鍍銅鋼纖維水泥基復(fù)合材料強(qiáng)度影響因素分析★

瞿哲 沈偉 詹偉

(溫州大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，浙江溫州 325035)

一般的水泥基材料屬于脆性材料，它的抗拉、抗折強(qiáng)度較低，極限應(yīng)變小，抗沖強(qiáng)度差，脆性大，易開(kāi)裂，存在著嚴(yán)重的耐久性問(wèn)題，往往引發(fā)突發(fā)性且難以控制的建筑物破壞，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，通過(guò)在水泥基材料中摻入鋼纖維，強(qiáng)化韌化水泥，增強(qiáng)其力學(xué)性能，進(jìn)一步提高其阻裂能力和耐久性，是獲得高性能水泥基的有效途徑，是在水泥基中摻入適量的鋼纖維形成的一種高性能復(fù)合材料，其中的纖維材料可以約束水泥基料中裂縫的擴(kuò)展，使混凝土具有較高的抗拉和抗彎強(qiáng)度、良好的韌性及延性，它能克服一般水泥基材料脆性破壞的特點(diǎn)，因而對(duì)水泥基結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和變形能力的改善非常明顯。

普通的水泥基材料屬于脆性材料，通過(guò)在其中摻入鋼纖維能提高其韌性，從而提高力學(xué)性能。但同時(shí)，過(guò)量的摻入量也增加了其經(jīng)濟(jì)成本，降低了稠度，造成資源上和經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。材料中水泥用量對(duì)其強(qiáng)度提高也有顯著影響，而少量的水泥對(duì)強(qiáng)度提高程度較小，過(guò)量的水泥又會(huì)降低材料的韌性。

本研究旨在通過(guò)試驗(yàn)，大致得出一個(gè)具有良好力學(xué)性能、施工便利且具有較好經(jīng)濟(jì)效益的鍍銅鋼纖維水泥基復(fù)合材料的最優(yōu)配合比，發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證主要因素對(duì)材料整體性能的具體影響。之后再對(duì)配合比進(jìn)行細(xì)化試驗(yàn)，從而找到更為優(yōu)化的配合比，有利于鍍銅鋼纖維水泥基復(fù)合材料市場(chǎng)化和產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)查閱文獻(xiàn)和資料，選取鍍銅鋼纖維水泥基復(fù)合材料的最優(yōu)配合比，改變其中鋼纖維和水泥的摻量，進(jìn)一步討論水泥用量和鍍銅鋼纖維摻入量對(duì)材料強(qiáng)度影響的問(wèn)題。采用鍍銅鋼纖維水泥基復(fù)合材料混摻進(jìn)行研究，從水泥用量和鋼纖維摻入量?jī)蓚€(gè)主要因素出發(fā)，抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和稠度為考核指標(biāo)，采用對(duì)照方法進(jìn)行試驗(yàn)探討鍍銅鋼纖維水泥基復(fù)合材料的最優(yōu)摻入量。

1．1 試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)文獻(xiàn)和資料中得出的最優(yōu)摻入量，即水泥用量為400 kg/m3，鋼纖維摻入量為4%，普通砂用量為400 kg/m3，減水劑取得量為0．2%作為對(duì)照組，把水泥用量和鍍銅鋼纖維摻入量作為因素考慮。在以水泥用量為因素的實(shí)驗(yàn)組中，水泥用量取為300 kg/m3，350 kg/m3，400 kg/m3，450 kg/m3，500 kg/m3共 5 個(gè)水平，其中400 kg/m3作為對(duì)照組;在以鍍銅鋼纖維摻入量為因素的實(shí)驗(yàn)組中，鋼纖維摻入量取0%，2%，4%，6%，8%，10%共6個(gè)水平，其中2%作為對(duì)照組。水灰比固定為0．28，硅灰和粉煤灰用量作為水泥的替代材料，其用量均固定為水泥用量的15%，普通砂用量固定為水泥用量的100%，減水劑取得量固定為取膠凝材料總質(zhì)量的0．2%。根據(jù)試驗(yàn)因素及水平個(gè)數(shù)，選取表1安排試驗(yàn)。

