环保高性能纤维水泥基本力学性能研究

韩 煦

（黑龙江省生态环境厅，黑龙江 哈尔滨 150090）

近年来，各类水泥材料已广泛应用于国家基础建设，随之而来，水泥材料在工程建设中也出现了较多问题，主要有两方面：一是在极限荷载条件下的脆性破坏力强，例如建筑物中的脱落、破碎现象都与混凝土的低韧性有直接联系。二是在正常工作状态下，混凝土中的裂纹出现扩展现象，导致有害离子的浸入，引发混凝土被破坏。在实际施工过程中，混凝土的脆性和开裂是导致其无法充分发挥力学性能的原因。因此，水泥材料的结构耐久性、使用寿命、维护费用等都是影响水泥材料结构在工程施工中应用的决定性因素。研究学者们通过在水泥中增添新兴的环保高性能纤维材质，实现了对普通水泥材料的脆性优化。但目前并没有相关的理论研究证明环保高性能纤维水泥的各项基本力学性能的具体表现。针对这一问题，文章开展了对环保高性能纤维水泥基本力学性能研究。

1 环保高性能纤维水泥抗拉性能

环保高性能纤维水泥的最大基本力学性能是抗拉性能。图1为掺入3%的环保高性能纤维水泥在单轴拉伸条件下典型应力与应变关系曲线图。

图1 环保高性能纤维水泥典型应力与应变关系曲线

由图1中的各项数据可知，环保高性能纤维水泥在单轴拉伸的作用下，其应变可达10%，而普通混凝土在单轴拉伸的作用下应变未达到0.02%时就已经出现被破坏的现象。并且环保高性能纤维水泥试件在达到自身极限抗拉强度后产生的裂缝宽度最大为75μm，表示裂缝宽度极小，因此，抗拉性能更优于普通混凝土材料。

同时，在单轴拉伸过程中，环保高性能纤维水泥最开始的裂缝出现在最大初始缺陷位置上，而后续又根据缺陷尺寸，以从大到小的顺序不断产生新的裂缝，最后初始裂缝会贯通整个界面，形成一条更大的裂缝，而环保高性能纤维水泥试件的承载能力也随之快速下降，再立刻恢复到基本水平，在裂缝中的纤维材料对整个试件起到桥接的作用，使环保高性能纤维水泥的传力性并未因裂缝的形成而降低。通过重复进行单轴拉伸作用，环保高性能纤维水泥试件上会形成基本均匀分布的多条细密裂缝，且每条裂缝之间的宽度也大体相同。并且，多条裂缝的形成也使试件从宏观角度的拉应变力增加了近百倍，裂缝内部的纤维材质提供的桥联应力已不能满足使试件内部产生新的裂缝，各裂缝均处于饱和状态，以此再继续增加其荷载，不会产生新的裂缝，只会将原本存在的裂缝宽度增加，直到试件中某一裂缝发生扩展现象，环保高性能纤维水泥中的纤维材料被拔出或扯断，导致试件最终断裂损坏。环保高性能纤维水泥中纤维材质的体积掺量可根据需要发生变化，纤维材质的体积掺量计算公式为：

公式1中，V表示环保高性能纤维水泥中纤维材质的体积掺量；表示缓冲因数；N表示临界面上的摩擦应力；d表示纤维材质的横截面直径；l表示纤维材质的总长度；m表示纤维材质在到达最大桥接应力时产生的归一化裂纹的张开宽度；W表示纤维材质在摩擦脱粘过程中产生的能量损失。公式1中，纤维材质的桥接应力与裂纹张开时的宽度m存在如下力学关系：

通过相关实验也可证明，当纤维材质的体积掺量为3%时，环保高性能纤维水泥及其复合材料的极限拉应变可达到0.8%，是普通水泥材质及其复合材料的80倍。当水胶比为0.38时，环保高性能纤维水泥的极限拉应变会增加到最大，可达4.7%，并且对应其抗拉强度可达3.5MPa。

