改性组分对水泥基材料韧性的影响

水泥基材料是一种抗压强度较高，抗拉强度非常低的脆性材料．为了提高水泥基材料的抗拉强度及韧 性，拓展其工程应用领域，特别是满足动荷载作用下的技术要求，相关学者已探索了多种改善水泥基材料 抗拉、抗裂以及韧性的技术途径，并取得了积极成果¨引，研究者们较为重视采用韧性组分对水泥基材料 力学性能的改性研究，包括采用钢纤维∞吲、聚丙烯纤维一７｜、橡胶颗粒【８叫训以及它们的复合等手段．虽然 相关研究成果较多，但由于各自采用的研究方法、参数各不相同，使得现有各成果之间的可比性不强， 特别是有关水泥基材料的静、动力学性能之间的相关性有待进一步探索．为此，本文以水泥砂浆为研究 对象，采用钢纤维、聚丙烯纤维、纤维素纤维、橡胶颗粒等改性组分，较为系统地探讨不同改性组分对砂 浆在静力荷载的折压比以及在冲击荷载作用下的冲击功的影响，并比较分析了砂浆折压比与冲击功之
ｃｏｍｐｒｅｓｓｉＶｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｒａｔｉｏ ａｎｄ ｉｍｐａｃｔ ｅｎｅｒｇｙ ｏｆ ｍｏｒｔａｒ，ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｇｏｏｄ ｄｅｆｏｍｌａｂｉｌｉｔｙ ｂｕｔ ａｌｓｏ ｅｘｃｅｌ—
ｍ枷ｘ ｌｅｎｔ ａｄｈｅｓｉｖｅ ｆｏｒｃｅ ｏｎ ｍｏｒｔａｒ
ｏｆ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｎｅｅｄｅｄ． Ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｏｆ ｆｉｂｅｒｓ
收稿日期：２０ｌＯ旬８一１５． 作者简介：龙广成（１９７３一），男，博七，教授，ｌｇｃ２６３＠ｙａｌｌｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ． 基金项目：铁道部科技研究计划重点课题资助项目（２０ｌＯＧ００２．Ｅ）．
万方数据
１０８
东南大学学报（自然科学版）
第４０卷
间的相互关系，以进一步掌握静力荷载作用下和冲击荷载作用下水泥基材料的韧性及其影响规律．
１试验
ｌ－１试验原料
、
水泥（ｃ）为湖南宁乡南方水泥厂生产的Ｐ·Ｏ ４２．５级水泥；粗、中、细３种橡胶颗粒为武汉合得利橡
胶有限公司提供，粗颗粒（简称ｃＲ）粒度为５～８目（４～２．３６ ｍｍ）；中等颗粒（简称ＭＲ）粒度为８—１２目
（２．３６～１．４ ｍｍ）；细颗粒（简称ＳＲ）粒度为６０目（０．２５～０．１７ ｍｍ）；采用普通河砂作为骨料，满足中砂级
第４０卷增刊（Ⅱ） ２０１０年１１月
东南大学学报（自然科学版）
ＪＯＵＲＮＡＬ ０Ｆ ＳＯＵＴＨＥＡＳＴ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（Ｎａｍｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ）
Ｖ０１．４０ Ｓｕｐ（Ⅱ）
Ｎｏｖ．２０１０
改性组分对水泥基材料韧性的影响
龙广成 李 哲 丁 晨 谢友均
（中南大学土木建筑学院，长沙４１００７５）
一条裂缝（初裂）时的冲击次数Ｈ。、破坏时的冲击次数，ｌ：以及相应的冲击（破坏）功，冲击功为ｗ＝，ｌ懈｜Ｉｌ，其 中，ｗ为冲击功，Ｊ；凡为冲击次数；｜ｈ为冲击锤下落高度，４５７ ｎｕｎ；ｇ为９．８１彬ｓ２；ｍ为落锤质量，４．５ ｋｇ．
万方数据
增刊（Ⅱ）
龙广成，等：改性组分对水泥基材料韧性的影响
１０９
１ ｄ后脱模，经标准条件养护到规定龄期后测试２８ ｄ强度，将砂浆试件按照ＧＢ／Ｔ １７６７ｌ—１９９９规定的方法 进行抗压强度、抗折强度测试；冲击试件进行冲击试验，每组测试３个冲击试件，以平均值作为测试结果．各 试件试验测试结果如表２所示，从抗折抗压强度测试结果看，各砂浆试件强度测试结果较低，这主要是由于 所加外加剂引气量较大所致．冲击韧性试验采用ＡＣＩ－５４４推荐的落锤冲击试验方法，本试验制作了落锤导 筒，以确保测试的稳定性和有效性，试验装置示意图和试验照片如图ｌ所示．试验中记录了冲击试件出现第
