建筑管理論文論述合成粗纖維與砂漿基體粘性測

　　摘　要：合成纖維對混凝土的增強(qiáng)增韌作用主要通過它與基體間的粘結(jié)力來實(shí)現(xiàn)，對單根或多根合成纖維的拉拔試驗(yàn)可以很好地評估纖維與基體間界面粘結(jié)性能。如果當(dāng)纖維的粘結(jié)長度較短時，纖維將被拔出。

　　關(guān)鍵詞：粗合成纖維,拉拔,埋深,基體強(qiáng)度

　　混凝土的破壞由微裂紋的擴(kuò)展開始，微裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展導(dǎo)致材料失效。由于普通混凝土脆性大，其內(nèi)部存在很多缺陷(微裂縫)，在承受較小的拉應(yīng)力的條件下就會破壞。纖維混凝土中亂向分布的纖維對于混凝土裂紋的擴(kuò)展起到了良好的阻滯作用。近年來，越來越多的細(xì)合成纖維應(yīng)用于工程實(shí)踐中，但由于細(xì)纖維摻量一般都比較小，對于混凝土的韌性及沖擊性能提高作用不大，所以有些場合采用粗合成纖維代替鋼纖維或鋼筋網(wǎng)片。粗合成纖維可以有效改善混凝土韌性、抗沖擊、抗疲勞、抗震等性能。

　　纖維混凝土是基體與纖維型材料混雜而成的復(fù)合材料。合成纖維對混凝土的增強(qiáng)增韌作用主要通過它與基體間的粘結(jié)力來實(shí)現(xiàn)，對單根或多根合成纖維的拉拔試驗(yàn)可以很好地評估纖維與基體間界面粘結(jié)性能。如果當(dāng)纖維的粘結(jié)長度較短時，纖維將被拔出。如果基體強(qiáng)度高，粘結(jié)長度較長時，纖維容易被拉斷而使荷載突然釋放，導(dǎo)致斷裂韌性的突然下降，通過纖維-基體界面粘結(jié)性能試驗(yàn)，測定粘結(jié)強(qiáng)度，確定纖維合理的臨界埋置長度和纖維長徑比，優(yōu)化纖維表面形狀，最大限度地發(fā)揮纖維的強(qiáng)度。因此，纖維與基體的粘結(jié)性能是研究纖維混凝土增強(qiáng)、增韌以及阻裂機(jī)理的基礎(chǔ)，界面粘結(jié)性能對纖維混凝土各項(xiàng)宏觀力學(xué)性能有著重要影響，對纖維混凝土的理論研究和工程應(yīng)用都具有重要意義。

　　一、纖維與基體粘結(jié)強(qiáng)度的影響因素

　　(一)纖維埋深

　　纖維埋深是影響粘結(jié)強(qiáng)度的重要因素之一，國內(nèi)外已經(jīng)作了大量的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明長徑比越大，纖維的增強(qiáng)增韌作用越明顯。其主要原因是長徑比大時，纖維與水泥基體的接觸面積大，抗剪切作用較大，從而提高了粘結(jié)力，隨著纖維埋深的增加，拉拔力亦增加，但平均粘結(jié)強(qiáng)度τ 減小，即粘結(jié)強(qiáng)度隨埋深的增加而降低。原因是埋深較大時，應(yīng)力分布很不均勻，高應(yīng)力區(qū)相對較短，故平均粘結(jié)強(qiáng)度較低;埋深較小時，高應(yīng)力區(qū)相對較大，應(yīng)力豐滿，平均粘結(jié)強(qiáng)度較高，且隨埋深的增加，當(dāng)埋深到達(dá)一定數(shù)值后，粘結(jié)應(yīng)力的變化趨于平緩。

　　臨界埋深是指纖維拉拔使即將斷裂時的埋深，總的粘結(jié)力接近纖維的極限拉力。此時，纖維多數(shù)發(fā)生脫粘滑移破壞，纖維在滑移的過程中吸收更多的能量，也提高混凝土的韌性、斷裂能等。

　　(二)基體強(qiáng)度

　　大量的試驗(yàn)表明：降低水灰比，可以顯著地提高界面粘結(jié)強(qiáng)度。當(dāng)界面水灰比減少時，提高了離子濃度，改善了界面孔結(jié)構(gòu)和大小，提高界面致密性，除水灰比顯著地影響粘結(jié)性能外，水泥標(biāo)號、砂率以及外加劑均對粘結(jié)性能有一定影響。

