環(huán)保高性能纖維水泥基本力學(xué)性能研究

韓 煦

（黑龍江省生態(tài)環(huán)境廳，黑龍江 哈爾濱 150090）

近年來，各類水泥材料已廣泛應(yīng)用于國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)，隨之而來，水泥材料在工程建設(shè)中也出現(xiàn)了較多問題，主要有兩方面：一是在極限荷載條件下的脆性破壞力強(qiáng)，例如建筑物中的脫落、破碎現(xiàn)象都與混凝土的低韌性有直接聯(lián)系。二是在正常工作狀態(tài)下，混凝土中的裂紋出現(xiàn)擴(kuò)展現(xiàn)象，導(dǎo)致有害離子的浸入，引發(fā)混凝土被破壞。在實(shí)際施工過程中，混凝土的脆性和開裂是導(dǎo)致其無法充分發(fā)揮力學(xué)性能的原因。因此，水泥材料的結(jié)構(gòu)耐久性、使用壽命、維護(hù)費(fèi)用等都是影響水泥材料結(jié)構(gòu)在工程施工中應(yīng)用的決定性因素。研究學(xué)者們通過在水泥中增添新興的環(huán)保高性能纖維材質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)普通水泥材料的脆性優(yōu)化。但目前并沒有相關(guān)的理論研究證明環(huán)保高性能纖維水泥的各項(xiàng)基本力學(xué)性能的具體表現(xiàn)。針對(duì)這一問題，文章開展了對(duì)環(huán)保高性能纖維水泥基本力學(xué)性能研究。

1 環(huán)保高性能纖維水泥抗拉性能

環(huán)保高性能纖維水泥的最大基本力學(xué)性能是抗拉性能。圖1為摻入3%的環(huán)保高性能纖維水泥在單軸拉伸條件下典型應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線圖。

圖1 環(huán)保高性能纖維水泥典型應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線

由圖1中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)可知，環(huán)保高性能纖維水泥在單軸拉伸的作用下，其應(yīng)變可達(dá)10%，而普通混凝土在單軸拉伸的作用下應(yīng)變未達(dá)到0.02%時(shí)就已經(jīng)出現(xiàn)被破壞的現(xiàn)象。并且環(huán)保高性能纖維水泥試件在達(dá)到自身極限抗拉強(qiáng)度后產(chǎn)生的裂縫寬度最大為75μm，表示裂縫寬度極小，因此，抗拉性能更優(yōu)于普通混凝土材料。

同時(shí)，在單軸拉伸過程中，環(huán)保高性能纖維水泥最開始的裂縫出現(xiàn)在最大初始缺陷位置上，而后續(xù)又根據(jù)缺陷尺寸，以從大到小的順序不斷產(chǎn)生新的裂縫，最后初始裂縫會(huì)貫通整個(gè)界面，形成一條更大的裂縫，而環(huán)保高性能纖維水泥試件的承載能力也隨之快速下降，再立刻恢復(fù)到基本水平，在裂縫中的纖維材料對(duì)整個(gè)試件起到橋接的作用，使環(huán)保高性能纖維水泥的傳力性并未因裂縫的形成而降低。通過重復(fù)進(jìn)行單軸拉伸作用，環(huán)保高性能纖維水泥試件上會(huì)形成基本均勻分布的多條細(xì)密裂縫，且每條裂縫之間的寬度也大體相同。并且，多條裂縫的形成也使試件從宏觀角度的拉應(yīng)變力增加了近百倍，裂縫內(nèi)部的纖維材質(zhì)提供的橋聯(lián)應(yīng)力已不能滿足使試件內(nèi)部產(chǎn)生新的裂縫，各裂縫均處于飽和狀態(tài)，以此再繼續(xù)增加其荷載，不會(huì)產(chǎn)生新的裂縫，只會(huì)將原本存在的裂縫寬度增加，直到試件中某一裂縫發(fā)生擴(kuò)展現(xiàn)象，環(huán)保高性能纖維水泥中的纖維材料被拔出或扯斷，導(dǎo)致試件最終斷裂損壞。環(huán)保高性能纖維水泥中纖維材質(zhì)的體積摻量可根據(jù)需要發(fā)生變化，纖維材質(zhì)的體積摻量計(jì)算公式為：

