玻璃纖維珠鏈增強(qiáng)水泥砂漿力學(xué)性能研究

吳昊宇，侯云芬，李地紅

（北京建筑大學(xué)，北京 100044）

0 引言

近些年，隨著混凝土技術(shù)的發(fā)展，各項(xiàng)性能優(yōu)異的高性能混凝土得到廣泛應(yīng)用。但混凝土結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂問(wèn)題日趨嚴(yán)重和增多，嚴(yán)重影響到混凝土的耐久性，成為困擾著廣大工程技術(shù)人員的難題[1]。

玻璃纖維具有優(yōu)異的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到1000MPa以上，且物美價(jià)廉，是一種很好的復(fù)合材料增強(qiáng)體，將其摻入混凝土中，可以很好控制混凝土裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展[2]。玻璃纖維混凝土具有良好的環(huán)境適應(yīng)性、耐腐蝕性和耐凍融性[3]。已有國(guó)內(nèi)外的研究與工程實(shí)際取得了預(yù)期的效果[4-5]。但是在拌制混凝土?xí)r，由于玻璃纖維在混凝土中分散不開(kāi)[1]，而且玻璃纖維與水泥之間易產(chǎn)生滑移[2]。因此在其摻量過(guò)多時(shí)，導(dǎo)致混凝土中缺陷增加，混凝土難以密實(shí)，影響玻璃纖維混凝土的綜合性能[6]。

文獻(xiàn)[7]指出，纖維的體積率必須大于臨界纖維體積率時(shí)，玻璃纖維才能起到對(duì)混凝土的力學(xué)增強(qiáng)效果。但又存在“最大允許纖維體積率”，纖維體積率超過(guò)允許纖維體積率時(shí)，則因纖維難于均布在水泥基材中導(dǎo)致纖維成團(tuán)，或因大量纖維滑移導(dǎo)致纖維無(wú)法充分發(fā)揮力學(xué)性能。因此小摻量的短切玻璃纖維摻入水泥中，砂漿力學(xué)性能提升不明顯；大摻量的短切玻璃纖維摻入水泥中，砂漿力學(xué)性能反而降低。這與復(fù)合材料原理相悖。因此發(fā)揮纖維力學(xué)性能，提高增強(qiáng)效果，必須開(kāi)發(fā)出新型的纖維增強(qiáng)技術(shù)。

1 玻璃纖維珠鏈摻加方式與其必要性

玻璃纖維無(wú)法在水泥基材料中發(fā)揮理想的力學(xué)作用，主要體現(xiàn)在玻璃纖維加入水泥基體中，力學(xué)性能提升不明顯；纖維摻量有限；高摻量纖維在高荷載作用下，界面缺陷越發(fā)明顯。這些主要是由于玻璃纖維無(wú)法均勻分布與界面約束弱造成的?，F(xiàn)階段工程施工中，通過(guò)分層鋪入的方法已經(jīng)有效控制了纖維在水泥中的均勻分布。但是對(duì)于玻璃纖維與水泥的界面問(wèn)題，一直沒(méi)有有效的解決方法。

1.1 玻璃纖維與水泥的界面層

玻璃纖維與水泥基材間存在界面層主要是由于在玻璃纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料成型過(guò)程中，不可避免地使玻璃纖維與水泥砂漿之間產(chǎn)生水膜層。水泥水化產(chǎn)生的CH晶體極易在此水膜中大量積聚。因此界面層具有高水灰比、高孔隙率、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較疏松以及有弱谷存在的缺陷。不僅如此，玻璃纖維表面光滑，水泥基體難以約束玻璃纖維的滑移。

通過(guò)超景深顯微鏡對(duì)初凝結(jié)束的短切玻璃纖維增強(qiáng)砂漿放大200倍（見(jiàn)圖1）進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，少量玻璃纖維表面確實(shí)附著一定量的水泥，但大部分纖維表面仍然光滑，并沒(méi)有水泥附著。因此，短切玻璃纖維摻加方式存在不可避免的弊病。

圖1 初凝結(jié)束的短切玻璃纖維增強(qiáng)砂漿超景深成像照片

1.2 玻璃纖維兩端的應(yīng)力集中

針對(duì)玻璃纖維與水泥基體的界面問(wèn)題，從力學(xué)角度分析，能得到更加準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)。楊景峰等[8]研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料受到外力作用時(shí)基體將產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)變，基體應(yīng)變通過(guò)界面對(duì)纖維施加影響，載荷通過(guò)界面的剪切應(yīng)變傳遞到纖維上。此時(shí)，纖維端部的界面剪切應(yīng)力最大，剪應(yīng)力從纖維的端部向中部逐漸衰減，纖維的端部存在高度的應(yīng)力集中，從而影響了復(fù)合材料的整體性能；Kelly和Tyson[9]通過(guò)單纖維拔出試驗(yàn)測(cè)試?yán)w維與水泥基體之間的界面粘結(jié)強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)纖維末端應(yīng)力集中，界面剪應(yīng)力增大，導(dǎo)致纖維提前脫粘、開(kāi)裂。崔新宇等[10]也進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)纖維兩端的剪應(yīng)力集中是造成纖維滑移的主要原因。

