增強砂漿混凝土的彎曲性能

王莉英 王顯耀

0 引言

大量研究表明，均勻地將纖維摻入到水泥砂漿中可使其彎曲強度和阻裂作用明顯得到改善，其韌性可大大地提高。目前在大多數(shù)橋梁、隧道、公路等建筑中都廣泛采用。但對于不同的纖維改善砂漿混凝土的性能有所不同。鋼纖維為高彈纖維，一般高彈纖維增強增韌效果均較好，但價格昂貴;聚丙烯纖維為低彈纖維，增強增韌效果較差，但增動效果較好，而且價格便宜。因此，把這兩種纖維混雜起來加入混凝土中，從改善性能和從經(jīng)濟上考慮都是較合適的。

如果纖維含量相同，橫斷面尺寸也相同時，高彈纖維和低彈纖維對增強混凝土的彎曲特性是不相同的。作為高彈纖維(鋼纖維)增強砂漿混凝土的彎曲載荷—變形曲線如圖1a)所示;作為低彈纖維(聚丙烯纖維)增強砂漿混凝土的彎曲載荷—變形曲線如圖1b)所示。P0表示素砂漿的破壞載荷，Pcr和Pmax分別表示纖維增強砂漿混凝土的初裂載荷和最大載荷。圖1a)說明鋼纖維的摻入大大增強砂漿混凝土的初裂載荷，但是在最大載荷之后，鋼纖維從基體中拔出，在較小的變形下，載荷迅速減小。從圖1b)中可以看出聚丙烯纖維對砂漿混凝土的初裂載荷Pcr略高于素砂漿的破壞載荷P0，提高的數(shù)值遠不如鋼纖維那樣高，但是初裂之后，載荷緩慢地逐漸減少，表現(xiàn)出很好的延性。

基于上述這兩種纖維增強水泥砂漿的特點，本文試圖尋找一種復(fù)合材料，具有這兩種纖維增強砂漿混凝土所共有的優(yōu)點，通過大量試驗研究發(fā)現(xiàn)，將這兩種纖維按一定比例混合，就發(fā)揮了兩種纖維單獨增強砂漿混凝土的優(yōu)點，消除了它們各自的缺點，使初裂強度有所提高，而且初裂后的特性明顯的得到改善。在纖維束之間可以摻進水泥漿，增強了基體和纖維之間的粘結(jié)強度，防止纖維的拔出。

1 試驗方法與結(jié)果分析

按一定的比例將鋼纖維和聚丙烯纖維均勻分散到砂漿中，鋼纖維尺寸為0.3 mm×0.6 mm×25 mm。聚丙烯纖維一束為24根，單絲直徑20 μm，比重0.9，彈性模量5.6 GPa，抗拉強度438 MPa，把長絲剪斷為平均長度25 mm的短絲束。水∶水泥∶砂=0.5∶1∶2。試件尺寸:25 mm×50 mm×280 mm，成型的試件24 h脫模，然后在水中養(yǎng)護28 d。通過WDW-100微機控制電子萬能試驗機對試件進行試驗，用純彎曲加載方式加載。載荷—撓度曲線通過數(shù)據(jù)自動采集、記錄儀自動記錄。

圖1 典型的彎曲載荷—變形曲線

1.1 一種纖維對砂漿混凝土的影響

1.1.1 纖維含量對彎曲特性的影響

圖2a)是聚丙烯纖維增強砂漿混凝土的載荷—撓度曲線。圖2a)表明:初裂載荷隨纖維含量的增加而增加，幅度較小，但初裂后隨纖維含量的增加有很大的改善。當(dāng)含量為1.0%～2.5%范圍內(nèi)其最大載荷逐漸增加并超過初裂載荷。摻入聚丙烯纖維直到初裂幾乎完全是彈性，但初裂后承受載荷的能力不增加，載荷稍下降，然后隨著變形的增加，承受載荷的能力又繼續(xù)上升到最大載荷。圖2b)為鋼纖維增強砂漿混凝土的載荷—撓度曲線。圖2b)表明:初裂載荷和最大載荷均隨纖維含量的增加而明顯地增加。但最大載荷后，在較小的變形下載荷迅速下降，直到破壞。

