聚丙烯腈纤维水泥砂浆的动态研究分析

(1.广州大学 广东 广州510006；2.广州南阳理工职业学院 广东 广州 510000)

聚丙烯腈纤维水泥砂浆的动态研究分析

秦书文1刘波2甘涛1

(1.广州大学广东广州510006；2.广州南阳理工职业学院广东广州510000)

为了增强混凝土结构表面水泥砂浆的抹灰层的动态拉伸性能，对M30等级的水泥砂浆，设计了3种掺量的聚丙烯腈纤维水泥砂浆。通过对3种掺量(体积掺量0.3%、0.4%、0.5%)的纤维水泥的动态压缩试验和动态劈裂实验，分析不同掺量的动态力学性能的影响。对比实试验结果知道：聚丙烯腈纤维水泥砂浆可以提高增韧效果，可以减少水泥砂浆的在高应变率作用下的飞散程度，增大吸能效果，从而减少对人员伤亡以及降低对人员伤亡的程度。

聚丙烯腈纤维;水泥砂浆;力学性能

当今社会，不论是高楼大厦还是基础建设，主要材料是有水泥、砂、石子组成。已经普遍应用在各个结构中。结构构件的大量应用，也催生出水泥砂浆大量应用。同时也是组成混凝土的主要材料，抗压强度或者拉伸性能强度提高是很多研究学者都关注的问题，研究学者通过添加各类纤维：像玻璃纤维、钢纤维和聚丙烯纤维等等，但是对于聚丙烯腈纤维的掺入对混凝土力学性能的研究较少且不够深入[1-2]，它们主要以素混凝土作为集体，掺入乱向分布的短切纤维作为增强体从而形成的复合材料[3]。

现在的结构不仅要受常规荷载，随着人类社会的发展，现在的自然环境越来越变得恶劣，飓风、地震等等自然灾害，特别是现在的天然气爆炸事件逐年上升，以及恐怖袭击等威胁的增加，还要考虑这些偶然的冲击荷载。水泥砂浆抹灰层作为混凝土构件的保护层，在受到这些偶然冲击荷载作用下，最先受到冲击，再加上它的抗压和抗拉强度都明显低于混凝土构件，所以最先受到破环。在冲击荷载作用下掉落或者飞出都会对人员造成伤亡。为了提高水泥砂浆拉伸性能，本文采用了聚丙烯腈纤维水泥砂浆，研究了它的动态压缩以及动态劈裂性能。配制了3种体积含量的纤维(0.3%、0.4%、0.5%)，利用φ40mm分离式Hopkinson压杆(SHPB)进行了动态压缩和劈裂实验。

一、试验

(一)原材料及配合比

原材料：纤维为常州市天怡工程纤维有限公司生产的聚丙烯腈纤维，具体参数见下表1；水泥：广州市石井水泥公司制造的石井牌P.O普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5R(旋窖，其中R：代表早强型)；砂：中砂，最大粒径2mm；水：自来水；外加剂：萘系减水剂，减水率为35%；模具：φ38*20mm的有机玻璃模具。具体参数见下表2.四种纤维含量分别为：0kg/m3、3.54kg/m3、4.72kg/m3、5.90kg/m3。

表1 聚丙烯腈纤维基本力学性能指标

表2 水泥砂浆配合比kg/m3

(二)试件制备

为了让纤维更加均匀的分布在水泥砂浆里，本试验结合参考文献[4-7]，通过多次的适配，最终确定纤维水泥砂浆拌制的流程：①先加水，再加水泥，拌制30s；②水泥和水搅拌均匀后加入砂，拌制时间60s；③最后加入纤维，纤维要均匀铺撒在水泥砂浆表面，然后在搅拌，拌制时间80s。④入模。为了使纤维水泥砂浆搅拌的更加均匀采用的搅拌仪器是电动搅拌电钻(水泥搅)。振捣方法采用顺时针、有外边缘向内的振捣方法，经人工振捣完成后，抹平外露面。放在实验室24h后拆模，在标准条件下进行养护(温度20±2℃，相对湿度超过95%的标准养护条件下进行养护28天)。