公式1中，V表示環(huán)保高性能纖維水泥中纖維材質(zhì)的體積摻量；表示緩沖因數(shù)；N表示臨界面上的摩擦應(yīng)力；d表示纖維材質(zhì)的橫截面直徑；l表示纖維材質(zhì)的總長(zhǎng)度；m表示纖維材質(zhì)在到達(dá)最大橋接應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生的歸一化裂紋的張開寬度；W表示纖維材質(zhì)在摩擦脫粘過程中產(chǎn)生的能量損失。公式1中，纖維材質(zhì)的橋接應(yīng)力與裂紋張開時(shí)的寬度m存在如下力學(xué)關(guān)系：

通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)也可證明，當(dāng)纖維材質(zhì)的體積摻量為3%時(shí)，環(huán)保高性能纖維水泥及其復(fù)合材料的極限拉應(yīng)變可達(dá)到0.8%，是普通水泥材質(zhì)及其復(fù)合材料的80倍。當(dāng)水膠比為0.38時(shí)，環(huán)保高性能纖維水泥的極限拉應(yīng)變會(huì)增加到最大，可達(dá)4.7%，并且對(duì)應(yīng)其抗拉強(qiáng)度可達(dá)3.5MPa。

2 環(huán)保高性能纖維水泥抗壓性能

環(huán)保高性能纖維水泥的抗壓性能與高強(qiáng)度的混凝土材質(zhì)相似。圖2為環(huán)保高性能纖維水泥抗壓強(qiáng)度與齡期之間的關(guān)系曲線圖。

圖2 環(huán)保高性能纖維水泥抗壓強(qiáng)度與齡期之間的關(guān)系

采用水灰比為0.47的環(huán)保高性能纖維水泥進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢測(cè)。粉煤灰與水泥的質(zhì)量比為2∶4，環(huán)保高性能纖維水泥中混有纖維材質(zhì)的體積摻量為3%，環(huán)保高性能纖維水泥的尺寸選用64mm×142mm的圓柱體時(shí)，通過檢測(cè)，得到如圖2所示的檢測(cè)結(jié)果。通過圖2中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)可知，環(huán)保高性能纖維水泥在前期的抗壓強(qiáng)度增加曲線升高幅度最大，在其23d時(shí)可達(dá)到48MPa，隨著齡期的增長(zhǎng)，其抗壓強(qiáng)度的曲線增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸緩慢，說明其抗壓強(qiáng)度增加變得遲緩，最終在100d時(shí)，其抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)76MPa。

再對(duì)10d、30d和100d齡期的摻有粉煤灰的環(huán)保高性能纖維水泥材料進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢測(cè)，采用水膠比為0.38、膠砂比為3.6的環(huán)保高性能纖維水泥試件，并保證其粉煤灰與水泥材質(zhì)的質(zhì)量比為2.3和3.4，水泥中纖維材質(zhì)的平均長(zhǎng)度為6mm，等效直徑為48μm，纖維材質(zhì)體積摻量為1.52%，得到的檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 不同粉煤灰摻量對(duì)試件抗壓強(qiáng)度的影響

由表1中的數(shù)據(jù)可以看出，在10d、30d和100d齡期的環(huán)保高性能纖維水泥進(jìn)行不同粉煤灰摻量檢測(cè)時(shí)，環(huán)保高性能纖維水泥的抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著粉煤灰摻量的增加而降低，因此，環(huán)保高性能纖維水泥的抗壓強(qiáng)度與粉煤灰摻量之間存在一定的反比例關(guān)系，粉煤灰對(duì)于環(huán)保高性能纖維水泥的抗壓強(qiáng)度具有不利影響。

