纖維水泥基復(fù)合材料彈性模量的試驗(yàn)測量方法

王子國，羅小均，劉輝

(吉首大學(xué)城鄉(xiāng)資源與規(guī)劃學(xué)院，湖南 張家界，4270000)

摘要：彈性模量是衡量混凝土材料性能的重要參數(shù)之一，其大小反映了抵抗彈性形變能力的強(qiáng)弱.對(duì)鋼纖維增強(qiáng)混凝土和摻聚丙烯腈纖維的橡膠砂漿的彈性模量及抗壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果表明，超短鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度和后期彈性模量較短鋼纖維混凝土有明顯提升，摻有聚丙烯腈纖維的橡膠砂漿的彈性模量降低明顯，改善了橡膠砂漿的韌性和變形能力.

關(guān)鍵詞：彈性模量；橡膠砂漿；鋼纖維；混凝土；聚丙烯腈纖維

文章編號(hào)：1007-2985(2015)05-0068-03

收稿日期：2015-05-26

基金項(xiàng)目：吉首大學(xué)大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014103)；湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014293)；國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目(201410531006)

作者簡介：王子國(1982—)，男，湖南永州人，吉首大學(xué)城鄉(xiāng)資源與規(guī)劃學(xué)院教師，主要從事新型疊層復(fù)合材料及其預(yù)應(yīng)力研究.

中圖分類號(hào)：TU508文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

DOI:10.3969/j.cnki.jdxb.2015.05.015

彈性模量是衡量混凝土材料性能的重要參數(shù)之一，其大小反映了混凝土抵抗彈性變形能力的強(qiáng)弱，也是計(jì)算混凝土結(jié)構(gòu)變形、裂縫開展和溫度應(yīng)力所必須的參數(shù)之一[1-2].減輕建筑材料自重并提高其韌性一直是人們所關(guān)注的熱點(diǎn).鋼纖維混凝土為改善混凝土的韌性開辟了道路，橡膠砂漿解決了自重大、廢物重新利用的問題[3-7].鋼纖維混凝土是將鋼纖維摻入混凝土中形成的一種復(fù)合材料，與普通混凝土相比，具有抗壓、抗彎、抗剪等特點(diǎn)，能夠降低混凝土的脆性，改善其抗裂性能、韌性、沖擊性以及耐久性能[8-9].目前國內(nèi)關(guān)于對(duì)聚丙烯纖維在混凝土中的增強(qiáng)作用的研究較多，而聚丙烯腈纖維具有更高的彈性模量和抗拉強(qiáng)度，其對(duì)橡膠砂漿性能的影響有待進(jìn)一步研究.筆者通過試驗(yàn)對(duì)鋼纖維混凝土和橡膠砂漿的彈性模量以及不同齡期橡膠砂漿和加聚丙烯腈纖維的橡膠砂漿相關(guān)值進(jìn)行測試，得到一系列結(jié)論，對(duì)于研究相關(guān)新型混凝土復(fù)合材料具有一定的借鑒價(jià)值.

1　試驗(yàn)材料

(1)膠凝材料.湖南省張家界市南方水泥有限公司生產(chǎn)的PO 42.5水泥，密度為3 100 kg/m3；湖南湘潭電廠提供的Ⅱ級(jí)粉煤灰，密度為2 400 kg/m3；湖南婁底漣源煉鋼廠提供的礦渣微粉，密度為2 700 kg/m3.

(2)骨料.砂(本地河沙，細(xì)度模數(shù)2.60，表觀密度2.639×103kg/m3)，細(xì)砂(細(xì)度模數(shù)1.86，表觀密度2.622×103kg/m3)，粗骨料(采用張家界石灰?guī)r碎石，表觀密度2.727×103kg/m3)，橡膠粉(50目廢棄輪胎橡膠粉，表觀密度1.167×103kg/m3)，鋼纖維(短鋼纖維，長48 mm；超短鋼纖維，長13 mm)，聚丙烯腈纖維(強(qiáng)度250~400 MPa,彈性模量3~8 GPa,密度1.17 g/cm3).

(3)外加劑.江蘇蘇博特聚羧酸系高效減水劑(質(zhì)量分?jǐn)?shù)17%).

2　試驗(yàn)方法

2.1 混凝土與橡膠砂漿配合

混凝土的試驗(yàn)室配合比見表1.其中DF組為短鋼纖維，CF組為超短鋼纖維，各組水膠比相同，均為0.28.橡膠砂漿配合比見表2，水膠比均為0.64.

表1　混凝土試驗(yàn)配合比( V=1 m 3)

表2　砂漿配合比( V=1 m 3)

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

(1)根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)所采用的方法，測試混凝土在靜力受壓條件下的抗壓強(qiáng)度及彈性模量.在試驗(yàn)過程中，測定混凝土立方體抗壓強(qiáng)度時(shí)采用150 mm×150 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)試件，每組3塊，取3個(gè)試件的平均值作為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度.

以指定壓應(yīng)力(1/3軸心抗壓強(qiáng)度)時(shí)的加荷割線彈性模量為混凝土的彈性模量，采用150 mm×150 mm×300 mm棱柱體標(biāo)準(zhǔn)試件，每組3個(gè)，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果.試件按標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，分別對(duì)DF和CF組鋼纖維混凝土在50 d齡期的抗壓強(qiáng)度和彈性模量進(jìn)行測量分析.

