高纖維體積率玻璃纖維增強(qiáng)水泥基材料的力學(xué)性能

張亞晴， 李地紅， 卞立波， 李紫軒， 馮雨琛， 葉國(guó)林

(北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院， 北京 100044)

普通水泥制品具有很高的抗壓強(qiáng)度、較大的剛度以及較好的耐久性等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，但同時(shí)水泥制品存在韌性差、易開(kāi)裂等缺點(diǎn)。提高水泥基材料初裂強(qiáng)度，延緩裂縫發(fā)展，較有效的辦法是在水泥基材料中摻加纖維。Lankard[1]制備出摻量為13.9%的鋼纖維混凝土，其最大抗彎強(qiáng)度可達(dá)到58 MPa，抗壓強(qiáng)度最高達(dá)210 MPa。何娟等[2]通過(guò)壓力成型法制備玻璃纖維增強(qiáng)水泥材料，并探究不同成型壓力、保載時(shí)間等對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)水泥的抗彎強(qiáng)度及斷裂能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，成型壓力越大，抗彎強(qiáng)度越高，斷裂能越低。劉志成等[3]對(duì)比短切玻璃纖維、玻璃纖維網(wǎng)格布和三維玻璃纖維間隔連體織物3種不同維度的玻璃纖維增強(qiáng)水泥的力學(xué)性能，三維玻璃纖維間隔連體織物制備而成的玻璃纖維增強(qiáng)水泥具有良好的力學(xué)性能。張鵬等[4]研究了納米粒子摻量、聚乙烯醇纖維(PVA)摻量等對(duì)水泥基復(fù)合材料的影響，結(jié)果表明，適量增大纖維摻量可以有效提高水泥基材料的抗折、抗壓強(qiáng)度。張王田[5]使用粉煤灰微珠與聚羧酸減水劑協(xié)同方法，成功制備大摻量(4%、5%)的玻璃纖維增強(qiáng)水泥。采用纖維摻入水泥基材料中，可明顯改善水泥基材料韌性差、易開(kāi)裂等缺點(diǎn)，提高初裂強(qiáng)度及耐久性，是獲得力學(xué)性能、耐久性均優(yōu)異的水泥基材料的有效途徑。

玻璃纖維增強(qiáng)水泥(glass fiber reinforced cement, GRC)是一種高性能水泥基復(fù)合材料，它由高彈性模量的玻璃纖維嵌入水泥基體(水泥凈漿、砂漿、混凝土)中而形成[6]。GRC具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、隔熱保溫、防水、防火、可加工性良好及價(jià)格適中等諸多優(yōu)點(diǎn)[7-11]。耐堿玻璃纖維的成功研制使GRC材料的耐久性得到較大改善，在工程中也取得了預(yù)期的效果[12-13]。隨著人們對(duì)建筑品質(zhì)以及工程要求的不斷提高，亟須開(kāi)發(fā)具有更高強(qiáng)、阻裂以及増韌的GRC產(chǎn)品。為配制出高強(qiáng)等級(jí)GRC材料，提出增大玻璃纖維摻量(5%以上)，以水泥凈漿為基體，以纖維摻量、纖維長(zhǎng)度為變量，著重研究5%～10%玻璃纖維摻量下GRC的力學(xué)破壞，通過(guò)抗折、壓實(shí)驗(yàn)以及超景深電子顯微鏡探究這種新型高纖維體積率GRC的宏觀(guān)力學(xué)性能變化規(guī)律以及在這種新型高纖維體積率GRC中玻璃纖維斷裂情況。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)采用P.O.42.5型普通硅酸鹽水泥;粉煤灰為超細(xì)粉煤灰；外加劑為含固率40%的聚羧酸減水劑；水為北京市自來(lái)水；玻璃纖維為匯爾杰有限責(zé)任公司生產(chǎn)的ZrO2含量為16.7%的JB-II耐堿玻璃纖維，選取長(zhǎng)度為6、12、24、30 mm。具體化學(xué)成分及物理力學(xué)性能分別如表1、表2所示。

表1 耐堿玻璃纖維的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of alkali-resistant glass fibers

表2 耐堿玻璃纖維物理力學(xué)性能Table 2 Physical and mechanical properties of alkali-resistant glass fiber

1.2 配合比

采用的GRC膠凝材料組成設(shè)計(jì)基體配合比、玻璃纖維配合比分別如表3、表4所示，水膠比為0.35，30%粉煤灰等量取代硅酸鹽水泥，減水劑摻量根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)各組流動(dòng)度基本相等的原則進(jìn)行調(diào)整。

