超高性能混凝土中纖維的界面效應及其與水泥基材的匹配性研究

王金歌

(廣東理工學院,肇慶 526000)

超高性能混凝土具有高強度、耐久性好、節(jié)約混凝土等特點,在建筑工程、隧道工程、橋梁工程和水運工程中得到廣泛的應用,可以應對惡劣工作環(huán)境,比如高溫、低溫、潮濕和腐蝕環(huán)境等[1,2]。由于超高性能混凝土的強度提高后,并沒有徹底解決其脆性大和易開裂等缺點,在傳統(tǒng)的超高性能混凝土中加入纖維材料,不僅可以填充水泥基體材料之間的微小孔隙,而且可以充分利用纖維材料的抗拉性能,在水泥石和粗集料之間的界面上形成剪應力和拉應力,達到增強增韌的目的,大大提高超高性能混凝土的抗裂縫性能和抗自收縮性能[3]。

有關纖維材料對超高性能混凝土水泥基材料增強和增韌的機理尚不明確,目前提出了眾多的解釋理論進行機理研究,主流的機理解釋模型主要有纖維間距理論、復合材料理論、能量釋放理論、界面應力傳遞理論等[4]。這些理論均存在各自的使用范圍和解譯的優(yōu)缺點,而通過室內(nèi)試驗解釋纖維材料與水泥基材之間的界面特性是最為行之有效的方法[5,6]?；诖?研究選用合適的超高性能混凝土材料,埋入纖維材料,形成復合增強超高性能混凝土,通過測試單纖維拔出試驗研究纖維和水泥基材料對界面黏結性能的影響。

1 試驗原材料與試驗方法確定

1.1 試驗原材料的確定

試驗選用的水泥基材原材料包括水泥、硅灰、礦渣、粉煤灰、粗骨料、細骨料、石英粉、減水劑和自來水,纖維原材料主要有不銹鋼纖維、束狀單絲聚丙烯纖維、短切絲碳纖維。其中,水泥采用廣東省內(nèi)某水泥廠生產(chǎn)的PII 52.5R硅酸鹽水泥,硅灰為Elkem國際貿(mào)易公司生產(chǎn)的硅灰,礦渣為廣東韶關鋼鐵集團生產(chǎn)的礦渣,粉煤灰為珠江電廠生產(chǎn)的一級粉煤灰,這些原材料的化學成分組成如表1所示,表1中的百分比均為質(zhì)量分數(shù)。水泥的初凝時間為120 min,終凝時間為160 min,勃氏比表面積為389 m2/kg,平均粒徑為24.80 μm;硅灰的密度為2.03 g/cm3,含硅量達到95%以上,BET比表面積為16 040 m2/kg,粒度分布為D10=0.16 μm,D50=0.24 μm,D10=0.77 μm;礦渣勃氏比表面積為436 m2/kg,密度為2.88 g/cm3,3 d活性指數(shù)為66%,7 d活性指數(shù)為83%,28 d活性指數(shù)為108%;粉煤灰45 μm篩余量為9.3%,需水比為85%,SO3含量為1.03%,燒失量為1.2%。

表1 超高性能混凝土水泥基材原材料化學成分組成 /%

原材料中的粗骨料為花崗巖碎石,5～16 mm單級配,表觀密度為2 640 kg/m3;細骨料為河沙,細度模數(shù)為2.8,密度為2.62 g/cm3;石英粉為超細河沙研磨石英粉,平均粒徑為10 μm,其SiO2含量大于99.9%;減水劑為高性能聚羧酸系減水劑。

1.2 試驗方法的確定

目前,用于評價纖維與水泥基體之間界面力學行為的方法很多,最為常用的試驗方法為單纖維拉拔試驗。具體試驗方法是先制作尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的超高性能混凝土水泥基試件,在水泥基體材料中一定深度埋入纖維。纖維沿著成型面法向埋入纖維,此時的纖維角度為0°,也可以調(diào)整纖維與0法線的夾角,形成單纖維拔出復合材料試樣。隨后在試驗基座上固定水泥基基體,使用特制的纖維拉拔夾具設備對纖維軸向施加軸向力,緩慢拔出埋在水泥基中的纖維,采用位移控制的方式加載,加載速率為0.1 mm/min,記錄拔出過程中纖維的荷載和位移,直到纖維從水泥基體中拔出。通過分析拔出纖維的荷載-位移曲線,得到界面平均剪切強度,如公式(1)所示[7-9]。

(1)

式中,τ為拉拔界面平均剪切強度,kPa;F為纖維拉拔極限荷載,kN;d為纖維的直徑,m;L為纖維的埋入長度,m。

2 不同纖維與超高性能混凝土水泥基材界面的黏結性能分析

圖1為3種不同類型纖維對超高性能混凝土水泥基材最大拔出荷載的試驗成果。纖維的長度均為30 mm,等效直徑均為0.7 mm,水泥基材選用了兩種不同的水泥凈漿,分別為P0.30C和P0.16C,水泥凈漿的配合比如表2所示。