1.3 玻璃纖維珠鏈

為了克服短纖維直接摻入方式的缺點(diǎn)，基于復(fù)合原理，本文探索新型的纖維砂漿增強(qiáng)方式，從玻璃纖維的摻加方式、纖維形態(tài)等方面入手制作玻璃纖維珠鏈，以此避免工程中遇到的玻璃纖維混凝土工作性能差的問(wèn)題，改善力學(xué)性能提升不明顯的問(wèn)題。制作方法如圖2所示，在大直徑的圓形塑料桶上包裹上真空布，然后將玻璃纖維纏在塑料桶上。之后將環(huán)氧樹(shù)脂每隔一段距離滴在玻璃纖維上。當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂固化后，將玻璃纖維取下來(lái)，剪取適宜長(zhǎng)度進(jìn)行使用。

圖2 玻璃纖維珠鏈的制備方法

采用玻璃纖維珠鏈的摻加方式制備水泥砂漿，即將玻璃纖維珠鏈一維定向連續(xù)分布，在砂漿裝模的時(shí)候，采用水泥砂漿、玻璃纖維珠鏈交替添加的方式進(jìn)行澆筑。如圖3、圖4所示。

圖3 玻璃纖維珠鏈俯視

圖4 玻璃纖維珠鏈砂漿示意

玻璃纖維珠鏈中的玻璃纖維一維定向連續(xù)分布，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)[11]，這種纖維取向與形式具有更高的效率系數(shù)（見(jiàn)表1）。

表1 纖維取向及其效率系數(shù)

采用玻璃纖維珠鏈摻加方式，玻璃纖維珠鏈在砂漿成型時(shí)多層添加，保證了纖維在砂漿中的均勻分布，減少了砂漿中的有害孔隙率與界面薄弱區(qū)。使玻璃纖維大量摻加成為可能。

最重要的是，通過(guò)珠粒與水泥基體之間的相互嵌固，阻止了由于界面約束差和剪應(yīng)力集中造成的纖維滑移，依靠結(jié)構(gòu)約束保證了纖維與水泥在受力時(shí)的變形協(xié)調(diào)。更好地發(fā)揮出玻璃纖維優(yōu)良的力學(xué)性能。

通過(guò)超景深顯微鏡觀察水泥砂漿中的玻璃纖維與玻璃纖維珠粒（見(jiàn)圖5）可以看出，玻璃纖維與砂漿之間存在明顯的界面薄弱區(qū)，纖維易發(fā)生滑移。而珠粒與砂漿形成了相互嵌固，防止玻璃纖維發(fā)生滑移。

圖5 水泥砂漿中的玻璃纖維與玻璃纖維珠粒

因此，本文通過(guò)試驗(yàn)，采用玻璃纖維珠鏈的形式在砂漿中摻加玻璃纖維，對(duì)比現(xiàn)階段施工生產(chǎn)中短切玻璃纖維的摻加方式，研究其流動(dòng)性與力學(xué)性能。以期解決玻璃纖維混凝土現(xiàn)階段遇到的問(wèn)題，為玻璃纖維珠鏈混凝土的推廣使用提供可參考的試驗(yàn)結(jié)果。

2 試驗(yàn)

2.1 原材料

水泥：金隅P·O42.5水泥，主要化學(xué)成分和礦物組成如表2所示；標(biāo)準(zhǔn)砂。

表2 水泥的主要化學(xué)成分和礦物組成 %

玻璃纖維：由于硅酸鹽水泥在水化時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的Ca（OH）2，使砂漿呈較強(qiáng)的堿性，為了避免玻璃纖維因?yàn)閴A侵蝕而導(dǎo)致脆化，降低作用效果，目前普遍采用抗堿玻璃纖維作為水泥基復(fù)合材料的增強(qiáng)材料[11]。本試驗(yàn)采用泰山玻纖有限公司生產(chǎn)的Cem-FIL 5325高耐堿玻璃纖維，基主要性能指標(biāo)如表3所示。

表3 高耐堿玻璃纖維的主要性能指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)旨在對(duì)比短切玻璃纖維摻加方式與玻璃纖維珠鏈摻加方式對(duì)砂漿性能的影響。砂漿攪拌完成后，測(cè)試砂漿的流動(dòng)度，成型40 mm×40 mm×160 mm的試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d和28 d齡期，測(cè)試砂漿的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。