表1 鍍銅鋼纖維水泥基復(fù)合材料對(duì)照試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果

1．2 結(jié)果與分析

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，可由對(duì)照分析得到兩個(gè)因素的影響程度。由圖1分析可知，水泥基材料的抗壓強(qiáng)度隨著水泥用量的增加而增加，但隨著水泥用量的加大，抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度減小，二者呈現(xiàn)二次型關(guān)系，其中 A1= －0．005，B1=0．468，C1= － 59．029。由圖2分析可知，水泥基材料的抗壓強(qiáng)度隨著鍍銅鋼纖維的摻入量增加而緩慢增加，增長(zhǎng)幅度比水泥組的增長(zhǎng)幅度小，二者呈二次型關(guān)系，其中 A2=－0．131 5，B2=2．576 5，C2=45．915。

由圖3分析可知，水泥基材料的抗折強(qiáng)度隨著水泥用量增加而增加，之后隨著用量增加而降低，二者呈現(xiàn)二次型關(guān)系，其中C1=－5E －05，D1=0．038 9，E1=－4．823 7。由圖4 分析可知，水泥基材料的抗折強(qiáng)度先隨著鍍銅鋼纖維的摻入量增加而增加，增加幅度在一定范圍內(nèi)達(dá)到最大之后增長(zhǎng)幅度減小。在0%～6%的摻量?jī)?nèi)，二者呈現(xiàn)二次型關(guān)系，其中 C2=0．077 4，D2= －0．041 8，E2=2．716 5，之后二者呈簡(jiǎn)單線(xiàn)性關(guān)系，其中斜率 F2=0．032 5，截距G2=5．02。

圖1 水泥組抗壓強(qiáng)度與水泥量的關(guān)系

由圖5分析可知，水泥基材料的稠度隨著水泥用量增加而基本不發(fā)生變化，二者呈現(xiàn)簡(jiǎn)單線(xiàn)性關(guān)系，其中斜率M1=0．004，截距N1=96．4。由圖6分析可知，水泥基材料的稠度隨著鍍銅鋼纖維的摻入量增加而逐步降低，二者呈現(xiàn)簡(jiǎn)單線(xiàn)性關(guān)系，其中斜率M2=－3．651 7，截距 N2=91．286。

鍍銅鋼纖維水泥基材料中，對(duì)抗壓強(qiáng)度起主要作用的是水泥，一定范圍內(nèi)的水泥用量保證水泥基材料的抗壓強(qiáng)度。超出這個(gè)范圍的水泥用量對(duì)材料抗壓強(qiáng)度提高影響較小，并且降低材料整體的韌性，從而導(dǎo)致抗折強(qiáng)度的降低。

圖3 水泥組抗折強(qiáng)度與水泥量的關(guān)系

圖4 纖維組抗折強(qiáng)度與鋼纖維量的關(guān)系

圖5 水泥組稠度與水泥量的關(guān)系

圖6 纖維組稠度與鋼纖維量的關(guān)系

對(duì)材料抗折強(qiáng)度起主要作用的是鍍銅鋼纖維，且材料的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均隨著鋼纖維摻入量的增加而增加，其中，抗折強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)隨著鍍銅鋼纖維摻入量的增加而有了明顯的提高，主要是因?yàn)閾饺氲匿摾w維極大提高了材料的韌性，在抗折過(guò)程中，纖維自身、纖維與纖維之間以及纖維與水泥基材料的結(jié)合均參與到了受力變形中，且鋼纖維本身抗拉強(qiáng)度大，受力過(guò)程中鋼纖維極大的抗拉強(qiáng)度得到了充分利用，從而使材料的抗拉強(qiáng)度增加。但是隨著鋼纖維用量的增加，部分鋼纖維沒(méi)有參與到抗折受力中，導(dǎo)致全部鋼纖維沒(méi)有得到充分利用，這點(diǎn)與土木工程中的超筋梁的情況類(lèi)似。在抗壓過(guò)程中，雖然鍍銅鋼纖維有限制裂縫產(chǎn)生的能力，但是試樣豎向受壓時(shí)，鋼纖維起到的限制橫向變形的作用沒(méi)有受拉時(shí)表現(xiàn)明顯，所以對(duì)提高材料的抗壓性能影響較小。在鍍銅鋼纖維水泥基材料中，水泥用量的增加基本不會(huì)改變材料的稠度，但是隨著鋼纖維摻入量的增加，材料的稠度整體降低，當(dāng)摻量較大的時(shí)候，水泥基材料出現(xiàn)流動(dòng)困難的情況。

