建筑管理论文论述合成粗纤维与砂浆基体粘性测

　　摘　要：合成纤维对混凝土的增强增韧作用主要通过它与基体间的粘结力来实现，对单根或多根合成纤维的拉拔试验可以很好地评估纤维与基体间界面粘结性能。如果当纤维的粘结长度较短时，纤维将被拔出。

　　关键词：粗合成纤维,拉拔,埋深,基体强度

　　混凝土的破坏由微裂纹的扩展开始，微裂纹的失稳扩展导致材料失效。由于普通混凝土脆性大，其内部存在很多缺陷(微裂缝)，在承受较小的拉应力的条件下就会破坏。纤维混凝土中乱向分布的纤维对于混凝土裂纹的扩展起到了良好的阻滞作用。近年来，越来越多的细合成纤维应用于工程实践中，但由于细纤维掺量一般都比较小，对于混凝土的韧性及冲击性能提高作用不大，所以有些场合采用粗合成纤维代替钢纤维或钢筋网片。粗合成纤维可以有效改善混凝土韧性、抗冲击、抗疲劳、抗震等性能。

　　纤维混凝土是基体与纤维型材料混杂而成的复合材料。合成纤维对混凝土的增强增韧作用主要通过它与基体间的粘结力来实现，对单根或多根合成纤维的拉拔试验可以很好地评估纤维与基体间界面粘结性能。如果当纤维的粘结长度较短时，纤维将被拔出。如果基体强度高，粘结长度较长时，纤维容易被拉断而使荷载突然释放，导致断裂韧性的突然下降，通过纤维-基体界面粘结性能试验，测定粘结强度，确定纤维合理的临界埋置长度和纤维长径比，优化纤维表面形状，最大限度地发挥纤维的强度。因此，纤维与基体的粘结性能是研究纤维混凝土增强、增韧以及阻裂机理的基础，界面粘结性能对纤维混凝土各项宏观力学性能有着重要影响，对纤维混凝土的理论研究和工程应用都具有重要意义。

　　一、纤维与基体粘结强度的影响因素

　　(一)纤维埋深

　　纤维埋深是影响粘结强度的重要因素之一，国内外已经作了大量的试验研究，结果表明长径比越大，纤维的增强增韧作用越明显。其主要原因是长径比大时，纤维与水泥基体的接触面积大，抗剪切作用较大，从而提高了粘结力，随着纤维埋深的增加，拉拔力亦增加，但平均粘结强度τ 减小，即粘结强度随埋深的增加而降低。原因是埋深较大时，应力分布很不均匀，高应力区相对较短，故平均粘结强度较低;埋深较小时，高应力区相对较大，应力丰满，平均粘结强度较高，且随埋深的增加，当埋深到达一定数值后，粘结应力的变化趋于平缓。

　　临界埋深是指纤维拉拔使即将断裂时的埋深，总的粘结力接近纤维的极限拉力。此时，纤维多数发生脱粘滑移破坏，纤维在滑移的过程中吸收更多的能量，也提高混凝土的韧性、断裂能等。

　　(二)基体强度

　　大量的试验表明：降低水灰比，可以显著地提高界面粘结强度。当界面水灰比减少时，提高了离子浓度，改善了界面孔结构和大小，提高界面致密性，除水灰比显著地影响粘结性能外，水泥标号、砂率以及外加剂均对粘结性能有一定影响。

　　二、纤维粘结强度试验研究

　　(一)试验方法

　　纤维-基体界面粘结力的测定方法很多(即测量纤维与混凝土的粘结强度)，主要有：纤维拉拔、压头顶出、单根纤维碎断、微脱粘法等，较为常用的方法是纤维的拉拔试验;另外，还包括化学定量分析法和光谱分析法等。这些方法难度较大，采用较少，且不宜确定粘结强度。纤维拉拔试验是测量纤维与基体粘结强度的最简便有效的方法之一，国内外已经有很多学者对纤维拉拔试验进行了试验研究，取得了很多成果。李建辉，邓宗才等对粗合成纤维进行了拉拔试验，采用作者自己制作的加载装置对不同埋深，不同基体强度的纤维进行试验，试件尺寸为100 mm×100mm×100 mm，试验装置如图所示。本试验采用此方法研究纤维-基体的粘结强度。

