纤维增韧地聚物混凝土力学性能与微观结构.pdf

为改善地聚物延性较差的缺点,采用镀铜微细钢纤维与聚丙烯纤维制备了不同纤维类型、布置形式与体积掺量的纤维增韧粉煤灰矿渣基地聚物混凝土,对其力学性能进行了试验研究,并通过扫描电子显微镜从微观层面解释了不同布置形式的纤维增韧机理.结果表明:钢纤维与聚丙烯纤维分别以拔出与断裂的形式有效地阻止地聚物混凝土裂缝的发展;对于整体式单掺钢纤维与整体式混掺纤维地聚物混凝土试样,其劈裂抗拉强度与抗折强度均得到显著提升;层布式钢纤维地聚物混凝土试样可达到与整体式纤维地聚物混凝土相当的力学性能且前者的纤维用量仅为后者的 左右;与整体式纤维增韧机理不同,层布式钢纤维地聚物混凝土试样中双层钢纤维相当于“双层弹性板”,除了聚丙烯纤维以及钢纤维的“桥接”作用,还可与基体周围的钢纤维互相交叉形成网状结构,钢纤维网状结构之间的相互作用限制了纤维的相对位移,显著提升了试样的力学性能.关键词:地聚物混凝土;纤维增韧;力学性能;微观结构;整体式纤维;层布式纤维中图分类号:TU 文献标志码:A文章编号:()M e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u c t u r eo f f i b e r r e i n f o r c e dg e o p o l y m e rc o n c r e t eHUANG H u a,GUO M e n g x u e,YUJ i n i n g,YANGS h i l i n(S c h o o l o fC i v i l&A r c h i t e c t u r eE n g i n e e r i n g,X i a nT e c h n o l o g i c a lU n i v e r s i t y,X i a n ,S h a a n x i,C h i n a;S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n g,C h a n g a nU n i v e r s i t y,X i a n ,S h a a n x i,C h i n a;C h i n aR a i l w a yF i r s tS u r v e ya n dD e s i g nI n s t i t u t eG r o u pC o,L t d,X i a n ,S h a a n x i,C h i n a)A b s t r a c t:T o i m p r o v e t h ep o o rd u c t i l i t yo fg e o p o l y m e r,f i b e rr e i n f o r c e df l ya s h s l a gg e o p o l y m e rc o n c r e t ew i t hd i f f e r e n t f i b e r t y p e s,a r r a n g e m e n t f o r m s a n dv o l u m e c o n t e n tw a sp r e p a r e db yu s i n gc o p p e r c o a t e dm i c r os t e e l f i b e r a n dp o l y p r o p y l e n e f i b e r T h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f g e o p o l y m e rc o n c r e t ew e r es t u d i e d,a n dt h ef i b e rr e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s m w i t hd i f f e r e n ta r r a n g e m e n t f o r m sw a s f u r t h e re x p l a i n e db a s e do ns c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e