微細(xì)鋼纖維/PVA纖維混雜超高韌性水泥基復(fù)合材料研究

超高韌性水泥基復(fù)合材料具有顯著的應(yīng)變硬化性能和優(yōu)異的裂縫無(wú)害化分散能力，同時(shí)還具有良好的耐久性和抗疲勞性能，該類材料在結(jié)構(gòu)抗震、橋梁結(jié)構(gòu)和防護(hù)工程等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。用于結(jié)構(gòu)時(shí)，這些工程往往對(duì)材料抗壓強(qiáng)度有較高的要求（通常C50是很多工程的一個(gè)門檻），傳統(tǒng)的UHTCC僅有20~40MPa左右，難以滿足要求。追求UHTCC高的抗壓強(qiáng)度往往會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變硬化性能的顯著降低，單純使用PVA纖維很難實(shí)現(xiàn)兩者的統(tǒng)一，將PVA纖維和鋼纖維混雜使用是一個(gè)潛在可行的技術(shù)路線。本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)了一套新型單根纖維拔出實(shí)驗(yàn)試樣模具及成型方法，該方法的實(shí)施有望解決現(xiàn)有方法依賴?yán)w維廠家的配合、依賴高精度切割機(jī)及熟練操作人員、對(duì)纖維無(wú)切割、測(cè)試時(shí)試樣可以獲得較為一致的邊界條件，這些改進(jìn)保證了今后的單根微細(xì)纖維拉拔試驗(yàn)使用商用短切纖維即可進(jìn)行，試驗(yàn)過(guò)程更趨于合理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果將更加可靠，未來(lái)可為纖維/基體界面性能表征提供更有利的試驗(yàn)方法，未來(lái)可以為相關(guān)力學(xué)模型的簡(jiǎn)歷提供更可靠的科學(xué)依據(jù)；本項(xiàng)目遺憾未能利用PVA纖維和鋼纖維混雜實(shí)現(xiàn)三維尺寸下極限拉應(yīng)變達(dá)到1%~2%的C60UHTCC，但幸運(yùn)的是，采用對(duì)基體改性的方式，實(shí)現(xiàn)了UHTCC抗壓強(qiáng)度和應(yīng)變硬化性能的同步提升，研究得到抗壓強(qiáng)度50MPa的UHTCC材料，其極限拉應(yīng)變利用三維尺寸試件測(cè)試可達(dá)到4%以上，可為一些結(jié)構(gòu)工程的建設(shè)提供性能更加優(yōu)異的UHTCC材料；；此外，本項(xiàng)目對(duì)鋼纖維外形進(jìn)行了優(yōu)化，用其制備的新型高受壓韌性混凝土抗壓強(qiáng)度可達(dá)到170MPa以上，極限壓應(yīng)變可達(dá)到5%以上，該材料預(yù)計(jì)未來(lái)在防護(hù)工程和結(jié)構(gòu)抗震等領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。

超高韌性水泥基復(fù)合材料（簡(jiǎn)稱UHTCC）因具有顯著應(yīng)變硬化特性和卓越耗能能力，有潛力成為應(yīng)用于高層、橋梁和防護(hù)工程以顯著提高結(jié)構(gòu)安全性的理想材料。但這類結(jié)構(gòu)普遍對(duì)混凝土有高強(qiáng)度要求，極大限制了目前普遍處于中低強(qiáng)度的UHTCC在此類工程中的應(yīng)用。UHTCC高強(qiáng)度化是必然趨勢(shì)，隨之可能導(dǎo)致應(yīng)變硬化特性顯著降低。為解決這一矛盾，本項(xiàng)目擬采用微細(xì)鋼纖維/PVA纖維混雜技術(shù)，開(kāi)展基體優(yōu)化、攪拌工藝優(yōu)化、單絲纖維拉拔特性、混雜UHTCC 設(shè)計(jì)模型、軸拉、軸壓特性等一系列研究工作，開(kāi)發(fā)出強(qiáng)度等級(jí)不低于C60，準(zhǔn)三維極限拉應(yīng)變不低于1%-2%的新型UHTCC。本項(xiàng)目揭示的單絲纖維拉拔特性、纖維混雜效應(yīng)以及UHTCC力學(xué)特性應(yīng)變率效應(yīng)發(fā)生機(jī)理都將為進(jìn)一步纖維改性和UHTCC性能優(yōu)化提供必要的科學(xué)依據(jù)，基于三維尺度UHTCC本構(gòu)模型的提出將為其在高層結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供必要設(shè)計(jì)參考依據(jù)。