　　二、纖維粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)研究

　　(一)試驗(yàn)方法

　　纖維-基體界面粘結(jié)力的測定方法很多(即測量纖維與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度)，主要有：纖維拉拔、壓頭頂出、單根纖維碎斷、微脫粘法等，較為常用的方法是纖維的拉拔試驗(yàn);另外，還包括化學(xué)定量分析法和光譜分析法等。這些方法難度較大，采用較少，且不宜確定粘結(jié)強(qiáng)度。纖維拉拔試驗(yàn)是測量纖維與基體粘結(jié)強(qiáng)度的最簡便有效的方法之一，國內(nèi)外已經(jīng)有很多學(xué)者對纖維拉拔試驗(yàn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，取得了很多成果。李建輝，鄧宗才等對粗合成纖維進(jìn)行了拉拔試驗(yàn)，采用作者自己制作的加載裝置對不同埋深，不同基體強(qiáng)度的纖維進(jìn)行試驗(yàn)，試件尺寸為100 mm×100mm×100 mm，試驗(yàn)裝置如圖所示。本試驗(yàn)采用此方法研究纖維-基體的粘結(jié)強(qiáng)度。

　　(二)粘結(jié)強(qiáng)度計算公式

　　根據(jù)粘結(jié)應(yīng)力平均分布的假定，用平均值來計算粘結(jié)強(qiáng)度，表達(dá)式為：

　　式中 Pmax——最大拔出荷載，kN。

　　l——纖維的埋置深度;

　　rf——纖維的等效直徑。

　　(三)試驗(yàn)研究

　　1.纖維指標(biāo)

　　對新型高彈模粗纖維進(jìn)行了拉拔試驗(yàn)研究，粗合成纖維由寧波康博新材料科技有限公司提供，該纖維具有耐酸堿性，耐腐蝕，不存在象鋼纖維生銹的問題，且纖維分散性好，不結(jié)團(tuán)，減少了運(yùn)輸和拌和的工作量。纖維形狀如圖，纖維的力學(xué)指標(biāo)如下表。

　　粗合成纖維力學(xué)指標(biāo)

　　直徑/mm 抗拉強(qiáng)度 密度/g/cm3 初始模量 伸長率/%

　　0.8

　　0.15 600MPa 1.5

　　0.1 30-40GPa <30

　　2.砂漿配合比及試件數(shù)

　　為了研究纖維埋深、基體強(qiáng)度等因素對粘結(jié)強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)采用三種不同的埋置深度和三種不同強(qiáng)度的基體，分別采用PO32.5和PO42.5普通硅酸鹽水泥配制普通強(qiáng)度和高強(qiáng)度砂漿，其配合比見表1-1，表中M1、M2、M3 分別代表低強(qiáng)、中強(qiáng)、高強(qiáng)砂漿，它們實(shí)測抗壓強(qiáng)度分別為43.9 MPa、52.2 MPa和65.0MPa。

　　表 1-1 纖維砂漿配合比

　　砂漿等級 水泥/kg/m3 砂子/kg/m3 水/kg/m3 水灰比

　　M1 353(PO32.5) 664 180 0.51

　　M2 429(PO32.5) 546 180 0.42

　　M3 473(PO42.5) 533 180 0.38

　　表1-2 纖維拉拔試驗(yàn)數(shù)目

　　基體強(qiáng)度纖維直徑(mm)纖維埋深(mm)埋置個數(shù)總數(shù)

　　M11.110420

　　154

　　204

　　254

　　304

　　M21.110412

　　154

　　204

　　M31.110416

　　154

　　204

　　254

　　3.拉拔試驗(yàn)結(jié)果

　　試驗(yàn)結(jié)果列于表1-3，編號中M1﹑M2﹑M3表示三種不同強(qiáng)度的基體，中間數(shù)值0.8表示纖維直徑為0.8mm，末尾數(shù)值10﹑15﹑20 、25、30表示纖維埋深分別為10mm﹑15mm﹑20mm、25mm和30mm。