T h er e s u l t ss h o wt h a ts t e e l f i b e ra n dp o l y p r o p y l e n e f i b e rc a ne f f e c t i v e l yp r e v e n t t h ed e v e l o p m e n to f c r a c k s i ng e o p o l y m e r c o n c r e t ei nt h e f o r mo fp u l l o u ta n df r a c t u r e,r e s p e c t i v e l y T h es p l i t t i n gt e n s i l ea n df l e x u r a ls t r e n g t ho fn o n l a y e r e dr e i n f o r c e dg e o p o l y m e rc o n c r e t es a m p l e sw i t hs i n g l es t e e l f i b e ra n dh y b r i df i b e ra r es i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d T h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f l a y e r e d f i b e r r e i n f o r c e dg e o p o l y m e r c o n c r e t ea r ee q u i v a l e n t t ot h a to fn o n l a y e r e df i b e rr e i n f o r c e dg e o p o l y m e rc o n c r e t e,a n dt h ef i b e rc o n t e n to f t h ef o r m e ri so n l ya b o u t o ft h a to ft h el a t t e r D i f f e r e n tf r o mt h en o n l a y e r e df i b e rr e i n f o r c e dm e c h a n i s m,t h ed o u b l e l a y e rs t e e lf i b e ri nt h el a y e r e df i b e rr e i n f o r c e dg e o p o l y m e rc o n c r e t ei se q u i v a l e n tt ot h e“d o u b l e l a y e re l a s t i cp l a t e”B e s i d e st h e“b r i d g i n g”e f f e c to fp o l y p r o p y l e n e f i b e ra n ds t e e lf i b e r,i ta l s oi n t e r s e c t sw i t ht h es t e e lf i b e ra r o u n dt h em a t r i xt of o r man e t w o r ks t r u c t u r e T h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h es t e e l f i b e rn e t w o r ks t r u c t u r el i m i t st h er e l a t i v ed i s p l a c e m e n t o f t h e f i b e r a n ds i g n i f i c a n t l y i m p r o v e s t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f t h e s a m p l e K e yw o r d s:g e o p o l y m e r c o n c r e t e;f i b e r r e i n f o r c e m e n t;m e c h a n i c a l p r o p e r t y;m i c r o s t r u c t u r e;n o n l a y e r e df i b e r;l a y e r e df i b e r引言由于地聚物的C O排放量较低,可作为波兰特水 泥(O P C)的 替 代 品,逐 渐 引 起 了 人 们 的 关注 .