2 环保高性能纤维水泥抗压性能

环保高性能纤维水泥的抗压性能与高强度的混凝土材质相似。图2为环保高性能纤维水泥抗压强度与龄期之间的关系曲线图。

图2 环保高性能纤维水泥抗压强度与龄期之间的关系

采用水灰比为0.47的环保高性能纤维水泥进行抗压强度检测。粉煤灰与水泥的质量比为2∶4，环保高性能纤维水泥中混有纤维材质的体积掺量为3%，环保高性能纤维水泥的尺寸选用64mm×142mm的圆柱体时，通过检测，得到如图2所示的检测结果。通过图2中的各项数据可知，环保高性能纤维水泥在前期的抗压强度增加曲线升高幅度最大，在其23d时可达到48MPa，随着龄期的增长，其抗压强度的曲线增长趋势逐渐缓慢，说明其抗压强度增加变得迟缓，最终在100d时，其抗压强度最高可达76MPa。

再对10d、30d和100d龄期的掺有粉煤灰的环保高性能纤维水泥材料进行抗压强度检测，采用水胶比为0.38、胶砂比为3.6的环保高性能纤维水泥试件，并保证其粉煤灰与水泥材质的质量比为2.3和3.4，水泥中纤维材质的平均长度为6mm，等效直径为48μm，纤维材质体积掺量为1.52%，得到的检测结果如表1所示。

表1 不同粉煤灰掺量对试件抗压强度的影响

由表1中的数据可以看出，在10d、30d和100d龄期的环保高性能纤维水泥进行不同粉煤灰掺量检测时，环保高性能纤维水泥的抗压强度会随着粉煤灰掺量的增加而降低，因此，环保高性能纤维水泥的抗压强度与粉煤灰掺量之间存在一定的反比例关系，粉煤灰对于环保高性能纤维水泥的抗压强度具有不利影响。

再对2d、4d、12d和24d龄期的环保高性能纤维水泥采用水胶比为0.38、胶砂比为2.48的环保高性能纤维水泥试件进行检测。试件中粉煤灰与水泥材质的质量比为2.4，纤维材质的长度为15mm，等效直径为42μm，纤维材质的体积掺量为1.58%。检测结果表示，2d、4d、12d和24d龄期的抗压强度分别可达到35.0MPa、41.8MPa、48.9MPa和54.9MPa。由该检测结果可以看出，在2d龄期的环保高性能纤维水泥抗压强度已能满足桥梁建筑中桥面板的32MPa设计要求，有利于提升桥梁建设施工速度。

3 环保高性能纤维水泥弯曲性能

环保高性能纤维水泥的应变硬化现象，不仅存在于本文上述提出的单轴拉伸作用中，同时，也体现在其弯曲性能中，在四点弯曲作用下的环保高性能纤维水泥能够表现出明显的应变硬化现象。利用四点弯曲作用对混有钢纤维材质的水泥和环保高性能纤维水泥的弯曲性能进行测试。采用水胶比为0.25，对钢纤维材质水泥和环保高性能纤维水泥进行配制，其中钢纤维材质的体积掺量为2.4%、环保高性能纤维材质的体积掺量为3.5%，根据相关的标准配制规定对其配制。由检测结果可得，对于混有钢纤维材质的水泥而言，弯曲应力在达到峰值之前会呈快速上升状态，当达到峰值后便逐渐降低，峰值状态下的跨中挠度为0.5mm；对于环保高性能纤维水泥而言，弯曲应变在达到峰值前以缓慢的速度上升，在这一过程中，环保高性能纤维水泥中逐渐产生了较多裂缝，峰值状态下的跨中挠度为8.2mm。因此，通过检测结果总结出，环保高性能纤维水泥的弯曲强度更大，是钢纤维材质水泥弯曲强度的2.0倍。

再采用普通硅酸盐水泥对水灰比为0.42、胶砂比为3.5的环保高性能纤维水泥进行检测。保证环保高性能纤维水泥中纤维的长度为7.24mm和13.43mm，纤维材质体积掺量为3.58%，环保高性能纤维水泥的尺寸为46.2mm×46.2mm×203.4mm，得到的检测结果如表2所示。

