邱豐實(shí)，余昭陽(yáng)，楊元全

聚乙烯纖維增韌對(duì)水泥基復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度的影響

邱豐實(shí)1，余昭陽(yáng)2，楊元全2

（1. 遼寧省石油化工規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000； 2. 沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110158）

普通混凝土因脆性大，韌性差和易開裂等缺點(diǎn)導(dǎo)致其在工程中應(yīng)用受限，本文主要采用聚乙烯纖維（PVA）改善水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能，研究了粉煤灰摻量、纖維體積率和水膠比對(duì)聚乙烯纖維增韌水泥基復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度的影響。研究結(jié)果表明，隨著PVA纖維體積率的增加，試件的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，當(dāng)纖維體積率由1.0%提升至1.5%時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度提升速率最快；隨著粉煤灰摻量的增加，試件的抗壓強(qiáng)度逐漸下降；高水膠比可以增加水泥基復(fù)合材料工作性能，但同時(shí)會(huì)降低水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能，相比與水膠比0.26的試件，水膠比為0.28的試件抗壓強(qiáng)度下降了11.1%。

聚乙烯纖維；粉煤灰；纖維體積率；水膠比；抗壓強(qiáng)度

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在建設(shè)工程中廣泛應(yīng)用，從近代開始，由水泥制備成的各類，多用途建筑材料已經(jīng)成為主流使用的建設(shè)工程材料之一。我國(guó)“十四五”規(guī)劃已明確大量的工程建設(shè)項(xiàng)目[1]，其中主要為交通、水利和能源項(xiàng)目，截止到2022年，各地披露的已開工重大項(xiàng)目投資規(guī)模超1.2萬(wàn)億。但是傳統(tǒng)混凝土自身延性差，在遭受極端荷載時(shí)，會(huì)發(fā)生脆性破壞，同時(shí)，也因其耐久性差等原因使其缺乏可持續(xù)性。

一些科研工作者在攪拌過程中加入或混入一定體積分?jǐn)?shù)聚合物纖維，以此來(lái)提高混凝土的延性，由于這些纖維其自身屬性并不具備較高的延性，經(jīng)大量試驗(yàn)證明: 纖維混凝土的極限拉伸應(yīng)變大約不會(huì)超過0.05%[2]，但相對(duì)普通混凝土來(lái)說，它的抗裂能力和韌性有了一定程度的提升，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)及大量工程應(yīng)用，其確實(shí)可提升基體韌性，但是在遭受到重荷載的條件下，基體開裂仍無(wú)法控制。為了更好解決此問題，20世紀(jì)中后期，科研人員開始對(duì)纖維增韌水泥基復(fù)合材料進(jìn)行研究，一些學(xué)者在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)合成纖維可有效提升水泥基復(fù)合材料的性能[3-4]，同時(shí)提出了纖維間距理論，但均未涉及增韌機(jī)理的分析，直至20世紀(jì)80年代，以聚丙烯和鋼纖維為主要纖維的高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料出現(xiàn)，此材料具備良好的應(yīng)變硬化特性和明顯多縫開裂特征，并且廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中[5-10]。然而，結(jié)合目前的研究現(xiàn)狀來(lái)看，國(guó)內(nèi)的纖維增韌水泥基復(fù)合材料起步較晚，經(jīng)過了十幾年的發(fā)展，一些科研人員相繼制備出具有明顯應(yīng)變硬化特性的水泥基復(fù)合材料，并取得了一系列的進(jìn)步和發(fā)展，但纖維增韌水泥基復(fù)合材料的研究仍處于初步階段，還需要進(jìn)行大量的研究。本研究主要采用聚乙烯纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（PVA-FRCC），研究粉煤灰摻量、水膠比和纖維體積率對(duì)水泥基復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度的影響。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥采用沈陽(yáng)冀東水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥；石英砂作為填充料，細(xì)度模數(shù)4.8，表觀密度1 650 kg/m3；聚乙烯纖維直徑0.039 mm，長(zhǎng)度12 mm，密度1.3 g/cm3，抗拉強(qiáng)度1 620 MPa，彈性模量42.8 GPa；礦物摻合料采用沈陽(yáng)沈海熱電廠生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，化學(xué)成分見表1。