圖2 纖維含量對彎曲特性的影響

1.1.2 加載速率的影響

不同加載速率下聚丙烯纖維增強砂漿混凝土和鋼纖維增強砂漿混凝土彎曲載荷—撓度曲線如圖3a)，圖3b)所示。兩種纖維隨加載速率的增加，初裂強度均有所提高，但初裂后的特性差別較大。聚丙烯纖維初裂后彎曲強度主要依賴于聚丙烯纖維的抗拉強度，所以，這種復(fù)合材料初裂后的彎曲特性將受聚丙烯纖維粘彈性的影響，彎曲強度隨加載速率的增加而增加。對于鋼纖維初裂載荷隨加載速率也有所提高，但初裂后載荷下降的更加迅速，最大載荷所對應(yīng)的變形也隨加載速率的增加而增加。

圖3 加載速率對彎曲特性的影響

1.2 混雜纖維對砂漿混凝土的影響

1.2.1 聚丙烯纖維含量對彎曲特性的影響

圖4是鋼纖維體積含量保持為1%，聚丙烯纖維體積含量從0.1%～2.5%變化曲線。

從圖4中可以發(fā)現(xiàn):

1)鋼纖維含量為1%時，初裂載荷隨聚丙烯纖維含量的增加而增加，且初裂載荷比單一纖維增強水泥砂漿的初裂載荷有所提高。其原因是在鋼纖維阻裂的基礎(chǔ)上由于聚丙烯纖維的加入更加增強了基體的阻裂能力從而增加了初裂載荷。

圖4 混雜纖維增強砂漿混凝土中聚丙烯纖維含量對彎曲特性的影響

圖5 加載速率對混雜纖維增強砂漿混凝土彎曲特性的影響

2)最大載荷隨纖維含量的增加而增加。最大載荷相應(yīng)的變形也隨纖維含量的增加而增加。由于聚丙烯纖維不易拔出，同鋼纖維共同作用使最大載荷有所增加。

3)最大載荷之后，載荷下降得比較緩慢，表現(xiàn)出很好的延性。這主要是聚丙烯束的延性好阻止了基體的開裂所至。

4)當(dāng)纖維含量達到2.5%時，初裂載荷和最大載荷均有所下降，載荷能保持在相對高點。由此可見，采用兩種纖維混雜增強砂漿的混凝土，明顯地克服了兩種纖維單獨增強混凝土砂漿時的缺點，大大地改善了脆性基體的性質(zhì)。

1.2.2 加載速率對彎曲特性的影響

圖5表示當(dāng)鋼纖維體積含量保持為1%，聚丙烯纖維體積含量保持為2%時，加載速率對彎曲特性的影響。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，初裂載荷和最大載荷隨加載速率的增加而增加，最大載荷相對應(yīng)的變形也隨加載速率的增加而增加。但在最大載荷后，隨加載速率的增加，在較小的變形下，載荷迅速減小。

因此，混雜增強水泥砂漿的強度和韌性在不同的部分充分顯示了各自的優(yōu)點，克服了它們的缺點，因此鋼纖維和聚丙烯纖維混雜增強水泥砂漿的強度和韌性是十分有前途的。

2 結(jié)語

將鋼纖維和聚丙烯纖維均勻地?fù)饺朐谏皾{中，能較好地改善其彎曲特性。通過試驗可得如下結(jié)論:

1)混雜纖維增強砂漿混凝土的初裂載荷比單一纖維增強砂漿混凝土初裂載荷有所提高。對于不同的纖維含量，初裂載荷將隨著纖維含量的增加而增加。

2)混雜纖維增強砂漿混凝土的最大載荷比單一纖維增強砂漿混凝土的最大載荷也有所提高，最大載荷相對應(yīng)的變形也有增加。

3)隨著聚丙烯纖維含量的增加，上述特點較為明顯。

4)最大載荷之后，彎曲載荷變形表現(xiàn)出了很好的延性，在很大的變形范圍內(nèi)，載荷降低得很少。

5)彎曲載荷—變形曲線受加載速率的影響很大，隨加載速率的增加，初裂后載荷—變形曲線會更加陡。

這兩種纖維增強砂漿混凝土表現(xiàn)出了很好的彎曲特性，消除了鋼纖維和聚丙烯纖維單獨增強砂漿混凝土的缺點，在房屋、橋梁、隧道、公路等建筑中有著十分廣闊的發(fā)展前景。

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