广州大学土木工程学院 广东广州 510006
摘要：近年来，我国的工程建设越来越多，对水泥基符合材料的应用也越来越广泛。选取钢纤维和玄武岩纤维进行试验，研究了两种纤维掺量以及硅灰掺量对超高强水泥基复合材料抗压抗折强度、疲劳性能以及体积收缩率的影响。结果表明，纤维和硅灰的加入能有效改善水泥基材料的力学及收缩性能，钢纤维对水泥基材料强度提升较大，但玄武岩纤维表现出与材料更好的相容性，1.5%钢纤维、0.1%玄武岩纤维改善效果最明显，抗折、抗压强度分别提高了12.6%、3.0%和21.2%、2.7%，体积收缩率降低了12.2%、5.4%，且1.5%钢纤维的疲劳寿命是不掺纤维的近4倍，最大跨中挠度曲线呈现明显的阶段性特征；8%硅灰改善效果最大，抗折、抗压强度分别提高了13.3%、10.4%，体积收缩率降低了28.8%[1]。
关键词：超高强；水泥基复合材料；纤维；力学性能
引言
防护工程、地下人防工程、重要公共建筑等不仅要承受自重、楼面活荷载等静力荷载，更需要在地震、撞击甚至爆炸等动态载荷下保证结构安全，这就对建筑材料的动态力学性能提出了很高的要求。冲击、爆炸等高速荷载作用下，不仅会产生高强度的压缩波，还会由于应力波在自由面的反射产生拉伸波，从而导致材料的动态拉伸破坏。
1试验研究
1.1试件制备
为研究应力波在UHTCC中的传播规律，试件长度需要尽可能的长，以获得足够的测量距离；但试件过长会给浇筑过程带来困难，难以保证试件质量。在参考前人试验的基础上，本试验试件尺寸确定为长1000mm、直径76mm的圆柱体。由于试件长细比较大，浇筑模具采用精密机械加工的钢模，比一般采用的PVC塑料管模具刚度大，能够保证试件轴线平直，不发生弯曲，同时钢模方便拆卸且尺寸固定，误差较小[2]。
1.2试验方案
钢纤维的体积掺量为0、0.5%、1.0%、1.5%，玄武岩纤维的体积掺量为0、0.1%、0.2%、0.3%，硅灰掺量（占胶凝材料的质量分数）为0、5%、8%、10%。参照GB/T17671—1999《水泥胶砂强度试验检验方法（ISO法）》和JC/T603—2004《水泥胶砂干缩试验方法》，成型胶砂抗折、抗压强度试件、体积收缩试件以及混凝土三点弯曲疲劳试件。抗折、抗压强度试验的试件尺寸为40mm×40mm×160mm，疲劳试验的试件尺寸为50mm×65mm×380mm，体积收缩试验的试件尺寸为25mm×25mm×280mm，每组各成型3个平行样试块。
1.3准静态抗压强度和劈拉强度测试
为确定材料浇筑质量和后续计算需要，测试了UHTCC材料的准静态抗压强度和抗拉强度。抗压强度测试使用70.7mm立方体试件，采用了与前人相同的试件尺寸，以便对比确定浇筑质量，共测试6个试件，采用200t材料试验机，位移控制加载。劈裂拉伸试验使用150mm立方体试件，共3个试件，试验仪器为25tInstron试验机，位移控制加载[3]。
2试验结果与分析
2.1力学性能
2.1.1抗压强度
当硅灰掺量在0~10%间变化时，超高强水泥基复合材料呈先增后减的趋势，在硅灰掺量为8%时，抗压强度最大，相比于不掺硅灰，抗压强度分别增加10.4%、9.7%、7.1%[4]。
由此可见，单掺硅灰的水泥基材复合料抗压强度提升幅度是最大的，这一方面是由于掺加纤维后本身强度较大导致提升幅度不明显，另一方面也表明纤维的加入在一定程度上影响了水泥基复合材料的致密性，纤维与水泥石之间的界面过渡区对强度的提升产生削弱；掺钢纤维的强度值虽大于掺玄武岩纤维的，但掺玄武岩纤维的提升幅度是大于掺钢纤维的，这表明钢纤维对于强度的提升主要体现在其自身优异的性能，而在与材料相容性这一方面，玄武岩纤维要优于钢纤维。
2.1.2准静态抗压强度和劈拉强度测试
为确定材料浇筑质量和后续计算需要，测试了UHTCC材料的准静态抗压强度和抗拉强度。抗压强度测试使用70.7mm立方体试件，采用了与前人相同的试件尺寸，以便对比确定浇筑质量，共测试6个试件，采用200t材料试验机，位移控制加载。劈裂拉伸试验使用150mm立方体试件，共3个试件，试验仪器为25tInstron试验机，位移控制加载[5]。
2.1.3体积收缩率
96h以内，超高强水泥基复合材料的体积收缩率随时间波动较大，96h以后，收缩率相对平缓，趋于稳定，且收缩率由小到大依次为钢纤维1.5%、玄武岩纤维0.1%、不掺纤维。在168h时，掺加1.5%钢纤维和0.1%玄武岩纤维较之不掺纤维的超高强水泥基复合材料，体积收缩率分别降低了12.2%和5.4%。这是由于纤维的加入能承受水泥基材料发生体积收缩时所产生的应力，从而有效抑制体积收缩，且钢纤维减缩效果优于玄武岩纤维。
2.2UHTCC中的应力波峰值衰减
在0.3、0.4、0.5MPa冲击气压下，各截面峰值随着波的传播呈现较明显的下降趋势，符合黏弹性材料的衰减特性.在0.2MPa下的多次试验显示，波峰呈现出上下波动，没有统一的衰减趋势，可能是由于0.2MPa冲击气压下冲击强度弱，材料尚未进入黏弹性状态，衰减趋势不明显.根据黏弹性材料的应力波峰值呈指数衰减，对0.3、0.4、0.5MPa冲击气压下的峰值进行指数拟合，各组气压下的衰减系数平均值呈现出较小的波动，0.3、0.4、0.5MPa对应的平均衰减系数分别为2.93、2.74、2.66m−1。衰减系数取平均值，为2.777m−1。
结语
综上所述，通过对比几次同等加载条件下入射杆上的入射波形和反射波形，验证本试验装置加载波形的一致性。在波速测试方法中，两点测量法结果较为稳定准确，入射杆波形法只适用于试件波阻抗与入射杆波阻抗量级相似的情况。UHTCC中的应力波波速、峰值衰减系数随冲击气压均没有明显变化，平均波速为3.060km/s，平均峰值衰减系数为2.777m−1[6]。
参考文献：
[1]陈宝春，季韬，黄卿维，等.超高性能混凝土研究综述[J].建筑科学与工程学报，2014，31（3）：1-24.
[2]张秀芳，徐世烺，李贺东.超高韧性水泥基复合材料增强普通混凝土复合梁弯曲性能的理论分析[J].土木工程学报，2010（7）：51-62.
[3]孙文，刘波.钢纤维水泥基复合材料弹性模量和峰值应变的研究[J].混凝土，2016（12）：90-93+101.
[4]饱水轻集料内养护对高性能混凝土收缩的影响[J].李北星，查进，李进辉，高鹤，崔巩，周明凯.武汉理工大学学报.2008（05）
[5]高吸水树脂内养护对水泥基材料性能的影响[J].王文彬，郭飞，李磊，王育江，刘加平.混凝土.2014（10）
[6]工程水泥基复合材料自愈合过程与产物[J].阚黎黎，施惠生，瞿广飞，宁平.同济大学学报（自然科学版）.2011（10）