低水胶比高性能纤维增强水泥基复合材料性能研究

杨文，康升荣，程宝军，麻鹏飞

（中建西部建设建材科学研究院，四川 成都 610041）

0 引言

普通混凝土材料脆性开裂对工程结构的使用性能造成很大的影响，应运而生的高性能纤维增强水泥基复合材料具有自密实、高延性、裂缝宽度小且裂缝能够自愈合等特点[1]，可缓解混凝土脆性开裂，也可以很好地应对工程中混凝土结构强度、耐久性不足的问题。高性能纤维增强水泥基复合材料比传统的混凝土材料具有优异的强度、韧性和抗冲击性能[2]。当纤维掺量达到2%时，其抗拉强度可提高1倍，抗冲击强度提高10～20倍，抗弯能力提高1～2倍[3]。尤其是近年来，随着工程上对混凝土力学性能和耐久性能的要求越来越高，高性能纤维增强水泥基复合材料因其具有防止或减少裂缝、改善长期工作性能、提高变形能力和耐久性[4]，抗渗性、抗弯拉性能较普通混凝土可提高数十倍以上的优点得到了广泛的应用。

相较于普通混凝土，高性能纤维增强水泥基复合材料最大的特点是其通过不使用粗集料、降低水胶比、掺加增韧纤维的手段，增强基体密实度[5]，减少过多水分产生的毛细孔，提高材料拉伸变形的方式，来提高混凝土抗拉、抗折、抗压和抗冲击性能[6]，改善其抗渗性能、抗冻性能和抗碳化等性能。但过低的水胶比可能会导致新拌浆体塑性黏度增大，不利于施工，混凝土结构收缩增大的问题[7]。

本文使用水泥、粉煤灰、硅灰、石英粉、高效减水剂等材料制备了低水胶比高性能纤维增强水泥基复合材料，并对其工作性能、力学性能、收缩性能和微观形貌进行了分析。

1 试验

1.1 原材料

水泥：P·O42.5R，物理力学性能见表1；粉煤灰：Ⅰ级，表观密度2.6 g/cm3，比表面积340 m2/kg，28 d活性指数86%，水泥和粉煤灰的主要化学成分见表2；硅灰：半加密硅灰，表观密度0.24 g/cm3，比表面积28 000 m2/kg，28 d活性指数95%。

表1 水泥的物理力学性能

表2 水泥和粉煤灰的主要化学成分 %

集料：200目石英粉；聚羧酸高效减水剂：中建西部建设公司产，固含量50%；羟丙基甲基纤维素（HPMC）；拌合水：自来水；消泡剂：圣诺普科有限公司产SN-DEFOAMER 1370；纤维：川维Ⅱ-PVA短纤维，技术性能见表3。

表3 PVA纤维的主要技术性能

1.2 试验配合比

在水胶比0.19～0.28范围内制备了高性能纤维增强水泥基复合材料，具体配合比见表4。

表4 低水胶比高性能纤维增强水泥基复合材料的配合比

1.3 试验方法

制备高性能纤维增强水泥基复合材料过程中的搅拌都在双卧轴搅拌机中完成，首先将称好的水泥、粉煤灰、硅灰、石英粉等粉料加入搅拌锅中搅拌2～3 min，然后加入水和外加剂搅拌2 min，再加入纤维搅拌5 min即可[8]。

所有试件采用单层浇筑插捣成型，24 h后拆模，转入标准养护室养护至规定龄期，参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》测试其力学性能；干燥收缩试件制备及收缩性能测试均按照JC/T 603—2003《水泥胶砂干缩试验方法》进行。

选取28 d龄期受力破坏的高性能纤维增强水泥基复合材料试件，采用扫描电子显微镜（SEM）对纤维破坏形式进行分析。

2 结果与分析

2.1 新拌浆体的工作性能

高性能纤维增强水泥基复合材料新拌浆体的流变性能和物理性能测试结果见表5。

表5 新拌浆体的流变性能和物理性能

由表5可见：

（1）水胶比为0.19～0.28时，高性能纤维增强水泥基复合材料均具备良好的和易性，其坍落度和扩展度均随水胶比的增大而增大，坍落度为270～285 mm，扩展度为560～665 mm；T500和倒筒时间随水胶比的增大逐渐缩短，0.19～0.28水胶比范围内T500总是略大于倒筒时间。由于T500和扩展度在一定程度上可以反应拌合物流动性和黏度，T500越大说明拌合物黏聚性越大，扩展度越大则拌合物流动性越好，所以由试验结果可知，高性能纤维增强水泥基复合材料新拌浆体随着水胶比的增大，黏聚性逐渐减小，流动性逐渐增大。

（2）随水胶比的增大，高性能纤维增强水泥基复合材料的表观密度逐渐减小。含气量波动较大，为2.6%～3.9%，且水胶比越小，含气量越大。结合T500及倒筒时间可知，这是由于随着水胶比的减小，新拌浆体黏聚性逐渐增大，内部气体难以排除导致的。

