涂開勝， 楊興霞（1.貴州中建建筑科研設計院有限公司，貴州 貴陽 550006；2.中國建筑第四工程局有限公司，廣東廣州 510000；.黔南民族師范學院，貴州 都勻 558000）

0 引 言

水泥基材料作為土木工程行業(yè)最常用的建筑材料之一，從誕生至今已有百年的歷史。該建筑材料具有流動性好、保水性好和耐久性好等優(yōu)點，同時具有脆性等缺點，限制了材料的應用范圍。隨著建筑技術的飛速發(fā)展，“建筑抗震”成為土木工程行業(yè)的熱門詞，延性材料的研發(fā)也成為熱門課題。

根據(jù)有關文獻，水泥基體內(nèi)纖維數(shù)量、分布方向和間距對水泥基復合材料的力學性能起到至關重要的作用[1-2]。根據(jù)筆者統(tǒng)計，眾多學者所研發(fā)的高韌性水泥基復合材料主要以河砂和石英砂為主，但2種材料量少且開采難度大，導致成本居高不下，這成了該材料市場推廣的最大阻礙。我國西南地區(qū)山砂資源豐富，可以大量利用山砂資源配制水泥基復合材料，不僅緩解了因過度開采河砂和石英砂而導致的地質災害問題，同時山砂儲存量大，開采成本低，還可大幅度降低原材料成本，對山砂高韌性水泥基復合材料的推廣起到積極作用。本文從改變纖維摻量探究其對山砂水泥基復合材料的力學性能、微觀狀態(tài)纖維分布等方面的影響。

王晶[3]對采用PVA纖維體積摻量為1.0%、1.5%、2.0%的情況進行研究，研究表明，隨著纖維摻量增大，試件抗拉強度得到大幅度提高，大幅度增強試件內(nèi)部橋聯(lián)作用，同時極限拉應變也明顯增大。李素華[4]通過一系列基本力學試驗，通過反分析法探究并確定PVA纖維大幅度增強水泥基復合材料的極限抗拉強度和極限拉應變。LI和LIM[5-6]對比素混凝土和纖維混凝土，對基礎設施進行修復，研究表明，同等條件下，纖維混凝土延性和韌性最好，能很好地控制裂縫發(fā)展。汪衛(wèi)[7]等研究發(fā)現(xiàn)，由于國產(chǎn)PVA纖維表面未進行處理，在水泥基體中分散性差等原因，當纖維體積摻量為1.4%時，纖維開始產(chǎn)生結團現(xiàn)象。闕黎黎等[8]對纖維體積摻量為1.3%的2種國產(chǎn)纖維進行研究，研究表明，國產(chǎn)PVA纖維表面經(jīng)涂油處理后，在水泥基體中的分散性可等同于甚至超過進口PVA纖維，但對試件斷面分析，纖維破壞形態(tài)呈拉斷而不是拔出，說明國產(chǎn)纖維的彈性模量和抗拉強度較低。

綜上所述，國產(chǎn)纖維具有彈性模量和抗拉強度低等顯著缺點，因此，現(xiàn)階段研究學者主要是從改善水泥基材料的角度進行研究，經(jīng)常選用河砂或者石英砂配制高延性混凝土。本文從改良后的優(yōu)選國產(chǎn)纖維PE（價格約為進口纖維的50%），結合西南地區(qū)機制山砂，配制機制砂高韌性水泥基復合材料，擬探究其力學性能。

1 試 驗

1.1 主要原材料介紹

（1）機制砂采用機制山砂，其基本特性如表1所示。

表1 機制山砂基本特性

（2）纖維采用PE纖維，基本力學性能如表2所示。

表2 PE纖維基本力學性能

（3）P·O 42.5水泥，II級粉煤灰。

1.2 配合比設計

本試驗擬探究纖維數(shù)量對機制砂水泥基復合材料的影響，故采用控制變量法，設計配合比如表3所示。

表3 纖維摻量設計配合比

1.3 等效彎曲試驗裝置

本次試驗在中國建筑土木工程材料重點實驗室（工業(yè)固廢資源化利用）進行，試驗室裝置如圖1所示。試驗采用40 mm×40 mm×160 mm標準試件，采用WDW-10型微機控制電子式萬能試驗機加載，采用靜態(tài)應變測試儀（TST3822EW）進行應變數(shù)據(jù)的采集與記錄，采用D020（精度0.001 mm，量程20 mm）型拉線式位移傳感器記錄構件橫向變形。