表3 基體配合比Table 3 Matrix ratio

表4 玻璃纖維配合比Table 4 Glass fiber compatibility ratio

1.3 試件的制備

按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)將砂漿攪拌均勻獲得具有良好流動(dòng)性的膠砂基體，然后緩慢加入纖維，先慢后快，分別攪拌90、60 s。由于本試驗(yàn)中纖維摻加量較大，攪拌完成后的拌合物流動(dòng)度較差(圖1)，拌合物澆筑在模具中難以成型，且成型后耐久性差，因此需要附加人力和機(jī)器振動(dòng)等外力強(qiáng)制成型的方式分多次澆筑。試驗(yàn)中，對(duì)高纖維體積GRC成型工藝也進(jìn)行了探究。

1.4 試驗(yàn)方案

參考《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)，采用尺寸為40 mm(寬)×40 mm(高)×160 mm(長(zhǎng))的膠砂試件進(jìn)行抗折強(qiáng)度試驗(yàn)和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，并采用超景深顯微鏡觀(guān)察記錄裂縫形態(tài)以及斷裂處纖維的橋接狀態(tài)。

2 結(jié)果與分析

2.1 破壞形態(tài)分析

抗折實(shí)驗(yàn)包括4個(gè)階段，分別以開(kāi)始加載、穩(wěn)定受荷、試塊出現(xiàn)第一條微裂縫、試塊裂縫為貫穿裂縫

圖1 不同玻璃纖維摻量的水泥漿體Fig.1 Cement slurry with different glass fiber admixture

(實(shí)驗(yàn)結(jié)束)為標(biāo)記。裂縫隨著玻璃纖維摻量的變化而表現(xiàn)出不同的數(shù)量和不同的形態(tài)。①玻璃纖維摻量為0時(shí)，在加載過(guò)程中，試塊出現(xiàn)無(wú)預(yù)兆的驟然脆斷，裂縫為平直的宏觀(guān)貫穿裂縫，試塊斷裂，實(shí)驗(yàn)結(jié)束，如圖2(a)所示；②玻璃纖維摻量為3%時(shí)，試塊出現(xiàn)一條波動(dòng)較小的主裂縫，主裂縫附近伴隨幾條微小裂縫，破壞后試件仍保持較高的完整性，未發(fā)生斷裂，荷載無(wú)法增加，實(shí)驗(yàn)結(jié)束；③玻璃纖維摻量為5%、7%時(shí)，主裂縫波動(dòng)較大，主裂縫附近有較多微小裂縫，主裂縫出現(xiàn)豎向擴(kuò)展、橫向偏折，出現(xiàn)多條裂縫交錯(cuò)的現(xiàn)象，荷載無(wú)法增加，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

圖2 不同玻璃纖維摻量的GRC破壞形態(tài)Fig.2 Damage pattern of GRC with different glass fiber doping

從細(xì)觀(guān)角度分析，其主要原因是，水泥基材料是高度不勻質(zhì)材料，其硬化后的材料內(nèi)部存在許多氣穴、微孔和界面裂縫等，在受到外部荷載時(shí)，原始微裂紋和微孔隙增大變多，并逐漸連通，引發(fā)宏觀(guān)裂縫。而摻加了具有較高抗拉強(qiáng)度的玻璃纖維，當(dāng)裂縫擴(kuò)展的路徑及方向與纖維相正交時(shí)，由于玻璃纖維的僑聯(lián)作用，纖維可以吸收裂縫傳播所釋放的能量，纖維對(duì)裂縫產(chǎn)生空間阻礙，裂縫發(fā)展方向相對(duì)纖維發(fā)生偏離。玻璃纖維較高抗拉強(qiáng)度特性以及當(dāng)纖維摻量達(dá)到一定程度時(shí)，纖維之間產(chǎn)生更大的摩擦力及纖維聯(lián)鎖產(chǎn)生的機(jī)械咬合力，裂縫難以繞行發(fā)展，外部荷載便由纖維傳遞至未開(kāi)裂的水泥基體上，達(dá)到水泥基體的抗拉強(qiáng)度時(shí)，又產(chǎn)生了新的裂縫，即橫向偏折。裂縫豎向擴(kuò)展到一定長(zhǎng)度后，便出現(xiàn)橫向方向上的發(fā)展。裂縫橫向偏折中伴隨豎向發(fā)展，擴(kuò)展至纖維處，裂縫方向便又產(chǎn)生偏離。隨著荷載的增加，裂縫呈現(xiàn)先由豎向擴(kuò)展轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向偏折，而橫向偏折伴隨豎向擴(kuò)展，上述過(guò)程不斷重復(fù)進(jìn)行，直到試件出現(xiàn)破裂。因此在受到外部荷載時(shí)，裂縫的擴(kuò)展路徑會(huì)隨著纖維摻量增大而出現(xiàn)較大的波動(dòng)，裂縫形態(tài)為多條裂縫交錯(cuò)即多縫開(kāi)裂狀態(tài)。