目前国内外学者对地聚物的制备进行了大量的研究,包括材料的种类与配合比的影响 .研究表明,地聚物具备与普通混凝土相当甚至更优的力学性能,如耐高温及耐腐蚀性 .然而,与陶瓷类似,地聚物脆性大的缺点极大地限制了地聚物的发展与应用.添加纤维作为一种改善 混 凝 土 脆 性 常 用 的 手 段 被 广 泛 应 用 .M o h s e n i等 研究发现聚丙烯纤维(P P)的加入能够显著提高偏高岭土基地聚物的抗拉强度.聚丙烯纤维在基质处于非承压状态时能够有效阻止微裂纹的产生与发展,而当施加荷载时,聚丙烯纤维混凝土试样与普通混凝土试样均发生脆性破坏,并未保持试样完整性,因此在一定程度上限制了聚丙烯纤维的应用.此外,B e r n a l等 通过添加钢纤维(S F)改善了地聚物的力学性能,如抗拉强度与抗折强度.S h a i k h 认为钢纤维由于其较高的弹性模量与力学强度极大地改善了地聚物开裂后行为.与单掺纤维的试样相比,采用混合纤维的试样表现出更高的应变速率灵敏度.此外,混杂纤维显著提高了混凝土的力学性能,阻止了裂纹的形成和发展.K h e r a d m a n d等 研究了混杂纤维对粉煤灰基地聚物性能的影响,发现混杂短纤维的掺入使地聚物的抗折强度提高,但降低了其抗压强度.梁宁慧等 研究发现,钢纤维的加入对P P纤维增韧地聚物的性能有积极影响.纤维均通过“纤维桥接”承受内应力,从而分别阻碍宏观裂缝与微观裂缝的出现与发展.此外,有研究表明,由于普通混凝土基体的弹性模量较高,微细钢纤维从基体中拉出时有较高的能量耗散 .本文基于镀铜微细钢纤维与聚丙烯纤维研究了纤维类型、布置形式以及体积分数对地聚物混凝土力学性能的影响,并从微观层次进一步解释了纤维增韧机理.试验材料及方法 试验原材料制备地聚物混凝土所需的硅铝酸盐化合物采用级 粉 煤 灰 与 高 炉 矿 渣.粉 煤 灰 的 平 均 粒 径 为 mm,矿渣 的密度与比 表面积 分 别 为 gc m与 mk g,具体化学组成见表.表粉煤灰与矿渣化学成分T a b l eC h e m i c a l c o m p o s i t i o n so f f l ya s ha n ds l a g材料各化学成分含量/S i OA lOF eOM g OC a ON aOS OKO烧失量粉煤灰 矿渣 图给出了粉煤灰与矿渣的扫描电子显微镜(S EM)图像,可以看出粉煤灰大多为光滑球形,而矿渣多呈不规则多边形.从粉煤灰的X射线衍射(X R D)图谱中可以看出莫来石(A lS iO)与石英(S i O)在粉煤灰的化学构成中比重较大,如图(a)所示.矿渣的X R D图谱中可以观察到“馒头峰”,同时没有晶体衍射峰的出现,如图(b)所示.氢氧化钠采用纯度为 的片状N a OH.水玻璃初始模数为 ,其N aO与S i O的含量分别为 与 .细骨料采用细度模数为 的天然河第期黄华,等:纤维增韧地聚物混凝土力学性能与微观结构图原材料S EM图像F i g S EMi m a g e so f r a wm a t e r i a l s图原材料X R D图谱F i g X R Dp a t t e r n so f r a wm a t e r i a l s砂,粗骨料选用粒径为 mm的碎石.此外,选用镀铜微细钢纤维和聚丙烯纤维作为改善地聚物混凝土的材料,如表和图所示.本文选择钢纤维和聚丙烯纤维的长度分别为 mm和 mm,这表钢纤维与聚丙烯纤维性能参数T a b l eP e r f o r m a n c e i n d e x e so f s t e e l f i b e ra n dp o l y p r o p y l e n e f i b e r纤维类型密度/(gc m)直径/m长度/m抗拉强度/MP a弹性模量/G P a断后伸长率/钢纤维 聚丙烯纤维 符合C E C S:标准的要求.