2.2.1 玻璃纖維的摻加方式

本研究選用2種摻加方式：第1種是常用摻加方式，將短切玻璃纖維直接摻入到水泥砂漿中，按GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》規(guī)定的方法進(jìn)行攪拌；第2種采用如圖4所示的玻璃纖維珠鏈摻加方式。

2.2.2 砂漿配比設(shè)計(jì)

纖維摻量一般用體積率來(lái)表示，其中纖維摻量超過(guò)臨界體積率后，才可提高纖維增強(qiáng)材料的抗拉強(qiáng)度[12]。纖維臨界體積率按式（1）計(jì)算：

式中：σc——砂漿的抗折強(qiáng)度，MPa；

σf——纖維的抗折強(qiáng)度，MPa；

Ef——纖維的彈性模量，MPa；

ε′c——砂漿的極限延伸率。

根據(jù)砂漿與玻璃纖維性能，水泥砂漿抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值約為1.3 MPa，采用的玻璃纖維抗折強(qiáng)度為1800 MPa，水泥膠砂的極限延伸率為0.5%，玻璃纖維的彈性模量為72 GPa?？傻贸霰驹囼?yàn)玻璃纖維一維定向連續(xù)分布的臨界體積率為0.1%，在短纖維三維亂向分布時(shí)，纖維的效率系數(shù)為0.17～0.20，可以得出纖維的臨界體積率為0.5%。為了比較纖維摻量在纖維臨界體積摻量附近取值，試驗(yàn)配合比如表4所示。

表4 玻璃纖維增強(qiáng)水泥砂漿試驗(yàn)配合比

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 玻璃纖維摻量對(duì)砂漿流動(dòng)度的影響

摻入不同摻量短切玻璃纖維后，砂漿的流動(dòng)度變化如表5所示，砂漿的狀態(tài)如圖6所示。

表5 玻璃纖維摻量對(duì)砂漿流動(dòng)度的影響

圖6 不同短纖維摻量時(shí)砂漿的流動(dòng)度狀態(tài)

從表5、圖6可以看出，隨著短玻璃纖維摻量的增加，砂漿的流動(dòng)度明顯降低；當(dāng)短纖維摻量為0.6%時(shí)（即A3組），砂漿已經(jīng)呈現(xiàn)分散狀態(tài)；摻量達(dá)到0.8%時(shí)（即A4組），砂漿已完全喪失流動(dòng)度且表面開(kāi)裂，砂漿無(wú)法成型，因此不能測(cè)試其強(qiáng)度。

3.2 力學(xué)性能與分析

各組試件的7、28 d抗折和抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表6所示。

表6 各組試件的力學(xué)性能

3.2.1 短切玻璃纖維對(duì)砂漿力學(xué)性能的影響分析

短切玻璃纖維增強(qiáng)砂漿組中的玻璃纖維摻量在低于纖維臨界體積率時(shí)，砂漿工作性能相對(duì)良好，但對(duì)力學(xué)性能提升不明顯。在高于纖維臨界體積率時(shí)，砂漿工作性能很差。由表6可見(jiàn)：

（1）在短纖維摻量低于臨界體積摻量時(shí)，即A1、A2組，隨著纖維摻量的增加，砂漿28 d抗折強(qiáng)度逐漸提高，基本上處于5.0～5.5MPa，但對(duì)比于JZ組，28 d抗折強(qiáng)度最大下降5%左右；隨著纖維摻量的增加，砂漿的28 d抗壓強(qiáng)度逐漸提高，基本上處于30 MPa左右，相比于JZ組，28 d抗壓強(qiáng)度增減比例維持在5%以內(nèi)。這是由于纖維摻量未超過(guò)臨界體積摻量，無(wú)法充分發(fā)揮纖維的力學(xué)性能。因此可以得出，短纖維在較低摻量時(shí)對(duì)砂漿力學(xué)性能影響不大。

（2）在短纖維摻量超過(guò)臨界體積摻量時(shí)，即A3組，砂漿的強(qiáng)度較JZ組均有所提高，28 d抗折、抗壓強(qiáng)度比JZ組分別提高了6%、4%。這是由于玻璃纖維的摻量超過(guò)了臨界體積摻量，可以對(duì)砂漿起到增強(qiáng)作用，但砂漿力學(xué)性能提升不明顯，主要是因?yàn)椴ＡЮw維摻入使砂漿流動(dòng)性降低，纖維三維亂向分布，導(dǎo)致砂漿中缺陷增加，從而影響了玻璃纖維的增強(qiáng)效果。同時(shí)由于界面約束不夠與剪應(yīng)力集中的原因，界面存在薄弱區(qū)，造成砂漿受力時(shí)纖維滑移，不能充分發(fā)揮其優(yōu)異力學(xué)性能。