圖1 彎曲試驗裝置

1.4 試驗現(xiàn)象

1.4.1 抗折試驗

試驗加載速率為50 N/s，隨著荷載增加，當抗折強度約為6.0 N/mm2時，試件開裂，同時加載曲線呈“突減”現(xiàn)象，不同纖維摻量的試件突減程度約為開裂荷載的7%～10%不等；隨后，荷載由水泥基體承載轉為試件中的纖維承載，繼續(xù)加載，相同現(xiàn)象重復出現(xiàn)2～3次后，試件最終從加載點附近被破壞。

1.4.2 彎曲試驗

采用四點彎曲加載，試驗加載速率為0.3 mm/min。加載前期試驗現(xiàn)象與水泥膠砂抗折強度類似，當荷載約為1 500 N時，試件加載范圍內(nèi)出現(xiàn)細小微裂縫；隨著纖維摻量增加，微裂縫數(shù)量呈遞增趨勢，隨著荷載持續(xù)增加，微裂縫數(shù)量增多，最終達到峰值荷載，繼續(xù)加載，微裂縫數(shù)量增加，最終試件抗彎承載力開始下降，直到降至峰值荷載為85%以下。

1.4.3 正拉黏結試驗

在實驗場地采用混凝土普通磚、空心砌塊和水泥砂漿砌筑2片2.0 m×1.5 m磚墻，在2片墻上分別采用3種試配的混合料按標準壓抹施工，自然狀態(tài)養(yǎng)護28 d，每區(qū)域切割3塊進行正拉黏結試驗。通過現(xiàn)場試驗，混凝土普通磚墻體破壞界面有效，均為基材破壞；空心砌塊均為膠粘劑與基材界面破壞，屬無效破壞；而且，HDC面層在空心砌塊正拉黏結試驗荷載遠低于其在混凝土普通磚表面的正拉黏結試驗荷載。

1.5 試驗結果

1.5.1 水泥膠砂抗折/抗壓強度、等效彎曲強度/韌性試驗結果

根據(jù)GB/T 17671—2021《水泥膠砂強度檢驗方法（IOS法）》和T/CECS 997—2022《高韌性混凝土加固砌體結構技術規(guī)程》，對3組試配進行水泥膠砂抗折/抗壓強度、等效彎曲強度/韌性試驗，試驗結果如表4所示。

表4 試驗結果統(tǒng)計表

1.5.2 正拉黏結試驗結果

根據(jù)GB 50550—2010《建筑結構加固工程施工質量驗收規(guī)范》附錄U進行正拉黏結試驗，試驗結果如表5所示。

表5 正拉黏結強度試驗結果單位：MPa

2 結論分析

2.1 水泥膠砂抗折/抗壓強度

由圖2（a）可知，隨著纖維摻量增加，抗折強度呈遞增趨勢，但纖維摻量為0.5%、0.7%、0.9%時，其抗折強度增長率呈下降趨勢；隨著齡期增長，56 d齡期抗折強度遞減，最佳纖維摻量為0.7%；由圖2（b）可知，纖維摻量對水泥膠砂抗壓強度影響較小，隨著齡期增加，抗壓強度呈遞增趨勢。

圖2 水泥膠砂抗折/抗壓強度

2.2 等效彎曲強度/韌性

由圖3、圖4可知，隨著纖維摻量的遞增，等效彎曲試驗峰值荷載呈遞增趨勢，隨著齡期增加，現(xiàn)象越明顯。當摻量較高（0.9%）時，荷載-位移曲線波動性較大，主要是因為試件開裂后，由纖維起主導作用。由于水泥基體較少，纖維摻量較多，試件受彎破壞時，試件相對受壓區(qū)高度因纖維柔性導致迅速變低，裂縫迅速延伸，但由于纖維摻量高且無序性分布的特點，試件承載力并不會迅速下降，到加載后期纖維數(shù)量不斷斷裂，荷載-位移曲線呈波動狀態(tài)，最終導致試件失效。反之，當纖維摻量較低（0.5%）時，試件開裂后，由于纖維摻量少而使試件呈脆性，因此導致試件荷載-位移曲線呈峰值荷載低且極限位移小的特點。因此，當纖維摻量適中（0.7%）時，纖維和水泥基體之間具有良好的協(xié)同作用，使得荷載-位移曲線呈平緩變化且極限變形也較大。

圖3 同齡期不同纖維摻量等效彎曲位移-荷載曲線

圖4 同纖維摻量不同齡期等效彎曲位移-荷載曲線

等效彎曲強度和等效彎曲韌性均與材料延性、耗能能力有直接關系。根據(jù)實驗結果分析可知，隨著纖維摻量的增加，等效彎曲強度、等效彎曲韌性均呈遞增趨勢。由于等效彎曲強度與荷載下降至0.85倍峰值荷載對應的位移有關系，因此造成等效彎曲強度高的試件等效彎曲韌性反而偏低的現(xiàn)象。