配合比设计本文设计了种不同类型的地聚物混凝土试样,即不含纤维的素地聚物混凝土(G C )、整体式纤维地聚物混凝土(G C F R)以及层布式钢纤维地聚物混凝土(G C L F R),具体配合比如表所示.表中试样编号的下标分别表示钢纤维或聚丙烯纤维的体积掺量.如G C L S P 表示聚丙烯纤维体积掺量为 、钢纤维体积掺量为 的层布式钢聚丙烯纤维地聚物混凝土试样.地聚物混凝土的基础配合比为:水玻璃模数 ,水玻璃掺量,粉煤灰与矿渣比例.制备整体式与层布式钢纤维地聚物混凝土具体步骤为:()称 量 矿 渣、粉 煤 灰、砂 子、石 子、水 玻 璃、N a OH、水、钢纤维及聚丙烯纤维的量.()制 备 碱 激 发 剂:称 量 所 需 的 水 玻 璃 和N a OH的量,将片状N a OH加入水玻璃中并搅拌至N a OH完全溶解,然后等其温度降至室温.()整体式纤维地聚物混凝土试样:先将称量好的胶凝材料倒入搅拌机搅拌约 s,然后加入细骨料和减水剂继续搅拌约 s,并在搅拌过程中加入/的纤维,继续加入粗骨料搅拌约 s,在搅拌过程中继续加入剩余/的纤维,最后将配制好的碱激发剂和水同时倒入搅拌机中搅拌约 s后卸料倒入模具,制备整体式纤维试样.()层布式钢纤维地聚物混凝土试样:层布式钢纤维试样基于素混凝土或聚丙烯纤维混凝土进行钢纤维层状布置.考虑层布式钢纤维分布均匀性及施工工艺,采用人工初筛与机械二次分散的方式进行纤维 铺 设,实 现 纤 维 均 匀 分 散,分 散 装 置 如 图所示.具体制备工艺为:将混凝土模具放置于小型振动台上,并浇筑下层混凝土,按照配合比称取下层建筑科学与工程学报 年图地聚物混凝土所用纤维F i g F i b e r su s e d i ng e o p o l y m e rc o n c r e t e钢纤维的量,通过人工初步较为均匀地将钢纤维撒布于箱体内的筛网板(网孔间距小于 mm)上,开启振动台,将钢纤维进行二次均匀分散并通过导板铺设于混凝土之上,而后重复步骤完成纤维铺设以及混凝土浇筑.在浇筑、振动期间,不需要将模具拿出,只需将筛网板移开即可,在通过机械振动分散钢纤维的同时可以通过振动将地聚物混凝土试样保持较好的流动性,从而与钢纤维更好地结合.图与图分别为层布式钢纤维地聚物混凝土的制备流程以及试样示意图.试验方法宏观力学性能测试的加载方案以及加载制度按照 混凝 土 物 理 力 学 性 能 试 验 方 法 标 准(G B/T )执行.选用 mm mm mm的非标准试件进行了抗压强度以及劈裂抗拉强度的测试.抗折强度的测试选用 mm mm mm的试件尺寸.强度值计算如式()()所示.fc FA()fs p FA()表纤维增韧地聚物混凝土配合比设计T a b l eM i xd e s i g no f f i b e rr e i n f o r c e dg e o p o l y m e rc o n c r e t e混凝土类型试样编号各材料用量/(k gm)粉煤灰矿渣水玻璃氢氧化钠水骨料S F含量/P P含量/素地聚物混凝土G C 整体式纤维地聚物混凝土聚丙烯纤维地聚物混凝土G C P G C P 钢纤维地聚物混凝土G C S G C S G C S 钢聚丙烯混杂纤维地聚物混凝土G C S P G C S P G C S P G C S P G C S P G C S P 层布式纤维地聚物混凝土层布式钢纤维地聚物混凝土G C L S G C L S G C L S 层布式钢聚丙烯纤维地聚物混凝土G C L S P G C L S P G C L S P G C L S P G C L S P G C L S P 第期黄华,等:纤维增韧地聚物混凝土力学性能与微观结构图钢纤维分散装置F i g S t e e l f i b e rd i s p e r s i o nd e v i c e图层布式钢纤维地聚物混凝土制备流程F i g P r o c e s so fp r e p a r i n gG C L F R图层布式钢纤维地聚物混凝土试样示意图F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo f l a y e r e df i b e r r e i n f o r c e dg e o p o l y m e rc o n c r e t e s a m p l effF lb h()式中:fc为抗压强度;fs p为劈裂抗拉强度;ff为抗折强度;F为加载曲线中的极限荷载;b、h、l、A分别为试件的宽度、高度、长度、面积.