表1 粉煤灰化學(xué)成分/%

2.2 配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)中粉煤灰替代硅酸鹽水泥量分別為50%、60%和70%，水膠比為0.26，纖維體積摻量分別為0.5%、1%、1.5%和2%，砂率為0.35，具體配合比見表2。

表2 試驗(yàn)配合比

2.3 試驗(yàn)方法

抗壓試件參照《JGJ/T 70—2009建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》制備和養(yǎng)護(hù)，試件尺寸70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。將達(dá)到養(yǎng)護(hù)期的試件使用打磨機(jī)對(duì)試件的受漿面進(jìn)行打磨，保證試件表面光滑無(wú)破損，采用YE—2000E型壓力機(jī)對(duì)試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。根據(jù)《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》JGJ/T70—2009P71，PVA—FRCC立方體試件的抗壓強(qiáng)度按下式計(jì)算立方體抗壓強(qiáng)度按照式（1）計(jì)算：

—換算系數(shù)，取1.35；

N— 試件破壞荷載，N；

—試件承壓面積，mm2。

3 結(jié)果與討論

3.1 纖維體積率對(duì)PVA-FRCC抗壓強(qiáng)度的影響

無(wú)論P(yáng)VA-FRCC應(yīng)用在何處，其抗壓強(qiáng)度始終是重要參數(shù)之一，所以對(duì)PVA-FRCC抗壓強(qiáng)度的研究是十分必要的，本小節(jié)研究了不同纖維摻量對(duì)PVA-FRCC抗壓強(qiáng)度的影響。

由圖1可知：試件置于受壓板中心后即刻開始加載，在加載的過程中，試件隨著受壓荷載的增加不斷出現(xiàn)“嗞嗞”聲，這是基體內(nèi)部纖維被拉斷的聲音。4組試件中只有U2和U7保持了良好的完整性，U5和U6在受壓過程中，橫向裂縫較大，而且貫穿整個(gè)試件，由此可知，纖維體積率為1.0%和0.5%時(shí)基體內(nèi)部的纖維不足以發(fā)揮其本身的橋接作用，在受到荷載時(shí)，基體內(nèi)纖維直接斷裂，只有少數(shù)纖維承擔(dān)壓力，隨著荷載增大微裂縫未向兩側(cè)拓展，而是直接貫穿試件。U5和U6的破壞模式為脆性破壞，整體性略差。相比于U5和U6，U2和U7未出現(xiàn)較大裂紋和明顯的脆性破壞，當(dāng)纖維體積率提升至1.5%時(shí)，試件的抗壓韌性得到了很好的改善，由貫穿裂縫轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄶?shù)細(xì)小裂紋，隨著荷載增加，在試件表面產(chǎn)生第一條微裂縫時(shí)，由于纖維在內(nèi)部發(fā)揮橋接作用，微裂紋得以控制。纖維體積率提升至2.0%時(shí)，相比于U7，U2的裂紋更加細(xì)小，細(xì)小的纖維在基體中猶如短鋼筋一樣承接著力的傳導(dǎo)，試件破壞后仍保持著良好的完整性。U2的裂縫更加細(xì)密，無(wú)序分布的纖維產(chǎn)生的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使得PVA-FRCC內(nèi)部裂縫得到約束，試件具有良好的受壓韌性。

