镀铜钢纤维水泥基复合材料强度影响因素分析★

瞿哲 沈伟 詹伟

(温州大学建筑与土木工程学院，浙江温州 325035)

一般的水泥基材料属于脆性材料，它的抗拉、抗折强度较低，极限应变小，抗冲强度差，脆性大，易开裂，存在着严重的耐久性问题，往往引发突发性且难以控制的建筑物破坏，造成了巨大的经济损失。因此，通过在水泥基材料中掺入钢纤维，强化韧化水泥，增强其力学性能，进一步提高其阻裂能力和耐久性，是获得高性能水泥基的有效途径，是在水泥基中掺入适量的钢纤维形成的一种高性能复合材料，其中的纤维材料可以约束水泥基料中裂缝的扩展，使混凝土具有较高的抗拉和抗弯强度、良好的韧性及延性，它能克服一般水泥基材料脆性破坏的特点，因而对水泥基结构的力学性能和变形能力的改善非常明显。

普通的水泥基材料属于脆性材料，通过在其中掺入钢纤维能提高其韧性，从而提高力学性能。但同时，过量的掺入量也增加了其经济成本，降低了稠度，造成资源上和经济上的浪费。材料中水泥用量对其强度提高也有显著影响，而少量的水泥对强度提高程度较小，过量的水泥又会降低材料的韧性。

本研究旨在通过试验，大致得出一个具有良好力学性能、施工便利且具有较好经济效益的镀铜钢纤维水泥基复合材料的最优配合比，发现并验证主要因素对材料整体性能的具体影响。之后再对配合比进行细化试验，从而找到更为优化的配合比，有利于镀铜钢纤维水泥基复合材料市场化和产业化的应用。

1 试验设计

通过查阅文献和资料，选取镀铜钢纤维水泥基复合材料的最优配合比，改变其中钢纤维和水泥的掺量，进一步讨论水泥用量和镀铜钢纤维掺入量对材料强度影响的问题。采用镀铜钢纤维水泥基复合材料混掺进行研究，从水泥用量和钢纤维掺入量两个主要因素出发，抗压强度、抗折强度和稠度为考核指标，采用对照方法进行试验探讨镀铜钢纤维水泥基复合材料的最优掺入量。

1．1 试验方案和试验结果

根据文献和资料中得出的最优掺入量，即水泥用量为400 kg/m3，钢纤维掺入量为4%，普通砂用量为400 kg/m3，减水剂取得量为0．2%作为对照组，把水泥用量和镀铜钢纤维掺入量作为因素考虑。在以水泥用量为因素的实验组中，水泥用量取为300 kg/m3，350 kg/m3，400 kg/m3，450 kg/m3，500 kg/m3共 5 个水平，其中400 kg/m3作为对照组;在以镀铜钢纤维掺入量为因素的实验组中，钢纤维掺入量取0%，2%，4%，6%，8%，10%共6个水平，其中2%作为对照组。水灰比固定为0．28，硅灰和粉煤灰用量作为水泥的替代材料，其用量均固定为水泥用量的15%，普通砂用量固定为水泥用量的100%，减水剂取得量固定为取胶凝材料总质量的0．2%。根据试验因素及水平个数，选取表1安排试验。

表1 镀铜钢纤维水泥基复合材料对照试验方案和试验结果

1．2 结果与分析

根据试验测试结果，可由对照分析得到两个因素的影响程度。由图1分析可知，水泥基材料的抗压强度随着水泥用量的增加而增加，但随着水泥用量的加大，抗压强度增长幅度减小，二者呈现二次型关系，其中 A1= －0．005，B1=0．468，C1= － 59．029。由图2分析可知，水泥基材料的抗压强度随着镀铜钢纤维的掺入量增加而缓慢增加，增长幅度比水泥组的增长幅度小，二者呈二次型关系，其中 A2=－0．131 5，B2=2．576 5，C2=45．915。

