嚴(yán)國輝

（中水興鋒盈控股有限公司，福建省福州市 350001）

1 研究背景

由于混凝土材料具有良好的可塑性、耐久性和取材容易等優(yōu)勢，是當(dāng)前水工建設(shè)領(lǐng)域的主要建筑材料之一，具有不可替代的重要意義和作用[1]。但是，混凝土的缺點也是十分明顯的，主要是本身的自重較大，抗拉強(qiáng)度較低，因此抗裂性能較差。正是上述諸多缺陷的限制，影響到其在水工建筑物領(lǐng)域的作用和優(yōu)勢發(fā)揮。因此，研究具有優(yōu)良性能的新型混凝土就成為水工材料界的重要課題。其中，各種有機(jī)和無機(jī)纖維在改善混凝土抗裂性能方面具有顯著的作用，是新型水工混凝土研究的重要方向[2]。

聚丙烯纖維是目前纖維混凝土領(lǐng)域使用最廣泛的合成纖維，其抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到260—420MPa，在混凝土中具有良好的分散能力和水泥基體的握裹力[3]。同時，這種纖維不溶于水，不會和常見的酸堿材料及有機(jī)溶劑發(fā)生反應(yīng)，具有良好的穩(wěn)定性和耐久性，將其添加進(jìn)水工混凝土，可以有效改善其抗拉強(qiáng)度和抗沖擊能力，防止凝固過程中塑性收縮裂縫的產(chǎn)生，在改善混凝土性能方面具有重要作用[4]。在纖維混凝土承載荷載時，混凝土材料基體可以通過材料的界面過渡區(qū)將荷載傳遞給纖維，如果界面的粘結(jié)力較弱，較小的荷載就會導(dǎo)致纖維拔出；而粘結(jié)性能較強(qiáng)時纖維會被直接拉斷，均無法發(fā)揮纖維的韌性增強(qiáng)作用[5]。目前，學(xué)者們對纖維水泥基復(fù)合材料的研究多聚集在宏觀力學(xué)性能上，對纖維與基體的界面粘結(jié)性能研究較少由此可見，界面的粘結(jié)性能是影響聚丙烯纖維混凝土材料性能的主要因素之一。粉煤灰是火電廠的副產(chǎn)品，在混凝土中摻入一定量的粉煤灰，不僅可以取代一部分水泥，降低混凝土的工程成本，顯著改善混凝土的物理和力學(xué)性能，還可以發(fā)揮出一定的環(huán)境和生態(tài)效益。目前對于水泥基復(fù)合材料界面粘結(jié)性能的研究主要聚焦于鋼纖維，對聚丙烯粗纖維與基體間的界面粘結(jié)性能研究較少。本文以聚丙烯粗纖維的拔出試驗為基礎(chǔ)，以探究粉粉煤灰摻量對纖維水泥基復(fù)合材料界面粘結(jié)性能的影，以便為工程應(yīng)用提供必要的支持。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

此次試驗使用的是遼寧省本溪市宏達(dá)水泥有限公司出品的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其表觀密度為3.16g/cm3，初凝和終凝時間為196min和255min，細(xì)度模數(shù)為1.9%，3d抗壓和抗折強(qiáng)度為別為20.3MPa和5.1MPa，28d抗壓和抗折強(qiáng)度分別為48.2和8.2MPa。試驗中使用的粉煤灰為唐山市熱電廠生產(chǎn)的符合國家I級標(biāo)準(zhǔn)的粉煤灰，其表觀密度為2.3g/cm3，堆積密度為0.77g/cm3，細(xì)度模數(shù)為8.5%，需水量為88%，燒失量為3.5%。

試驗中使用的聚丙烯纖維為天津東方建材有限公司出品，其密度為0.91g/cm3，長度為19mm，直徑為0.018mm，彈性模量為3.3GPa，抗拉強(qiáng)度為365MPa，斷裂延伸率為27.2%。試驗用粗骨料為人工石灰?guī)r碎石，其粒徑為5—25mm級配良好。試驗用細(xì)骨料為河沙，細(xì)度模數(shù)為3.0—2.3。試驗用水為普通自來水。試驗用外加劑為衡陽九州建材有限公司出品的FDN-D型高效減水劑，屬于低引氣型減水劑。

2.2 試件制作

試驗中的聚丙烯纖維混凝土按照水工建筑中常用的C30混凝土為基準(zhǔn)進(jìn)行材料的配合比設(shè)置[6]。為了研究粉煤灰摻量的影響，設(shè)計了0%、10%、20%、30%等4種不同的粉煤灰對水泥材料的取代率進(jìn)行試驗[7]。聚丙烯纖維混凝土的配置按照普通混凝土性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T50080-2002進(jìn)行。首先將人工分散聚丙烯纖維和粗骨料加入攪拌機(jī)攪拌60s，然后加入細(xì)骨料和1/3的水?dāng)嚢?0s，再加入水泥和1/3的水?dāng)嚢?0s，加入粉煤灰和1/3的水?dāng)嚢?0s，最后加入減水劑攪拌60s拌制完成。將拌制好的混凝土裝入100mm×100mm×100mm的立方體試模，然后在振動臺上振搗密實。將澆筑好的混凝土試塊在原地靜置24h后拆模，在同一編號之后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