用S EM对直径约mm、厚度 mm的试样进行了微观形貌观察和分析.试验结果分析 破坏形态图给出了不同试样的最终破坏形态.试样抗压强度试验结果如图(a)所示,当素地聚物混凝土破坏失效时四周均发生不同程度的混凝土脱落,最终呈现“四角锥”型.试样G C P 的破坏形态与G C 无明显差异,均表现为“脆性破坏”.然而,掺入钢纤维的试样(G C S、G C F R以及G C L F R)仅出现了表皮混凝土的轻微脱落.劈裂抗拉强度试验结果如图(b)所示,与抗压强度试验类似,试样G C P与G C 在劈裂抗拉试验后的破坏形态类似,伴随着“嘣”的一声闷响,裂缝完全贯通整个试块,试块被完全分裂成独立的两部分.试样G C S、G C F R与G C L F R最终的破坏形态呈现了较好的完整性.抗拉强度试验结果如图(c)所示,就各试样的主裂缝宽度来看,试样G C 的裂缝宽度最大,被破坏成两半,其在破坏时没有明显的征兆,发生了脆性破坏;试样G C F R和G C L F R的主裂缝宽度最小,较试样G C 破坏过程较为缓慢,且破坏时也有较为明显的征兆,当地聚物基体发生破坏时,由于纤维的作用试样依然保持整体性,裂而不断.抗压强度试样抗 压 强 度 如 图所 示.可 以 看 出,G C P 和G C P 的抗压强度略高于试样G C ,分别提高了 和 .随着加入、的钢纤维,试样G C S的抗压强度分别提高了 、和 .当钢纤维与聚丙烯纤维共同加入时,提高幅度高达 ,说明钢聚丙烯混合纤维对地聚物混凝土基体力学性能的改善比单一的钢纤维或聚丙烯纤维更为显著.与G C S 相比,G C S 的抗压强度有所下降,下降幅度约为 .此外,对于试样G C F R,当钢纤维的含量从 增加到 时,抗压强度提高不明显.这是由于过量的混合纤维不能在基体中随机均匀分散,从而引入了更多的微孔,使纤维与基质的界面区域更为薄弱,最终表现为纤维对力学性能的提升程度较小甚至降低了其力学性能.与试样G C F R类似,试样G C L F R的抗压强度高于试样G C .当试样G C L S中钢纤维体积掺量为 和 时,其抗压强度相比素地聚物混凝土分别提高了 和 ,与G C S相比表现出更优良的力学性能.G C L F R的抗压强度略低于G C F R.与试样G C F R不同,G C L F R的抗压强度是随混杂纤维掺量的增加而增加.这是因为试样G C L F R中的钢纤维体积掺量要远低于试样G C F R,从而削弱了钢纤维的不均匀分布和“团聚”现象.对于G C L F R,在保持钢纤维含量不变的情况下,聚丙烯纤维含量的增加会引起抗压强度的下降.根 据 规 范C E C S:,G C F R和G C L F R的抗压强度值计算公式为ff tft(ss fpp fs fp f)()s fs fls f/ds f()p fp flp f/dp f()式中:ff t和ft分别为纤维增韧地聚物混凝土和普通建筑科学与工程学报 年图破坏形态F i g F a i l u r em o d e s地聚物混凝土的强度值;s和p分别为钢纤维和聚丙烯纤维对纤维增韧地聚物混凝土强度值的影响系数;为混杂纤维对增强地聚物混凝土强度值的影响系数;s f与p f分别为钢纤维与聚丙烯纤维含量的特征值;s f、ls f和ds f分别为钢纤维的体积比、长度和直径;p f、lp f和dp f分别为聚丙烯纤维的体积比、长度和直径.抗压强 度 与 纤 维 含 量 之 间 的 理 论 关 系 如 图(b)所示.根据试验提出了地聚物混凝土抗压强度计算公式,如式()、()所示.ff cfg c(s f p f s fp f)()fl f cfg c(s f p f s fp f)()式中:ff c、fl f c和fg c分别为试样G C F R、G C L F R和G C 的抗压强度值.