根据SHPB装置杆的直径φ40mm以及试验要求，对其表面进行打磨，端面的平整度≦0.2mm，减少应力集中现象，是试件在撞击过程中均匀受力。水泥砂浆在冲击试验的过程中离散性较大，为了获取有效的数据，动态压缩一组8个，动态劈裂一组5个。

(三)试验方法

动态压缩和劈裂试验采用φ40mmSHPB进行，子弹长0.4m，入射杆长2m，投射杆长2m，杆材料为弹簧钢，杨氏模量为210Gpa，弹性波的波速为5122m/s。为了减少摩擦效应，在试件的两个端部涂抹凡士林，并在试件周围用纸箱罩起来，以避免在高速撞击下试块崩溅对人和设备造成伤害。

二、试验结果及分析

(一)动态压缩结果

图1、2、3、4是不同纤维掺量在不同撞击速度下的动态压缩试验结果照片，掺量与速度见下表3.

表3纤维掺量及速度表格

图1 纤维掺量为0

图2 纤维掺量为0.3%

图3 纤维掺量为0.4%

图4 是纤维掺量为0.5%

破环特征分析：从上图中可以知道不同的纤维含量，都有一个相同的破环特征，就是随着冲击速度的提升，试件的破环程度也在不断地加大，试件在低速度的冲击下，裂纹的发展是从中心向四周不断地扩展，由低速度向高速度发展过程中，试件的也是由原来的大块装颗粒逐渐向小颗粒粉末发展。随着纤维含量的提高，试件承受的能量也在逐渐加大，裂纹逐渐减少，大粒径的颗粒的出现也逐渐增多，而且试件撞击后的碎片，飞出去的半径也越来越小。

(二)动态劈裂结果

图5、6、7、8是不同纤维掺量在不同撞击速度下的动态劈裂试验结果照片，掺量与速度见下表4。

表4纤维掺量及速度表格

破环特征分析:从图片中可以看出随着纤维掺量的不断提高，试块承受的冲击速度也越来越大，然而破环形态几乎变化不大，这说明纤维的加入，可以提高说你砂浆试块的拉伸性能，在试件受到冲击作用下可以吸收一部分能量，从而较少试件的开裂。

三、结论

本文通过对4种不同含量的聚丙烯腈纤维水泥砂浆(0、0.3%、0.4%、0.5%)，在不同的撞击速度动态压缩和动态劈裂的研究性能，主要得出以下结论：

(1)添加聚丙烯腈纤维在动态压缩过程中具有阻裂、吸能，降低碎片飞出去的能量，减少人员伤亡。

(2)对不同纤维掺量的动态劈裂，随着纤维含量的提高，承受的撞击速度也在不断的提高，试件在劈裂过程中受到纤维的拉扯力，虽然试件开裂，在一定范围内的撞击速度，试件虽然开裂但不飞离。

[1]曲旭光,史保华,彭洪波.聚丙烯腈纤维混凝土性能试验研究[J].混凝土,2009(4):81-82.

[2]张丽哲,石海强,季涛.聚丙烯腈纤维混凝土的抗压与抗折性能试验研究[J].南通大学学报:自然科学版,2012,11(3):39-42.

[3]沈荣熹，王璋水，崔玉忠.纤维增强水泥与纤维增强混凝土[M].北京:化学工业出版社，2006.

[4]朱林.UHMWPE纤维混凝土力学性能及抗侵彻能力研究[D].长沙：国防科学技术大学，2013.

[5]FISHER G.Deformation behavior of reinforced ECC flexural members under reversed cyclic loading conditions[D].Michigan:University of Michigan，2002.

[6]HAO Y，HAO H.Dynamic compressive behavior of spiral steel fiber reinforced concrete in split Hopkinson pressure bar tests[J].Construction and Building Materials，2013，48(48):521-532.

[7]MACA P，SOVJAK R，KONVALINKA P.Mix design of UHPFRC and its response to projectile impact[J].International Journal of Impact Engineering，2014，63:158-163.

秦书文(1990-)，男，汉族，河南省林州市，硕士研究生。