劉一翔

（中鐵十六局集團(tuán)置業(yè)投資有限公司 北京 101400）

1 引言

傳統(tǒng)的水泥基材料具有抗壓性能好的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有明顯的脆性特征，抗拉性能、韌性及抗裂性能較差，在實(shí)際應(yīng)用中時(shí)常會(huì)因上述缺陷導(dǎo)致構(gòu)件甚至結(jié)構(gòu)性能降低。為了改善普通水泥基材料上述性能缺陷，國(guó)內(nèi)外學(xué)者嘗試在水泥基材中摻入纖維（如耐堿玻璃纖維、聚丙烯纖維等）以達(dá)到增強(qiáng)、增韌及阻裂的目的。

早在20世紀(jì)70年代國(guó)外就有學(xué)者開(kāi)始將纖維材料用于水泥基材料增強(qiáng)，并發(fā)現(xiàn)在水泥基材中摻入纖維能有效控制早期收縮裂縫，顯著改善混凝土的耐久性，有些高彈模纖維的加入對(duì)混凝土還有增強(qiáng)增韌效果［1-3］。此外，水泥基中摻入適量纖維，還可以提高增強(qiáng)筋與基體的粘結(jié)力。Kim［4］通過(guò)FRP筋增強(qiáng)纖維混凝土的拉拔試驗(yàn)得到了FRP筋與纖維混凝土之間的粘結(jié)應(yīng)力-滑移關(guān)系曲線。結(jié)果表明，摻加耐堿玻璃纖維可以增強(qiáng)FRP筋與基體的粘結(jié)力，而且這一增強(qiáng)效果受纖維體積摻量的影響較小。Jess［5］對(duì)耐堿玻璃纖維與增強(qiáng)混凝土之間粘結(jié)性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，當(dāng)纖維單絲之間的粘結(jié)被改善后，纖維束所需要的應(yīng)力傳遞長(zhǎng)度也隨之減小，因而能有效提高混凝土基體與增強(qiáng)筋的粘結(jié)性能。為改善纖維增強(qiáng)水泥基材料的抗凍性和工作性能，Takeuchi［6］等通過(guò)在纖維混凝土中摻加引氣劑、防水劑等改善纖維混凝土的抗凍融性及流動(dòng)性。這表明，采用纖維來(lái)增強(qiáng)水泥基材料并改善其性能，已成為未來(lái)高性能水泥基材料發(fā)展的重要方向之一。

在國(guó)內(nèi)，用纖維來(lái)改善混凝土性能也一直備受關(guān)注，有很多學(xué)者針對(duì)纖維增強(qiáng)混凝土材料的強(qiáng)度、抗裂性、耐久性及抗火性能等進(jìn)行了一系列的研究。在纖維增強(qiáng)水泥基材料強(qiáng)度方面，傅翔［7］等在永久模板中加入了耐堿玻璃纖維增強(qiáng)了永久模板的抗折性能，并給出耐堿玻璃纖維的最優(yōu)摻量參考比例。高妮［8］等、李國(guó)忠［9］等分別對(duì)改性纖維增強(qiáng)混凝土的宏觀力學(xué)性能和微觀增強(qiáng)機(jī)理進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示改性纖維的加入改善了纖維與混凝土基體的界面性能，增強(qiáng)了混凝土的力學(xué)性能。

綜上所述，采用纖維增強(qiáng)水泥基材料的力學(xué)性能已有不少學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究，但這些研究關(guān)注點(diǎn)大都在纖維摻量和基體不同力學(xué)性能的影響，對(duì)于纖維長(zhǎng)度對(duì)水泥基力學(xué)性能影響的研究還不夠全面，特別是纖維長(zhǎng)度對(duì)高性能砂漿（砂漿抗壓強(qiáng)度可達(dá)30～50 MPa）力學(xué)性能的影響。為此，與某大學(xué)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合實(shí)驗(yàn)，取得相關(guān)數(shù)據(jù)，針對(duì)耐堿玻璃纖維長(zhǎng)度對(duì)高性能砂漿力學(xué)性能的影響開(kāi)展相關(guān)研究。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試件制作

2．1 原材料

（1）高性能砂漿基體

試驗(yàn)配制的高性能砂漿基體（也可稱為細(xì)骨料混凝土）原材料主要包括普通硅酸鹽水泥、普通河砂、高性能萘系減水劑及自來(lái)水。高性能砂漿配合比為水泥∶砂∶水∶減水劑 ＝1∶1.6∶0.42∶0.018，以水泥質(zhì)量比計(jì)。