2.3 試驗方法

鑒于單纖維單面拔出試驗的操作比較簡單，因此在試驗中參照《鋼纖維混凝土試驗方法》（CECS13：2009）中的相關(guān)要求，利用單纖維單面拔出試驗進(jìn)行。試驗中采用的5kN的拉力試驗儀器。在試驗過程中，首先將達(dá)到設(shè)計養(yǎng)護(hù)齡期的試件取出，在自然通風(fēng)條件下晾7d，然后將試件放下試驗儀器的底座上，并使用2個C形夾具將試件固定好。然后開始試驗，并記錄好相應(yīng)的數(shù)據(jù)，在試驗結(jié)束之后即可根據(jù)試驗數(shù)據(jù)獲得荷載-位移曲線。由于聚丙烯纖維在試驗過程中會因為受力產(chǎn)生變形，造成材料界面的粘結(jié)強(qiáng)度分布不均[8]。為了簡化計算，研究中利用峰值荷載和纖維的初始埋深計算界面粘結(jié)強(qiáng)度的均值。其計算公式如下：

其中，τ為界面粘結(jié)強(qiáng)度均值，MPa；fck為峰值荷載，kN；d為聚丙烯纖維直徑，mm；l為纖維埋入深度，mm。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 荷載-位移曲線

對4種不同粉煤灰摻量的試件進(jìn)行單纖維單面拔出試驗，對試驗結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行整，獲得如表1所示的荷載-位移關(guān)系。由表中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)粉煤灰摻量為10%和20%的情況下，聚丙烯纖維在峰值荷載后的拔出階段出現(xiàn)了滑移硬化行為，而粉煤灰摻量為30%的情況下，聚丙烯纖維在峰值荷載后的拔出階段出現(xiàn)的則是滑移軟化行為。

3.2 峰值荷載與峰值應(yīng)變

根據(jù)試驗結(jié)果繪制出聚丙烯纖維在基體中拔出時的峰值荷載與峰值應(yīng)變隨粉煤灰摻量的變化曲線，結(jié)果分別如圖1和圖2所示。由圖中的結(jié)果可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，聚丙烯纖維在基體中拔出時的峰值荷載與峰值應(yīng)變均呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢。由此可見，在聚丙烯纖維混凝土中摻入一定量的粉煤灰可以有效提升聚丙烯纖維和水泥基體之間的界面粘結(jié)性能。具體來看，當(dāng)粉煤灰摻量為10%和20%時，其峰值荷載分別為124.3MPa和129.7MPa，與不摻加粉煤灰的方案相比，分別提升了約4.45%和8.99%。如果進(jìn)一步增加粉煤灰的摻量，界面的粘結(jié)性能反而呈下降趨勢。例如，當(dāng)粉煤灰摻量為30%時，其峰值荷載為108.3MPa，與不摻加粉煤灰的方案相比，下降了約9.58%。從峰值應(yīng)變的變化曲線來看，其與峰值荷載基本相同，當(dāng)粉煤灰摻量為20%時峰值應(yīng)變值最大。由此可見，當(dāng)粉煤灰摻量為20%時可以獲得最佳界面粘結(jié)性能。

圖1 峰值荷載隨粉煤灰摻量變化曲線

圖2 峰值應(yīng)變隨粉煤灰摻量變化曲線

表1不同粉煤灰產(chǎn)量荷載-位移試驗數(shù)據(jù)

3.3 拔出吸能

對不同粉煤灰摻量下的聚丙烯纖維拔出過程中的能量吸收指數(shù)進(jìn)行計算，根據(jù)計算結(jié)果繪制出如圖3所示的能量吸收指數(shù)變化曲線。由圖可以看出，DEA、FEA和PEA三個能量指數(shù)隨著粉煤灰摻量的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢，當(dāng)粉煤灰摻量為10%時，DEA、FEA和PEA三個指數(shù)與未摻加粉煤灰的工況相比，分別增加了約7.4%、14.1%和12.1%；當(dāng)粉煤灰摻量為20%時能量吸收指數(shù)達(dá)到最大，DEA、FEA和PEA三個指數(shù)與未摻加粉煤灰的工況相比，分別增加了約20.2%、20.4%和20.3%。當(dāng)粉煤灰摻量為30%時，DEA、FEA和PEA三個指數(shù)與未摻加粉煤灰的工況相比，分別減小了約15.6%、30.3%和21.4%。由此可見，當(dāng)粉煤灰摻量為20%時可以獲得最佳界面粘結(jié)性能。

圖3 能量吸收指數(shù)隨粉煤灰摻量變化曲線

4 結(jié)論

此次研究通過室內(nèi)試驗的方式，探討和分析了粉煤灰摻量對聚丙烯纖維混凝土材料界面粘結(jié)性能的影響，獲得的主要結(jié)論如下：

1）當(dāng)粉煤灰摻量小于20%時，拔出階段出現(xiàn)了滑移硬化行為，否則出現(xiàn)的是滑移軟化行為。

2）隨著粉煤灰摻量的增加，聚丙烯纖維在基體中拔出時的峰值荷載與峰值應(yīng)變均呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢，當(dāng)粉煤灰摻量為20%時峰值荷載與峰值應(yīng)變值最大。

3）DEA、FEA和PEA三個能量吸收指數(shù)隨著粉煤灰摻量的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢，粉煤灰摻量為20%時的能量吸收指數(shù)值最大。

3）綜合研究成果，粉煤灰摻量為20%時可以獲得最佳界面粘結(jié)性能，可以為工程應(yīng)用提供借鑒。