非晶合金纤维增强水泥砂浆性能试验研究


       掺入纤维是提高基体韧性、抗冲击性和抑制其收缩开裂,获得高性能水泥基材料的一种有效途径。目前混凝土常用纤维有钢纤维、聚丙烯纤维和聚丙烯腈等。但钢纤维存在造价高、比重大、不易分散和易锈蚀等问题,聚丙烯纤维也存在价格高、强度和模量低、与水泥基体粘结差等缺点。因而探索新型纤维、配制高性能纤维混凝土是纤维增强水泥基材料发展的重要方向之一。


       非晶合金纤维或称金属玻璃带是一种带状非晶材料,具有高强度和高抗腐蚀特性,因此其在增强混凝土领域具有应用优势。国内外对非晶合金纤维增强水泥混凝土已经进行了一定开拓性和尝试性研究工作,研究显示非晶合金纤维混凝土具有良好的抗弯性能和抗腐蚀性能,尤其适合应用于长期暴露在恶劣海洋环境中的港口、码头、近海平台等特殊领域。因此系统开展非晶合金纤维水泥基材料研究,有效改善混凝土结构尤其是海洋工程中混凝土结构的耐久性并延长其使用寿命,不仅具有重要的科学价值,也具有广阔的应用前景。


       作者以普通钢纤维为对比,研究掺加非晶合金纤维水泥砂浆复合材料的流动性、抗压和抗折等力学性能,采用扫描电子显微镜(SEM)研究观察纤维在砂浆中的分布和粘结状态,为非晶合金纤维在海洋工程混凝土结构中的应用做有益的尝试。


2.1试验用原材料及配合比


       (1)非晶合金纤维和钢纤维。试验采用密度为7.2g/cm3、宽度为2mm、长度为16mm、抗拉强度为2000MPa的非晶合金纤维,以同样长度的钢纤维为对比。图1为非晶合金纤维外观及其在砂浆中的分散情况,由图1可知,非晶合金纤维韧性好,在砂浆中分散良好。


图1:非晶合金纤维材料


       (2)水泥,海螺水泥有限公司生产的P·C32.5复合硅酸盐水泥;砂,砂为天然河沙。砂浆配合比为m水泥:m砂:m水=1∶3∶0.5,非晶合金纤维和钢纤维掺量的体积分数分别为0%,0.2%,0.4%,0.6%,1.0%。


2.2试验方法


       按照一定配合比,称取水泥、砂子、纤维,加入水泥胶砂搅拌机内干拌均匀,再加入水湿拌3min。加入拌和物振动成型,成型后在试模表面覆膜,24h后脱模,脱模后试件在标准条件下养护至规定龄期。3个试件为1组进行各项物理力学性能检测。砂浆流动度的测定根据《水泥胶砂流动度测定方法》进行,纤维增强砂浆抗压和抗折力学强度检测依据《水泥胶砂强度检验方法》进行。


       长×宽×高为40mm×40mm×160mm的试件标准养护至3,7,28d龄期后,分别在压力试验机和电动抗折试验机上进行抗压、抗折强度测试。从断裂样品表面截取新鲜断面,经喷金处理后在扫描电镜(SEM)下观察样品的微观形貌。


3.1流动性

图2:纤维种类和掺量对流动度的影响


       从图2可以看出,加入纤维后,砂浆流动度呈下降趋势。相同纤维掺量下,非晶合金纤维增强砂浆流动度较钢纤维增强砂浆降低更明显,这与相同掺量下,非晶合金纤维数量多有关。非晶合金纤维的加入降低了砂浆的工作性。可以从2方面分析:一方面,纤维在砂浆中形成了网状结构,隔离了砂浆,使拌合物内部摩擦阻力增大,阻止了砂浆流动;另一方面,纤维表面积较大,吸附了大量砂浆,降低了砂浆黏性,使流动度降低。


3.2抗压强度

图3:不同纤维掺量下的抗压强度


       由图3可知,与未掺纤维试样相比,纤维增强砂浆不同水化龄期的抗压强度增加,并且随着纤维掺量的增加,纤维增强砂浆抗压强度逐渐增加。在相同的体积分数下,非晶合金纤维增强砂浆抗压强度>钢纤维增强砂浆。当掺量从0.6%增加至1.0%时,非晶合金纤维增强砂浆抗压强度增加趋势放缓,甚至有下降的趋势;而钢纤维增强砂浆抗压强度继续增加。由于非晶合金纤维呈薄片状,体积较小,掺量不宜过多,非晶合金纤维的最佳掺量在1.0%左右。