　　表1-3 纖維拉拔試驗(yàn)結(jié)果

　　試件編號砂漿抗壓強(qiáng)度/MPa極限拉力/N平均拉拔力/N粘結(jié)強(qiáng)度/MPa

　　試件1試件2試件3試件4

　　M1-0.8-1043.980.3679.5890.4582.6183.252.41

　　M1-0.8-15126.32116.42103.49119.51116.442.25

　　M1-0.8-20170.13151.21156.60139.45154.352.23

　　M1-0.8-25192.95191.20196.43200.72195.332.26

　　M1-0.8-30239.57238.44232.66222.54233.802.25

　　M2-0.8-1052.2147.20184.63163.37145.82160.264.64

　　M2-0.8-15262.64243.42251.17267.54256.194.94

　　M2-0.8-20304.00330.16283.51266.17295.963.71

　　M3-0.8-1065.0157.70151.82161.70136.73151.994.40

　　M3-0.8-15185.73178.18154.66175.15173.433.35

　　M3-0.8-20222.28211.90208.96220.52215.923.13

　　M3-0.8-25252.57244.73267.47293.44264.553.06

　　三、粘結(jié)強(qiáng)度的影響因素

　　(一)纖維埋深的影響

　　從表1-3中看出，3種基體強(qiáng)度，纖維-基體的粘結(jié)強(qiáng)度隨纖維埋深的增加呈現(xiàn)下降趨勢。纖維埋置越深，纖維平均粘結(jié)強(qiáng)度越小。

　　基體強(qiáng)度為M1時，當(dāng)纖維埋深從10mm變?yōu)?5mm時，纖維粘結(jié)強(qiáng)度從2.41MPa下降到2.25MPa，下降比較明顯，隨著纖維埋深的增加，拉拔力亦增加，但平均粘結(jié)應(yīng)力τ 減小，即平均粘結(jié)強(qiáng)度隨埋深的增加而降低。

　　基體強(qiáng)度為M2時，纖維-基體粘結(jié)強(qiáng)度表現(xiàn)出先上升后略微下降的趨勢，其10mm、15mm和20mm的粘結(jié)強(qiáng)度分別為4.64MPa、4.94 MPa和3.71 MPa，高低應(yīng)力區(qū)和應(yīng)力豐滿分布表現(xiàn)地更加明顯，這種反常現(xiàn)象可能是由于高應(yīng)力區(qū)分布的原因，使得埋深15mm的纖維-基體平均粘結(jié)強(qiáng)度大于埋深為10mm的纖維基體平均粘結(jié)強(qiáng)度。

　　基體強(qiáng)度為M3時，纖維-基體粘結(jié)強(qiáng)度在埋深從10mm變化為15mm時最明顯，其粘結(jié)強(qiáng)度分別為4.40MPa和3.35 MPa，下降比較明顯。埋深為20mm、25mm時，纖維粘結(jié)強(qiáng)度3.13MPa和3.06MPa，纖維-基體平均粘結(jié)強(qiáng)度變化不大。

　　(二)基體強(qiáng)度的影響

　　從表1-3中可以看出，當(dāng)基體強(qiáng)度為43.9MPa時，埋深為10mm、15mm和20mm的纖維-基體粘結(jié)強(qiáng)度大致相等，即粘結(jié)強(qiáng)度跟纖維的深度關(guān)系不大，粘結(jié)強(qiáng)度分別為2.41MPa、2.25MPa和2.23MPa。即埋深為10mm的纖維-基體粘結(jié)強(qiáng)度分別為埋深為15mm和20mm的纖維-基體粘結(jié)強(qiáng)度的107%和108%。

　　當(dāng)基體強(qiáng)度為52.2MPa時，埋深為10mm、15mm和20mm的纖維-基體粘結(jié)強(qiáng)度變化比較大，其中埋深為15mm時的纖維-基體粘結(jié)強(qiáng)度最大，約為4.95MPa。埋深為20mm的纖維-基體粘結(jié)強(qiáng)度最小，約為3.71MPa。

　　當(dāng)基體強(qiáng)度為65.0MPa時，埋深為10mm的纖維-基體粘結(jié)強(qiáng)度最大，為4.40MPa，埋深15mm、20mm的纖維-基體粘結(jié)強(qiáng)度分別為3.12 MPa和3.06 MPa。隨著砂漿強(qiáng)度的增加，粘結(jié)強(qiáng)度先增加后趨于平緩，原因主要是M3試件的水灰比較小，試件未采用恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)，在常溫條件下養(yǎng)護(hù)時，由于表面失水過多而導(dǎo)致粘結(jié)強(qiáng)度下降。理論講上應(yīng)該呈粘結(jié)強(qiáng)度增加趨勢。