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增韌作用主要通過它與基體間的粘結力來實現，對單根或多根合成纖維的拉拔試驗可以很好地評估纖維與基體間界面粘結性能。如果當纖維的粘結長度較短時，纖維將被拔出。

　　關鍵詞：粗合成纖維,拉拔,埋深,基體強度

　　混凝土的破壞由微裂紋的擴展開始，微裂紋的失穩擴展導致材料失效。由于普通混凝土脆性大，其內部存在很多缺陷(微裂縫)，在承受較小的拉應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展起到了良好的阻滯作用。近年來，越來越多的細合成纖維應用于工程實踐中，但由于細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合材料。合成纖維對混凝土的增強增韌作用主要通過它與基體間的粘結力來實現，對單根或多根合成纖維的拉拔試驗可以很好地評估纖維與基體間界面粘結性能。如果當纖維的粘結長度較短時，纖維將被拔出。如果基體強度高，粘結長度較長時，纖維容易被拉斷而使荷載突然釋放，導致斷裂韌性的突然下降，通過纖維-基體界面粘結性能試驗，測定粘結強度，確定纖維合理的臨界埋置長度和纖維長徑比，優化纖維表面形狀，最大限度地發揮纖維的強度。因此，纖維與基體的粘結性能是研究纖維混凝土增強、增韌以及阻裂機理的基礎，界面粘結性能對纖維混凝土各項宏觀力學性能有著重要影響，對纖維混凝土的理論研究和工程應用都具有重要意義。

　　一、纖維與基體粘結強度的影響因素

　　(一)纖維埋深

　　纖維埋深是影響粘結強度的重要因素之一，國內外已經作了大量的試驗研究，結果表明長徑比越大，纖維的增強增韌作用越明顯。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，從而提高了粘結力，隨著纖維埋深的增加，拉拔力亦增加，但平均粘結強度τ 減小，即粘結強度隨埋深的增加而降低。原因是埋深較大時，應力分布很不均勻，高應力區相對較短，故平均粘結強度較低;埋深較小時，高應力區相對較大，應力豐滿，平均粘結強度較高，且隨埋深的增加，當埋深到達一定數值后，粘結應力的變化趨于平緩。

　　臨界埋深是指纖維拉拔使即將斷裂時的埋深，總的粘結力接近纖維的極限拉力。此時，纖維多數發生脫粘滑移破壞，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)基體強度

　　大量的試驗表明：降低水灰比，可以顯著地提高界面粘結強度。當界面水灰比減少時，提高了離子濃度，改善了界面孔結構和大小，提高界面致密性，除水灰比顯著地影響粘結性能外，水泥標號、砂率以及外加劑均對粘結性能有一定影響。

　　二、纖維粘結強度試驗研究

　　(一)試驗方法

　　纖維-基體界面粘結力的測定方法很多(即測量纖維與混凝土的粘結強度)，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;另外，還包括化學定量分析法和光譜分析法等。這些方法難度較大，采用較少，且不宜確定粘結強度。纖維拉拔試驗是測量纖維與基體粘結強度的最簡便有效的方法之一，國內外已經有很多學者對纖維拉拔試驗進行了試驗研究，取得了很多成果。李建輝，鄧宗才等對粗合成纖維進行了拉拔試驗，采用作者自己制作的加載裝置對不同埋深，不同基體強度的纖維進行試驗，試件尺寸為100 mm×100mm×100 mm，試驗裝置如圖所示。本試驗采用此方法研究纖維-基體的粘結強度。

　　(二)粘結強度計算公式

　　根據粘結應力平均分布的假定，用平均值來計算粘結強度，表達式為：

　　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)試驗研究

　　1.纖維指標

　　對新型高彈模粗纖維進行了拉拔試驗研究，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，不結團，減少了運輸和拌和的工作量。纖維形狀如圖，纖維的力學指標如下表。

　　粗合成纖維力學指標

　　直徑/mm 抗拉強度 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

　　為了研究纖維埋深、基體強度等因素對粘結強度的影響，試驗采用三種不同的埋置深度和三種不同強度的基體，分別采用PO32.5和PO42.5普通硅酸鹽水泥配制普通強度和高強度砂漿，其配合比見表1-1，表中M1、M2、M3 分別代表低強、中強、高強砂漿，它們實測抗壓強度分別為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 纖維拉拔試驗數目

　　基體強度纖維直徑(mm)纖維埋深(mm)埋置個數總數

　　M11.110420

　　154

　　204

　　254

　　304

　　M21.110412

　　154

　　204

　　M31.110416

　　154

　　204

　　254

　　3.拉拔試驗結果

　　試驗結果列于表1-3，編號中M1﹑M2﹑M3表示三種不同強度的基體，中間數值0.8表示纖維直徑為0.8mm，末尾數值10﹑15﹑20 、25、30表示纖維埋深分別為10mm﹑15mm﹑20mm、25mm和30mm。

　　表1-3 纖維拉拔試驗結果

　　試件編號砂漿抗壓強度/MPa極限拉力/N平均拉拔力/N粘結強度/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、粘結強度的影響因素

　　(一)纖維埋深的影響

　　從表1-3中看出，3種基體強度，纖維-基體的粘結強度隨纖維埋深的增加呈現下降趨勢。纖維埋置越深，纖維平均粘結強度越小。

　　基體強度為M1時，當纖維埋深從10mm變為15mm時，纖維粘結強度從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，但平均粘結應力τ 減小，即平均粘結強度隨埋深的增加而降低。

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

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

　　(二)基體強度的影響

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

　　當基體強度為52.2MPa時，埋深為10mm、15mm和20mm的纖維-基體粘結強度變化比較大，其中埋深為15mm時的纖維-基體粘結強度最大，約為4.95MPa。埋深為20mm的纖維-基體粘結強度最小，約為3.71MPa。

　　當基體強度為65.0MPa時，埋深為10mm的纖維-基體粘結強度最大，為4.40MPa，埋深15mm、20mm的纖維-基體粘結強度分別為3.12 MPa和3.06 MPa。隨著砂漿強度的增加，粘結強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護，在常溫條件下養護時，由于表面失水過多而導致粘結強度下降。理論講上應該呈粘結強度增加趨勢。