叢曉紅 薛 斌 叢曉強(qiáng) 吳 寶

(1.河北建筑工程學(xué)院,河北 張家口 075000；2.赤峰銳邦建筑工程有限公司,內(nèi)蒙古 赤峰 024000)

纖維改性水泥基材料沖擊韌性對比試驗(yàn)研究

叢曉紅1薛 斌1叢曉強(qiáng)2吳 寶1

(1.河北建筑工程學(xué)院,河北 張家口 075000；2.赤峰銳邦建筑工程有限公司,內(nèi)蒙古 赤峰 024000)

水泥基材料使用量大、應(yīng)用廣泛，摻加纖維有助于提高其沖擊韌性.選取玄武巖纖維、聚丙烯纖維以及碳纖維，采用落球法來進(jìn)行沖擊韌性對比試驗(yàn)研究.試驗(yàn)結(jié)果表明：纖維種類、摻量等因素均會影響改性效果.玄武巖纖維改性水泥基材料隨摻量增加，其沖擊韌性呈現(xiàn)波浪式上升趨勢.碳纖維的改善作用起伏較大，在合適的纖維摻量條件下，可以起到很好的改善作用.聚丙烯纖維對水泥基材料沖擊韌性的改善總體要優(yōu)于玄武巖纖維和碳纖維，隨摻量變化較有規(guī)律，最優(yōu)摻量為1.0 g/L；聚丙烯纖維砂漿出現(xiàn)裂紋后，可以繼續(xù)吸收沖擊能量，延緩破壞.

水泥基材料；纖維；摻量；沖擊韌性；落球法

0 前 言

以混凝土、砂漿為代表的水泥基材料至今仍是用量最大、應(yīng)用最廣泛的建筑材料，但其存在抗拉強(qiáng)度低、脆性大和易開裂的缺點(diǎn).目前，國際上公認(rèn)在水泥基材料中摻加纖維有助于克服水泥基材料的先天缺陷.本文選取玄武巖、聚丙烯和碳纖維作為研究對象，制作纖維砂漿，采用落球法進(jìn)行試驗(yàn)，探索纖維對水泥基材料沖擊韌性的影響，從而為改善水泥基材料韌性、增加材料承載能力總結(jié)規(guī)律.

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

碳纖維：長度19 mm，抗拉強(qiáng)度1000 MPa，彈性模量100 Gpa，斷裂伸長率15%.

玄武巖纖維：長度19 mm，抗拉強(qiáng)度2169 MPa，彈性模量129 Gpa，斷裂伸長率1.68%.

聚丙烯纖維：長度19 mm，抗拉強(qiáng)度560 MPa，彈性模量5600 Mpa，斷裂伸長率22.3%.

水泥：32.5級復(fù)合硅酸鹽水泥.

細(xì)骨料：河砂，細(xì)度模數(shù)2.8.

減水劑：萘系，摻量1%.

1.2 配合比設(shè)計(jì)

水泥砂漿基體配比為水泥∶砂∶水=1∶3∶0.5，制備每個(gè)試件需用砂漿1.6 L,纖維的含量為別為0.5 g/L、0.75 g/L、1.0 g/L、1.25 g/L、1.5 g/L.

1.3 試樣制備

將攪拌時(shí)間設(shè)定為4分鐘，將水泥、砂、纖維放入攪拌機(jī)內(nèi)，開動攪拌機(jī)，加水，進(jìn)行攪拌.當(dāng)進(jìn)行到3分鐘時(shí)，加入減水劑.將攪拌均勻的砂漿制成200 mm×200 mm×40 mm的試件，每組成型四個(gè)試件.24 h后脫模，在養(yǎng)護(hù)室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d.

1.4 纖維砂漿沖擊韌性測試

落球法主要由ACI544委員會提出，又稱落重法.從養(yǎng)護(hù)室取出試件，擦凈后檢查外觀，不得有明顯缺損現(xiàn)象，將其放置于平整地面.在試件中心處做出標(biāo)記，作為降落沖擊點(diǎn).將重0.7 kg的鋼球從落距0.3 m的高度自由下落，沖擊試件中心，每完成一次沖擊即為一個(gè)循環(huán).在沖擊過程中，仔細(xì)觀察試件表面，直到試件表面出現(xiàn)第一條裂縫時(shí)，記錄下沖擊次數(shù)，即初裂沖擊次數(shù).然后繼續(xù)進(jìn)行多個(gè)沖擊循環(huán)，直至試件破壞，記錄數(shù)據(jù)，即為終裂沖擊次數(shù).

圖1 落球沖擊試驗(yàn) 圖2 試件破壞狀況

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

抗沖擊性是纖維增強(qiáng)水泥基材料的一項(xiàng)重要的力學(xué)性能，由于纖維品種、性能、摻量的差異，可使水泥基材料的抗沖擊性有不同程度的提高.

由圖3可看出玄武巖纖維改性水泥砂漿隨摻量增加，其抗沖擊性能呈現(xiàn)波浪式上升趨勢，其較優(yōu)摻量為1.5 g/L；，碳纖維摻量較少時(shí)(0.5～0.75 g/L)，改性水泥砂漿抗沖擊性能較好,但隨著摻量的增加，其性能顯著下降，后雖有少量回升，但仍停留在較低水平；對于聚丙烯改性水泥砂漿，隨著纖維摻量的增加，曲線呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，整體較有規(guī)律，較優(yōu)摻量為1.0 g/L；總體上看，聚丙烯纖維對水泥砂漿抗沖擊性的改善要優(yōu)于玄武巖纖維和碳纖維.

