陳洪文

(中交一航局第一工程有限公司，天津300456)

水泥基材料發(fā)展至今已有近200年的歷史，現(xiàn)已成為當(dāng)今世界應(yīng)用最廣泛的人造建筑材料。但是水泥基材料本身固有的缺陷［1］—較低的抗拉、抗彎強(qiáng)度以及較差的抗裂性等限制了其優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮。纖維相對(duì)于水泥基材料可以認(rèn)為是一種高彈模材料，依靠其與基體之間的界面吸附粘結(jié)力、機(jī)械齒合力等，可增大材料抵抗塑性開(kāi)裂的抗拉強(qiáng)度，延遲基體開(kāi)裂，甚至不出現(xiàn)開(kāi)裂［2］。本文通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試?yán)w維砂漿塑性抗拉強(qiáng)度，研究鋼纖維和聚丙烯纖維對(duì)水泥砂漿塑性階段抗拉強(qiáng)度的影響機(jī)理。

1 原材料與試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)水泥采用中國(guó)水泥廠生產(chǎn)的海螺牌P.O42.5水泥。細(xì)骨料為中砂，細(xì)度模數(shù)為2.6。粗骨料為5mm～25mm連續(xù)級(jí)配石子。水為清潔飲用水。纖維使用聚丙烯纖維:長(zhǎng)度1.2cm，直徑12.7μm，密度0.91g/cm3，彈性模量3.5GPa，抗拉強(qiáng)度500 ～600MPa;鋼纖維:長(zhǎng)度35cm，密度7.8g/cm3，彈性模量210GPa，抗拉強(qiáng)度400～1100MPa。砂漿配合比如表1所示。

表1 水泥砂漿配合比 /kg

圖1 馬一平等測(cè)試水泥砂漿塑性抗拉強(qiáng)度裝置示意圖［3］

本文參考同濟(jì)大學(xué)馬一平等［3］人測(cè)試水泥砂漿塑性抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法，裝置如圖1所示。本試驗(yàn)先使用八字模成型水泥砂漿，再將成型的各組試件連同模具置于統(tǒng)一的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)。待接近2h(由各組加水拌合時(shí)間起)，拆除八字模。此時(shí)水泥漿體因已發(fā)生水化反應(yīng)近2h，漿體變稠且拆模后不易變形。將塑性試件移至試驗(yàn)平臺(tái)的玻璃板上，玻璃板已清潔并涂油以減小摩擦阻力。用水泥砂漿粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)用拉伸夾具約束住試件一半，另一半用兩個(gè)直尺沿試件腰部固定住。在拉伸夾具上系上棉線，棉線另一端系上砂筐，棉線與試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)角處置一光滑的圓柱形桿件作支撐過(guò)渡，以減少棉線與試驗(yàn)臺(tái)的摩擦力，同時(shí)調(diào)整桿件高度以使棉線與拉伸夾具水平平行，以把砂筐的重力完全轉(zhuǎn)化為對(duì)夾具的拉力。將砂子勻速倒入筐內(nèi)，當(dāng)試件斷裂時(shí)，停止加砂，取下砂筐稱(chēng)量砂子和砂筐的總質(zhì)量m1。然后再用拉伸夾具約束住另一半試件，將砂子勻速倒入砂筐，當(dāng)這一半試件移動(dòng)時(shí)取下砂筐，用臺(tái)稱(chēng)稱(chēng)量此時(shí)砂子和砂筐的總質(zhì)量m2。二者相減得到的(m1-m2)重量即為試件的拉荷載。測(cè)量砂漿斷裂面積，用拉荷載除以斷面面積即可得到砂漿的抗拉強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

各組水泥砂漿塑性抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表2和圖2所示。由結(jié)果可見(jiàn):(1)從加水時(shí)刻算起，存在一個(gè)以4h為分界的點(diǎn)。4h之前基準(zhǔn)砂漿和纖維砂漿塑性抗拉強(qiáng)度均較低且發(fā)展緩慢;4h之后砂漿塑性抗拉強(qiáng)度快速增長(zhǎng)。根據(jù)試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，4h對(duì)應(yīng)的正好是砂漿由塑性到硬化的轉(zhuǎn)變點(diǎn)，4h之前砂漿漿體在受力過(guò)程中發(fā)生明顯變形，砂漿處于塑性階段;4h之后砂漿漿體斷面無(wú)明顯延伸現(xiàn)象，漿體已硬化。