ａｎｄ ｄｙｎａＩＩｌｉｃ ｌｏａｄ，ｒｅｓｐｅｃｔｉＶｅｌｙ． Ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｅｎｅｒｇｙ ｏｆ ｍｏｒｔａｒ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｙｐｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ｉｎ· ｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｍ ｍｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｔｏ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｎ．ｅｎｇｔｌｌ ｒａｔｉｏ． ＩＩｌ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｔｏ
粕ｄ ｍｂｂｅｒ ｐａｎｉｃｌｅｓ ｃ粕ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｉｍｐｒｏＶｅ ｉｍｐａｃｔ ｅｎｅ唱ｙ ｏｆ ｍｏｒｔａｒ ｏｗｉｎｇ ｔｏ山ｅ ｓｙｎｅｒｇｉｓｔｉｃ ｅｆ佗ｃｔ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ；ｎｅｘｕｒａｌ ｔｏ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉＶｅ ｓｔＩ．ｅｎｇｔｌｌ ｒａｔｉｏ；ｉｍｐａｃｔ ｅｎｅ唱ｙ；ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ ｍａｔＩｏｒｉａｌｓ
配要求，细度模数为２．６２；聚丙烯纤维（简称Ｐ）由长沙博赛特建筑工程材料有限公司提供，单丝直径为２７
～３２岬，长度为１５ ｍｍ；ｕＦ纤维（纤维素纤维，简称ｕ）由上海罗洋新材料科技有限公司提供，单丝直径
为１８¨ｍ，长度为２．１ ｎｕｎ；钢纤维（简称ｓＴ）由上海哈瑞克斯金属制品有限公司提供的扁平状纤维，等效
口＿ ●
冲击锤
刚性底板
离
？
气
一辔 荽件挡、板，翮Ｊ矿，ｒ 一
系列
Ｃ ＦＡ ＳＦ ＦＳ ＦＳ．Ｐ１ ＦＳ．Ｐ２ ＦＳ—ＵＩ Ｆｓ—Ｕ２ ＦＳ—ＳＴｌ
ＦＳ—Ｓ他
ＦＳ．ＭＲｌ ＦＳ—ＭＲ２ ＦＳ．ＭＲ３ ＦＳ—ＣＲ
ＦＳ－ＳＲ ＦＳ—ＭＲＰ２ ＦＳ－ＭＲＵ２
（ａ）冲击试验装置示意图
（ｂＪ冲击试验照片
图ｌ冲击试验示意图
直径为Ｏ．５ ｍｍ，长度为２０～２５ Ｉ啪；粉煤灰（ＦＡ）为湘潭电厂提供的ＩＩ级灰；硅灰（ＳＦ）为上海埃肯公司提
供；减水剂为聚羧酸类高效减水剂，粉剂，北京九洲宏业有限公司提供，减水率为３３％．
１．２配合比
本文主要考虑矿物掺合料、聚丙烯类纤维、钢纤维以及橡胶颗粒等组分对水泥砂浆力学性能的影响，
以水胶比为０。５、砂胶比为２．５设计基准砂浆试样，为了实现砂浆高流动度，试验中掺用高效减水剂，减水
中图分类号：ＴＵ５０２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００ｌ一０５０５（２０１０）增刊（Ⅱ）旬１０７娟
Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ｏｎ ｔｏｕｇｈｎｅ鲻ｏｆ ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｌｏｎｇ Ｇｕａｎｇｃｈｅｎｇ Ｌｉ Ｚｈｅ Ｄｉｎｇ Ｃｈｅｎ Ｘｉｅ Ｙｏｕｊｕｎ
“
５．８／２４．２
１８
３．４／１１．２
６
５．８／２３．６
１６