再對(duì)2d、4d、12d和24d齡期的環(huán)保高性能纖維水泥采用水膠比為0.38、膠砂比為2.48的環(huán)保高性能纖維水泥試件進(jìn)行檢測(cè)。試件中粉煤灰與水泥材質(zhì)的質(zhì)量比為2.4，纖維材質(zhì)的長(zhǎng)度為15mm，等效直徑為42μm，纖維材質(zhì)的體積摻量為1.58%。檢測(cè)結(jié)果表示，2d、4d、12d和24d齡期的抗壓強(qiáng)度分別可達(dá)到35.0MPa、41.8MPa、48.9MPa和54.9MPa。由該檢測(cè)結(jié)果可以看出，在2d齡期的環(huán)保高性能纖維水泥抗壓強(qiáng)度已能滿足橋梁建筑中橋面板的32MPa設(shè)計(jì)要求，有利于提升橋梁建設(shè)施工速度。

3 環(huán)保高性能纖維水泥彎曲性能

環(huán)保高性能纖維水泥的應(yīng)變硬化現(xiàn)象，不僅存在于本文上述提出的單軸拉伸作用中，同時(shí)，也體現(xiàn)在其彎曲性能中，在四點(diǎn)彎曲作用下的環(huán)保高性能纖維水泥能夠表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化現(xiàn)象。利用四點(diǎn)彎曲作用對(duì)混有鋼纖維材質(zhì)的水泥和環(huán)保高性能纖維水泥的彎曲性能進(jìn)行測(cè)試。采用水膠比為0.25，對(duì)鋼纖維材質(zhì)水泥和環(huán)保高性能纖維水泥進(jìn)行配制，其中鋼纖維材質(zhì)的體積摻量為2.4%、環(huán)保高性能纖維材質(zhì)的體積摻量為3.5%，根據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)配制規(guī)定對(duì)其配制。由檢測(cè)結(jié)果可得，對(duì)于混有鋼纖維材質(zhì)的水泥而言，彎曲應(yīng)力在達(dá)到峰值之前會(huì)呈快速上升狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到峰值后便逐漸降低，峰值狀態(tài)下的跨中撓度為0.5mm；對(duì)于環(huán)保高性能纖維水泥而言，彎曲應(yīng)變?cè)谶_(dá)到峰值前以緩慢的速度上升，在這一過程中，環(huán)保高性能纖維水泥中逐漸產(chǎn)生了較多裂縫，峰值狀態(tài)下的跨中撓度為8.2mm。因此，通過檢測(cè)結(jié)果總結(jié)出，環(huán)保高性能纖維水泥的彎曲強(qiáng)度更大，是鋼纖維材質(zhì)水泥彎曲強(qiáng)度的2.0倍。

再采用普通硅酸鹽水泥對(duì)水灰比為0.42、膠砂比為3.5的環(huán)保高性能纖維水泥進(jìn)行檢測(cè)。保證環(huán)保高性能纖維水泥中纖維的長(zhǎng)度為7.24mm和13.43mm，纖維材質(zhì)體積摻量為3.58%，環(huán)保高性能纖維水泥的尺寸為46.2mm×46.2mm×203.4mm，得到的檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 環(huán)保高性能纖維水泥彎曲強(qiáng)度與韌性對(duì)照

表2中，A、B1和C表示標(biāo)準(zhǔn)的養(yǎng)護(hù)環(huán)境，B2表示處于水中的養(yǎng)護(hù)環(huán)境。韌性表示材料荷載與撓度曲線包絡(luò)的總面積。由表2中的數(shù)據(jù)可得出，環(huán)保高性能纖維水泥的彎曲強(qiáng)度在最早期的齡期時(shí)呈顯著降低的狀態(tài)，在水中養(yǎng)護(hù)可進(jìn)一步提升中長(zhǎng)齡期時(shí)環(huán)保高性能纖維水泥的彎曲強(qiáng)度，但對(duì)于短期齡期時(shí)不利。同時(shí)，纖維長(zhǎng)度增加，環(huán)保高性能纖維水泥的韌性也會(huì)隨之增加，因此，長(zhǎng)纖維材質(zhì)對(duì)于環(huán)保高性能纖維水泥的韌性十分有利。環(huán)保高性能纖維水泥對(duì)齡期的變化不敏感。

