楊文，康升榮，程寶軍，麻鵬飛

（中建西部建設(shè)建材科學(xué)研究院，四川 成都 610041）

0 引言

普通混凝土材料脆性開(kāi)裂對(duì)工程結(jié)構(gòu)的使用性能造成很大的影響，應(yīng)運(yùn)而生的高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料具有自密實(shí)、高延性、裂縫寬度小且裂縫能夠自愈合等特點(diǎn)[1]，可緩解混凝土脆性開(kāi)裂，也可以很好地應(yīng)對(duì)工程中混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐久性不足的問(wèn)題。高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料比傳統(tǒng)的混凝土材料具有優(yōu)異的強(qiáng)度、韌性和抗沖擊性能[2]。當(dāng)纖維摻量達(dá)到2%時(shí)，其抗拉強(qiáng)度可提高1倍，抗沖擊強(qiáng)度提高10～20倍，抗彎能力提高1～2倍[3]。尤其是近年來(lái)，隨著工程上對(duì)混凝土力學(xué)性能和耐久性能的要求越來(lái)越高，高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料因其具有防止或減少裂縫、改善長(zhǎng)期工作性能、提高變形能力和耐久性[4]，抗?jié)B性、抗彎拉性能較普通混凝土可提高數(shù)十倍以上的優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。

相較于普通混凝土，高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料最大的特點(diǎn)是其通過(guò)不使用粗集料、降低水膠比、摻加增韌纖維的手段，增強(qiáng)基體密實(shí)度[5]，減少過(guò)多水分產(chǎn)生的毛細(xì)孔，提高材料拉伸變形的方式，來(lái)提高混凝土抗拉、抗折、抗壓和抗沖擊性能[6]，改善其抗?jié)B性能、抗凍性能和抗碳化等性能。但過(guò)低的水膠比可能會(huì)導(dǎo)致新拌漿體塑性黏度增大，不利于施工，混凝土結(jié)構(gòu)收縮增大的問(wèn)題[7]。

本文使用水泥、粉煤灰、硅灰、石英粉、高效減水劑等材料制備了低水膠比高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，并對(duì)其工作性能、力學(xué)性能、收縮性能和微觀形貌進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：P·O42.5R，物理力學(xué)性能見(jiàn)表1；粉煤灰：Ⅰ級(jí)，表觀密度2.6 g/cm3，比表面積340 m2/kg，28 d活性指數(shù)86%，水泥和粉煤灰的主要化學(xué)成分見(jiàn)表2；硅灰：半加密硅灰，表觀密度0.24 g/cm3，比表面積28 000 m2/kg，28 d活性指數(shù)95%。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

表2 水泥和粉煤灰的主要化學(xué)成分 %

集料：200目石英粉；聚羧酸高效減水劑：中建西部建設(shè)公司產(chǎn)，固含量50%；羥丙基甲基纖維素（HPMC）；拌合水：自來(lái)水；消泡劑：圣諾普科有限公司產(chǎn)SN-DEFOAMER 1370；纖維：川維Ⅱ-PVA短纖維，技術(shù)性能見(jiàn)表3。

表3 PVA纖維的主要技術(shù)性能

1.2 試驗(yàn)配合比

在水膠比0.19～0.28范圍內(nèi)制備了高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，具體配合比見(jiàn)表4。

表4 低水膠比高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的配合比

1.3 試驗(yàn)方法

制備高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料過(guò)程中的攪拌都在雙臥軸攪拌機(jī)中完成，首先將稱(chēng)好的水泥、粉煤灰、硅灰、石英粉等粉料加入攪拌鍋中攪拌2～3 min，然后加入水和外加劑攪拌2 min，再加入纖維攪拌5 min即可[8]。

所有試件采用單層澆筑插搗成型，24 h后拆模，轉(zhuǎn)入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》測(cè)試其力學(xué)性能；干燥收縮試件制備及收縮性能測(cè)試均按照J(rèn)C/T 603—2003《水泥膠砂干縮試驗(yàn)方法》進(jìn)行。

選取28 d齡期受力破壞的高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料試件，采用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)纖維破壞形式進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 新拌漿體的工作性能

高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料新拌漿體的流變性能和物理性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 新拌漿體的流變性能和物理性能

由表5可見(jiàn)：

（1）水膠比為0.19～0.28時(shí)，高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料均具備良好的和易性，其坍落度和擴(kuò)展度均隨水膠比的增大而增大，坍落度為270～285 mm，擴(kuò)展度為560～665 mm；T500和倒筒時(shí)間隨水膠比的增大逐漸縮短，0.19～0.28水膠比范圍內(nèi)T500總是略大于倒筒時(shí)間。由于T500和擴(kuò)展度在一定程度上可以反應(yīng)拌合物流動(dòng)性和黏度，T500越大說(shuō)明拌合物黏聚性越大，擴(kuò)展度越大則拌合物流動(dòng)性越好，所以由試驗(yàn)結(jié)果可知，高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料新拌漿體隨著水膠比的增大，黏聚性逐漸減小，流動(dòng)性逐漸增大。

（2）隨水膠比的增大，高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的表觀密度逐漸減小。含氣量波動(dòng)較大，為2.6%～3.9%，且水膠比越小，含氣量越大。結(jié)合T500及倒筒時(shí)間可知，這是由于隨著水膠比的減小，新拌漿體黏聚性逐漸增大，內(nèi)部氣體難以排除導(dǎo)致的。