圖2 纖維體積率對(duì)PVA-FRCC抗壓強(qiáng)度的影響

由圖2可知，隨著PVA纖維體積率的增加，試件的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，相比于U5，U6和U7試件的抗壓強(qiáng)度分別提升了13.9%和40.3%，而相比U7的試件，U2的抗壓強(qiáng)度提高了14.4%，當(dāng)纖維體積率由1.0%提升至1.5%時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度提升速率最快，相比于U6的抗壓強(qiáng)度，U7的抗壓強(qiáng)度提升了23.2%，可見，纖維體積率在1.5%以上時(shí)，纖維對(duì)基體的增韌效果較好，由此分析，在基體與纖維特性合適的情況下，PVA纖維體積率小，其橋聯(lián)力小于開裂力，纖維無(wú)法承擔(dān)開裂應(yīng)力，最終導(dǎo)致纖維被提前拉斷，橫向裂縫貫穿整個(gè)試件，從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，U2和U7的平均抗壓均強(qiáng)度超過40?MPa, PVA纖維體積率高，基體可發(fā)揮的橋聯(lián)力就大，試件表面僅有少許細(xì)微裂縫且裂縫長(zhǎng)度和寬度也小于U5和U6組。

3.2 粉煤灰摻量對(duì)PVA-FRCC抗壓強(qiáng)度的影響

粉煤灰是一種綠色材料，其為火電廠燃燒煤粉的副產(chǎn)物，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用到建筑材料中，采用粉煤灰替代水泥來(lái)制備PVA-FRCC可以使試件更好的發(fā)揮應(yīng)變硬化特性。本小節(jié)采用粉煤灰替代水泥，替代量為50%、60%和70%，每組替代量制作三個(gè)試件，測(cè)試其抗壓強(qiáng)度。

圖3 不同粉煤灰摻量下試件的破壞形態(tài)

從圖3中可以看出，除粉煤灰摻量為50%（U3）外，粉煤灰摻量為60%（U1）和70%（U2）試件的完整性較好，隨著荷載的增大，U1和U2表面產(chǎn)生了一定數(shù)量的微裂紋，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，二者并無(wú)貫穿性的裂縫，而U3在即將達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)，隨著荷載的增大，主裂縫拓展并貫通試件，由此可見粉煤灰摻量的提高可以提高復(fù)合材料的延展性，使得試件在荷載下保持一定的完整性。

圖4 粉煤灰摻量對(duì)PVA-FRCC抗壓強(qiáng)度的影響

由圖4可知，隨著粉煤灰摻量的增加，試件的抗壓強(qiáng)度逐漸下降，與U3的試件相比，U2試件的抗壓強(qiáng)度下降約12.0%，而U1試件相比于U2試件，抗壓強(qiáng)度下降23.5%，粉煤灰摻量由60%提升至70%時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度下降速率最快，由此可見粉煤灰摻量增加會(huì)引起基體抗壓強(qiáng)度的下降，粉煤灰的“微集料”效應(yīng)可以充填基體內(nèi)部空隙，提高密實(shí)度，其次粉煤灰顆粒呈現(xiàn)微珠狀，可使纖維-基體間粘結(jié)力下降，這有利于纖維的橋接作用，本次試驗(yàn)未設(shè)置更小摻量的粉煤灰替代率，但從實(shí)測(cè)結(jié)果看，粉煤灰摻量高于50%后基體的抗壓強(qiáng)度降低，由此推出過量的粉煤灰并不利于提高基體強(qiáng)度，這是由于水泥的摻入量減小，沒有多余的水泥再與粉煤灰發(fā)生二次水化反應(yīng)，這也意味著基體內(nèi)不再發(fā)生活性膠凝作用，其次水化產(chǎn)物中的C-S-H和鈣帆石的量減小，二者皆是影響強(qiáng)度的主要因素。從破壞形態(tài)上來(lái)看，U2和U3在荷載作用下，試塊的完整性要優(yōu)于U1，前者表面無(wú)明顯貫穿裂紋，無(wú)脫落，而后者則出現(xiàn)了貫穿整個(gè)試件的裂縫，其整體性相對(duì)差。綜上所述，為了能使試塊達(dá)到C40級(jí)以上且保持良好的抗壓韌性，粉煤灰摻量在60%為宜。