通過對(duì)兩種水膠比的環(huán)保高性能纖維水泥材料四點(diǎn)彎曲的彎曲性能進(jìn)行對(duì)比研究，采用43.4R普通硅酸鹽水泥，水膠比分別為0.36和0.58的水泥砂漿試件，其中，環(huán)保高性能纖維水泥的纖維材質(zhì)長(zhǎng)度為10mm，等效直徑為25μm，整體形狀為長(zhǎng)直形，纖維材質(zhì)的體積摻量為2.10%，研究結(jié)果得出，在50d齡期內(nèi)，環(huán)保高性能纖維水泥的彎曲強(qiáng)度與水膠比之間存在一定的反比例關(guān)系，彎曲強(qiáng)度會(huì)隨著水膠比的增加而降低。

4 環(huán)保高性能纖維水泥斷裂性能

通過對(duì)普通材質(zhì)水泥、鋼纖維材質(zhì)水泥、環(huán)保高性能纖維水泥進(jìn)行斷裂性能對(duì)比檢測(cè)，其中普通材質(zhì)水泥與鋼纖維材質(zhì)水泥的水灰比可達(dá)0.37，環(huán)保高性能纖維水泥的水灰比可達(dá)0.12；鋼纖維材質(zhì)水泥中的纖維體積摻量可達(dá)2.3%，環(huán)保高性能纖維水泥的纖維體積摻量可達(dá)6.5%。通過檢測(cè)結(jié)果可得出，經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)42d的養(yǎng)護(hù)，環(huán)保高性能纖維水泥的斷裂性能最高，是普通材質(zhì)水泥的160倍，是鋼纖維材質(zhì)水泥的7.9倍。

再對(duì)環(huán)保高性能纖維水泥進(jìn)行四種不同纖維材質(zhì)體積摻量的檢測(cè)，采用普通硅酸鹽水泥，其水灰比為0.38的環(huán)保高性能纖維水泥，纖維材質(zhì)長(zhǎng)度為10.8mm，等效直徑為24mm，形狀為矩形，纖維材質(zhì)體積摻量分別設(shè)置為0.6%、1.2%、2.4%和4.8%。將環(huán)保高性能纖維水泥截取尺寸為450mm×483mm×40mm的矩形立方體。檢測(cè)結(jié)果表明，環(huán)保高性能纖維水泥中摻有纖維體積摻量分別為0.6%、1.2%、2.4%和4.8%時(shí)，其斷裂性能分別可達(dá)9.7kJ/m2、14.2kJ/m2、28.5kJ/m2、35.9kJ/m2。因此，由檢測(cè)結(jié)果可得，斷裂性能會(huì)隨著纖維材質(zhì)體積摻量的增加而增加，且增長(zhǎng)速度呈緩慢的上升趨勢(shì)。

再對(duì)四種纖維材質(zhì)體積摻量的環(huán)保高性能纖維水泥斷裂性能進(jìn)行研究，采用普通硅酸鹽水泥，對(duì)水膠比為0.28、膠砂比為1.2的環(huán)保高性能纖維水泥試件，試件中纖維材質(zhì)的長(zhǎng)度保證在14mm左右，等效直徑約為95μm，分別向其中摻加纖維材質(zhì)體積摻量分別為0、0.85%、1.25%和2.50%，得到的研究結(jié)果如表3所示。

表3 不同纖維摻量對(duì)環(huán)保高性能纖維水泥斷裂性能的影響

由表3中的結(jié)果可看出，針對(duì)同種纖維材質(zhì)的體積摻量，環(huán)保高性能纖維水泥的斷裂性能會(huì)隨著齡期的增加而增加。而對(duì)于同一齡期，環(huán)保高性能纖維水泥的斷裂性能會(huì)隨著纖維材質(zhì)的體積摻量增加而增加。

5 結(jié)語

通過本文對(duì)環(huán)保高性能纖維水泥各項(xiàng)基本力學(xué)性能的研究得出，在相同水膠比、纖維材質(zhì)體積摻量的條件下，環(huán)保高性能纖維水泥與普通材質(zhì)水泥、鋼纖維材質(zhì)水泥相比，抗拉性能、抗壓性能、彎曲性能和斷裂性能都具有明顯優(yōu)勢(shì)。但由于研究能力有限，本文只針對(duì)小尺寸試件的力學(xué)性能進(jìn)行研究，并未對(duì)相應(yīng)配比的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，例如梁、板、柱等結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。因此，今后還將更深入研究這一方面的問題。