５．９／２４．Ｏ
１２
“２
曲＝“２一ｎｌ
７
ｌ
８
ｌ
７
ｌ
７
ｌ
９
２
１６
６
８
１
ｌＯ
２
２６
１９
３６
２７
８
２
１３
３
１６
５
２５
７
１０
４
２ｌ
５
１７
５
Ｈ，／Ｊ
１４１．２ １６１．４ １４１．２ １４１．２ １８１．６ ３２２．８ １６１．４ ２０ Ｊ．７ ５２４．５ ７２６．３ １６１．４ ２６２．３ ３２２．８ ５０４．４ ２０１．７ ４２３．７ ３４３．０
△ｗ／Ｊ
２０．２ ２０．２ ２０．２ ２０．２ ４０．３ １２１．０ ２０．２
观３
３８３．３ ５４４．７
加．３ ６０．５
ｌｏｏ．９ １４１．２ ８０．７ １００．９ １００．９
２结果与分析
２．１矿物掺合料对砂浆折压比和冲击功的影响 试验采用粉煤灰、硅灰以及粉煤灰和硅灰复合等质量取代水泥，比较各砂浆折压比和冲击破坏时的冲
万方数据
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第４０卷
浆试件的折压比得到较大提高；然而，值得注意的是，不同的纤维对砂浆冲击功的影响则明显不同，随着各
纤维掺量的增加，砂浆的冲击功均呈现增大的趋势；当聚丙烯纤维掺量在Ｏ．９ ｌ∥ｍ３时，其冲击功达到未
掺纤维试件的２倍左右，而当钢纤维掺量为５３ ｋｇ／ｍ３时，砂浆冲击功达到未掺试件的３倍多，钢纤维掺量为 １０６ ｋ∥ｍ３时，砂浆冲击功更是将近达到未掺试件的５倍；纤维素纤维掺入后，试件的冲击功也有一定的增 加，但增加幅度相对较小．这表明，纤维掺入后，对砂浆试件在静力荷载作用下的折压比和冲击荷载作用下 的冲击破坏功的影响是不同的．
６００
基Ｏ·２
幽 辖
０Ｉ
ＦＡ
ＳＦ
ＦＳ
试样系列
（ａ）折艟比
墨４００
雷 屯
囫 沥 励 勉 是２００
ＦＡ
ＳＦ
ＦＳ
试样系列
《ｂ）冲出功
图２不同矿物掺合料砂浆的折压比和冲击功结果
２．２不同纤维对砂浆折压比和冲击功的影响 试验采用了聚丙烯纤维、纤维素纤维、钢纤维掺入砂浆中，比较各砂浆折压比和冲击破坏时的冲击功
的变化，试验结果如图３所示．由图３可见，对于砂浆试件的折压比而育，聚丙烯纤维、纤维素纤维在掺量 为Ｏ．４５ ｋｇ／ｍ３和０．９ ｋｇ／ｍ３时，砂浆的折压比并未获得显著改变，钢纤维也只有掺量在１０６ ｋ∥ｍ３时，砂
击功，试验结果如图２所示．从图２可知，掺粉煤灰后，２８ ｄ龄期时砂浆试件的折压比有一定的增加，而掺 硅灰后砂浆折压比呈现降低的趋势，粉煤灰和硅灰复掺后砂浆的折压比也较低．同时，比较各砂浆试件在 冲击荷载作用下的冲击功表明，掺粉煤灰、硅灰后，砂浆试件的冲击功的变化趋势与其折压比的变化基本 一致．结果表明，相对于硅灰而言，掺粉煤灰对砂浆试件的折压比、冲击功有积极的影响，但总体而言，掺矿 物掺合料对砂浆试件的折压比、冲击功的影响并不显著．
摘要：为掌握静力荷载和冲击荷载作用下水泥基材料的韧性及其主要影响规律，通过试验研究 手段，采用折压比、冲击功等指标，分别研究了矿物掺合料、聚丙烯纤维、纤维素纤维、钢纤维以及 橡胶颗粒对水泥砂浆在静力荷载作用下的折压比和冲击荷载作用下冲击破坏功的影响，并分析 了不同组成砂浆的折压比和冲击功之间的相关性．结果表明，不同改性组分对砂浆折压比和冲击 破坏功２参数存在不同的影响机理；当所掺改性组分的类型相同时，砂浆的冲击功随折压比增加 而增大．为提高砂浆的折压比和冲击功，宜掺加变形能力好、抗拉强度较高且其与砂浆基体之间 具有较大的粘结作用的改性组分．纤维与橡胶颗粒的复合掺入可较好地发挥叠加效应，进一步增 强水泥基材料的冲击韧性． 关键词：韧性；折压比；冲击功；水泥基材料