劈裂抗拉强度试样劈裂抗拉强度如图所示,聚丙烯纤维掺量为 和 的试样G C P 和G C P 的劈裂抗 拉 强 度 略 高 于 试 样G C ,且 分 别 提 高 了 和 .对于试样G C S,钢纤维掺量分别为、和 时,其劈裂抗拉强度相比试样G C 分别提高了 、和 .因此,单掺聚丙烯纤维没有明显地提高地聚物混凝土的劈裂抗拉强度,这可能是由于聚丙烯纤维在混凝土基体中的分散不均匀,削弱了阻碍早期裂纹形成和发展的能力;单掺钢纤维却对劈裂抗拉强度有明显的提升,很好地改善了地聚物混凝土的脆性.当钢纤维掺量为 时,试样G C S劈裂抗拉强度为 MP a;对于试样G C F R,当钢纤维掺量为 且聚丙烯纤维掺量为 、时,劈裂抗拉强度分别为 MP a与 MP a.这表明在地聚物混凝土基体中同时掺入钢纤维和聚丙烯纤维能够显著改善其抗拉性能.当G C F R中掺入 钢纤维(聚丙烯纤维掺量为 和)时,纤维对其劈裂抗拉强度的增强能力降低.这表明当过第期黄华,等:纤维增韧地聚物混凝土力学性能与微观结构图试样抗压强度F i g C o m p r e s s i v e s t r e n g t ho f s a m p l e s图试样劈裂抗拉强度F i g S p l i t t e n s i l e s t r e n g t ho f s a m p l e s量的纤维掺入基质,在机械搅拌过程中会极易形成“团聚”,从而在混凝土结构中引入更多的孔洞及初始微裂缝,使得混凝土在荷载作用下首先从薄弱区域产生裂缝并不断发展直至发生破坏.因此,在基质中掺入过量的纤维不能充分发挥其对混凝土脆性的改善.试样G C L S的劈裂抗拉强度相比于G C 提高了 ,略低于试样G C S相对于G C 的提高幅度.试样G C L F R中G C L S P G C L S P 的劈裂抗拉强度增加程度低于试样G C F R中G C S P G C S P 的增加程度,这是因为试样G C L F R中G C L S P G C L S P 的钢纤维掺量远低于试样G C F R中G C S P G C S P.因此,前者的增强效果不如后者.当钢纤维掺量为 时,结果却相反.相比G C S P 和G C S P,纤维对G C L S P 和G C L S P 的劈裂抗拉强度的提升更加明显,这是由于G C L S P 和G C L S P 基体中的钢纤维几乎没有明显“团聚”现象.劈裂抗拉强度与纤维含量之间的理论关系如图(b)所示.根据试验提出了劈裂抗拉强度计算公式,如式()、()所示.ff s pfs p(s f p f s fp f)()fl f s pfs p(s f p f s fp f)()式中:ff s p、fl f s p和fs p分别为试样G C F R、G C L F R和G C 的劈裂抗拉强度值.抗折强度图 为不同纤维掺量及纤维布置形式下各试样的抗折强度.G C P 与G C P 的抗折强度相比G C 分别提高了 和 ,这表明聚丙烯纤维在一定程度上阻碍了混凝土基体中微裂纹的发展.钢纤维作为阻碍混凝土大裂缝形成与发展的主要因素,在基质中掺入钢纤维后试样的抗折强度得到大 幅 提 升.试 样G C S(钢 纤 维 掺 量 分 别 为、和)的抗折强度分别为 、MP a,试样G C F R的抗折强度为 MP a,两者相比于试样G C ,抗折强度增加了 .相比 于 试 样G C S(G C S G C S),试 样G C L S(G C L S G C L S)随着钢纤维含量的增加抗折强度提高更显著,分别达到 、MP a.这种现象表明,试样G C L S在经济性和力学性能方面较试样G C S具有一定的优势,而且试样G C L S的抗折强度会随着钢纤维掺量的增加而持建筑科学与工程学报 年图 试样抗折强度F i g F l e x u r e s t r e n g t ho f s a m p l e s续增加.试样G C S P 与G C L S P 抗折强度相差不大,分别为 MP a和 MP a;相比试样G C S,试样G C S P 与G C L S P 的抗折强度分别提高了 和 .然而,不论是G C F R试样还是G C L F R试样,当钢纤维掺量由 增加到 时,对于掺有同体积分数聚丙烯纤维试样的抗折强度均出现了降低;同时,当钢纤维掺量为 时,随着聚丙烯纤维的掺量的增加,试样的抗折强度也出现了降低.