不同尺度钢纤维混杂增强水泥基材料的力学性能研究.pdf

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1、http:/ 不同尺度钢纤维混杂增强水泥基材料的力学性能研究不同尺度钢纤维混杂增强水泥基材料的力学性能研究1李淑进 吴科如同济大学 混凝土材料科学与工程学院(200092)email: 摘摘 要：要：研究了用微细钢棉纤维以及中等直径钢纤维混杂增强水泥基材料的力学性能。结果表明，在纤维体积分数一定的情况下，混杂纤维体系对于水泥基材料的力学性能的改善作用优于单一直径纤维，不同尺度的纤维混杂对于提高水泥基材料的抗折强度和断裂韧性具有明显的协同效应。胶集比是影响混杂纤维水泥基材料力学性能的重要因素，S/B 越大，最优纤维混杂体系中所需中等直径钢纤维的体积分数也应越大。两种不同直径的钢纤维混杂对于提高水

2、泥基复合材料的断裂能及断裂韧性具有明显的协同效应。关键词：关键词：纤维尺度；混杂效应；水泥基材料；集胶比；力学性能 1引言 1引言 混凝土是当今建筑工程领域应用最为广泛的建筑材料。然而，混凝土的抗拉强度很低，普通混凝土结构还存在自重大、耐久性差以及加固费用高等方面的问题。为了全面提高工程结构的质量和施工工艺，研究新型、高性能的水泥基材料成为当前迫切需要解决的问题。研究表明，纤维增强是提高水泥基材料韧性的最有效措施，目前多数研究工作都是基于采用单一尺度纤维增强的情况1。水泥基材料具有多层次性的特征，应掺入不同尺度的纤维与基体各结构层次相匹配2，从而达到从整体上优化纤维水泥基材料力学性能的目的。混

3、杂纤维水泥基材料是在优化的基体中掺入不同品质和不同尺度的纤维，在不同层次上对水泥基体进行强化、韧化3。其目的是同时利用各种纤维的材料特性以及不同尺度纤维之间的协同增强作用4,5。通过纤维混杂的方式，用中等和较大直径的纤维代替部分微细纤维，不仅可提高复合材料的综合力学性能。而且因纤维总体积分数较低，拌合物的工作性也在一定程度上得到改善。可以说，它是对传统的纤维增强水泥基复合材料的变革6,7。本文采用两种不同直径的钢纤维钢棉纤维和中等直径钢纤维混杂增强水泥基材料。通过常规抗折强度试验和三点弯曲试验，研究了纤维单一直径纤维和不同直径纤维混杂对水泥基材料力学性能的影响，为探索新型纤维增强水泥基材料开辟

4、了一条新的途径。2原材料与试验 2原材料与试验 2.1 原材料及配合比 2.1 原材料及配合比 本试验所用胶凝材料为水泥与硅粉(质量比1:0.11)的混合物。水泥(C)采用宁国海螺牌42.5R普通硅酸盐水泥，其各项性能指标符合国家标准。微硅粉(Si)的比表面积为20m2/g，平均粒径为0.1-0.2m。集料(S)采用细度模数为2.8的中砂，表观密度为2.56g/cm3。通过掺高效减水剂(FDN)调整拌和物的流动性。拌合用水(W)为自来水。本文采用两种长径比基本相同而直径不同的钢纤维：长度为3.5mm，等效直径为50m的钢棉纤维(SF1)；以及长度为13mm，直径为0.2mm的微钢纤维(SF2)

5、。各种纤维的物理性能指标见表1。1高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20020004020)-1-http:/ 表1 钢纤维的物理力学性能指标 纤维种类 密度(g/cm3)直径(m)长度(mm)长径比 抗拉强度(MPa)弹性模量(GPa)SF17.8 50 3.5 70 850 210 SF27.8 200 13 65 1000 210 表2 试验配合比 编号 C Si W S SF1SF2C0.5-1 1.5-C0.5-2 1.0 0.5 C0.5-3 0.75 0.75 C0.5-4 0.5 1.0 C0.5-5 0.3 1.2 C0.5-6 0.9 0.1 0.35 0.5-1.5