ｕｒａＪ，ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ａｎｄ ｉｍｐａｃｔ ｌｏａｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ａｎｄ ａｌｓｏ ｔｔｌｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｔｏ ｃｏｍ． ｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓⅡ－ｅｎｇｔｈ ｒａｔｉｏ ａＩｌｄ ｉｍｐａｃｔ ｅｎｅｒｇｙ ｏｆ ｍｏｒｔａｒ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｄｉｆ诧ｒｅｎｔ ｃｏｍ— ｐｏｎｅｎｔｓ ｈａｖｅ ｄｉｆｆｂｒｅｎｔ ｅｆ艳ｃｔｓ ｏｎ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｔｏ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔＩ．ｅｎ酉ｈ ｒａｔｉｏ ａｎｄ ｉｍｐａｃｔ ｅｎｅｒｇｙ ｕｎｄｅｒ ｓｔａｔｉｃ
表２各试件２８ ｄ龄期的力学强度和冲击试验测试结果
抗折／抗压强度／ＭＰａ
ｎＩ
５．６／２３．３
６
４．６／１５．８
７
６．４／３２．１
６
６．Ｏ／２８．７
６
６．６／３０．２
７
６．８／３ｌ＿０
ｌＯ
６．９／３０．３
７
７．１／３０，８
８
７．４／３３．３
７ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
９．８／３５．０
９
６．１／２６．９
６
５．７／２３．４
１０
５．２／１６．５
剂掺量为胶凝材料（水泥＋矿物掺合料）用量的０．３０％，保持各试样流动扩展度在２５０—３００ ｍｍ之间，各
试样的配合比如表１所示．
表ｌ各试样配合比（质量比）
１．３试验方法 根据配合比方案进行砂浆搅拌、成型试验，搅拌好的砂浆直接浇注至砂浆试模以及冲击试验试模中，
用抹刀捕捣抹面成型，制成标准胶砂试件（４０ ｍｍ×４０唧×１６０Ⅱｌｒｌｌ）和冲击试件（巾１５５ⅡＩＨＩ×６５ ｍｍ），
ｅｒｇｙ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｌｌｅ ｅｆ！ｆ色ｃｔ ｏｆ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｍｉｎｅｍｌ ａｄｍｉｘｔｕｒｅｓ，ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌ— ｅｎｅ ｆｉｂｅｒ，ｃｅｎｕｌｏｓｅ ｆｉｂｅｒ。ｓｔｃ２ｌ ｆｉｂｅｒ ａｎｄ ｒｕｂｂｅｒ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｍｏｒｔａｒ ｂｙ ｆｌｅｘ，
（ｓｃｈ００ｌ ｏｆ ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎ∞ｒｉｎｇ卸ｄ ＡｒｃｈｊｔｃｃｔＩｌ∞，ｃ％仃ａｌ Ｓｏｕｎｌ ｕｎｉＶ哪时，ｃＩｌ卸ｇｓｈａ ４１００ｒ７５，ＣｌＩｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｅｄ ａｔ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ｔｈｅ ｔｏｕ对ｍｅｓｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｕｎｄｅｒ ｓｔａｔｉｃ 柚ｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｌｏａｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ。ｔｌｌｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｎｅｘｕｒａｌ ｔｏ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｒａｔｉｏ ａｎｄ ｉｍｐａｃｔ ｅｎ—