武岩纤维好，这是因为实验所用玄武岩纤维为国内生产的某厂纤维，虽然经过特殊处理，但是纤维仍是束状，当纤维加入到水泥基体材料中后，搅拌过程中并不能把呈束的纤维分散为单丝状，这对试件硬化后的各项力学性能产生不利影响。而本实验中所用的国内某型号的聚丙烯纤维表面经过了特殊处理，其实验结果表明，经过特殊处理的聚丙烯纤维其分散性及与水泥基之间的粘结性能够完全满足配制超高韧性水泥基复合材料的要求，并且其合理的纤维体积配筋率为2%。

图2 四点抗弯加载实验

图3 四点抗弯实验结果

3）超韧水泥基复合材料多缝开裂模型

与普通混凝土一裂即断的破坏形态相比，超韧水泥基复合材料表现出超高的韧性。大概可以分为四个阶段：1）弹性阶段：此范围内纤维与基体共同承受荷载，但前者承力的比例显著低于后者，当基体材料出现第一条裂缝时此阶段结束，这时应力达到开裂强度点；2）多缝开裂及开展阶段：第一条裂缝出现后，由于纤维的桥梁作用，基体材料将应力传递给纤维，纤维承力后再由纤维将应力传递给相邻未开裂的基体，纤维与基体间应力的往复传递使得试件产生大量的细密裂缝，位移和荷载都能持续增加，当基体中不再有新的裂缝出现时，该范围结束；3）裂缝开展阶段：新的裂缝不会在此阶段出现，在荷载基本不变的情况下细密裂缝逐步开展，因而试件的跨中挠度继续增大，表现出很高的韧性，试件从某一最薄弱裂缝处迅速开始破坏时此阶段结束。4）局部破坏阶段：这时最薄弱处的裂缝迅速开展，承载力急剧下降，试件破裂面上纤维大多拔出，此阶段结束，试件破坏。

6 结语

本文通过国产原材料成功研制出了四点抗弯挠度达35.6mm的超高韧性纤维增强水泥基复合材料，大大降低了超韧水泥基复合材料的造价，其大量推广应用后具有重要的经济效益和社会意义。