表2 环保高性能纤维水泥弯曲强度与韧性对照

表2中，A、B1和C表示标准的养护环境，B2表示处于水中的养护环境。韧性表示材料荷载与挠度曲线包络的总面积。由表2中的数据可得出，环保高性能纤维水泥的弯曲强度在最早期的龄期时呈显著降低的状态，在水中养护可进一步提升中长龄期时环保高性能纤维水泥的弯曲强度，但对于短期龄期时不利。同时，纤维长度增加，环保高性能纤维水泥的韧性也会随之增加，因此，长纤维材质对于环保高性能纤维水泥的韧性十分有利。环保高性能纤维水泥对龄期的变化不敏感。

通过对两种水胶比的环保高性能纤维水泥材料四点弯曲的弯曲性能进行对比研究，采用43.4R普通硅酸盐水泥，水胶比分别为0.36和0.58的水泥砂浆试件，其中，环保高性能纤维水泥的纤维材质长度为10mm，等效直径为25μm，整体形状为长直形，纤维材质的体积掺量为2.10%，研究结果得出，在50d龄期内，环保高性能纤维水泥的弯曲强度与水胶比之间存在一定的反比例关系，弯曲强度会随着水胶比的增加而降低。

4 环保高性能纤维水泥断裂性能

通过对普通材质水泥、钢纤维材质水泥、环保高性能纤维水泥进行断裂性能对比检测，其中普通材质水泥与钢纤维材质水泥的水灰比可达0.37，环保高性能纤维水泥的水灰比可达0.12；钢纤维材质水泥中的纤维体积掺量可达2.3%，环保高性能纤维水泥的纤维体积掺量可达6.5%。通过检测结果可得出，经过长达42d的养护，环保高性能纤维水泥的断裂性能最高，是普通材质水泥的160倍，是钢纤维材质水泥的7.9倍。

再对环保高性能纤维水泥进行四种不同纤维材质体积掺量的检测，采用普通硅酸盐水泥，其水灰比为0.38的环保高性能纤维水泥，纤维材质长度为10.8mm，等效直径为24mm，形状为矩形，纤维材质体积掺量分别设置为0.6%、1.2%、2.4%和4.8%。将环保高性能纤维水泥截取尺寸为450mm×483mm×40mm的矩形立方体。检测结果表明，环保高性能纤维水泥中掺有纤维体积掺量分别为0.6%、1.2%、2.4%和4.8%时，其断裂性能分别可达9.7kJ/m2、14.2kJ/m2、28.5kJ/m2、35.9kJ/m2。因此，由检测结果可得，断裂性能会随着纤维材质体积掺量的增加而增加，且增长速度呈缓慢的上升趋势。

再对四种纤维材质体积掺量的环保高性能纤维水泥断裂性能进行研究，采用普通硅酸盐水泥，对水胶比为0.28、胶砂比为1.2的环保高性能纤维水泥试件，试件中纤维材质的长度保证在14mm左右，等效直径约为95μm，分别向其中掺加纤维材质体积掺量分别为0、0.85%、1.25%和2.50%，得到的研究结果如表3所示。

表3 不同纤维掺量对环保高性能纤维水泥断裂性能的影响

由表3中的结果可看出，针对同种纤维材质的体积掺量，环保高性能纤维水泥的断裂性能会随着龄期的增加而增加。而对于同一龄期，环保高性能纤维水泥的断裂性能会随着纤维材质的体积掺量增加而增加。

5 结语

通过本文对环保高性能纤维水泥各项基本力学性能的研究得出，在相同水胶比、纤维材质体积掺量的条件下，环保高性能纤维水泥与普通材质水泥、钢纤维材质水泥相比，抗拉性能、抗压性能、弯曲性能和断裂性能都具有明显优势。但由于研究能力有限，本文只针对小尺寸试件的力学性能进行研究，并未对相应配比的结构构件，例如梁、板、柱等结构进行研究。因此，今后还将更深入研究这一方面的问题。