6、 C1.0-1 1.5-C1.0-2 1.0 0.5 C1.0-3 0.75 0.75 C1.0-4 0.5 1.0 C1.0-5 0.3 1.2 C1.0-6 0.9 0.1 0.35 1.0-1.5 C1.5-1 1.5-C1.5-2 1.0 0.5 C1.5-3 0.75 0.75 C1.5-4 0.5 1.0 C1.5-5 0.3 1.2 C1.5-6 0.9 0.1 0.35 1.5-1.5 C2.5-1 1.5-C2.5-2 1.0 0.5 C2.5-3 0.75 0.75 C2.5-4 0.5 1.0 C2.5-5 0.3 1.2 C2.5-6 0.9 0.1 0.35 2.5-

7、1.5 注:表中水泥、硅粉、水和砂的数值为原材料质量比，纤维的数值为纤维的体积分数。本研究方案采用集胶比(砂胶质量比)分别为0.5、1.0、2.0和2.5等4组配合比基准配合比。掺单一直径钢纤维的体积分数为1.5，将两种不同直径纤维混杂体系视为用粗纤维代替同等体积分数的微细纤维，而保持纤维的总体积分数为1.5，可分为4种纤维混杂的情况，具体试验配合比列于表2中。2.2 试件制作及试验方法 2.2 试件制作及试验方法 所有试件均采用机械搅拌、振动成型，制作尺寸为 40mm40mm100mm 的试件。先将试件放入标准养护箱养护 24h，脱模后放入养护池养护 28d。抗折强度采用 DKZ500 型电

8、动抗折试验机进行测量，结果取 3 个试件的平均值。弯曲韧性试验亦采用同等尺寸的试件，-2-http:/ 试验前两天将试件从养护池取出，按试验要求用切割机在试件的跨中切口。试件的韧带高度为 20mm，切口宽度为 2 mm。采用三点弯曲加载法研究纤维增强水泥基材料的断裂性能。使用的加载设备为AG-25TA 电子万能材料试验机，加载模式采用等应变控制。参照 ASTM C1018 的试验标准，加载速率保持为 0.02mm/min。荷载和试件跨中挠度分别通过荷载传感器和位移计测量，通过这种试验方法，最后获得了稳定的弯曲荷载-跨中挠度全曲线。3 试验结果与讨论 3 试验结果与讨论 3.1 纤维混杂水泥基材

9、料的抗折强度 3.1 纤维混杂水泥基材料的抗折强度 本文得到的纤维水泥基材料的抗折强度试验结果见图 1。67891011121314151600 01.5%0.5%1.0%0.75%0.75%1.0%0.5%1.2%0.3%1.5%0VSF1VSF2 S/B=0.5 S/B=1.0 S/B=1.5 S/B=2.5抗折强度/MPa图 1 集胶比变化与纤维混杂水泥基材料抗折强度的关系 由实验结果可以看出，与基准配合比的试件相比，单一直径纤维和混杂纤维水泥基材料的抗折强度均有不同程度的提高。集胶比分别为 0.5、1.0、1.5 和 2.5 的试件，用纤维增强水泥基材料的抗折强度提高的幅度分别达到了

10、9.0%19.6%，8.2%38.9%，16.0%44.1%和21.5%104.3%。当 S/B 较小(如 0.5 和 1.0)时，两种直径的纤维分别单掺及混杂对水泥基复合材料抗折强度的影响并不大。而且，用中等直径纤维代替微细纤维，水泥基材料的抗折强度还有降低的趋势，并且中等直径纤维代替微细纤维的比例越大，抗折强度降低的幅度也越大。当 S/B 较大时，情况正好与此相反，S/B 增大到 1.5 和 2.5 时，随着中等直径钢纤维代替微细钢纤维比例的提高，复合材料的抗折强度随之得到显著提高。而且，随S/B不同，最大抗折强度所对应的最优纤维混杂比也不同，S/B越大，最优纤维混杂体系中所需中等直径钢纤

