摘 要:研究了聚酯纖維和碳纖維磷鋁酸鹽水泥(以下簡稱PALC)混凝土的力學(xué)性能。結(jié)果表明，在90d齡期時,聚酯纖維和碳纖維磷鋁酸鹽水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到了59.5MPa、53.7MPa，比同齡期素混凝土試樣的45.7MPa分別提高了30.6 ％ 和17.5 ％；而劈拉強(qiáng)度分別達(dá)到了5.85MPa和5.02MPa，比同齡期素混凝土試樣的4.15MPa分別提高了41 ％ 和21 ％，聚酯纖維混凝土的劈拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度都明顯高于碳纖維混凝土，而且碳纖維和聚酯纖維對磷鋁酸鹽水泥混凝土均有明顯的約束其裂縫擴(kuò)展的能力，表現(xiàn)為在28d齡期時，碳纖維混凝土的斷裂能達(dá)到了110.8KJ，比基準(zhǔn)混凝土的90.8KJ提高了22 ％，而聚酯纖維混凝土的斷裂能則達(dá)到了140.5KJ，比基準(zhǔn)混凝土提高了54.7 ％。
關(guān)鍵詞:磷鋁酸鹽水泥；纖維；抗壓強(qiáng)度；劈拉強(qiáng)度；斷裂能
0 前言
水泥混凝土是當(dāng)代廣泛應(yīng)用的最大宗人造建筑材料,它具有價格便宜、原料易得、性能優(yōu)良、制備簡單等優(yōu)點(diǎn)，但是自身也存在著一些缺陷，如混凝土的自重大、脆性大、抗拉強(qiáng)度低、斷裂能低等弱點(diǎn)限制了它的應(yīng)用[1-2]。纖維增強(qiáng)混凝土是混凝土改性的一個重要手段，它可使混凝土的抗拉強(qiáng)度、變形能力、耐動荷能力大大提高[3]。在混凝土中摻入微纖維能改善混凝土的脆性破壞特征，減少混凝土的收縮裂縫，提高混凝土的韌性，抗沖耐磨性，還能提高混凝土的抗?jié)B、抗凍等特征。碳纖維和聚酯纖維都是新型高強(qiáng)纖維材料，由于碳纖維價格的不斷降低，碳纖維水泥基材料日益得到廣泛運(yùn)用,碳纖維[4]具有較高的抗拉強(qiáng)度和彈性模量，能顯著提高水泥基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性。聚酯纖維除具有普通聚合物纖維細(xì)度大、強(qiáng)度高、易分散的特點(diǎn)，還具有突出的耐高溫性能，可廣泛應(yīng)用于高強(qiáng)混凝土的增強(qiáng)防裂，是理想的多功能增強(qiáng)材料。
磷鋁酸鹽水泥是一種新型特種水泥[5-6]，具有早強(qiáng)、高強(qiáng)以及長期強(qiáng)度穩(wěn)定增長的優(yōu)點(diǎn)，還具有良好的抗硫酸鹽侵蝕和抗凍融性[7]，而且對摻入玻璃纖維的磷鋁酸鹽水泥砂漿的力學(xué)性能進(jìn)行了初步研究[8]，取得了較好的試驗(yàn)效果。由于磷鋁酸鹽水泥本身具有良好的性能，可以預(yù)測摻入纖維的磷鋁酸鹽水泥混凝土應(yīng)有優(yōu)良的力學(xué)性能，而且有關(guān)這方面的研究未曾見報道，因此，本文對碳纖維和聚酯纖維磷鋁酸鹽水泥混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。
1 試驗(yàn)
1.1 原材料
水泥采用山東淄博云鶴水泥廠生產(chǎn)的強(qiáng)度等級為52.5的磷鋁酸鹽水泥；細(xì)集料為中砂；粗集料選用5-20 mm的連續(xù)級配碎石；外加劑選用聚羧酸系高效減水劑；纖維選用了北京宇航通泰應(yīng)用技術(shù)研究所生產(chǎn)的6 mm短切碳纖維和寧波大成新材料股份有限公司生產(chǎn)的聚酯纖維，其性能指標(biāo)見表1。
表1 碳纖維和聚酯纖維的性能
1.2 混凝土試件的制備
選取基準(zhǔn)磷鋁酸鹽水泥混凝土的28d抗壓強(qiáng)度約為40MPa，纖維的體積分?jǐn)?shù)均為0.21%，所有試件的原材料保持相同，配合比見表2。試件尺寸均為100mm×100mm×100mm，齡期為1d，3d，28d，90d。
表2 混凝土的配合比
2結(jié)果與討論
2.1 抗壓與劈拉強(qiáng)度