这说明纤维增韧地聚物混凝土中钢纤维和聚丙烯纤维存在一个合适的掺量,使得两者在混凝土基体中相互作用效果最佳,对混凝土抗折强度的提升最为显著.抗折强 度 与 纤 维 含 量 之 间 的 理 论 关 系 如 图(b)所示.根据试验提出了抗折强度计算公式,如式()、()所示.ff fff(s f p f s fp f)()fl f fff(s f p f s fp f)()式中:ff f、fl f f和ff分别为试样G C F R、G C L F R和G C 的抗折强度值.微观结构分析 纤维微观形貌均匀且随机分布的聚丙烯纤维通过“桥接”作用与混凝土基质连接,提高了结构的整体性,表现出较高的强度值.然而,过量的聚丙烯纤维由于不能在基质中较好地均匀分布而发生“团聚”现象,从而在结构中引入了更多孔洞 图(a),降低了其对混凝土的改善作用甚至造成负面影响.因此,适量的聚丙烯纤维可以有效阻止早期微裂纹出现和发展.此外,如图(a)所示,聚丙烯纤维表现出断裂的形态,例如“颈缩”,这种变形是由于聚丙烯纤维随应力的增加而屈服 .相反,如图(b)所示,钢纤维表面几乎没有变形,这对耐久性和长期性能有积极的影响.钢纤维的破坏方式主要是从混凝土基体中拔出,导致基体表面出现粗糙的纹理.从图(b)还可以看出,一些地聚物基质附着在钢纤维的表面,这些物质是由于地聚物浆体与试验中所使用的镀铜微细钢纤维溶解的C u反应生成.纤维增韧机理由试样破坏形态以及微观结构可以观察到,当试样发生断裂时,地聚物基体中有完整的钢纤维或“桥接”的聚丙烯纤维,这表明纤维具有比地聚物基体以及基体与纤维界面黏结强度更高的强度.这种行为间接表明了钢聚丙烯纤维混杂地聚物混凝土中应力的传递方式.当对地聚物混凝土试样施加载荷时,基体中出现了不同方向的内应力.对于试样G C ,基质本身的承载力即为承担外界荷载的主要因素.随着荷载的逐渐增大,裂纹会由试样内部逐渐发展到试样表面,并最终破裂.对于掺有钢纤维和(或)聚丙烯纤维的试样G C P、G C S、G C L S、G C F R和G C L F R,抵抗应力fs s的主要影响因素有基体与纤维之间的界面黏结力ff f s、纤维的拉伸强度ff s、集料之间的摩擦力ff d s以及基体的承载力fc s等.对于试样G C P,随着内应力的增加,基体中出现了独立未贯通的微裂纹.由于纤维的弹性模量高于地聚物基体的弹性模量,因此,内应力首先集中出现在基质的微裂纹中,并进一步加速了它们的发展.整体式纤维增韧机理如图(a)所示.当微裂纹发展到纤维时,纤维会以“桥接”的方式起作用.当内应力小于聚丙烯纤维的屈服荷载时,聚丙烯纤维吸收并传递其余应力,当内应力高于聚丙烯纤维的屈服荷载时,聚丙烯纤维发生断裂.此时,从断裂的聚丙烯纤维末端释放的能量以“环”的方式分散到周围,包括基体和周围的纤维.因此,聚丙烯纤维在基体中的随机分布可以很好地防止微裂纹的产生和发展,从而提高了试样的承载能力.随着载荷增加,试样表面出现宏观裂纹.当主裂纹随着宏观第期黄华,等:纤维增韧地聚物混凝土力学性能与微观结构图 纤维微观形貌F i g M i c r o s t u c t u r eo f f i b e r图 纤维增韧机理F i g R e i n f o r c e dm e c h a n i s mo f f i b e r裂纹的出现而沿加载方向发展并贯通时,试样破裂.由于钢纤维具有较高的弹性模量,不易发生断裂,在阻碍宏观裂纹的形成和发展方面起着重要作用.与聚丙烯纤维不同,钢纤维特殊的增强机制是当钢纤维附近出现裂纹时,裂纹路径会发生变化,例如“裂纹变形”现象.钢纤维与基体之间的界面黏结小于相互应力.随着载荷的继续增加,内应力高于纤维与混凝土的界面黏结强度而小于钢纤维的屈服荷建筑科学与工程学报 年载时,部分钢纤维从基体中拔出.当钢纤维与混凝土界面力较薄弱时,钢纤维会从基体中完全拔出而不发生断裂,例如本试验中使用的平直型钢纤维.当内应力大于钢纤维的屈服载荷时,钢纤维就会出现变形甚至断裂,如弯曲型钢纤维等.图(b)为层布式钢纤维增韧地聚物混凝土的微观机理.与试样G C F R相比,G C L F R中的聚丙烯纤维具有类似的增韧机理.