11、维的体积分数也越大。对于S/B为 0.5 时，单掺 1.5%微细钢纤维SF1试件的抗折强度最大。S/B等于 2.5 时，单掺 1.5%中等直径钢纤维SF2的试件抗折强度出现最大值。而对于S/B为1.0和1.5的情况，最佳的纤维混杂比(VSF1/VSF2)分别是(1.2%1/0.3%2)和(0.75%1/0.75%2)。试验结果说明，随着S/B增大，中等直径钢纤维对水泥基材料抗折强度的改善作用逐渐增强。在本文的实验条件下，当S/B大于 1.5，用中等直径钢纤维增强水泥基材料的抗折强度-3-http:/ 要优于微细钢纤维。已有的研究8认为，纤维的抗折增强效应与水泥基体的结构层次具有匹配性。微细纤维

12、对于水泥净浆的增强效应大于中等直径的纤维，纤维增强砂浆的情况则与此相反。不同S/B水泥基材料的结构层次存在差异性，S/B很低的水泥基材料的结构层次接近于水泥净浆，提高S/B则在复合材料中引入的集料-浆体界面数量越多，其性质与水泥净浆的差异也越大，因此，在纤维混杂体系中所需中等直径钢纤维的体积分数也相应较大。3.2 抗折强度混杂效应 3.2 抗折强度混杂效应 为了评价混杂纤维体系对水泥基材料增强与增韧作用的增益程度，我们定义了不同直径纤维混杂的混杂效应系数，计算方法为：hR)1(332211h L+=VSVSVSVSRh 式中，为纤维混杂效应系数；V为混杂纤维的总体积分数；为混杂纤维水泥基材料的

13、性能指标；为纤维单掺水泥基材料的性能指标；为混杂纤维体系中某一直径的纤维体积分数，且有hRhS iSiVVVVV=+L321。它是混杂纤维相对各种直径纤维对复合材料增益作用总和的比值。若按此式计算的混杂系数大于 1，表明不同直径的纤维混杂为正混杂效应，并且，混杂系数越大则纤维混杂对水泥基材料力学性能的增益也越大。根据本文得到的抗折强度结果，按(1)式计算出了纤维混杂效应系数(见图 2)。0.50.60.70.80.91.01.11.21.31.42.51.51.00.5RhS/BSF1(1.2%)/SF2(0.3%)SF1(1.0%)/SF2(0.5%)SF1(0.75%)/SF2(0.75%

14、)SF1(0.5%)/SF2(1.0%)图 2 抗折强度纤维混杂效应系数 由图 2 中的数据可见，当 S/B 为 0.5 时，试件 C0.5-2 和 C0.5-3 的纤维混杂效应系数均大于 1，而试件 C0.5-4 和 C0.5-5 的纤维混杂效应系数小于 1。这说明，当 S/B 小于 1.0，用中等直径钢纤维取代部分微细钢纤维，复合材料的抗折强度可能出现负的混杂效应。而 S/B为 2.5 时，情况正好与此相反，混杂纤维体系中中等直径钢纤维的体积分数应取较大值(不小于 0.75%)。而且，S/B 从 0.5 增大到 2.5，最大纤维混杂效应系数对应的中等直径纤维的体积分数分别为 0.3%、0.

15、5%、0.75%和 1.0%，相应的纤维混杂效应系数分别为 1.10、1.11、1.13 和 1.14。这说明纤维混杂对抗折强度的增强效果随 S/B 的变化而变化，随着 S/B 的增大，为使纤维对-4-http:/ 水泥基材料的抗折强度的增益达到最佳，应减少混杂纤维体系中微细钢纤维的体积分数，而用更多的中等直径钢纤维代替微细钢棉纤维。3.3 纤维混杂水泥基材料的断裂韧性 3.3 纤维混杂水泥基材料的断裂韧性 纤维不仅可提高水泥基材料的抗折强度，更重要的是提高基体开裂后的韧性。本文用三点弯曲试验研究了集胶比等于1.5的混杂纤维水泥基材料的韧性。试验获得的典型荷载-挠度全曲线如图3。由图可见，不同

