钢丝网混杂纤维增强水泥砂浆拉伸试验研究

陈升平，田 刚

（湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉430068）

纤维增强水泥基复合材料在国际上的发展已将近一个世纪.纤维增强水泥砂浆是一种物理性能和力学性能优良的新型复合材料，与普通水泥砂浆相比，具有较高的抗拉、抗折、韧性、抗渗、抗裂、耐久性、抗疲劳等性能［1－2］.

混杂纤维［3］增强水泥砂浆综合力学性能优于只掺入单种纤维的增强水泥砂浆，钢纤维与聚丙烯纤维在物理性能上是最合适用于进行混杂试验的，两种纤维混杂在弯曲性能［4］和断裂性能［5］方面都有较大的提高.

为了进一步提高混杂后增强水泥砂浆的强度与韧性，在水泥砂浆中加入钢丝网.研究表明，钢丝网、钢纤维与聚丙烯纤维能够很好地复合，互补各自在性能上的缺陷，在综合力学性能上有了更进一步的提升［7－8］.本文介绍钢丝网钢－聚丙烯混杂纤维增强水泥砂浆拉伸试验研究内容，并作出分析.

1 试验

1.1 试验材料

水泥，42.5＃普通硅酸盐水泥；砂，采用最大粒径不大于1.2mm的细沙；钢纤维，长度为12～15 mm镀铜单丝短纤维，抗拉强度为2 000MPa；聚丙烯纤维，长度为20±2mm单丝短纤维，抗拉强度为270MPa（钢纤维与聚丙烯纤维由武汉汉森钢纤维有限责任公司生产）；钢丝网，采用方格编织网，网眼尺寸为10mm×10mm，钢丝直径为1.0mm；聚羧酸高效减水剂，由武汉华轩高新技术发展有限公司生产；微硅粉，由武汉新必达微硅粉有限公司生产；水为自来水.

1.2 材料配合比

材料配合比见表1.

表1 钢丝网钢－聚丙烯混杂纤维增强水泥砂浆配合比

1.3 试验过程

试件尺寸为330mm×60mm×15mm，由表中给出的配合比每组做出3个试件.在制作过程中，首先称量减水剂和水的质量，同时把减水剂放入称量好的水中溶解；然后，称量水泥、砂、微硅粉的质量，将其放入搅拌筒内干拌3～4min，待水泥、砂、微硅粉搅拌均匀后，加入钢纤维，继续搅拌2～3min；然后，在搅拌的过程中缓慢均匀的加入称量好的溶液，在搅拌过程中沿着搅拌筒旋转的方向缓慢加入聚丙烯纤维，不可一次加入太多，以免纤维结团，影响拌合物搅拌的不均匀，加入完后继续搅拌2～3 min形成浆体（图1）；最后，将浆体倒入已放好钢丝网的钢模之中.试件制作完成后放入标准养护室养护28d.

图1 试件搅拌制作

直接拉伸试件采用300kN微机控制液压伺服试验机，加载采用位移控制模式.试件加载速率：当位移小于1mm时，速率为0.1mm／min；当位移大于1mm时，速率为0.5mm／min（图2），单层钢丝网加载速率为0.5mm／min.

2 试验结果与分析

2.1 单层钢丝网实测抗拉强度

按照放入试件中钢丝网尺寸，对尺寸相同的单层钢丝网进行了拉伸试验，结果如表2所示.

表2 单层钢丝网拉伸试验结果

2.2 试件轴心抗拉强度

钢丝网钢－聚丙烯混杂纤维增强水泥砂浆直接拉伸试验结果如表3.