　　(二)粘结强度计算公式

　　根据粘结应力平均分布的假定，用平均值来计算粘结强度，表达式为：

　　式中 Pmax——最大拔出荷载，kN。

　　l——纤维的埋置深度;

　　rf——纤维的等效直径。

　　(三)试验研究

　　1.纤维指标

　　对新型高弹模粗纤维进行了拉拔试验研究，粗合成纤维由宁波康博新材料科技有限公司提供，该纤维具有耐酸碱性，耐腐蚀，不存在象钢纤维生锈的问题，且纤维分散性好，不结团，减少了运输和拌和的工作量。纤维形状如图，纤维的力学指标如下表。

　　粗合成纤维力学指标

　　直径/mm 抗拉强度 密度/g/cm3 初始模量 伸长率/%

　　0.8

　　0.15 600MPa 1.5

　　0.1 30-40GPa <30

　　2.砂浆配合比及试件数

　　为了研究纤维埋深、基体强度等因素对粘结强度的影响，试验采用三种不同的埋置深度和三种不同强度的基体，分别采用PO32.5和PO42.5普通硅酸盐水泥配制普通强度和高强度砂浆，其配合比见表1-1，表中M1、M2、M3 分别代表低强、中强、高强砂浆，它们实测抗压强度分别为43.9 MPa、52.2 MPa和65.0MPa。

　　表 1-1 纤维砂浆配合比

　　砂浆等级 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 纤维拉拔试验数目

　　基体强度纤维直径(mm)纤维埋深(mm)埋置个数总数

　　M11.110420

　　154

　　204

　　254

　　304

　　M21.110412

　　154

　　204

　　M31.110416

　　154

　　204

　　254

　　3.拉拔试验结果

　　试验结果列于表1-3，编号中M1﹑M2﹑M3表示三种不同强度的基体，中间数值0.8表示纤维直径为0.8mm，末尾数值10﹑15﹑20 、25、30表示纤维埋深分别为10mm﹑15mm﹑20mm、25mm和30mm。

　　表1-3 纤维拉拔试验结果

　　试件编号砂浆抗压强度/MPa极限拉力/N平均拉拔力/N粘结强度/MPa

　　试件1试件2试件3试件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、粘结强度的影响因素

　　(一)纤维埋深的影响

　　从表1-3中看出，3种基体强度，纤维-基体的粘结强度随纤维埋深的增加呈现下降趋势。纤维埋置越深，纤维平均粘结强度越小。

　　基体强度为M1时，当纤维埋深从10mm变为15mm时，纤维粘结强度从2.41MPa下降到2.25MPa，下降比较明显，随着纤维埋深的增加，拉拔力亦增加，但平均粘结应力τ 减小，即平均粘结强度随埋深的增加而降低。

　　基体强度为M2时，纤维-基体粘结强度表现出先上升后略微下降的趋势，其10mm、15mm和20mm的粘结强度分别为4.64MPa、4.94 MPa和3.71 MPa，高低应力区和应力丰满分布表现地更加明显，这种反常现象可能是由于高应力区分布的原因，使得埋深15mm的纤维-基体平均粘结强度大于埋深为10mm的纤维基体平均粘结强度。

　　基体强度为M3时，纤维-基体粘结强度在埋深从10mm变化为15mm时最明显，其粘结强度分别为4.40MPa和3.35 MPa，下降比较明显。埋深为20mm、25mm时，纤维粘结强度3.13MPa和3.06MPa，纤维-基体平均粘结强度变化不大。

　　(二)基体强度的影响

　　从表1-3中可以看出，当基体强度为43.9MPa时，埋深为10mm、15mm和20mm的纤维-基体粘结强度大致相等，即粘结强度跟纤维的深度关系不大，粘结强度分别为2.41MPa、2.25MPa和2.23MPa。即埋深为10mm的纤维-基体粘结强度分别为埋深为15mm和20mm的纤维-基体粘结强度的107%和108%。

　　当基体强度为52.2MPa时，埋深为10mm、15mm和20mm的纤维-基体粘结强度变化比较大，其中埋深为15mm时的纤维-基体粘结强度最大，约为4.95MPa。埋深为20mm的纤维-基体粘结强度最小，约为3.71MPa。

　　当基体强度为65.0MPa时，埋深为10mm的纤维-基体粘结强度最大，为4.40MPa，埋深15mm、20mm的纤维-基体粘结强度分别为3.12 MPa和3.06 MPa。随着砂浆强度的增加，粘结强度先增加后趋于平缓，原因主要是M3试件的水灰比较小，试件未采用恒温恒湿养护，在常温条件下养护时，由于表面失水过多而导致粘结强度下降。理论讲上应该呈粘结强度增加趋势。