3.3 水膠比對(duì)PVA-FRCC抗壓強(qiáng)度的影響

在工程建設(shè)中，不同的工程項(xiàng)目對(duì)強(qiáng)度的要求也不同，水膠比是影響強(qiáng)度的重要因素之一，所以確定一個(gè)合適的水膠比尤為重要，有研究表明：水膠比增大，基體的強(qiáng)度降低，但是引入多余的水分可以使纖維-基體粘結(jié)力降低，這將導(dǎo)致纖維過早的拔出破壞。在實(shí)際試配中，發(fā)現(xiàn)0.24水膠比在攪拌過程中出現(xiàn)攪拌困難的現(xiàn)象，所以本小節(jié)采用0.26和0.28兩種水膠比，每組水膠比三個(gè)試件，測(cè)試抗壓強(qiáng)度。

圖5 不同水膠比下試件破壞形態(tài)

圖6 不同水膠比下試件抗壓強(qiáng)度

從圖6中可以看出，二者的破壞形態(tài)無(wú)太大差異，隨著水膠比的增大，試件的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，相比與水膠比0.26的試件，水膠比為0.28的試件抗壓強(qiáng)度下降了11.1%。在制備試件過程中發(fā)現(xiàn)高水膠比更有利于攪拌，多余的水分可減小纖維與拌合料的摩擦力，起到潤(rùn)滑作用。PVA纖維是親水性材料，在攪拌過程中纖維會(huì)吸收一部分水分，水膠比過低會(huì)導(dǎo)致攪拌困難，損壞機(jī)器，但增加水膠比也意味著引入多余的水份，這會(huì)使基體內(nèi)部孔隙增加，反而對(duì)試件的工作性能不利。

4 結(jié)論

本文主要采用聚乙烯纖維（PVA）改善水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能，研究了粉煤灰摻量、纖維體積率和水膠比對(duì)聚乙烯纖維增韌水泥基復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度的影響，主要結(jié)論如下：

1）隨著PVA纖維體積率的增加，試件的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，當(dāng)纖維體積率由1.0%提升至1.5%時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度提升速率最快。

2）粉煤灰摻量的提高可以提高復(fù)合材料的延展性，使得試件在荷載下保持一定的完整性，但隨著粉煤灰摻量的增加，試件的抗壓強(qiáng)度逐漸下降，煤灰摻量由60%提升至70%時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度下降速率最快。

3）高水膠比可以增加水泥基復(fù)合材料工作性能，但同時(shí)會(huì)降低水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能。

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Effect of Polyethylene Fiber Toughening on Compressive Strength of Cement-Based Composites Materials

1,2,2

（1. Liaoning Petrochemical Planning and Design Institute Co., Ltd., Shenyang Liaoning 110000, China;2. School of Materials Science and Engineering, Shenyang Ligong Universtiy, Shenyang Liaoning 110158, China）

Due to the shortcomings of high brittleness, poor toughness and easy cracking of concrete, its application in engineering is limited. In this paper, polyethylene fiber (PVA) was mainly used to improve the mechanical properties of cement-based composites, and the effects of fly ash content, fiber volume ratio and water-binder ratio on the compressive strength of cement-based composites toughened by polyethylene fiber were studied. The results showed that with the increase of PVA fiber volume fraction, the compressive strength of the specimen showed a gradual increase trend. When the fiber volume fraction increased from 1.0% to 1.5%, the compressive strength of the specimen increased the fastest. With the increase of fly ash content, the compressive strength of the specimen decreased gradually. High water-binder ratio could increase the working performance of cement-based composites, but at the same time it would reduce the mechanical properties of cement-based composites. Compared with the specimens with the water-binder ratio of 0.26, the compressive strength of the specimens with the water-binder ratio of 0.28 decreased by 11.1%.

Polyethylene fiber; Fly ash; Fiber volume ratio; Water-binder ratio; Compressive strength

TQ050.4

A

1004-0935（2023）09-1310-05

2023-02-28

邱豐實(shí)（1989-），男，工程師，碩士，研究方向：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

楊元全（1986-），男，副教授，研究方向：水泥混凝土研究。