（2）耐堿玻璃纖維

耐堿玻璃纖維是常用的水泥基增強(qiáng)材料，它的優(yōu)點(diǎn)在于耐堿、抗腐蝕、抗沖擊等，性能良好且具有較好的可設(shè)計(jì)性，是替代石棉和鋼質(zhì)纖維的絕佳材料［10-12］。為探討纖維長(zhǎng)度對(duì)高性能砂漿力學(xué)性能的影響，本試驗(yàn)選用長(zhǎng)度分別為6 mm和12 mm的耐堿玻璃纖維作為砂漿增強(qiáng)材料。耐堿玻璃纖維外觀為白色束狀，其中12 mm長(zhǎng)的玻璃纖維在自然狀態(tài)下的團(tuán)聚現(xiàn)象較6 mm長(zhǎng)纖維更明顯，如圖1所示。此外，耐堿玻璃纖維在自然狀態(tài)下呈束狀，每一纖維束均由大量纖維單絲復(fù)合而成，表面經(jīng)過(guò)浸潤(rùn)劑微處理，摻入時(shí)分散性更好。玻璃纖維的物理學(xué)性能見(jiàn)表1，單絲的抗拉強(qiáng)度大于2 500 MPa。

圖1 耐堿玻璃纖維外觀

表1 耐堿玻璃纖維物理力學(xué)性能

2．2 試件設(shè)計(jì)及制作

為研究不同長(zhǎng)度的耐堿玻璃纖維對(duì)高性能砂漿基體力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)4組纖維總摻量為5%（參考文獻(xiàn)［13］建議的最優(yōu)質(zhì)量摻量）的不同長(zhǎng)度耐堿玻璃纖維混摻高性能砂漿，分別進(jìn)行砂漿基體的抗壓、抗折及劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)。其中，抗壓和劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)的試件尺寸為70.7 mm立方體試塊，抗折強(qiáng)度試驗(yàn)的試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體，每種工況各制作6個(gè)試件，按《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［14］中規(guī)定的試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)。試件具體參數(shù)見(jiàn)表2，表中：“PC”代表不摻任何纖維的高性能砂漿材料；“GFiber”代表耐堿玻璃纖維增強(qiáng)；“-5”代表耐堿玻璃纖維的摻量為5%；“6+12”代表在總摻量為5%的情況下，6 mm和12 mm長(zhǎng)度耐堿玻璃纖維各摻入2.5%。

表2 耐堿玻璃纖維增強(qiáng)高性能砂漿試件參數(shù)設(shè)計(jì)

2．3 試驗(yàn)加載及量測(cè)

纖維增強(qiáng)高性能砂漿的抗壓、抗折、劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果按每組三個(gè)試件算術(shù)平均值確定。

抗壓試驗(yàn)在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試件上下對(duì)中后，連續(xù)均勻地加荷至試件破壞，記錄破壞時(shí)最大荷載，如圖2a所示。砂漿抗壓強(qiáng)度按式（1）計(jì)算，精確至0.1 MPa。

式中，fc為砂漿抗壓強(qiáng)度，單位為MPa；Fc為破壞時(shí)的最大荷載，單位為N；A為受壓部分面積，單位為mm2。

抗折強(qiáng)度試驗(yàn)前，檢查試件外觀，確保試件沒(méi)有明顯缺陷。將試件的一個(gè)側(cè)面放在抗折試驗(yàn)機(jī)支撐圓柱上，然后連續(xù)而均勻地加荷，直至試件破壞，記錄破壞荷載及破壞位置，如圖2b所示。砂漿抗折試驗(yàn)強(qiáng)度按式（2）計(jì)算。

式中，f為砂漿抗折強(qiáng)度，單位為MPa；Ff為折斷時(shí)施加于棱柱體中部的荷載，單位為N；L為支撐圓柱之間的距離，為100 mm；b為棱柱體正方形截面的邊長(zhǎng)，公稱尺寸為40 mm。

劈裂試驗(yàn)試件尺寸與抗壓試件相同，采用帶有凸圓的特制加載裝置進(jìn)行，連續(xù)加荷至試件破壞，記錄破壞荷載，如圖2c所示。砂漿劈裂抗拉強(qiáng)度的計(jì)算見(jiàn)式（3）。

式中，ft為砂漿劈裂抗拉強(qiáng)度，單位為MPa；F為破壞荷載，單位為N；A為試件劈裂面積，單位為mm2。

圖2 基體強(qiáng)度試驗(yàn)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3．1 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞形態(tài)

