纤维增强珊瑚混凝土的力学性能研究及破坏形态分析

纤维增强珊瑚混凝土的力学性能研究及破坏形态分析
王磊;易金;邓雪莲;李佳怡
【摘要】采用天然珊瑚碎屑作为粗骨料,研究在水灰比为0.4的条件下不同掺量的碳纤维、聚丙烯纤维和剑麻纤维珊瑚混凝土的基本力学指标.试验表明,随着纤维掺量的增加,珊瑚混凝土的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度、弹性模量均呈现先增加后减小的趋势,总体来看,最优碳纤维掺量为2 kg/m3,最优聚丙烯纤维掺量也是2 kg/m3,最优剑麻纤维掺量为4.5kg/m3.当掺入纤维过量时,珊瑚混凝土分散性降低,从而增加浆体薄弱界面,无法发挥其增强、增韧的效应反而使其强度有所下降.纤维材料能明显改善珊瑚混凝土的脆性,增加韧性,使其抗折性能显著提高,改变珊瑚混凝土的破坏形态,试件破坏时依然能保持良好的整体性.
【期刊名称】《河南理工大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2016(035)005
【总页数】6页(P713-718)
【关键词】珊瑚混凝土;纤维增强;抗折强度;破坏形态
【作者】王磊;易金;邓雪莲;李佳怡
【作者单位】广西建筑新能源与节能重点实验室,广西桂林541004;桂林理工大学土木与建筑工程学院,广西桂林541004;桂林理工大学土木与建筑工程学院,广西桂林541004;桂林理工大学博文管理学院,广西桂林541004;桂林理工大学土木与建筑工程学院,广西桂林541004
【正文语种】中文
【中图分类】TU528.572
(1.广西建筑新能源与节能重点实验室，广西桂林 541004；2.桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林 541004；3 桂林理工大学博文管理学院，广西桂林541004)
远离大陆岛礁的工程建设经常面临建筑材料不足的问题，如果所需的各项材料均从大陆运输，其建造成本将非常昂贵，因此，开发可以就地取材的建筑材料是岛礁建设中面临的一个重要课题。

珊瑚混凝土，是在不破坏环境的前提下，以天然的珊瑚碎屑经过筛分并按一定比例配合，替代传统的碎石、砂子作为粗(细)骨料制备的新型混凝土。

珊瑚碎屑筒压强度较低，体形不一，孔隙率大，吸水性强，拌合混凝土时容易表现出不易捣固密实[1]，这些缺点决定了配制珊瑚混凝土时往往需要增加水泥和水的用量才能满足施工要求。

而硬化后的珊瑚混凝土表观密度、强度指标均低于普通混凝土，其弹性模量明显低于普通混凝土但高于其他轻骨料混凝土[2]，因此，珊瑚混凝土的应用也大多以素混凝土的形式局限于混凝土垫层、防波堤等低档次层面，其大规模工程应用受到了制约。

相关研究表明，在混凝土中掺加纤维材料是提高轻骨料混凝土抗压强度以及增强韧性的常用方法，纤维材料可以约束混凝土中裂缝的扩展，提高其抗裂性和抗渗性，延长其疲劳断裂寿命[3-5]。

因此，采用纤维材料增强珊瑚混凝土的基本力学性能是解决问题的一个有效途径。

本文主要研究掺加碳纤维、聚丙烯纤维、剑麻纤维对珊瑚混凝土性能的影响，为纤维增强珊瑚混凝土的研究及应用提供依据。

1.1 珊瑚的材料特性
珊瑚碎屑为珊瑚虫死后的产物，其矿物成分主要为文石和高镁方解石,化学成分主要为碳酸钙，珊瑚碎屑质轻、多孔，属于天然轻骨料。

珊瑚作为粗骨料既不同于普通混凝土中的碎(卵)石，又与轻骨料混凝土中常见的陶粒、浮石等骨料存在较大差异，性能指标如表1所示。

珊瑚骨料与浮石骨料和陶粒骨料相比较，其堆积密度
和表观密度明显偏大，筒压强度则明显偏低；珊瑚骨料孔隙率较高，其1 h吸水率比陶粒骨料的大，而与浮石骨料相近。

1.2 外加纤维特性
碳纤维(图1(a))强度极高、质量轻、弹性模量大、耐高温、耐腐蚀，是广泛用于民用、军用、建筑、航空等领域的新一代增强纤维；聚丙烯纤维(图1(b))伸长率高、强度高、质量轻、耐磨、耐腐蚀，是一种束状的合成纤维；剑麻纤维(图1(c))质地坚韧、耐磨、耐盐碱、耐腐蚀，是目前世界上用量最大、范围最广的一种硬质纤维。

试验采用以上3种纤维作为珊瑚混凝土的增强材料，长度均为20 mm，分散性剑麻纤维较优，聚丙烯纤维和碳纤维较差，易黏聚成团，其力学性能参数如表2所示。

1.3 试验设计
试验设计了水灰比为0.4的4种不同掺量的碳纤维珊瑚碎屑混凝土试件组、聚丙烯纤维珊瑚碎屑混凝土试件组和剑麻纤维珊瑚碎屑混凝土试件组，同时还设计一组相同水灰比不掺纤维的珊瑚碎屑混凝土试件为对照组。