2.2 力學(xué)性能分析

2.2.1 玻璃纖維摻量對(duì)GRC強(qiáng)度的影響

針對(duì)不同纖維長(zhǎng)度的GRC試件，測(cè)試其3、7、28 d齡期的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，由于3、7 d抗折、抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律與28 d抗折、抗壓強(qiáng)度變化相似，故只對(duì)28 d強(qiáng)度演變規(guī)律進(jìn)行描述。

玻璃纖維摻量為0的膠砂試塊的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)由圖3(a)表示，試塊在達(dá)到極限荷載A點(diǎn)后，試塊開(kāi)裂。1%～5%低玻璃纖維摻量的GRC材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)可由圖3(b)表示，隨著荷載的增大，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈線(xiàn)性變化，試塊在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)第一條裂縫即A點(diǎn)，其后，橫跨裂縫的纖維開(kāi)始承擔(dān)外力即AB曲線(xiàn)段，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為緩和上升的曲線(xiàn)段，直至玻璃纖維從水泥基中被拔出；在BC段，試塊的承載能力不斷下降，但仍具有較大的變形能力。5%～10%高玻璃纖維摻量的GRC材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖3(c)所示，從受荷開(kāi)始直至A點(diǎn)為彈性變形階段，呈直線(xiàn)上升；在A(yíng)B段，隨著荷載的提高，基體出現(xiàn)大量微裂縫；BC段，外部荷載開(kāi)始由基體傳遞至橫跨裂縫處的纖維，纖維承受外部荷載，由于本實(shí)驗(yàn)玻璃纖維摻量較高，應(yīng)力的增幅隨著應(yīng)變?cè)絹?lái)越大，直至試塊破壞試驗(yàn)停止。

由圖4(c)可知，①高體積率GRC的抗折強(qiáng)度隨玻璃纖維摻量的增加呈先增加后降低的趨勢(shì)，其中，L6組隨著纖維摻量的增加抗折強(qiáng)度呈持上升趨勢(shì)；②當(dāng)玻璃纖維摻量從0增大至1%時(shí)，抗折強(qiáng)度增幅較小，摻量增加至1%～5%時(shí)，抗折強(qiáng)度增幅顯著；③當(dāng)玻璃纖維摻量增加至7%時(shí)，抗折強(qiáng)度仍在增大；④然而，當(dāng)玻璃纖維摻量增加至10%時(shí)，L12、L24、L30組抗折強(qiáng)度都有一定程度的下降，而L6組抗折強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，最高達(dá)到38.6 MPa，相對(duì)基準(zhǔn)組，最大升幅為192%，但纖維摻量在7%～10%時(shí)，抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)不明顯。其主要原因是，由于在GRC中，存在臨界纖維體積率，當(dāng)玻璃纖維的體積率大于一臨界值時(shí)，玻璃纖維才能在GRC試塊中起到力學(xué)增強(qiáng)的效果，抗折強(qiáng)度并隨著纖維摻量的增大而增大。當(dāng)玻璃纖維摻量在7%時(shí)，由于纖維摻量大幅度增加，玻璃纖維均勻分布且間距較小，可以有效抑制水泥基體中微小裂縫的擴(kuò)展與生長(zhǎng)，此外試塊內(nèi)部的微觀(guān)結(jié)構(gòu)及破壞機(jī)制發(fā)生實(shí)質(zhì)性變化，纖維和水泥基體間不僅存在黏結(jié)力，纖維之間還產(chǎn)生了更大的摩擦阻力及交叉搭接的聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生機(jī)械咬合力，因而試塊抗折強(qiáng)度得到大幅度提升；當(dāng)玻璃纖維摻量達(dá)10%時(shí)，在制備過(guò)程中，較多纖維的摻入，水泥漿體不能很好地包裹在纖維表面，造成試塊成型時(shí)有較多缺陷導(dǎo)致抗折強(qiáng)度下降。