未摻纖維的高性能砂漿基體破壞表現(xiàn)出明顯的脆性特征，當(dāng)荷載達(dá)到試件極限承載力時(shí)，受壓破壞伴隨著“砰”地一聲悶響，側(cè)面大部分混凝土破壞剝落，試件失去繼續(xù)承載的能力，破壞沒(méi)有預(yù)兆，脆性明顯，試件破壞后裂開(kāi)；摻入纖維的高性能砂漿基體破壞時(shí)脆性性能明顯改善，基體的開(kāi)裂荷載顯著提高，達(dá)到極限承載力時(shí)基體有幾條裂縫，但不會(huì)裂開(kāi)，而且摻入纖維長(zhǎng)度越長(zhǎng)，裂縫寬度越小且密集。圖3a給出了為摻入耐堿玻璃纖維的普通砂漿（PC）基體、摻入6 mm耐堿玻璃纖維增強(qiáng)砂漿基體以及摻入12 mm玻璃纖維增強(qiáng)砂漿基體的抗壓破壞對(duì)比圖。圖3b給出了采用不同長(zhǎng)度耐堿玻璃纖維（分別為12 mm和6 mm）和未摻入纖維的砂漿基體抗折試驗(yàn)破壞形態(tài)對(duì)比圖。由圖可看出未摻砂漿基體和摻入纖維的砂漿基體的抗折破壞形態(tài)有明顯的不同，未摻纖維的砂漿基體破壞時(shí)均裂為兩半，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞，而摻纖維的砂漿基體破壞時(shí)出現(xiàn)裂縫，但不會(huì)裂成兩半，脆性破壞有明顯地改善，而且隨著摻入纖維長(zhǎng)度的增加，裂縫的寬度也會(huì)變得更密更細(xì)，裂縫發(fā)展得到有效控制。圖3c給出了各試件劈拉破壞時(shí)的破壞形態(tài)對(duì)比結(jié)果，由圖中可以看出，未摻纖維的砂漿基體明顯劈為兩半，且常伴有碎塊崩出；短切耐堿玻璃纖維摻入后，明顯改善了普通水泥基材的脆性破壞特征。需要說(shuō)明的是，圖3的基體破壞圖中未給出混摻6 mm和12 mm耐堿玻璃纖維的砂漿基體破壞圖，主要因?yàn)榛鞊嚼w維增強(qiáng)砂漿基體的破壞形態(tài)與單摻12 mm耐堿玻纖增強(qiáng)時(shí)基本相同。

圖3 基體破壞形態(tài)

3．2 結(jié)果分析

表3給出了在不同長(zhǎng)度耐堿玻璃纖維高性能砂漿基體與普通砂漿基體的抗壓、抗折和劈拉強(qiáng)度的試驗(yàn)值（表中各數(shù)值為試件28 d強(qiáng)度的平均值）。由表中可看出，采用纖維增強(qiáng)后，砂漿基體的抗壓、抗折及劈拉強(qiáng)度均明顯提高。在保持纖維總摻量相同的情況下，纖維增強(qiáng)砂漿基體的抗壓、抗折和劈拉強(qiáng)度比未摻纖維時(shí)總體上分別提高35.4%、39.2%和43.2%。

表3 不同長(zhǎng)度耐堿玻璃纖維增強(qiáng)高性能砂漿基體抗壓、抗折、劈拉強(qiáng)度

為進(jìn)一步明確不同耐堿玻纖長(zhǎng)度對(duì)砂漿基體力學(xué)性能的影響，圖4給出了砂漿基體抗壓、抗折和劈拉強(qiáng)度隨摻入不同長(zhǎng)度纖維的變化關(guān)系。從圖中可以看出，在保持纖維摻量為5%不變時(shí)，砂漿的抗壓、抗折和劈拉強(qiáng)度隨纖維長(zhǎng)度的增長(zhǎng)呈遞增趨勢(shì)。摻入6 mm纖維砂漿基體的抗壓、抗折、劈拉強(qiáng)度比未摻入纖維砂漿基體的抗壓強(qiáng)度分別增加約26.5%、36.7%、32.4%；摻入12 mm纖維砂漿基體的抗壓、抗折、劈拉強(qiáng)度提高最多，分別達(dá)到45.8 MPa、11.20 MPa和5.6 MPa，比未摻入纖維砂漿基體抗折、劈拉強(qiáng)度分別增加約44.5%、41.8%、51.4%。采用6 mm和12 mm混摻耐堿玻纖增強(qiáng)砂漿基體可提高增強(qiáng)效果，比6 mm耐堿玻纖單摻時(shí)的抗壓、抗折和劈拉強(qiáng)度提高約10%，而與12 mm耐堿玻纖單摻時(shí)的對(duì)應(yīng)強(qiáng)度值基本相當(dāng)。假定混雜效應(yīng)系數(shù)k＝f混／f單（f混為混摻時(shí)的基體強(qiáng)度；f單為單摻時(shí)的基體強(qiáng)度），則該系數(shù)基本大于1.0?？梢哉J(rèn)為，不同長(zhǎng)度的纖維混雜后對(duì)砂漿力學(xué)性能的改善呈一定的正相關(guān)性。