立方体抗压强度和劈裂抗拉强度试块规格采用150 mm×150 mm×150 mm标准尺寸，其抗折强度和弹性模量采用150 mm×150 mm×300 mm棱柱体试块，试验龄期为3,7,14,28 d。

试块
制完后，在(20±2) ℃、湿度90%的环境下养护至相应龄期测定其各项力学指标。

试验用水泥为P·O 42.5 级水泥，砂为天然中粗河砂，海水按照海水成分用海盐配
制而成，珊瑚碎屑和外加纤维材料的性能分别如表1～2所示，试件配合比如表3
所示。

2.1 抗压强度
在珊瑚混凝土基础配合比均为0.4的情况下，随着纤维掺量的增加，珊瑚混凝土的抗压强度随着龄期的变化也发生变化，对龄期为3,7,14,28 d的珊瑚混凝土立方体抗压强度变化进行分析，如图2所示。

珊瑚混凝土的抗压强度随着龄期的延长而
不断增长，具体表现为抗压强度早期发展较快，7 d即可达到抗压强度设计值，而普通混凝土只能达到58%，后期强度增长较慢，在水灰比和养护条件相同的条件下，珊瑚混凝土后期强度只增加约9%。

珊瑚混凝土早期强度高而后期增长缓慢主要有两方面原因：(1)采用珊瑚作为混凝土骨料的地区往往缺少淡水，多用海水拌
养珊瑚混凝土，因此,相当于在混凝土中加入了无机盐尤其是氯盐类的外加剂，具
有明显早强作用，使其早期强度有所提高。

(2)珊瑚本身空隙较大，在拌合初期能
够吸收水泥浆中的拌合用水，随着水化作用的进行，珊瑚骨料中的部分水分不断地释放出来，对混凝土起到自养护的作用。

另外，珊瑚表面较其他轻骨料粗糙，与水泥石之间的摩擦力较大。

再者，部分水泥浆体可以渗入到珊瑚骨料的孔隙内部，使珊瑚骨料与水泥石“嵌套”成一个整体结构，进一步增强珊瑚骨料与水泥浆之间的黏结力，这也使得珊瑚混凝土早期强度较高。

取28 d龄期的珊瑚混凝土立方体抗压强度进行对比，如图3所示。

当碳纤维和聚丙烯纤维掺量由0增加到2%、剑麻纤维掺量由0增加到4.5%时，珊瑚混凝土抗
压强度均表现为增加，增加幅度聚丙烯纤维>碳纤维>剑麻纤维，但均小于4%，
纤维增强效果并不明显；当纤维掺量继续增加时，抗压强度的增加幅度反而变小，使其抗压强度与未掺加纤维的珊瑚混凝土几乎相同或甚至更低。

这是由于适量的纤维在珊瑚混凝土试块受荷增加时可以在一定程度上抑制细微裂缝的发展，使得珊瑚混凝土强度有所提高，但珊瑚骨料是影响混凝土强度的主要因素，纤维的掺入并不能明显地提高珊瑚混凝土强度。

过多的纤维在一定量的珊瑚混凝土中不能充分分散，成团打结的纤维会形成珊瑚混凝土的薄弱界面，内部孔隙与缺陷增多，对抗压强度的进一步提高反而不利[6]。

2.2 劈裂抗拉强度
对于纤维增强珊瑚混凝土的劈裂抗拉强度，碳纤维和聚丙烯纤维的最优掺量为2
kg/m3，剑麻纤维为3 kg/m3。

当3种纤维掺量由0增加到其最优掺量时，珊瑚
混凝土劈裂抗拉强度均有增加，如图4所示，碳纤维增加约13%，聚丙烯约9%，剑麻纤维增加约18%，但当纤维掺量继续增加，劈裂抗拉强度降低甚至低于没有
掺入纤维的珊瑚混凝土。

分析原因，由于纤维增强机理，分散于珊瑚混凝土中的纤维，能使珊瑚混凝土在受拉时得到延缓，分担一部分的拉应力，使得劈裂抗拉强度提高；当纤维掺量过多时，同样是由于纤维分散性差，使得混凝土密实性降低，增加了珊瑚混凝土内部的孔隙率，而降低了劈裂抗拉强度，由于碳纤维和聚丙烯纤维的分散性比剑麻纤维差，因此，降低幅度更为明显。

2.3 抗折强度
从图5中可以看出，与抗压强度不同，3种纤维增强珊瑚混凝土抗折强度的效果均较为显著。

由于聚丙烯纤维极限伸长率比其他纤维高出许多，聚丙烯纤维对珊瑚混凝土抗折强度的增强效果比其他纤维更优。

碳纤维和聚丙烯纤维的掺量为2%时达到最佳状态，聚丙烯纤维可提高约65%，碳纤维可提高50%左右，剑麻纤维的掺量为3%时达到最佳状态，约提高50%。

纤维增强珊瑚混凝土抗折强度效果显著
是因为：(1)珊瑚混凝土由于各种收缩原因造成其内部存在不同大小的微裂缝，在
水化过程中，纤维材料抑制了这些微裂缝的生成，并使微裂缝变更小，即减少了裂缝尖端的应力强度因子，使裂缝尖端应力分散，这样可以充分发挥珊瑚混凝土的抗折强度，使其抗折强度大幅度提高。