16、直径纤维水泥基材料的力学行为存在明显差异。单掺1.5%钢棉纤维SF1的水泥基材料的初裂强度最高，但是基体开裂后承载能力骤然降低，几乎没有延性，材料呈现脆性破坏特征。而单掺1.5%钢纤维SF2的水泥基材料(C1.5-6)的初裂强度最低，但初裂后荷载-跨中挠度曲线下降段较平缓，表明材料能承受较大的变形。用两种直径混杂纤维增强的水泥基材料(C1.5-2和C1.5-3)的荷载-挠度曲线更为饱满，不仅初裂强度较高，而且在基体开裂后复合材料仍能承受一定的荷载增量，表明用混杂纤维增强的水泥基材料具备了应力应变硬化性能。另外，混杂纤维体系中钢棉纤维体积分数较大的试件(C1.5-4)的初裂强度较高，而且曲线的下

17、降段也较平缓。0.00.20.40.60.81.01.21.40.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.11.21.31.4SF1 1.2%+SF2 0.3%SF1 1.5%SF1 1.0%+SF2 0.5%SF2 1.5%SF1 0.5%+SF2 1.0%SF1 0.75%+SF2 0.75%荷载/(kN挠 度/mm图 3 纤维混杂水泥基材料的弯曲荷载-跨中挠度曲线 为了评定纤维对水泥基材料的增韧效果，参照美国ASTM C-1018标准计算了水泥基材料的弯曲韧度指数，并根据荷载-挠度曲线计算出了纤维水泥基材料的断裂能GF，计算结果见表3。单掺1.5%钢棉纤维的试件

18、(C1.5-1)断裂能最低，单掺1.5%钢纤维SF2的水泥基材料(C1.5-6)的断裂能为372.6Nm-1，而混杂纤维水泥基材料的断裂能比两种单掺纤维的高，且以编号为C1.5-3的混杂纤维水泥基材料的断裂能最高，其值达到518.1Nm-1，比纤维单掺的前两者分别提高了151和39。韧性指数表明水泥基材料与理想塑性材料性能的偏离程度。由计算结果可见，编号为C1.5-3的混杂纤维水泥基材料的韧性最好，其韧性指数I5、I 10和I 30分别达到4.93、10.59和-5-http:/ 28.33，可见韧性接近理性塑性材料。这说明，两种直径钢纤维混杂对提高水泥基材料的韧性具有正混杂效应，且当混杂纤维

19、体系中钢棉纤维与中等直径钢纤维体积分数比接近1/1时断裂能最大，这与前述抗折强度的分析结果一致。表3 纤维水泥基材料的断裂能及韧性指数 编号 C1.5-1 C1.5-2 C1.5-3 C1.5-4 C1.5-5 C1.5-6 断裂能(Nm-1)206.6 479.7 518.1 397.7 307.1 372.6 I 52.24 4.86 4.93 3.85 3.28 4.80 I 102.53 10.28 10.59 8.67 5.03 10.52 韧性 指数 I 30-21.5 28.33 16.22 12.20 20.3 分析其原因为，两种不同直径的纤维在复合材料变形的不同阶段所起的作用

20、不同。在材料受力的初始阶段，首先是材料内部微裂缝的衍生和扩展。直径微细的钢棉纤维SF1在基体中的间距更容易达到临界间距，通过降低基体微裂缝尖端的应力强度因子，延缓宏观裂缝的形成，因此，在初始阶段提高了复合材料断裂过程中能量消耗。随着荷载的增加，材料内部的微裂缝逐渐聚集、合并成局部化裂缝，微细纤维难以有效地桥接裂缝。此时，中等直径的纤维就对裂缝面产生有效的桥接作用。当纤维与基体之间的粘结力被克服以后，纤维逐渐从基体中拔出，在此过程中消耗的能量相对较大，对提高复合材料的韧性作用极为显著。因此，两种不同直径的钢纤维，在水泥基复合材料的整个受荷阶段通过各自的桥接作用和耗能机制，作用互补，增强、增韧作用