圖4 不同長(zhǎng)度纖維增強(qiáng)砂漿抗壓、抗折、劈拉強(qiáng)度變化規(guī)律

4 增強(qiáng)機(jī)理分析

在水泥基材料中摻入纖維，可明顯改善砂漿的力學(xué)性能。纖維在砂漿中主要有填充密實(shí)、橋聯(lián)搭接和握裹約束三種作用，使得砂漿的抗壓、抗折和劈拉強(qiáng)度均有不同程度地提高。在砂漿基體中摻入纖維后，由于纖維的填充作用，使得砂漿基體在受壓時(shí)更密實(shí)，而且由于纖維對(duì)其周圍的砂漿顆粒也有一定的握裹約束作用，使得砂漿基體在壓力作用下不易散開(kāi)，抗壓強(qiáng)度明顯提高（本研究中提高幅度達(dá)30%）。砂漿基體中摻入纖維后使得其受拉邊緣的極限抗拉強(qiáng)度有所提高，基體的抗裂能力明顯增強(qiáng)；微裂縫產(chǎn)生后，由于基體中的纖維存在橋聯(lián)作用，因而抗拉能力有效提高，抗折和劈拉試驗(yàn)時(shí)均呈現(xiàn)裂而不碎的延性特征，對(duì)應(yīng)的抗折和劈拉強(qiáng)度明顯提高（本試驗(yàn)中纖維增強(qiáng)砂漿基體的抗折和劈拉強(qiáng)度比未摻時(shí)分別提高約40%和50%）。此外，纖維長(zhǎng)度增加，砂漿基體的力學(xué)性能改善效果趨于明顯，這主要是長(zhǎng)纖維的橋聯(lián)作用和整體約束握裹能力都比短纖維好，本文中12 mm耐堿玻纖增強(qiáng)砂漿基體的強(qiáng)度比6 mm玻纖增強(qiáng)時(shí)提高約10%?；鞊嚼w維的混雜效應(yīng)大約呈正相關(guān)性，這主要是因?yàn)椴煌叽绲睦w維可針對(duì)基體不同的損傷情況和裂縫發(fā)展?fàn)顟B(tài)進(jìn)行增強(qiáng)。

5 結(jié)論

在水泥基材料中摻入纖維，可明顯改善基材的砂漿力學(xué)性能，通過(guò)對(duì)比不同長(zhǎng)度纖維增強(qiáng)高性能砂漿的試驗(yàn)結(jié)果，有以下結(jié)論：

（1）基體中摻入纖維可以改善其脆性破壞的特征，其抗壓、抗折和劈拉強(qiáng)度也會(huì)有相應(yīng)地提高。采用5%的耐堿玻纖增強(qiáng)高性能砂漿后，其抗壓、抗折和劈拉強(qiáng)度比未摻纖維時(shí)總體上可提高40%左右。

（2）基體中摻入纖維時(shí)，砂漿的抗壓、抗折和劈拉強(qiáng)度隨纖維長(zhǎng)度的增長(zhǎng)呈遞增趨勢(shì)。摻入6 mm耐堿玻纖的砂漿基體抗壓、抗折、劈拉強(qiáng)度比未摻入纖維時(shí)分別增加約26.5%、36.7%和32.4%；摻入12 mm耐堿玻纖時(shí)，分別增加約44.5%、41.8%和51.4%。

（3）不同長(zhǎng)度的纖維混雜后對(duì)砂漿力學(xué)性能的改善呈一定的正相關(guān)性?；鞊? mm與12 mm耐堿玻纖后，砂漿基體的力學(xué)性能比單摻6 mm玻纖時(shí)有明顯提高，與單摻12 mm玻纖時(shí)大致相當(dāng)，混雜效應(yīng)呈正相關(guān)。