(2)纤维与水泥浆体有较大的握裹力[7]，由于
纤维材料的阻裂效应[8]，当混凝土出现较大裂缝时，纤维材料在混凝土中主要起
桥接裂缝的作用，通过其与混凝土间的黏结力及机械咬合力而发挥了最佳的增强作用。

2.4 弹性模量
与普通混凝土弹性模量相比，珊瑚混凝土弹性模量较低的主要原因是珊瑚骨料强度远低于普通碎石等骨料的强度。

珊瑚混凝土的弹性模量较低，通过掺加碳纤维的方式可以在一定程度上提高其弹性模量，与抗压强度有所不同的是，弹性模量的提高
并不是2%的碳纤维和2%聚丙烯纤维掺量最好，而是掺加量为3%时弹性模量最高，掺加碳纤维的珊瑚混凝土可提高约7%，掺加聚丙烯纤维的珊瑚混凝土可提高约11%，而剑麻纤维珊瑚混凝土弹性模量则是4.5%的掺量最好，提高约5%，如图6所示。

剑麻纤维和碳纤维本身具有较高的弹性模量，为珊瑚混凝土的5～10倍，对提高珊瑚混凝土效果更好，因此，纤维材料的弹性模量对珊瑚混凝土的弹性模量的增大有着直接影响。

试验结果如图7所示，可以发现掺入纤维后，珊瑚混凝土各项力学指标发生了变化，但在同样纤维掺量下，不同力学指标变化程度是不一样的。

碳纤维、聚丙烯纤维、剑麻纤维的掺入均对珊瑚混凝土抗折强度的增长效果显著，增长率可达50%～65%，但对其抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量提高较少。

此外，对于
各项力学指标，不同纤维材料类别的最优掺量也不尽相同。

2.5 破坏形态分析
一般情况下，轻骨料混凝土复合结构中的水泥浆基体与轻骨料在弹性模量和强度上相比，后者较低，珊瑚骨料表现尤为明显。

因此，在珊瑚混凝土受压初期，珊瑚骨料和水泥石同时被压缩，其能量不断积聚，试件无太多明显的破坏特征。

随着荷载的增加，内部珊瑚骨料开始破坏，荷载将更多的由包裹在骨料周围的水泥石来承担，当荷载继续加大，珊瑚骨料破坏增多，水泥石所承担的压力也越来越大，最后开始大范围破坏，此时珊瑚混凝土试件在宏观上表现为其中部出现竖向裂缝，然后裂缝随荷载加大不断增多，最后积聚的能量大量释放，导致试件破坏，如图8所示。

加入纤维材料后，珊瑚混凝土的破坏形态发生了较大的变化，未掺加纤维的试件破坏时有大块的混凝土崩落，珊瑚骨料断裂清晰可见，掺加适量纤维的珊瑚混凝土试件破坏时只出现若干明显的裂缝，试件依然保持良好的整体性，如图9所示。

试
件断裂时，珊瑚骨料绝大多数发生断裂，聚丙烯纤维和剑麻纤维则较多发生断裂，而掺加的碳纤维只有极少数发生断裂，表明碳纤维的高抗拉强度并没有得到充分利
用。

在珊瑚混凝土结构形成过程中，纤维材料阻止了裂缝的引发，减少了裂缝源的数量，使裂缝尺度变小。

随裂缝延伸而增加，珊瑚混凝土中扩延裂缝所需的能量增加，直至能量达到临界值断裂，由于纤维材料的存在，在破坏之前有大范围的缓慢稳定裂缝扩展，以及裂缝尖端存在微裂区或裂缝过渡区，使整个破坏过程延缓，改善了混凝土的脆性。

(1)采用珊瑚碎屑为骨料配制混凝土是可行的，其性能满足一般建设工程的需要。

在相同水灰比的情况下，随着纤维掺量的增加，珊瑚混凝土的抗压强度随着龄期的变化而变化，珊瑚混凝土的早期强度发展较快，而后期增长速度缓慢。

(2)掺入纤维后，珊瑚混凝土各项力学指标发生了变化，在相同纤维掺量下，不同
力学指标变化程度是不一样的。

随着纤维掺量的增加，珊瑚混凝土的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度、弹性模量均先呈现增加的趋势，但当掺入纤维过多时，以上力学指标反而有所降低。

对于不同力学指标，不同纤维材料类别其最优掺量也不尽相同。

(3)碳纤维、聚丙烯纤维和剑麻纤维材料的掺入可以明显改变珊瑚混凝土破坏时的
状态，改善珊瑚混凝土的脆性，增加韧性，试件破坏时依然能保持良好整体性。

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【相关文献】
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