层布式钢纤维地聚物混凝土中纤维分布如图 所示,可以发现双层钢纤维在地聚物混凝土基体中分布更均匀.G C F R中的钢纤维如同“微型钢筋”,而G C L F R中的双层钢纤维类似于“双层弹性板”.当试样上出现宏观裂纹时,随着内应力的增加,裂纹不断向钢纤维底部发展,应力通过基体与纤维之间的界面结合力fl f f s、纤维的抗拉强度fv f s、纤维间的相互作用fi s、骨料之间的摩擦力fd s以及基体的承载力fc s来分散.地聚物基质中的钢纤维不仅起到“桥接纤维”的作用,而且与基体周围的钢纤维互相交叉形成网状结构.该结构下钢纤维之间的相互作用限制了它们的相对位移,较大地抑制了裂缝发展并提高了试样的力学性能.图 层布式钢纤维地聚物混凝土中纤维分布F i g F i b e rd i s t r i b u t i o n i n l a y e r e df i b e r r e i n f o r c e dg e o p o l y m e rc o n c r e t e以上对纤维增韧机理的分析适用于纤维(钢纤维或聚丙烯纤维)掺量适当的情况.纤维的掺量对增韧机理表现出显著的影响:含量较低时,纤维的增强作用不明显;过多的纤维会向基质中引入更多的微孔以及出现“纤维团聚”现象,不能够充分发挥纤维的增韧效应甚至降低了试件的力学性能.结语()纤维的掺入显著改善了地聚物混凝土的劈裂抗拉和抗折强度,且不同类型的纤维布置形式都存在适当的纤维掺量,以提高地聚物混凝土的力学性能.此外,试样G C L F R在适当纤维掺量时可达到与试样G C F R相当的力学性能且纤维掺量仅为其/左右,而当纤维掺量增多时,试样G C F R的力学性能更优.()基于各试样破坏形态以及微观形貌明确了纤维增韧机理.在基体中,聚丙烯纤维和钢纤维在不同的加载阶段发挥作用,它们主要抑制微裂纹和宏观裂纹的出现和发展.由于纤维的“桥接”作用可以使地聚物混凝土试样在发生破坏时仍能保持完整性.()与整体式纤维试样增韧机理不同,层布式钢纤维地聚物中双层钢纤维相当于“双层弹性板”,除了纤维的“桥接”作用,还可与基体周围的钢纤维互相交叉形成网状结构.钢纤维网状结构之间的相互作用限制了纤维的相对位移,显著提升了试样的力学性能.参考文献:R e f e r e n c e s:D UX S ON P,P R OV I SJL,L UK E Y G C,e ta l T h er o l eo f i n o r g a n i cp o l y m e rt e c h n o l o g yi nt h ed e v e l o p m e n to fg r e e nc o n c r e t e J C e m e n ta n dC o n c r e t eR e s e a r c h,():L VQF,WAN GZS,GULY,e t a l E f f e c t o f s o d i u ms u l f a t eo ns t r e n g t ha n dm i c r o s t r u c t u r eo fa l k a l i a c t i v a t e df l ya s hb a s e dg e o p o l y m e rJ J o u r n a l o fC e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y,():B A IC Y,C O L OMB O P P r o c e s s i n g,p r o p e r t i e sa n da p p l i c a t i o n so fh i g h l yp o r o u sg e o p o l y m e r s:ar e v i e wJ C e r a m i c sI n t e r n a t i o n a l,():S E THUPS,S HA RMAAK,ANAN DKB C o m p a r a t i v es t u d yo ns y n t h e s i sa n dp r o p e r t i e so f g e o p o l y m e r第期黄华,等:纤维增韧地聚物混凝土力学性能与微观结构f i n ea g g r e g a t ef r o mf l ya s h