由图3分析可知，水泥基材料的抗折强度随着水泥用量增加而增加，之后随着用量增加而降低，二者呈现二次型关系，其中C1=－5E －05，D1=0．038 9，E1=－4．823 7。由图4 分析可知，水泥基材料的抗折强度先随着镀铜钢纤维的掺入量增加而增加，增加幅度在一定范围内达到最大之后增长幅度减小。在0%～6%的掺量内，二者呈现二次型关系，其中 C2=0．077 4，D2= －0．041 8，E2=2．716 5，之后二者呈简单线性关系，其中斜率 F2=0．032 5，截距G2=5．02。

图1 水泥组抗压强度与水泥量的关系

由图5分析可知，水泥基材料的稠度随着水泥用量增加而基本不发生变化，二者呈现简单线性关系，其中斜率M1=0．004，截距N1=96．4。由图6分析可知，水泥基材料的稠度随着镀铜钢纤维的掺入量增加而逐步降低，二者呈现简单线性关系，其中斜率M2=－3．651 7，截距 N2=91．286。

镀铜钢纤维水泥基材料中，对抗压强度起主要作用的是水泥，一定范围内的水泥用量保证水泥基材料的抗压强度。超出这个范围的水泥用量对材料抗压强度提高影响较小，并且降低材料整体的韧性，从而导致抗折强度的降低。

图3 水泥组抗折强度与水泥量的关系

图4 纤维组抗折强度与钢纤维量的关系

图5 水泥组稠度与水泥量的关系

图6 纤维组稠度与钢纤维量的关系

对材料抗折强度起主要作用的是镀铜钢纤维，且材料的抗压强度和抗折强度均随着钢纤维掺入量的增加而增加，其中，抗折强度在一定范围内随着镀铜钢纤维掺入量的增加而有了明显的提高，主要是因为掺入的钢纤维极大提高了材料的韧性，在抗折过程中，纤维自身、纤维与纤维之间以及纤维与水泥基材料的结合均参与到了受力变形中，且钢纤维本身抗拉强度大，受力过程中钢纤维极大的抗拉强度得到了充分利用，从而使材料的抗拉强度增加。但是随着钢纤维用量的增加，部分钢纤维没有参与到抗折受力中，导致全部钢纤维没有得到充分利用，这点与土木工程中的超筋梁的情况类似。在抗压过程中，虽然镀铜钢纤维有限制裂缝产生的能力，但是试样竖向受压时，钢纤维起到的限制横向变形的作用没有受拉时表现明显，所以对提高材料的抗压性能影响较小。在镀铜钢纤维水泥基材料中，水泥用量的增加基本不会改变材料的稠度，但是随着钢纤维掺入量的增加，材料的稠度整体降低，当掺量较大的时候，水泥基材料出现流动困难的情况。

2 结语

本论文在考虑多个因素的情况下，旨在研究一种具有良好力学性能、施工便利且具有经济效益的镀铜钢纤维水泥基复合材料，通过研究得到结论如下:

1)水泥基材料中，对力学性能影响最大的是其水泥用量和镀铜钢纤维掺入量。一定量的水泥能够保证材料具有良好的抗压强度，但强度的增加幅度随着水泥用量增加而减少，而且会降低材料的韧性，从而导致抗折强度的降低。因为水泥的用量对于研制良好性能的水泥基材料来说，是必须得到控制的因素;

2)镀铜钢纤维的掺入量增加度水泥基的抗压强度有较低幅度的增加，但在一定范围内对材料的抗折强度有明显的提高作用。超出一定范围的钢纤维虽然能增加材料的力学强度，但是增长幅度有明显降低。因而从经济效益上考虑，材料中的钢纤维掺入量应该得到控制;

3)镀铜钢纤维水泥基材料的稠度并不随着水泥用量的变化而有明显改变，但会随着钢纤维掺入量的增加有明显降低。当钢纤维掺入量过大时，材料整体稠度较低，同时难以流动，从施工方面考虑应尽量避免。通过本研究，主要得出镀铜钢纤维水泥基材料中各个因素对材料的力学性能和稠度等方面的影响，大致得出一个具有良好力学性能、施工便利且具有经济效益的镀铜钢纤维水泥基复合材料的最优配合比，并试验证明两个主要因素对材料整体的具体影响。之后可以对配合比进行细化试验，从而找到更为优化的配合比，有利于镀铜钢纤维水泥基复合材料市场化和产业化的应用。

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