3.3抗折强度


       不同纤维掺量的非晶合金纤维增强砂浆和钢纤维增强砂浆抗折强度试验结果如图4所示。

图4:不同纤维掺量下的抗折强度


       由图4可知,与未掺纤维试样相比,掺入纤维试样的抗折强度较大,并且随着纤维掺量的增加,增强砂浆的抗折强度不断增加。与未掺纤维试样相比,非晶合金纤维掺量从0.2%至1.0%,增强砂浆28d抗折强度增量从15.4%增加至51.9%。钢纤维掺量从0.2%至1.0%,增强砂浆28d抗折强度增量从3.8%增加至32.7%。这是由于纤维在砂浆中以针骨料的形式存在,能够阻止水泥浆硬化时微裂纹的扩展。产生裂缝后,开裂截面的全部荷载施加到横跨裂缝的纤维上,通过纤维与砂浆的粘结,纤维又将荷载传到未开裂的砂浆基体上,使砂浆破坏的极限荷载值变大。


3.4压折比值


       压折比值,即抗压强度与抗折强度的比值,反映了砂浆的脆性。压折比值越大,砂浆脆性越大;压折比值越小,砂浆脆性越小,即砂浆韧性增加。通过抗压强度和抗折强度试验分别得到了非晶合金纤维和钢纤维的压折比值,28d不同纤维掺量下压折比值如图5所示。

图5:不同纤维掺量下的压折比值


       由图5可知,纤维的加入使材料的韧性增加,随着掺量的增加,砂浆的韧性越来越大。对于非晶合金纤维砂浆,掺量为1.0%的28d龄期试样压折比值最小,其值为6.44,比未掺纤维试样压折比值降低了12.14%,比钢纤维同等掺量下压折比值降低了4.02%,说明了非晶合金纤维增强砂浆具有更好的韧性。


       从以上分析可知,在相同掺量下,与钢纤维相比,非晶合金纤维能更显著地降低砂浆的流动度,提高砂浆的抗压和抗折强度,降低压折比,增加了砂浆的韧性。这与非晶合金纤维呈薄片状,单位体积砂浆内非晶合金纤维的数量和比表面积都比钢纤维大有关。本文中1.0%掺量的试验砂浆单位体积中非晶合金纤维和钢纤维纤维数量见下表。


表1:单位体积中纤维数量和比表面积对比


       从表中可知,在纤维掺量为1.0%时,单位体积砂浆中非晶合金纤维数量为钢纤维数量的3.8倍,比表面积为9.76倍。单位体积砂浆中非晶合金纤维的数量和比表面积都远大于钢纤维,故其包裹纤维表面的水泥浆数量较多,与砂浆结合更紧密,从而导致流动度减少较多,抗压强度、抗折强度大幅增加。


3.5SEM分析


       采用扫描电子显微镜(SEM)观测了28d非晶合金纤维增强砂浆基体和纤维的界面粘结情况,结果如图6所示。


图6:非晶合金纤维-砂浆基体28d界面SEM图像


       从图中可知,非晶合金纤维与砂浆基体结合紧密,纤维表面被大量水化产物和浆体覆盖,说明纤维与基体粘结良好,纤维-基体界面致密且孔隙率小,有利于C-S-H凝胶与纤维表面的接触。同时由于纤维-水泥石基体界面的结合紧密和纤维乱向作用,可以有效阻止裂缝的引发和扩展,从而提高水泥基材料力学性能。


        (1)相同体积分数和长度的非晶合金纤维和钢纤维相比,非晶合金纤维具有长径比大、根数多和与基体粘结面积大等特点。纤维掺量一样时,单位体积砂浆内非晶合金纤维比钢纤维的数量更多,比表面积更大。加入非晶合金纤维降低了砂浆流动度,掺入非晶合金纤维能有效提高砂浆抗压和抗折强度,与未掺纤维试样相比,1.0%掺量下增强砂浆28d抗压强度和抗折强度分别提高28.6%和51.9%,相比钢纤维增强砂浆分别提高了9.9%和14.5%。


       (2)SEM研究表明非晶合金纤维表面被大量水化产物和浆体覆盖,与砂浆基体结合紧密。


       (3)非晶合金纤维抗拉强度高,抗腐蚀性能强,在砂浆中分散均匀,在较低掺量下即可有效提高砂浆的抗压和抗折强度,增加砂浆的韧性,具有广阔的应用前景,尤其适合应用于长期暴露在恶劣海洋环境中的港口、码头、近海平台等特殊领域。


来源:长江科学院院报  第34卷第5期 周小斌,江朝华,张伟伟,王体涛《非晶合金纤维增强水泥砂浆性能试验研究》


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