從圖1中可以看出,不同類型的纖維,其抗拔荷載存在明顯的不同。在相同的水泥基材料條件下,不銹鋼纖維的抗拔荷載最大,束狀單絲聚丙烯纖維的抗拔荷載次之,且與不銹鋼纖維的抗拔荷載接近,短切絲碳纖維的抗拔荷載遠小于不銹鋼纖維和束狀單絲聚丙烯纖維。隨著水泥基體材料水膠比的降低,基體的強度增加,P0.16C的水泥基體強度大于P0.30C,不銹鋼纖維和束狀單絲聚丙烯纖維的抗拔荷載均隨著基體強度的增加而增加,短切絲碳纖維的抗拔荷載隨著基體強度增加變化不明顯。

表2 超高性能混凝土水泥基材配合比

圖2為3種不同類型纖維對超高性能混凝土水泥基材界面黏結強度試驗成果。從圖2中可以看出,與纖維類型對超高性能混凝土水泥基材料的抗拔荷載的影響一致,在相同的水泥基材料條件下,不銹鋼纖維的界面黏結強度最大,束狀單絲聚丙烯纖維的界面黏結強度次之,且與不銹鋼纖維的界面黏結強度接近,短切絲碳纖維的界面黏結強度遠小于不銹鋼纖維和束狀單絲聚丙烯纖維。隨著水泥基體材料水膠比的降低,基體的強度增加,P0.16C的水泥基體強度大于P0.30C,不銹鋼纖維和束狀單絲聚丙烯纖維的界面黏結強度均隨著基體強度的增加而增加,短切絲碳纖維的抗拔荷載隨著界面黏結強度增加變化不明顯。

3 不同纖維埋置深度對界面黏結強度的影響

試驗考慮了7種不同的埋置深度工況,埋置深度變化范圍為5～20 mm,埋置深度增量為2.5 mm。圖3為不同纖維類型、不同纖維埋置深度對超高性能混凝土水泥基材最大拔出荷載的試驗成果。從圖3中可以看出,隨著纖維埋置深度的增加,不銹鋼纖維的最大拔出荷載呈非線性增加,而束狀單絲聚丙烯纖維的最大拔出荷載呈近線性增加,短切絲碳纖維的最大拔出荷載的增幅可以忽略不計,不銹鋼纖維的最大拔出荷載的增速最大,束狀單絲聚丙烯纖維次之,短切絲碳纖維的最小;在相同的纖維埋置深度,不銹鋼纖維的最大拔出荷載最大,束狀單絲聚丙烯纖維次之,短切絲碳纖維的最小。

圖4為不同纖維類型、不同纖維埋置深度對超高性能混凝土水泥基材界面黏結強度的試驗成果。從圖4中可以看出,隨著纖維埋置深度的增加,不銹鋼纖維和束狀單絲聚丙烯纖維的界面黏結強度均呈線性減小,短切絲碳纖維的界面黏結強度增幅可以忽略不計,不銹鋼纖維和束狀單絲聚丙烯纖維的界面黏結強度降速大致相同;在相同的纖維埋置深度,不銹鋼纖維的界面黏結強度最大,束狀單絲聚丙烯纖維次之,短切絲碳纖維最小。

4 結 論

a.在相同的水泥基材料條件下,不銹鋼纖維的抗拔荷載最大,束狀單絲聚丙烯纖維的抗拔荷載次之,短切絲碳纖維的抗拔荷載遠小于不銹鋼纖維和束狀單絲聚丙烯纖維;不銹鋼纖維和束狀單絲聚丙烯纖維的抗拔荷載均隨著基體強度的增加而增加,短切絲碳纖維的抗拔荷載隨著基體強度增加變化不明顯;纖維類型對界面黏結強度的影響與抗拔荷載的變化一致。

b.隨著纖維埋置深度的增加,不銹鋼纖維的最大拔出荷載呈非線性增加,而束狀單絲聚丙烯纖維的最大拔出荷載呈近線性增加,短切絲碳纖維的最大拔出荷載的增幅可以忽略不計;在相同的纖維埋置深度,不銹鋼纖維的最大拔出荷載最大,束狀單絲聚丙烯纖維次之,短切絲碳纖維的最小。

c.隨著纖維埋置深度的增加,不銹鋼纖維和束狀單絲聚丙烯纖維的界面黏結強度均呈線性減小,短切絲碳纖維的界面黏結強度增幅可以忽略不計,不銹鋼纖維和束狀單絲聚丙烯纖維的界面黏結強度降速大致相同;在相同的纖維埋置深度,不銹鋼纖維的界面黏結強度最大,束狀單絲聚丙烯纖維次之,短切絲碳纖維的最小。