碳-鋼纖維混雜水泥基復合材料的力學行為

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1、建國亞洲有限公司CHIENKUOASIA.LTD碳－鋼纖維混雜水泥基復合材料的力學行為李書進1，吳科如2(1．常州工學院，213002；2．同濟大學，上海200092)摘要：研究了碳—錒纖維在水泥及復合材料斷裂破壞過程中的作用機制。研究表明，碳纖維可顯著提高基體初裂強度和斷裂韌性，鋼纖維則能明顯改善基體初裂后的力學行為。碳—鋼纖維混雜水泥基復合材料在初裂階段和峰值荷載之后均具有較高的強度和斷裂韌性。纖維混雜水泥基復合材料的力學行為反映了兩種不同品種、不同尺度的纖維的增強、增韌機理。關鍵詞：混雜纖維；水泥基復

2、合材料；斷裂韌性；力學行為中圖分類號：TU528．572文獻標識碼：A文章編號：1000-4637(2008)01-41-030前言纖維水泥基復合材料用鋼纖維、碳纖維、PP纖維或玻璃纖維進行增強或增韌時，通常只采用同一品種、同一尺寸的纖維，復合材料的性能也僅在一定程度上反映所摻纖維的某些性能。而同時摻入不同品種、不同尺度優(yōu)化組合的混雜纖維，可彌補單一纖維增強的不足，從而獲得更優(yōu)化的力學性能[1]。配制纖維水泥基復合材料可供選用的纖維品種很多，碳纖維的彈性模量和抗拉強度都比鋼纖維高，較低摻量的微細碳纖維即可有

3、效提高水泥基體的初裂強度和初裂變形[2]。很多文獻對碳—鋼纖維混雜水泥基復合材料采用混合定律進行過研究[3-4]，較一致的結論是直徑較大的鋼纖維和直徑微細的碳纖維混雜，不僅可大大減少基體的塑性收縮，還可提高水泥基復合材料的強度和韌性。但混合定律以纖維增強樹脂基材料為基礎，將其用于準脆性的水泥基復合材料并未考慮纖維在基體內裂縫引發(fā)、擴展中的作用以及纖維幾何尺寸與基體結構層次的匹配性。本文采用抗拉剛度較高的微細碳纖維與鋼纖維，通過實驗研究了混雜纖維水泥及復合材料的力學行為。1混雜纖維的增強、增韌機理建國亞洲有限

4、公司CHIENKUOASIA.LTD纖維水泥基復合材料的斷裂破壞可分為彈性階段、微開裂階段和局部化階段。纖維的增強作用可歸結為纖維在各個階段對基體內各種裂縫的抑制。基體初裂前，其內在缺陷點在荷載作用下引發(fā)微裂縫，但低應力階段微裂縫僅隨荷載的增加而穩(wěn)定地張開，并不發(fā)生擴展。基體通過界面的剪切將荷載傳遞給纖維，此時纖維和基體作為一個整體共同承受荷載，可在一定程度上提高水泥基復合材料的初裂強度；當基體內的微裂縫張開到臨界寬度(CTODC)或者裂縫尖端的應力場強度滿足Ktip=KIC，裂縫將開始不穩(wěn)定擴展。由于纖維

5、對裂縫的橋接作用，水泥基復合材料將產(chǎn)生應變硬化現(xiàn)象。在此階段，如果纖維足以承受基體完全開裂以后傳遞的荷載，則水泥基復合材料的承載能力可持續(xù)增長。Parimi和Rao[5]采用彈性拉伸條件下纖維拔出所消耗的斷裂能來詮釋纖維的增韌機理，式(1)表征了纖維水泥基復合材料的斷裂韌性：Gc=Gm+Gf(1)式中：Cc、Cm和Gf分別為復合材料、基體以及纖維與基體脫粘的斷裂韌性(J／m2)。纖維與基體脫粘斷裂韌性由式(2)給出：(2)式中，Ef一—纖維的彈性模量，MPa；Vf一—纖維的體積分數(shù)，％；一—纖維與基體的粘結

6、強度，MPa；、一—分別為纖維的長度和直徑，mm。由式(2)可見，在纖維體積分數(shù)和纖維幾何尺寸相同的情況下，纖維的彈性模量、粘結強度亦對基體的增韌作用有顯著的影響，彈性模量較小或界面粘結強度較大的纖維都可能改善水泥基材料的斷裂韌性，。2碳—鋼纖維混雜水泥基復合材料的試驗研究采用長度為3mm、彈性模量為230GPa的PAN基高強微細碳纖維與中等直徑鋼纖維混雜配制增強砂漿，共設計了4組不同纖維混雜比的試驗方案。2．1試驗材料與方法采用42．5R普通硅酸鹽水泥和硅粉作膠結材料。硅粉的比表面積為20m2/g，平均粒

7、徑為0．1~0．2μm。細集料采用細度模數(shù)為2．8的中砂，通過摻高效減水劑(FDN)調整拌和物的流動性。試驗配合比見表1。建國亞洲有限公司CHIENKUOASIA.LTD試件標準養(yǎng)護至試驗齡期后，按GBl77-85的規(guī)定測試抗壓強度和抗折強度，采用三點彎曲法進行彎曲性能和斷裂韌性的測試。2．2試驗結果與討論2．2．1抗壓強度和抗折強度碳—鋼纖維混雜砂漿的抗壓強度和抗折強度試驗結果見表2。纖維混雜增強砂漿的抗壓強度比基準試件提高了8．4％～18．5％。隨著碳纖維的增加，試件的抗折強度有增加的趨勢，增幅在60．

8、1％～86．5％。2．2．2荷載—撓度全曲線采用三點彎曲法獲得的荷載—撓度全曲線見圖1，由圖可見，混雜纖維中鋼纖維越多，水泥基復合材料在峰值荷載以后的部分越平緩，碳纖維所占比例越大，則峰值荷載越高，但隨后的下降段越陡。這一結果表明，碳纖維的增強作用非常顯著，一方面是建國亞洲有限公司CHIENKUOASIA.LTD其抗拉強度比鋼纖維更大，從而對微裂縫的衍生和擴展有更好的抑制作用；另一方面，碳纖維表面還具有反應活性，