1、鋼纖維的抗拉強(qiáng)度檢驗(yàn)，要求其抗拉強(qiáng)度不低于380MPa；

2、鋼纖維的抗彎拆性能，鋼纖維應(yīng)能經(jīng)受直徑3㎜鋼棒彎拆90°不斷，每批次檢驗(yàn)不少于10根；

3、雜質(zhì)含量，鋼纖維表面不得有油污，不得鍍有有害物質(zhì)或影響鋼纖維與混凝土粘接的雜質(zhì)；

4、鋼纖維的長(zhǎng)度偏差不應(yīng)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的10%，每批次至少隨機(jī)抽查10根以上；

5、鋼纖維的直徑或等效直徑合格率不得低于90%，可采取重量法檢驗(yàn)，每批次抽檢100根，用天平稱量，卡尺測(cè)其長(zhǎng)度，要求得到的等效平均值滿足規(guī)定。

原材料的檢驗(yàn)：

必須滿足上述原材料的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)按照公路工程施工技術(shù)規(guī)范的要求進(jìn)行檢驗(yàn)。

鋼纖維混凝土的檢驗(yàn)：

應(yīng)重點(diǎn)檢驗(yàn)鋼纖維混凝土的和易性、塌落度和水灰比等，同時(shí)必須現(xiàn)場(chǎng)目檢鋼纖維在混凝土的分布情況，發(fā)現(xiàn)有鋼纖維結(jié)團(tuán)現(xiàn)象應(yīng)延長(zhǎng)拌和時(shí)間。

鋼，其中切斷型鋼纖維應(yīng)用廣泛，抗拉強(qiáng)度高。以低碳合金為基材，在金屬晶體溫度一下使用冷拔技術(shù)生產(chǎn)出的切斷型鋼纖維，抗拉強(qiáng)度可達(dá)1150-3000MP。廣泛應(yīng)用于工業(yè)地坪（物流、冷庫(kù)、室外、倉(cāng)儲(chǔ)）加固以及開(kāi)裂情況的改善。

以切斷細(xì)鋼絲法、冷軋帶鋼剪切、鋼錠銑削或鋼水快速冷凝法制成長(zhǎng)徑比（纖維長(zhǎng)度與其直徑的比值，當(dāng)纖維截面為非圓形時(shí)，采用換算等效截面圓面積的直徑）為30～100的纖維。因制取方法的不同鋼纖維的性能有很大不同，如冷拔鋼絲拉伸強(qiáng)度為380-3000MPa、冷軋帶鋼剪切法拉伸強(qiáng)度為600-900MPa、鋼錠銑削法為700MPa；鋼水冷凝法雖為380MPa，但是適合生產(chǎn)耐熱纖維。

為增強(qiáng)砂漿或混凝土而加入的、長(zhǎng)度和直徑在一定范圍內(nèi)的細(xì)鋼絲。常用截面為圓形的長(zhǎng)直鋼纖維，其長(zhǎng)度為10～60毫米，直徑為0.2～0.6毫米，長(zhǎng)徑比為30～100。為增加纖維和砂漿或混凝土的界面粘結(jié)，可選用各種異形的鋼纖維，其截面有矩形、鋸齒形、彎月形的；截面尺寸沿長(zhǎng)度而交替變化的；波形的；圓圈狀的；端部放大的或帶彎鉤的等。當(dāng)使用截面非圓

形的鋼纖維時(shí)，可按下式計(jì)算其當(dāng)量直徑（d_e)：

式中a為鋼纖維的實(shí)際截面積。

為使鋼纖維較均勻地分散于砂漿或混凝土中，并增大纖維的長(zhǎng)徑比，可使用由水溶性膠粘結(jié)在一起成集束狀的鋼纖維。鋼纖維可用冷拔鋼絲切斷、薄鋼板剪切、鋼塊或鋼錠銑削以及熔鋼抽紗等方法制造。配制常溫下應(yīng)用的鋼纖維混凝土，可使用低碳鋼纖維；而配制耐火的鋼纖維混凝土，則必須使用不銹鋼纖維。砂漿或混凝土中摻加適量的鋼纖維，可提高其抗拉、抗彎強(qiáng)度，并大幅度地提高其韌性和抗沖擊強(qiáng)度。