2 結(jié)語(yǔ)

本論文在考慮多個(gè)因素的情況下，旨在研究一種具有良好力學(xué)性能、施工便利且具有經(jīng)濟(jì)效益的鍍銅鋼纖維水泥基復(fù)合材料，通過(guò)研究得到結(jié)論如下:

1)水泥基材料中，對(duì)力學(xué)性能影響最大的是其水泥用量和鍍銅鋼纖維摻入量。一定量的水泥能夠保證材料具有良好的抗壓強(qiáng)度，但強(qiáng)度的增加幅度隨著水泥用量增加而減少，而且會(huì)降低材料的韌性，從而導(dǎo)致抗折強(qiáng)度的降低。因?yàn)樗嗟挠昧繉?duì)于研制良好性能的水泥基材料來(lái)說(shuō)，是必須得到控制的因素;

2)鍍銅鋼纖維的摻入量增加度水泥基的抗壓強(qiáng)度有較低幅度的增加，但在一定范圍內(nèi)對(duì)材料的抗折強(qiáng)度有明顯的提高作用。超出一定范圍的鋼纖維雖然能增加材料的力學(xué)強(qiáng)度，但是增長(zhǎng)幅度有明顯降低。因而從經(jīng)濟(jì)效益上考慮，材料中的鋼纖維摻入量應(yīng)該得到控制;

3)鍍銅鋼纖維水泥基材料的稠度并不隨著水泥用量的變化而有明顯改變，但會(huì)隨著鋼纖維摻入量的增加有明顯降低。當(dāng)鋼纖維摻入量過(guò)大時(shí)，材料整體稠度較低，同時(shí)難以流動(dòng)，從施工方面考慮應(yīng)盡量避免。通過(guò)本研究，主要得出鍍銅鋼纖維水泥基材料中各個(gè)因素對(duì)材料的力學(xué)性能和稠度等方面的影響，大致得出一個(gè)具有良好力學(xué)性能、施工便利且具有經(jīng)濟(jì)效益的鍍銅鋼纖維水泥基復(fù)合材料的最優(yōu)配合比，并試驗(yàn)證明兩個(gè)主要因素對(duì)材料整體的具體影響。之后可以對(duì)配合比進(jìn)行細(xì)化試驗(yàn)，從而找到更為優(yōu)化的配合比，有利于鍍銅鋼纖維水泥基復(fù)合材料市場(chǎng)化和產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用。

［1］李長(zhǎng)風(fēng)，劉加平，劉建忠，等．鋼纖維分布的表征及對(duì)水泥基材料拉伸行為的影響［J］．東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，40(Z2):84-88．

［2］戎志丹，孫 偉，張?jiān)粕?，等．鋼纖維摻量和應(yīng)變率對(duì)超高性能水泥基復(fù)合材料層裂的影響［J］．解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，10(6):542-547．

［3］李 丹，李昭業(yè)，曹 慧，等．纖維增強(qiáng)水泥基建筑材料的研究現(xiàn)狀［J］．建設(shè)科技，2011(6):89．

［4］李長(zhǎng)風(fēng)，劉加平，劉建忠，等．鋼纖維分布的表征及對(duì)水泥基材料拉伸行為的影響［J］．東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，40(Z2):84-88．

［5］翁偉飛．公路橋梁施工中的鋼纖維混凝土技術(shù)的應(yīng)用分析［J］．城市建設(shè)理論研究(電子版)，2012(9):8-9．