碳-钢纤维混杂水泥基复合材料的力学行为

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1、建国亚洲有限公司CHIENKUOASIA.LTD碳－钢纤维混杂水泥基复合材料的力学行为李书进1，吴科如2(1．常州工学院，213002；2．同济大学，上海200092)摘要：研究了碳—锕纤维在水泥及复合材料断裂破坏过程中的作用机制。研究表明，碳纤维可显著提高基体初裂强度和断裂韧性，钢纤维则能明显改善基体初裂后的力学行为。碳—钢纤维混杂水泥基复合材料在初裂阶段和峰值荷载之后均具有较高的强度和断裂韧性。纤维混杂水泥基复合材料的力学行为反映了两种不同品种、不同尺度的纤维的增强、增韧机理。关键词：混杂纤维；水泥基复

2、合材料；断裂韧性；力学行为中图分类号：TU528．572文献标识码：A文章编号：1000-4637(2008)01-41-030前言纤维水泥基复合材料用钢纤维、碳纤维、PP纤维或玻璃纤维进行增强或增韧时，通常只采用同一品种、同一尺寸的纤维，复合材料的性能也仅在一定程度上反映所掺纤维的某些性能。而同时掺入不同品种、不同尺度优化组合的混杂纤维，可弥补单一纤维增强的不足，从而获得更优化的力学性能[1]。配制纤维水泥基复合材料可供选用的纤维品种很多，碳纤维的弹性模量和抗拉强度都比钢纤维高，较低掺量的微细碳纤维即可有

3、效提高水泥基体的初裂强度和初裂变形[2]。很多文献对碳—钢纤维混杂水泥基复合材料采用混合定律进行过研究[3-4]，较一致的结论是直径较大的钢纤维和直径微细的碳纤维混杂，不仅可大大减少基体的塑性收缩，还可提高水泥基复合材料的强度和韧性。但混合定律以纤维增强树脂基材料为基础，将其用于准脆性的水泥基复合材料并未考虑纤维在基体内裂缝引发、扩展中的作用以及纤维几何尺寸与基体结构层次的匹配性。本文采用抗拉刚度较高的微细碳纤维与钢纤维，通过实验研究了混杂纤维水泥及复合材料的力学行为。1混杂纤维的增强、增韧机理建国亚洲有限

4、公司CHIENKUOASIA.LTD纤维水泥基复合材料的断裂破坏可分为弹性阶段、微开裂阶段和局部化阶段。纤维的增强作用可归结为纤维在各个阶段对基体内各种裂缝的抑制。基体初裂前，其内在缺陷点在荷载作用下引发微裂缝，但低应力阶段微裂缝仅随荷载的增加而稳定地张开，并不发生扩展。基体通过界面的剪切将荷载传递给纤维，此时纤维和基体作为一个整体共同承受荷载，可在一定程度上提高水泥基复合材料的初裂强度；当基体内的微裂缝张开到临界宽度(CTODC)或者裂缝尖端的应力场强度满足Ktip=KIC，裂缝将开始不稳定扩展。由于纤维

5、对裂缝的桥接作用，水泥基复合材料将产生应变硬化现象。在此阶段，如果纤维足以承受基体完全开裂以后传递的荷载，则水泥基复合材料的承载能力可持续增长。Parimi和Rao[5]采用弹性拉伸条件下纤维拔出所消耗的断裂能来诠释纤维的增韧机理，式(1)表征了纤维水泥基复合材料的断裂韧性：Gc=Gm+Gf(1)式中：Cc、Cm和Gf分别为复合材料、基体以及纤维与基体脱粘的断裂韧性(J／m2)。纤维与基体脱粘断裂韧性由式(2)给出：(2)式中，Ef一—纤维的弹性模量，MPa；Vf一—纤维的体积分数，％；一—纤维与基体的粘结

6、强度，MPa；、一—分别为纤维的长度和直径，mm。由式(2)可见，在纤维体积分数和纤维几何尺寸相同的情况下，纤维的弹性模量、粘结强度亦对基体的增韧作用有显著的影响，弹性模量较小或界面粘结强度较大的纤维都可能改善水泥基材料的断裂韧性，。2碳—钢纤维混杂水泥基复合材料的试验研究采用长度为3mm、弹性模量为230GPa的PAN基高强微细碳纤维与中等直径钢纤维混杂配制增强砂浆，共设计了4组不同纤维混杂比的试验方案。2．1试验材料与方法采用42．5R普通硅酸盐水泥和硅粉作胶结材料。硅粉的比表面积为20m2/g，平均粒

7、径为0．1~0．2µm。细集料采用细度模数为2．8的中砂，通过掺高效减水剂(FDN)调整拌和物的流动性。试验配合比见表1。建国亚洲有限公司CHIENKUOASIA.LTD试件标准养护至试验龄期后，按GBl77-85的规定测试抗压强度和抗折强度，采用三点弯曲法进行弯曲性能和断裂韧性的测试。2．2试验结果与讨论2．2．1抗压强度和抗折强度碳—钢纤维混杂砂浆的抗压强度和抗折强度试验结果见表2。纤维混杂增强砂浆的抗压强度比基准试件提高了8．4％～18．5％。随着碳纤维的增加，试件的抗折强度有增加的趋势，增幅在60．

8、1％～86．5％。2．2．2荷载—挠度全曲线采用三点弯曲法获得的荷载—挠度全曲线见图1，由图可见，混杂纤维中钢纤维越多，水泥基复合材料在峰值荷载以后的部分越平缓，碳纤维所占比例越大，则峰值荷载越高，但随后的下降段越陡。这一结果表明，碳纤维的增强作用非常显著，一方面是建国亚洲有限公司CHIENKUOASIA.LTD其抗拉强度比钢纤维更大，从而对微裂缝的衍生和扩展有更好的抑制作用；另一方面，碳纤维表面还具有反应活性，