表3 钢丝网钢－聚丙烯混杂纤维增强水泥砂浆直接拉伸试验结果

对钢丝网钢－聚丙烯混杂纤维增强水泥砂浆直接拉伸试验数据进行整合可得图3～图6.从表3及图3、4、5中可以看出分别加入钢纤维、聚丙烯纤维和0.5%钢纤维同1.0%聚丙烯纤维混杂的三类试件与没加入纤维的试件比较，平均开裂强度分别提高了5%、7%和9%，其平均极限强度分别提高了9%、7%和15%.开裂之前，主要由基体承受拉力作用，钢纤维、聚丙烯纤维和两种纤维混杂在基体之中起阻裂作用.两种纤维混杂比单种纤维其阻裂作用更加明显，钢纤维与聚丙烯纤维混杂后能够将浆体与钢丝网更好的粘结在一起，使整个基体强度有大幅度的提高.开裂之后，拉力由基体转移到钢丝网之上，主要由钢丝网承受拉力作用，一方面钢丝网使整个复合体的强度有了提升，更重要的一方面是钢丝网使复合体的韧性有很大幅度的提升.从图3、4、5中反映出，MG2、MS2和MGS2曲线所包络的面积要比 M2所包络的面积大，说明 MG2、MS2和MGS2与M2相比其韧性有所提高.

图6中两条曲线都是钢纤维和聚丙烯纤维混杂试件试验的结果，不同的是一组加入体积分数0.5%的钢纤维与1.0%的聚丙烯纤维，另一组加入体积分数1.0%的钢纤维与1.0%的聚丙烯纤维.由两条曲线得出，加入的体积分数不同的钢纤维，其开裂强度与极限强度并没有很明显的提高，而MGS1.02的位移明显要比MGS2的位移小.

对应观察试验后两种体积分数不同的试件，可以清楚的看到MGS1.02试验后试件基本只有三处较大的裂缝，夹头附近两处与试件中间一处；对于MGS2试验后试件除了这三处较大裂缝外，在试件其他部位可以看到一些其他分布不均匀细小的裂缝.很明显这是 MGS1.02比 MGS2位移小的原因，说明高体积分率钢纤维对整个基体粘结性能更好一些，但是混杂后高体积分数的钢纤维对整个基体的强度提高作用并不大，强度与韧性并没有同时提高，相对来说，高体积分数钢纤维对整个基体的韧性有了明显的降低.

2.3 试件轴心拉伸作用力分析

对拉伸试件进行建模（图7）同时作出以下假定.

图7 试件拉伸受力模型

1）假定钢丝网与基体是完全粘结在一起的；

2）基体开裂前，εm＝εr＝εc.

由模型及假定可知：

其中：Am为基体截面积；Ar为钢丝截面积；Er为钢丝弹性模量；Em为基体弹性模量；σc为复合体拉应力；σcr为复合体开裂应力；σmu为基体开裂 应力；σru为钢丝抗拉强度；Vm、Vr为基体、钢丝体积含量；εm、εr、εc为基体、钢丝、复合体拉应变.

分析可知开裂时，

开裂后，拉力由基体转移到钢丝上，开裂处基体、钢丝和复合体应力分别为：

2.4 钢丝网钢纤维增强水泥砂浆开裂强度计算

结合试验结果与力学分析，并用概率统计的方法，可获得相应的计算公式.钢丝网钢纤维增强水泥砂浆开裂强度

其中：fmk为钢丝网增强水泥砂浆开裂强度；l为钢纤维长度；d为钢纤维直径；ρ为钢纤维体积分数.图8给出其计算值与实测值.

图8 公式值与实测值对比图

3 结论

钢丝网钢－聚丙烯混杂纤维增强水泥砂浆拉伸试验研究可知以下结论：

1）钢丝网钢－聚丙烯混杂纤维增强水泥砂浆比普通水泥砂浆其抗拉强度与韧性都有大幅度的提高，开裂前由主体砂浆起主导作用，开裂后由钢丝网起主导作用.

2）钢纤维和聚丙烯纤维混杂的钢丝网水泥砂浆比单独掺入一种纤维的钢丝网水泥砂浆其强度更高，表现出钢纤维与聚丙烯纤维混杂水泥砂浆强度相叠加的效果.

3）其他参数相同，体积分数为1.0%的钢纤维增强水泥砂浆虽强度有很大幅度的提高，但与体积分数为0.5%的钢纤维增强水泥砂浆比较，其整个基体的韧性有一定程度的降低.配合比为MGS2的钢丝网钢－聚丙烯混杂纤维增强水泥砂浆拉伸性能效果最佳.

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