3.2.2 玻璃纖維珠鏈對(duì)砂漿力學(xué)性能的影響分析

玻璃纖維珠鏈增強(qiáng)砂漿組中的玻璃纖維摻量均超過(guò)纖維臨界體積率。由表6可見(jiàn)：

（1）隨著玻璃纖維摻量的增加，砂漿的強(qiáng)度明顯提高，B3組砂漿28 d抗折、抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到16.62、45.4 MPa，相比于JZ組分別提高了201.63%、51.84%。這是由于玻璃纖維摻量超過(guò)臨界體積摻量且玻璃纖維具有高拉伸性能，同時(shí)玻璃纖維與水泥之間的約束由界面約束改變成結(jié)構(gòu)約束，使玻璃纖維與水泥基體變形協(xié)調(diào)，纖維的滑移得到有效限制，因此玻璃纖維珠鏈對(duì)砂漿的抗折性能與抗壓性能均提升明顯。

（2）隨齡期的延長(zhǎng)，玻璃纖維珠鏈增強(qiáng)砂漿的抗折、抗壓強(qiáng)度穩(wěn)定提高。以B1組為例，7 d抗折強(qiáng)度為8.05 MPa，28 d抗折強(qiáng)度為9.35 MPa，28 d抗折強(qiáng)度比7 d抗折強(qiáng)度提高了16%；7d抗壓強(qiáng)度為30.2 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為34.0 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度比7 d抗壓強(qiáng)度提高了13%。可以得知，玻璃纖維珠鏈增強(qiáng)砂漿不僅早期有很高的抗折、抗壓強(qiáng)度，后期強(qiáng)度依然持續(xù)提高，后期強(qiáng)度可以得到保障。

3.2.3 2種摻入方式的比較

摻加短切纖維的A3組對(duì)砂漿的強(qiáng)度提升作用并不明顯，28 d強(qiáng)度相對(duì)于JZ組提升基本維持在5%左右；但采用玻璃纖維珠鏈的B1組28 d抗折、抗壓強(qiáng)度相對(duì)于JZ組分別提高了69.69%、13.71%；相同纖維摻量下，采用玻璃纖維珠鏈增強(qiáng)的B1組28 d抗折、抗壓強(qiáng)度相對(duì)于A3組分別提高了60.65%、9.32%。

這是由于玻璃纖維珠鏈?zhǔn)窃谏皾{裝模時(shí)添加進(jìn)砂漿中，不會(huì)影響砂漿攪拌時(shí)的流動(dòng)性；同時(shí)分層添加保證了纖維在砂漿中的均勻分布，減少了砂漿中的有害孔隙。最重要的是，玻璃纖維珠鏈與水泥之間形成相互嵌固，使玻璃纖維與砂漿在受力時(shí)纖維不會(huì)發(fā)生滑移，與砂漿基體共同受力。并且玻璃纖維定向連續(xù)分布，充分發(fā)揮了纖維的高拉伸性能。這些措施解決了短切纖維摻加方式遇到的纖維分布不均與纖維滑移等問(wèn)題。因此玻璃纖維珠鏈增強(qiáng)砂漿具有更優(yōu)異的工作性能與力學(xué)性能。

4 結(jié)論

（1）采用玻璃纖維珠鏈增強(qiáng)方式，利用珠鏈與砂漿之間的相互嵌固，用結(jié)構(gòu)約束取代了以往的界面約束，從根本上解決了纖維與水泥基體之間界面性能差與應(yīng)力集中的問(wèn)題，阻止了纖維的滑移，大大提高了砂漿的力學(xué)性能。采用玻璃纖維珠鏈澆筑的砂漿試件，力學(xué)性能顯著提高，28 d抗折強(qiáng)度從5.51 MPa提高到16.62 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度從 29.9 MPa提高到45.4 MPa；并且隨著齡期的延長(zhǎng)，抗折、抗壓強(qiáng)度均得到穩(wěn)步提高，后期強(qiáng)度可以得到保障。

（2）采用澆筑時(shí)添加纖維的澆筑方式，不影響砂漿的流動(dòng)度，避免了預(yù)拌時(shí)纖維砂漿工作性能差的問(wèn)題，解決了纖維摻量的問(wèn)題。

（3）采用長(zhǎng)纖維增強(qiáng)方式，充分發(fā)揮纖維的力學(xué)特性，并且根據(jù)構(gòu)件的幾何形態(tài)、使用特性等要素，來(lái)控制纖維排布方向和數(shù)量，實(shí)現(xiàn)性能的可設(shè)計(jì)性，提高砂漿的力學(xué)性能。

（4）目前試件中玻璃纖維的體積摻量已經(jīng)達(dá)到1%，工作性能、力學(xué)性能良好，并且具有很大的開(kāi)發(fā)潛力和上升空間。

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