21、均具有明显的协同效应。4结论结论 1）不同直径的钢纤维混杂对于提高水泥基材料的抗折强度和断裂韧性具有明显的协同效应。在纤维体积分数一定的情况下，混杂纤维体系对于水泥基材料的力学性能的改善作用优于单一直径纤维。2）S/B 对混杂纤维体系的增强作用具有显著影响。随着 S/B 的增大，中等直径钢纤维对水泥基材料抗折强度的改善作用逐渐增强。为了获得最佳的纤维混杂效果，若基体的 S/B的较大，应采用更多的中等直径钢纤维取代微细钢纤维。3）两种不同直径的钢纤维，在水泥基材料的整个受荷阶段通过各自的桥接作用和耗能机制，作用互补，其增韧作用具有明显的协同效应。在本文的实验条件下，当混杂纤维体系中钢棉纤维SF1

22、与中等直径钢纤维SF2之比接近1/1时水泥基材料的断裂能最大，其弯曲韧性接近理想韧性材料。参考文献参考文献 1 Abbas,Rafik;El-Rafey,Essam,Mechanical properties of hybrid fiber reinforced concreteJ.AEJ Alexandria Engineering Journal,2002,41(3):455-464.2 Ahmed,S.F.U.,Maalej,M.and Paramasivam,P.,Strain-Hardening Behaviour of Hybrid Fibre Reinforced Cement

23、CompositesJ.Journal of Ferrocement,2003,33(3):172-182.3 Banthia,N.and Bindiganavile,V.,Repairing with Hybrid Fiber Reinforced ConcreteJ.Concrete International,Design and Construction,2001,23(6):29-32.4 Luca Sorelli,Some studies on the assessment of the fracture toughness of fiber reinforced concrete

24、 with an emphasis on hybrid fiber systemsM.Athens,Starrylink Editrico,2003.5 Banthia,Nemkumar;Dubeau,Sylvie.Carbon and Steel Microfiber-Reinforced Cement-Based Composites -6-http:/ for Thin RepairsJ.Journal of Materials in Civil Engineering,1994,6(1):88-99.6 Abbas,Rafik;El-Rafey,Essam,Mechanical pro

25、perties of hybrid fiber reinforced concreteJ.AEJ-Alexandria Engineering Journal,2002,41(3):455-464.7 Lawler,J.S.,Wilhelm,T.,Zahmpini,D.,Shah,S.P.Fracture processes of hybrid fiber-reinforced mortarJ.Materials and Structures,2003,36(4):257.8 王成启,吴科如.胶砂质量比对钢纤维砂浆力学性能的影响J.同济大学学报.2003,31(7):853-856.Study

26、 of the mechanical properties of different size hybrid steel fiber-reinforced cement-based materials ShuJin LI KeRu WU School of materials science and engineering,Tongji University,Shanghai,PRC,200092 Abstract The mechanical properties of micro-diameter steel wool and medium-diameter steel hybrid fi

27、ber reinforced cement-based materials are investigated.At a constant fiber volume fraction，the increase of mechanical properties gained by hybrid fiber is higher than the mon-diameter fiber reinforced cement-based materials.Different size hybrid fiber shows distinct synergistic effects of bending st

28、rength and toughness of cement-based materials.The S/B is an importance factor of mechanicals properties of fiber reinforced cement-based materials.With the increase of S/B,it needs more medium-diameter steel fiber to substitute micro-diameter fiber in hybrid fiber system.The hybrid system of two different diameter fiber can gain distinct hybrid effects in fracture and toughness of cement-based materials.Keywords:fiber hybrid;synergistic effects;cement-based materials;S/B;mechanical properties 李淑进：男。1975 年生。博士研究生。主要研究方向是高性能水泥基材料。-7-