2.3 微觀狀態(tài)

利用Image View觀察不同纖維摻量和不同齡期的試件破壞斷面纖維狀態(tài)。根據(jù)微觀狀態(tài)分布照片，纖維在水泥基體中呈亂序網(wǎng)狀分布，縱橫向纖維對其范圍內(nèi)的水泥基體起到約束作用，形成一個單獨的受力單元體，相互單元體之間通過摩阻力關系傳力，提高其變形能力和承載能力，觀察發(fā)現(xiàn)縱向纖維呈“拉脫翹曲”狀態(tài)，說明縱向纖維主要抵抗外力。因此，縱向纖維的數(shù)量和纖維斷裂強度對水泥基體的彎曲強度和抗折強度起到關鍵作用。

當纖維摻量為5%時，試件斷面纖維分布較稀疏，呈單根獨立狀態(tài)，無充足的纖維數(shù)量約束水泥基體，使形成的獨立受力單元體較大，這種狀態(tài)下對于單元體受力產(chǎn)生不利影響；當纖維摻量為7%時，纖維呈網(wǎng)狀分布，有效地約束了水泥基體，大幅度增強了水泥基體的受力性能；當纖維摻量為9%時，纖維呈網(wǎng)狀分布，但此時纖維數(shù)量較多，形成的約束體也更小，過小的約束體對受力不利，水泥基體受力性能提升遠不如纖維摻量為7%時，同時，對纖維利用率降低。因此，結合纖維分布狀態(tài)和力學性能綜合分析，纖維摻量為7%為最佳摻量。

水泥基試塊養(yǎng)護齡期為7 d時，斷面纖維拉脫表面存在部分粒徑較大的水泥基材料。由于內(nèi)部纖維與水泥基材料之間的摩阻力，導致強度較低的水泥基體在纖維拉力作用下發(fā)生滑移而最終破壞；但隨著齡期增長，水泥基體強度快速發(fā)展，同時增強了水泥基材料與纖維之間的握裹力，最終導致試件破壞后纖維表面水泥基材料顆粒小且少的現(xiàn)象。

2.4 正拉黏結強度

綜上可知，纖維摻量對山砂高韌性水泥基復合材料正拉黏結強度影響較小，根據(jù)破壞面觀察可知，空心砌塊面積大，灰縫小，表面光滑，表面未進行嵌縫處理，未形成抗剪鍵，導致其正拉黏結強度低，僅為混凝土普通磚墻正拉黏結強度的50%。該試驗結果與T/CECS 997—2022《高韌性混凝土加固砌體結構技術規(guī)程》中規(guī)定的正拉黏結強度不低于0.6 MPa相矛盾。因此，在該材料后續(xù)實際工程中，應針對不同的墻體分別提出合格的判定標準，施工中提出表面鑿毛或嵌縫形成抗剪鍵尤為重要。

3 結 語

（1）隨著纖維摻量增加，其抗折強度呈增長趨勢，但增長率呈下降趨勢；隨著齡期增長，56 d齡期抗折強度遞減，最佳纖維摻量為0.7%，纖維摻量對水泥膠砂抗壓強度影響較小，隨著齡期增加，抗壓強度呈遞增趨勢。

（2）隨著纖維摻量的遞增，等效彎曲試驗峰值荷載呈遞增趨勢，隨著齡期增加，現(xiàn)象越明顯。當纖維摻量較高（0.9%）時，荷載-位移曲線波動性增強；反之，當纖維摻量較低 （0.5%） 時，試件呈脆性，荷載-位移曲線呈峰值荷載低且極限位移小的特點；當纖維摻量適中（0.7%）時，纖維和水泥基體之間具有良好的協(xié)同作用，使荷載-位移曲線呈平緩變化且極限變形也較大。

（3）隨著纖維摻量增加，試件破壞斷面纖維密度呈增長趨勢，根據(jù)纖維破壞形態(tài)，部分纖維呈斷裂而非拉脫狀態(tài)。纖維摻量對正拉黏結強度影響較小，影響正拉黏結強度的最大因素為基層粗糙程度。

根據(jù)以往試驗經(jīng)驗已排除了較多因素，比如水膠比、膠砂比和粉煤灰與水泥比例等關系對本試驗的影響。使得本研究試驗不系統(tǒng)，后續(xù)將會加大試驗參數(shù)，從試驗數(shù)據(jù)的角度對本試驗進行改進。