圖1和圖2示出基準(zhǔn)磷鋁酸鹽水泥混凝土和纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化
規(guī)律。從圖中可以看出，在90d齡期時,聚酯纖維試樣C2和碳纖維試樣C1的抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到了59.5MPa、53.7MPa，比同齡期不摻纖維的PALC C0試樣的45.7MPa分別提高了30.6％和17.5％；試樣C2和C1的劈拉強(qiáng)度分別為5.85MPa和5.02MPa，比同齡期C0試樣的4.15MPa分別提高了41％和21％。纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土都有較好程度的提高，但不同種類的纖維對強(qiáng)度的效果不同，研究中，聚酯纖維的作用明顯高于碳纖維。
拉壓比是反映混凝土脆性的一個指標(biāo)，由圖3可見，纖維混凝土的拉壓比均比基準(zhǔn)混凝土高，尤其在較長齡期時，而且，聚酯纖維混凝土的拉壓比均高于碳纖維混凝土，這說明聚酯纖維對PALC混凝土的脆性改善作用較大。
碳纖維和聚酯纖維均為超細(xì)纖維，當(dāng)將其摻入到混凝土中時，它們能橋接裂縫，但碳纖維對磷鋁酸鹽水泥混凝土裂縫擴(kuò)展的約束能力是有限的，表現(xiàn)在碳纖維對混凝土強(qiáng)度和韌性的改善作用明顯低于聚酯纖維。當(dāng)聚酯纖維加入到磷鋁酸鹽水泥混凝土中時，纖維與周圍基體、纖維與纖維之間存在著復(fù)雜的相互作用，聚酯纖維會顯著的影響混凝土的韌性和破壞過程，即具有改性、加筋和橋聯(lián)作用，顯著的提高混凝土的抗壓能力和抗裂能力，延緩疲勞壽命。
圖1 -3抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化
2.2 斷裂能
圖4為混凝土試樣28d齡期時的應(yīng)力－應(yīng)變曲線. 由圖4 (a) 可見，基準(zhǔn)混凝土試樣在達(dá)到應(yīng)變最大峰值后，曲線驟然下跌，表現(xiàn)出很大的脆性，而(b)圖的碳纖維試樣和(c)圖的聚酯纖維試樣，下降段較平緩，相對來說有較好的延性。對圖4中三條曲線分別進(jìn)行擬和，我們可以得到這三個試樣的斷裂能，其結(jié)果見圖5。從圖5可見，纖維混凝土的斷裂能均比基準(zhǔn)混凝土的有所增加，其中碳纖維混凝土的斷裂能為110.8KJ，比基準(zhǔn)混凝土的90.8KJ提高了22％，而聚酯纖維混凝土的斷裂能140.5KJ則比基準(zhǔn)混凝土提高了54.7％，聚酯纖維混凝土的斷裂能明顯高于碳纖維混凝土的斷裂能。
斷裂能是材料形成單位面積裂縫所需消耗的能量，當(dāng)混凝土中微小裂縫受荷載作用時，會發(fā)生裂縫擴(kuò)展，而纖維能跨接裂縫兩端，起橋接作用，從而緩解裂縫尖端的應(yīng)力集中，增加裂縫的擴(kuò)展阻力，提高混凝土的斷裂能。然而，不同種類的纖維的阻裂機(jī)制又有所不同，而且碳纖維較聚酯纖維難分散，所以超細(xì)碳纖維抑制混凝土的較大裂縫擴(kuò)展作用明顯低于聚酯纖維。因而，碳纖維混凝土的斷裂能較小，聚酯纖維混凝土的斷裂能較大。
3 結(jié)論
1. 磷鋁酸鹽纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度較磷鋁酸鹽素混凝土高，其中聚酯纖維的增強(qiáng)效果明顯優(yōu)于碳纖維。在90d齡期時,聚酯纖維和碳纖維磷鋁酸鹽水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到了59.5MPa和53.7MPa，比同齡期素混凝土試樣的45.7MPa分別提高了30.6％和17.5％；而劈拉強(qiáng)度分別達(dá)到了5.85MPa和5.02MPa，比同齡期素混凝土試樣的4.15MPa分別提高了41％和21％。
2. 碳纖維和聚酯纖維對磷鋁酸鹽水泥混凝土均有明顯的約束其裂縫擴(kuò)展的能力，表現(xiàn)為碳纖維混凝土的斷裂能比基準(zhǔn)混凝土的90.8KJ提高了22％，而聚酯纖維混凝土的斷裂能則提高了54.7％。
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