圖3 3種纖維砂漿抗沖擊性能比較

出現(xiàn)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的原因可能有以下幾點(diǎn)：一是聚丙烯纖維的強(qiáng)度和彈性模量要低于玄武巖纖維和碳纖維，但其斷裂伸長率較高，為22.3%，與相對較低抗拉強(qiáng)度及低彈性模量的水泥基材料結(jié)合使用，碳纖維和玄武巖纖維的優(yōu)勢沒有充分發(fā)揮，反而是聚丙烯纖維借助較高的斷裂伸長率，在砂漿試件開裂時(shí)發(fā)揮了較好的抑制作用.二是纖維的直徑，在本實(shí)驗(yàn)中三種纖維均選擇長度為19 mm，但聚丙烯纖維要細(xì)得多，這使得在相同體積的砂漿試件中，纖維分布的更為廣泛.三是纖維的分散性，在試件破壞細(xì)部可見聚丙烯纖維，而碳纖維和玄武巖纖維則難覓蹤影，摻量相同時(shí)也是如此，由此猜想由于材質(zhì)和直徑上的差異，玄武巖纖維和碳纖維出現(xiàn)了一定程度的集中，而不是在砂漿基體中均勻分散，這從二者較大的數(shù)據(jù)波動中可見一斑.

在試驗(yàn)過程中，碳纖維與玄武巖纖維水泥砂漿的破壞形式為開裂后立即破壞.而聚丙烯纖維改性水泥砂漿則是試件開裂較晚，先出現(xiàn)較小裂縫，試件裂縫處有纖維連接，而后經(jīng)歷了較長時(shí)間，承受了更多次的沖擊荷載，在繼續(xù)的沖擊中才逐漸破壞，不同摻量下，聚丙烯纖維砂漿從產(chǎn)生裂縫到最終破壞均保有不同程度的抗沖擊能力.圖4為聚丙烯纖維改性砂漿試件完全破壞時(shí)的細(xì)部圖，仍有纖維搭接在裂縫間，沒有被完全拔出.而圖5則顯示了不同摻量下，聚丙烯纖維砂漿從開裂到最終破壞，其抗沖擊次數(shù)上的差異，這種差異隨摻量的增加呈逐漸擴(kuò)大化.

圖4 聚丙烯纖維改性砂漿試件破壞細(xì)部圖 圖5 聚丙烯纖維改性砂漿開裂與破壞對比

3 結(jié) 論

(1)纖維的加入確實(shí)可以提高水泥基材料的抗沖擊性能，減少了其原始缺陷，不同纖維的增韌抗沖擊作用效果不同.

(2)對于玄武巖纖維改性水泥基材料來說，玄武巖纖維改性水泥砂漿隨摻量增加，其抗沖擊性能呈現(xiàn)波浪式上升趨勢，其較優(yōu)摻量為1.5 g/L.

(3)碳纖維改性水泥砂漿抗沖擊性能波動較大，隨著纖維摻量的增加，其抗沖擊效果曲線趨勢為先增加后下降，之后緩慢上升，但其上升幅度有限.當(dāng)纖維摻量在0.75 g/L時(shí)，其破壞時(shí)抗沖擊次數(shù)達(dá)到峰值，當(dāng)纖維摻量在1.0 g/L，其作用效果最差.

(4)當(dāng)水泥基材料中添加聚丙烯纖維后，其抗沖擊性能明顯增加，并且作用效果優(yōu)于玄武巖纖維和碳纖維.對于聚丙烯改性水泥砂漿，隨著纖維摻量的增加，曲線呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，整體較有規(guī)律，較優(yōu)摻量為1.0 g/L.當(dāng)其出現(xiàn)裂紋后不會馬上破壞，可以繼續(xù)吸收沖擊能量，延緩最終破壞.

[1]沈榮熹，王璋水，等.新型纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料.中國建材工業(yè)出版社

[2]沈榮熹，崔琦，等.纖維增強(qiáng)水泥與纖維增強(qiáng)混凝土.化學(xué)工業(yè)出版社

[3]龔益，等.杜拉纖維在土建工程中的應(yīng)用.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002

[4]李建林.聚丙烯纖維對砂漿抗沖擊性能的研究

[5]李藝，等.混雜纖維混凝土阻裂增韌及耐久性能.科學(xué)出版社

The Comparative Experimental Research on Impact Toughness of Fiber Modified Cement-based Material

CONGXiao-hong1,XUEBin1,CONGXiao-qiang2,WUBao1

(1.Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering;2.Chifeng Ruibang Construction Engineering Co.,Ltd.)

Cement-based material is widely used in construction，and fiber can improve its impact toughness.Basalt,polypropylene and carbon fiber for improving the impact toughness of cement-based materials are investigated and compared through ball-dropping test in this paper.The experimental results show that the type of fiber and the amount of content can affect the modification effect.The impact toughness of basalt fiber modified cement-based materials increases rippling with the increase of fiber content.The improvement of carbon fiber is not stable,and can play a very good role in the appropriate fiber content.The improvement of impact toughness of polypropylene fiber on cement-based material is better than that of basalt fiber and carbon fiber，changing regularly with the amount of the content and the optimal dosage is 1.0 g/L;polypropylene fiber mortar can continue to absorb the impact energy to delay damage after cracking.

cement-based materials；fibers；content；impact toughness；ball-dropping test

2014-11-23

張家口市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展指導(dǎo)計(jì)劃項(xiàng)目(1221004B)

叢曉紅(1979-)，女，講師，從事材料學(xué)研究.

TU 5

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