表2 各組水泥塑性抗拉強(qiáng)度

圖2 各組水泥砂漿塑性抗拉強(qiáng)度與齡期關(guān)系

(2)在4h之前，纖維砂漿的抗拉強(qiáng)度高于基準(zhǔn)砂漿;在4h之后，纖維砂漿的抗拉強(qiáng)度均低于基準(zhǔn)砂漿，這對(duì)應(yīng)著砂漿由塑性狀態(tài)到硬化狀態(tài)的變化過(guò)程。根據(jù)復(fù)合材料理論［4］，纖維砂漿的抗拉初裂強(qiáng)度由基體砂漿強(qiáng)度、纖維抗拉強(qiáng)度、纖維體積率和纖維有效系數(shù)決定。在圖2中所示4h齡期之前，即水泥砂漿處于塑性階段，砂漿基體抗拉強(qiáng)度很小，纖維的摻入一方面可提高砂漿的稠度，增加砂漿基體的黏結(jié)性;一方面纖維在砂漿基體中亂向分布，纖維與基體的界面粘結(jié)性能強(qiáng)于基體較小的抗拉強(qiáng)度，纖維承擔(dān)了一部分拉應(yīng)力，此時(shí)纖維的摻入提高了砂漿的抗拉強(qiáng)度［5］。隨著齡期發(fā)展，水泥砂漿逐漸硬化，砂漿基體強(qiáng)度逐漸增大，纖維與基體之間的界面粘結(jié)性能也逐漸改善。因此在4h齡期之后，纖維水泥砂漿的抗拉強(qiáng)度的提高主要來(lái)自于基體強(qiáng)度的增長(zhǎng)，纖維與基體的界面性能的改善速率弱于基體強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度。此時(shí)纖維成為復(fù)合材料中薄弱相，當(dāng)纖維的增強(qiáng)效果弱于基體強(qiáng)度，纖維將導(dǎo)致水泥砂漿抗拉強(qiáng)度地下降。

(3)由圖2可以看出，在4.5h之后水泥砂漿抗拉強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度減緩，而纖維砂漿的增長(zhǎng)幅度有所增長(zhǎng)。這說(shuō)明在經(jīng)過(guò)基體強(qiáng)度快速增長(zhǎng)后，纖維將重新對(duì)砂漿抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生正面促進(jìn)作用。而且隨著纖維與基體界面性能地發(fā)展，破壞斷面的纖維將不是全部被拔出，部分纖維在后期可能被拉斷。

(4)比較2種纖維對(duì)水泥砂漿抗拉強(qiáng)度的影響可發(fā)現(xiàn)，在各個(gè)齡期，鋼纖維對(duì)水泥砂漿抗拉強(qiáng)度的增強(qiáng)效果強(qiáng)于聚丙烯纖維。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是鋼纖維抗拉強(qiáng)度和彈性模量均遠(yuǎn)高于聚丙烯纖維。同時(shí)通過(guò)計(jì)算可得，聚丙烯纖維和鋼纖維在砂漿中的體積率分別為0.17%和0.77%，單位體積內(nèi)鋼纖維的數(shù)量明顯多于聚丙烯纖維。根據(jù)復(fù)合材料理論，此時(shí)鋼纖維因其具有較大的體積率而對(duì)水泥砂漿抗拉強(qiáng)度具有更大的促進(jìn)作用。

3 結(jié)論

纖維對(duì)砂漿早期抗拉強(qiáng)度的影響過(guò)程表現(xiàn)為三個(gè)階段:第一階段是塑性階段，纖維可提高砂漿的抗拉強(qiáng)度;第二階段是砂漿初步硬化后，纖維的摻入降低了砂漿的抗拉強(qiáng)度;第三階段是在硬化到一定程度后，纖維對(duì)砂漿抗拉強(qiáng)度的促進(jìn)作用再次表現(xiàn)出來(lái)。纖維對(duì)砂漿早期塑性抗拉強(qiáng)度影響主要由砂漿基體抗拉強(qiáng)度以及纖維與基體界面粘結(jié)性能改善相對(duì)作用決定。在常用摻量下，由于鋼纖維為具有更高抗拉強(qiáng)度和彈性模量以及體積率，鋼纖維水泥砂漿在塑性階段抗拉強(qiáng)度高于聚丙烯纖維水泥砂漿。

［1］ 姚武，封志輝.聚丙烯纖維對(duì)水泥砂漿干縮開(kāi)裂的影響［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2006，9(3):357-360.

［2］ 姚武.鋼纖維高強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能研究［J］.新型建筑材料，1999(10):18-19.

［3］ 馬一平，朱蓓蓉，談慕華.水泥砂漿塑性抗拉強(qiáng)度與收縮開(kāi)裂的關(guān)系［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2003，6(1):20-24.

［4］ 徐至鈞.纖維混凝土技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

［5］ Parviz Soroushian，Siavosh Ravanbakhsh.Control of plastic shrinkage cracking with specialty cellulose fibers［J］.ACI Materials Journal，1998，95(4):429-435.