(2)砂漿的彈性模量在實(shí)際工程中的應(yīng)用不多，對(duì)其測定方法的研究比較少.砂漿的變形較大，強(qiáng)度相對(duì)較低，將千分表安裝在試件上，測定其受壓過程中的變形，誤差較少.因此，目前對(duì)砂漿彈性模量的測定大都采用千分表法.測定砂漿彈性模量的標(biāo)準(zhǔn)試件為棱柱體，其尺寸為100 mm×100 mm×300 mm，加荷速度為0.5~1.5 kN/s，試驗(yàn)標(biāo)距采用100 mm.每次試驗(yàn)制備6個(gè)試件，其中3個(gè)用于測定軸心抗壓強(qiáng)度，另外3個(gè)用于測定彈性模量.試驗(yàn)儀器選用多功能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，磁性表座和千分表等.

3　試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量

混凝土各項(xiàng)測試試驗(yàn)結(jié)果如表3所示.

表3　混凝土各項(xiàng)測試試驗(yàn)結(jié)果

圖1　混凝土彈性模量與養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系曲線

從表3可以看出：短鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量較基本混凝土分別高21.3%，10.1%.這主要由于短鋼纖維在混凝土中的分布雜亂無章，阻礙裂縫開展，提高了混凝土的承載力和開裂后的延展性.超短鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度最高，較基本混凝土高30.5%，彈性模量高7.7%.究其原因，主要由于超短鋼纖維克服了一般短鋼纖維易結(jié)團(tuán)的特點(diǎn)，其纖維的數(shù)目很多且分布廣泛而均勻.同時(shí)由于超短鋼纖維的邊壁效應(yīng)，能有更多的纖維與粗骨料界面相交，可以有效地阻止平行于界面的初裂縫的發(fā)展.在受壓破壞過程中，基本混凝土呈現(xiàn)脆性破壞.2種鋼纖維混凝土在受壓破壞時(shí)有大量的裂縫呈現(xiàn)出來，但試件并不剝裂和破碎，整體性好，表現(xiàn)出了“藕斷絲連”的現(xiàn)象.

由圖1可以看出，在養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)，相比短鋼纖維混凝土，超短鋼纖維混凝土的彈性模量稍低，但抗壓強(qiáng)度較高.隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，超短鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量均比短鋼纖維混凝土提高快，特別是彈性模量出現(xiàn)顯著的增長，養(yǎng)護(hù)50 d時(shí)超短鋼纖維混凝土的彈性模量比短鋼纖維混凝土提高約11.6%.

3.2 橡膠砂漿的抗壓強(qiáng)度和彈性模量

橡膠砂漿抗壓強(qiáng)度和彈性模量試驗(yàn)結(jié)果如表4所示.橡膠砂漿和纖維橡膠砂漿試件在加載過程中均表現(xiàn)出沿中部鼓出、軸向壓縮的試驗(yàn)現(xiàn)象，當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí)，裂縫不明顯，需要持續(xù)一段時(shí)間后裂縫才逐漸擴(kuò)散.卸載后，試件出現(xiàn)一定程度上的形狀和裂縫恢復(fù)，試件基本保持完整.

表4　橡膠砂漿抗壓強(qiáng)度和彈性模量試驗(yàn)結(jié)果

由表4可以看出，加入聚丙烯腈纖維的橡膠砂漿與基準(zhǔn)橡膠砂漿的抗壓強(qiáng)度相當(dāng)，但是彈性模量降低了6.9%.在試驗(yàn)過程中，摻聚丙烯腈纖維的橡膠砂漿裂縫出現(xiàn)較緩慢，說明三維亂向分布的有機(jī)纖維可以抑制較低外力作用下的裂縫開展，提高材料的韌性.纖維橡膠砂漿彈性模量的降低可以使砂漿的變形能力增強(qiáng).在沖擊作用下，可以通過中間層砂漿變形吸能，保持面層整體性.

4　結(jié)論

(1)鋼纖維的摻入能明顯提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量，其中超短鋼纖維對(duì)抗壓強(qiáng)度和短鋼纖維對(duì)彈性模量的增強(qiáng)效果最好.

(2)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，相比短鋼纖維混凝土，超短鋼纖維混凝土的彈性模量和抗壓強(qiáng)度提高更快.

(3)加入橡膠粉的砂漿實(shí)現(xiàn)了廢物的重新利用，能夠有效地減輕水泥基材料的自重，適合應(yīng)用在需較大變形的層間吸能材料中.

(4)加入聚丙烯腈纖維的橡膠砂漿，由于三維分布的有機(jī)纖維限制了裂縫開展，大大提高了材料的韌性.

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Experimental Study on the Modulus of Elasticity of Fibers Reinforced

Cement-Based Composite Materials

WANG Ziguo,LUO Xiaojun,LIU Hui

(Department of Civil Engineering,College of Resources and Planning Sciences，

Jishou University，ZhangJiajie 427000，Hunan China)

Abstract:Experimental study was conducted to investigate the modulus of elasticity and compressive strength of the steel fiber reinforced concrete and the polyacrylonitrile fiber reinforced rubber mortar.Results showed that compared with the short steel fiber reinforced concrete，the micro steel fiber reinforced concrete had a higher compressive strength and post modulus of elasticity.The incorporation of polyacrylonitrile fiber into rubber mortar can reduce the modulus of elasticity of the rubber mortar but improve its toughness and deformability.

Key words:modulus of elasticity;rubber mortar;steel fiber;concrete;polyacrylonitrile fiber

(責(zé)任編輯陳炳權(quán))