2.2 高性能纤维增强水泥基复合材料的力学性能

（见表6）

表6 高性能纤维增强水泥基复合材料的力学性能

由表6可知：

（1）水胶比对高性能纤维增强水泥基复合材料的抗折、抗压强度影响较大。当水胶比为0.22时，高性能纤维增强水泥基复合材料抗折强度最高；当水胶比为0.19时，高性能纤维增强水泥基复合材料抗压强度最高。所有试件28 d抗折强度均在20 MPa以上。当水胶比由0.22进一步降至0.19时，试件的28d抗压强度几乎没有增长。随着养护龄期的延长，试件28 d抗压强度相较于7 d抗压强度增幅较大，在40%左右，28 d抗折强度增幅较小，在1.2%左右；0.25和0.28水胶比试件7 d抗折强度分别为15.9、14.3 MPa，28 d抗折强度分别为21.9、20.9 MPa，试件28 d抗折强度增长远高于0.19和0.22水胶比时试件抗折强度增长，分别为37.7%和41.2%。说明水胶比对试件抗压强度随龄期增长无影响，对7 d抗折强度增长影响较大，对28 d抗折强度增长影响较小。0.19水胶比和0.22水胶比情况下28 d抗压强度相差不大，可能是由于0.19水胶比时新拌浆体流动度较小，黏度较大，成型试件内部缺陷较大所致[9]。总体而言，高性能纤维增强水泥基复合材料随着水胶比的增大，抗折强度先提高后降低，抗压强度呈逐渐降低的趋势。

（2）随水胶比的增大，7 d折压比在0.32～0.37之间波动，28 d折压比在0.24～0.30之间呈逐渐增大趋势；随着龄期延长，7 d、28 d折压比均逐渐减小。

（3）在0.19～0.28范围内，水胶比对极限拉伸强度影响不大；但当水胶比从0.28降低到0.19时，极限延伸率由3.7%降低到3.0%，降低了19%。原因可能是较大的水胶比会使纤维与水泥基材料之间的粘结力减弱，拉伸测试时纤维在到达其极限拉伸应力前将从基体中拔出，从而提高了试件的极限延伸率。当水胶比从0.28降低到0.19时，28 d弹性模量由17.9 GPa增加到27.7 GPa，增长率为55%。整体而言，水胶比会显著影响高性能纤维增强水泥基复合材料极限延伸率和弹性模量，水胶比越小，复合材料刚性越好，延伸性能越差。

2.3 高性能纤维增强水泥基复合材料的干缩性能

在相对湿度50%、温度（20±3）℃条件下，高性能纤维增强水泥基复合材料干缩率的变化如图1所示。

图1 高性能纤维增强水泥基复合材料的收缩率

由图1可知，水胶比对高性能纤维增强水泥基复合材料早期干缩影响较大，水胶比越大，收缩率增长越慢，28 d收缩率越大；水胶比越小，早期收缩率增长越块，28 d收缩率越小。当水胶比为0.25时，28 d收缩率最大，为950×10-6；当水胶比为0.19时，28 d收缩率最小，为600×10-6。且由于早期内部水量较多，水分损失较快，所以高性能纤维增强水泥基复合材料干缩90%以上发生在10 d龄期以内，10 d后干缩率几乎不再增长。

2.4 SEM分析

不同水胶比高性能纤维增强水泥基复合材料破坏后纤维状态见图2。

图2 不同水胶比高性能纤维增强水泥基材料破坏后纤维的状态

由图2可见，E1和E2中纤维端头有很明显的截面变形，这是受力后纤维拔断的痕迹；E3和E4中纤维外露端头截面规整，无明显拉伸变形。E1、E2在破坏时内部纤维受力被拔断；而E3、E4在破坏时内部纤维受力拔出，说明随着水胶比的增大，PVA纤维与水泥材料基体之间粘结变弱，受力时更容易拔出。这也从微观受力角度解释了高性能纤维增强水泥基复合材料极限延伸率随水胶比增大而增大的问题，同时也说明纤维和基体之间的粘结性能与拉伸变形程度密切相关，要提高性能纤维增强水泥基复合材料极限延伸率，最主要的是要保证最大量的纤维从基体中拔出而不是拉断[10]。

3 结论

（1）在水胶比为0.19～0.28时，高性能纤维增强水泥基复合材料新拌浆体随着水胶比的减小，黏聚性逐渐增大，流动性逐渐减小，内部气体排出难度加大。

（2）高性能纤维增强水泥基复合材料最佳水胶比为0.22左右，水胶比过小会对纤维与水泥基材的粘结造成不利影响，降低其极限延伸率和折压比。

（3）水胶比对高性能纤维增强水泥基复合材料早期收缩影响显著，早期收缩90%以上发生在10 d龄期以内，10 d后收缩率几乎不再增长。

（4）当水胶比≤0.22时，高性能纤维增强水泥基复合材料内部纤维受力时更易拔断，当水胶比≥0.25时纤维受力更易拔出。