2.2 高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能

（見(jiàn)表6）

表6 高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能

由表6可知：

（1）水膠比對(duì)高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗折、抗壓強(qiáng)度影響較大。當(dāng)水膠比為0.22時(shí)，高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料抗折強(qiáng)度最高；當(dāng)水膠比為0.19時(shí)，高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度最高。所有試件28 d抗折強(qiáng)度均在20 MPa以上。當(dāng)水膠比由0.22進(jìn)一步降至0.19時(shí)，試件的28d抗壓強(qiáng)度幾乎沒(méi)有增長(zhǎng)。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，試件28 d抗壓強(qiáng)度相較于7 d抗壓強(qiáng)度增幅較大，在40%左右，28 d抗折強(qiáng)度增幅較小，在1.2%左右；0.25和0.28水膠比試件7 d抗折強(qiáng)度分別為15.9、14.3 MPa，28 d抗折強(qiáng)度分別為21.9、20.9 MPa，試件28 d抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)遠(yuǎn)高于0.19和0.22水膠比時(shí)試件抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)，分別為37.7%和41.2%。說(shuō)明水膠比對(duì)試件抗壓強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)無(wú)影響，對(duì)7 d抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)影響較大，對(duì)28 d抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)影響較小。0.19水膠比和0.22水膠比情況下28 d抗壓強(qiáng)度相差不大，可能是由于0.19水膠比時(shí)新拌漿體流動(dòng)度較小，黏度較大，成型試件內(nèi)部缺陷較大所致[9]。總體而言，高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料隨著水膠比的增大，抗折強(qiáng)度先提高后降低，抗壓強(qiáng)度呈逐漸降低的趨勢(shì)。

（2）隨水膠比的增大，7 d折壓比在0.32～0.37之間波動(dòng)，28 d折壓比在0.24～0.30之間呈逐漸增大趨勢(shì)；隨著齡期延長(zhǎng)，7 d、28 d折壓比均逐漸減小。

（3）在0.19～0.28范圍內(nèi)，水膠比對(duì)極限拉伸強(qiáng)度影響不大；但當(dāng)水膠比從0.28降低到0.19時(shí)，極限延伸率由3.7%降低到3.0%，降低了19%。原因可能是較大的水膠比會(huì)使纖維與水泥基材料之間的粘結(jié)力減弱，拉伸測(cè)試時(shí)纖維在到達(dá)其極限拉伸應(yīng)力前將從基體中拔出，從而提高了試件的極限延伸率。當(dāng)水膠比從0.28降低到0.19時(shí)，28 d彈性模量由17.9 GPa增加到27.7 GPa，增長(zhǎng)率為55%。整體而言，水膠比會(huì)顯著影響高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料極限延伸率和彈性模量，水膠比越小，復(fù)合材料剛性越好，延伸性能越差。

2.3 高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的干縮性能

在相對(duì)濕度50%、溫度（20±3）℃條件下，高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料干縮率的變化如圖1所示。

圖1 高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的收縮率

由圖1可知，水膠比對(duì)高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料早期干縮影響較大，水膠比越大，收縮率增長(zhǎng)越慢，28 d收縮率越大；水膠比越小，早期收縮率增長(zhǎng)越塊，28 d收縮率越小。當(dāng)水膠比為0.25時(shí)，28 d收縮率最大，為950×10-6；當(dāng)水膠比為0.19時(shí)，28 d收縮率最小，為600×10-6。且由于早期內(nèi)部水量較多，水分損失較快，所以高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料干縮90%以上發(fā)生在10 d齡期以內(nèi)，10 d后干縮率幾乎不再增長(zhǎng)。

2.4 SEM分析

不同水膠比高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料破壞后纖維狀態(tài)見(jiàn)圖2。

圖2 不同水膠比高性能纖維增強(qiáng)水泥基材料破壞后纖維的狀態(tài)

由圖2可見(jiàn)，E1和E2中纖維端頭有很明顯的截面變形，這是受力后纖維拔斷的痕跡；E3和E4中纖維外露端頭截面規(guī)整，無(wú)明顯拉伸變形。E1、E2在破壞時(shí)內(nèi)部纖維受力被拔斷；而E3、E4在破壞時(shí)內(nèi)部纖維受力拔出，說(shuō)明隨著水膠比的增大，PVA纖維與水泥材料基體之間粘結(jié)變?nèi)?，受力時(shí)更容易拔出。這也從微觀受力角度解釋了高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料極限延伸率隨水膠比增大而增大的問(wèn)題，同時(shí)也說(shuō)明纖維和基體之間的粘結(jié)性能與拉伸變形程度密切相關(guān)，要提高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料極限延伸率，最主要的是要保證最大量的纖維從基體中拔出而不是拉斷[10]。

3 結(jié)論

（1）在水膠比為0.19～0.28時(shí)，高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料新拌漿體隨著水膠比的減小，黏聚性逐漸增大，流動(dòng)性逐漸減小，內(nèi)部氣體排出難度加大。

（2）高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料最佳水膠比為0.22左右，水膠比過(guò)小會(huì)對(duì)纖維與水泥基材的粘結(jié)造成不利影響，降低其極限延伸率和折壓比。

（3）水膠比對(duì)高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料早期收縮影響顯著，早期收縮90%以上發(fā)生在10 d齡期以內(nèi)，10 d后收縮率幾乎不再增長(zhǎng)。

（4）當(dāng)水膠比≤0.22時(shí)，高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料內(nèi)部纖維受力時(shí)更易拔斷，當(dāng)水膠比≥0.25時(shí)纖維受力更易拔出。