圖3 應(yīng)力應(yīng)變圖Fig.3 Stress-strain diagram

圖4 不同玻璃纖維摻量、長(zhǎng)度GRC的3、7、28 d抗折強(qiáng)度Fig.4 3, 7, 28 d flexural strength of GRC with different glass fiber admixture and length

由圖5(c)可知，高體積率GRC的抗壓強(qiáng)度隨玻璃纖維摻量的增加呈先增加后降低的趨勢(shì)，且玻璃纖維在7%摻量時(shí)增強(qiáng)效果最明顯，最大增幅為36.7%。其主要原因是，試塊在受壓過(guò)程中，會(huì)受到豎向荷載的作用，試塊發(fā)生橫向變形，內(nèi)部的纖維依靠與基體的黏結(jié)力，限制試塊橫向變形，延緩裂縫的發(fā)展。此外隨著玻璃纖維摻量的增多，纖維的僑聯(lián)作用、環(huán)箍效應(yīng)(圖6)發(fā)揮明顯，因此抗壓強(qiáng)度隨之提高。玻璃纖維摻量增加至10%，抗壓強(qiáng)度有所下降，是因?yàn)槔w維摻量過(guò)多，包裹在纖維表面的水泥漿體較少，水泥基體硬化后，纖維與基體產(chǎn)生的黏結(jié)力較小，在受壓時(shí)，未達(dá)到纖維的極限抗拉強(qiáng)度便從基體拉出，產(chǎn)生“脫黏”現(xiàn)象，纖維利用率變小，抗壓強(qiáng)度隨之降低。

2.2.2 玻璃纖維長(zhǎng)度對(duì)GRC強(qiáng)度的影響

針對(duì)不同纖維長(zhǎng)度的GRC試件，測(cè)試其3、7、28 d齡期的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如圖4所示，由于3、7 d抗折、抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律與28 d抗折、抗壓強(qiáng)度變化相似，故只對(duì)28 d強(qiáng)度演變規(guī)律進(jìn)行描述。由圖4(c)可知，①抗折強(qiáng)度隨著玻璃纖維長(zhǎng)度的變大呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)；②在0～5%低纖維體積率時(shí)，組的抗折強(qiáng)度增幅較大，其中L30組抗折強(qiáng)度最大，而在5%～10%高纖維體積率時(shí)，L6組的抗折強(qiáng)度提高顯著，L24、L30組的抗折強(qiáng)度由高轉(zhuǎn)為降低趨勢(shì)；③在10%玻璃纖維摻量時(shí)，L6組的抗折強(qiáng)度表現(xiàn)最佳，且抗折強(qiáng)度仍處于上升趨勢(shì)，但抗折強(qiáng)度幅度增長(zhǎng)較小。其主要原因是，在本實(shí)驗(yàn)中選用的是短切纖維，為使短切纖維可以在基體中充分被使用，完全發(fā)揮纖維的增強(qiáng)效果，短切纖維必須要大于一定的臨界值，抗折強(qiáng)度會(huì)隨著纖維長(zhǎng)度的變大不斷增大，但本文實(shí)驗(yàn)玻璃纖維摻量較大，過(guò)長(zhǎng)的纖維在拌合物制備過(guò)程中，極易出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，試塊成型存在較多缺陷，導(dǎo)致抗折強(qiáng)度下降，如G5-L24、G5-L30組的抗折強(qiáng)度表現(xiàn)優(yōu)異，而纖維摻量增長(zhǎng)至7%～10%時(shí)，抗折強(qiáng)度下降。

圖5 不同玻璃纖維摻量、長(zhǎng)度GRC的28 d抗壓強(qiáng)度Fig.5 28 d compressive strength of GRC with different glass fiber admixture and length

圖6 抗壓實(shí)驗(yàn)破壞對(duì)比Fig.6 Compressive test damage comparison

6 mm長(zhǎng)度的玻璃纖維長(zhǎng)度小于其他3種纖維的長(zhǎng)度，在低纖維摻量情況下，試塊在受到破壞時(shí)，6 mm長(zhǎng)度的玻璃纖維利用率較低，一部分纖維只能以從水泥基體中被拔出的形式破壞，而在10%高纖維摻量時(shí)，L6組的抗折強(qiáng)度較其他三組效果較好的原因可能是，纖維體積率較大，使纖維分布均勻于基體中，不會(huì)受到裂縫在何處開(kāi)裂的限制，且長(zhǎng)度較短，不會(huì)出現(xiàn)纖維結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，纖維利用率增大。

由圖5(c)可知，在0～5%低纖維體積率時(shí)，抗壓強(qiáng)度變化較小，玻璃纖維長(zhǎng)度對(duì)抗壓強(qiáng)度影響并不明顯，在5%～10%高纖維體積率時(shí)，抗壓強(qiáng)度變化較大，抗壓強(qiáng)度隨著玻璃纖維長(zhǎng)度的增大而降低。其主要原因是，低纖維體積率時(shí)，纖維可均勻分散于水泥漿體中，纖維長(zhǎng)度對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響較小。而高纖維體積率時(shí)，在拌合物制備過(guò)程中，由于纖維摻量增大、纖維長(zhǎng)度較長(zhǎng)，包裹在纖維表面的水泥漿體減少，攪拌過(guò)程中，玻璃纖維間易產(chǎn)生摩擦力，導(dǎo)致纖維結(jié)團(tuán)及纖維損壞現(xiàn)象，導(dǎo)致試塊內(nèi)部受力不均，抗壓強(qiáng)度下降。

2.3 超景深顯微視圖

在試塊抗折實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，試塊呈現(xiàn)裂而不斷，使用VHX-2000超景深數(shù)碼顯微鏡觀(guān)察了各組試樣裂縫處的纖維橋接情況。圖7為不同摻量、不同長(zhǎng)度玻璃纖維的裂縫處的典型超景深視圖。從圖7(a)可以看出，6 mm長(zhǎng)度的玻璃纖維的一端完全從水泥基材中被拔出的滑移軌跡，這是由于，試塊受到破壞時(shí)，只有橫跨裂縫，且裂縫發(fā)生在玻璃纖維中央，玻璃纖維才能被拉斷，否則纖維較短的一側(cè)將會(huì)從水泥基體中被拔出。而圖7(b)為同一長(zhǎng)度的纖維，但玻璃纖維斷裂的形態(tài)為拉斷破壞，這可能是因?yàn)?，玻璃纖維摻量的增加，水泥基材內(nèi)單位體積的纖維摻量變大，玻璃纖維不僅有水泥基體的黏結(jié)力，還有纖維與纖維之間的摩擦力，

圖7 裂縫處的超景深顯微視圖Fig.7 Super depth-of-field microscopic view of the cracks

因此在受到外部荷載時(shí)，大量玻璃纖維被拉斷。從圖7(c)可以看出，玻璃纖維為拉斷破壞，表明基體斷裂后，高體積率、較長(zhǎng)的玻璃纖維摻入可以產(chǎn)生更大的拉應(yīng)力，因此GRC材料力學(xué)性能有較為明顯的提高。

3 結(jié)論

(1)高體積率玻璃纖維的摻入可以顯著提高GRC材料的抗折及抗壓強(qiáng)度。在1%～5%玻璃纖維摻量時(shí)，抗折、抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，5%～7%玻璃纖維摻量時(shí)，抗折、抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，其中長(zhǎng)度為6 mm的玻璃纖維且摻量為10%時(shí)28 d抗折強(qiáng)度達(dá)到最高，是普通GRC材料的2.4倍，最高抗壓強(qiáng)度可達(dá)到55.7 MPa，是普通GRC材料的1.4倍，12、24、30 mm纖維長(zhǎng)度的GRC材料其摻量在7%～10%時(shí)，抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

(2)高體積率GRC材料3 d抗折強(qiáng)度最高可達(dá)到33.5 MPa，抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)到36.8 MPa，可適用于對(duì)早期強(qiáng)度要求較高的工事上，且成本低廉。

(3)5%～7%玻璃纖維摻量時(shí)，成型工藝復(fù)雜，需要開(kāi)發(fā)有效的配方工藝、成型工藝及新型外加劑等；而10%以上的玻璃纖維摻量的GRC材料的力學(xué)性能表現(xiàn)不佳，且成型較為困難。綜合考慮高纖維體積率GRC材料抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、成型工藝及經(jīng)濟(jì)型，高纖維體積率GRC中玻璃纖維摻量為5%～7%、長(zhǎng)度為6～12 mm時(shí)，GRC材料具有很高的抗折抗壓性能。