摘 要:研究了聚酯纤维和碳纤维磷铝酸盐水泥(以下简称PALC)混凝土的力学性能。结果表明，在90d龄期时,聚酯纤维和碳纤维磷铝酸盐水泥混凝土的抗压强度分别达到了59.5MPa、53.7MPa，比同龄期素混凝土试样的45.7MPa分别提高了30.6 ％ 和17.5 ％；而劈拉强度分别达到了5.85MPa和5.02MPa，比同龄期素混凝土试样的4.15MPa分别提高了41 ％ 和21 ％，聚酯纤维混凝土的劈拉强度、抗压强度都明显高于碳纤维混凝土，而且碳纤维和聚酯纤维对磷铝酸盐水泥混凝土均有明显的约束其裂缝扩展的能力，表现为在28d龄期时，碳纤维混凝土的断裂能达到了110.8KJ，比基准混凝土的90.8KJ提高了22 ％，而聚酯纤维混凝土的断裂能则达到了140.5KJ，比基准混凝土提高了54.7 ％。
关键词:磷铝酸盐水泥；纤维；抗压强度；劈拉强度；断裂能
0 前言
水泥混凝土是当代广泛应用的最大宗人造建筑材料,它具有价格便宜、原料易得、性能优良、制备简单等优点，但是自身也存在着一些缺陷，如混凝土的自重大、脆性大、抗拉强度低、断裂能低等弱点限制了它的应用[1-2]。纤维增强混凝土是混凝土改性的一个重要手段，它可使混凝土的抗拉强度、变形能力、耐动荷能力大大提高[3]。在混凝土中掺入微纤维能改善混凝土的脆性破坏特征，减少混凝土的收缩裂缝，提高混凝土的韧性，抗冲耐磨性，还能提高混凝土的抗渗、抗冻等特征。碳纤维和聚酯纤维都是新型高强纤维材料，由于碳纤维价格的不断降低，碳纤维水泥基材料日益得到广泛运用,碳纤维[4]具有较高的抗拉强度和弹性模量，能显著提高水泥基复合材料的抗拉强度、抗弯强度和断裂韧性。聚酯纤维除具有普通聚合物纤维细度大、强度高、易分散的特点，还具有突出的耐高温性能，可广泛应用于高强混凝土的增强防裂，是理想的多功能增强材料。
磷铝酸盐水泥是一种新型特种水泥[5-6]，具有早强、高强以及长期强度稳定增长的优点，还具有良好的抗硫酸盐侵蚀和抗冻融性[7]，而且对掺入玻璃纤维的磷铝酸盐水泥砂浆的力学性能进行了初步研究[8]，取得了较好的试验效果。由于磷铝酸盐水泥本身具有良好的性能，可以预测掺入纤维的磷铝酸盐水泥混凝土应有优良的力学性能，而且有关这方面的研究未曾见报道，因此，本文对碳纤维和聚酯纤维磷铝酸盐水泥混凝土的力学性能进行了研究。
1 试验
1.1 原材料
水泥采用山东淄博云鹤水泥厂生产的强度等级为52.5的磷铝酸盐水泥；细集料为中砂；粗集料选用5-20 mm的连续级配碎石；外加剂选用聚羧酸系高效减水剂；纤维选用了北京宇航通泰应用技术研究所生产的6 mm短切碳纤维和宁波大成新材料股份有限公司生产的聚酯纤维，其性能指标见表1。
表1 碳纤维和聚酯纤维的性能
1.2 混凝土试件的制备
选取基准磷铝酸盐水泥混凝土的28d抗压强度约为40MPa，纤维的体积分数均为0.21%，所有试件的原材料保持相同，配合比见表2。试件尺寸均为100mm×100mm×100mm，龄期为1d，3d，28d，90d。
表2 混凝土的配合比
2结果与讨论
2.1 抗压与劈拉强度
图1和图2示出基准磷铝酸盐水泥混凝土和纤维混凝土的抗压强度和劈拉强度随养护龄期的变化
规律。从图中可以看出，在90d龄期时,聚酯纤维试样C2和碳纤维试样C1的抗压强度分别达到了59.5MPa、53.7MPa，比同龄期不掺纤维的PALC C0试样的45.7MPa分别提高了30.6％和17.5％；试样C2和C1的劈拉强度分别为5.85MPa和5.02MPa，比同龄期C0试样的4.15MPa分别提高了41％和21％。纤维混凝土的抗压强度和劈拉强度较基准混凝土都有较好程度的提高，但不同种类的纤维对强度的效果不同，研究中，聚酯纤维的作用明显高于碳纤维。
拉压比是反映混凝土脆性的一个指标，由图3可见，纤维混凝土的拉压比均比基准混凝土高，尤其在较长龄期时，而且，聚酯纤维混凝土的拉压比均高于碳纤维混凝土，这说明聚酯纤维对PALC混凝土的脆性改善作用较大。
碳纤维和聚酯纤维均为超细纤维，当将其掺入到混凝土中时，它们能桥接裂缝，但碳纤维对磷铝酸盐水泥混凝土裂缝扩展的约束能力是有限的，表现在碳纤维对混凝土强度和韧性的改善作用明显低于聚酯纤维。当聚酯纤维加入到磷铝酸盐水泥混凝土中时，纤维与周围基体、纤维与纤维之间存在着复杂的相互作用，聚酯纤维会显著的影响混凝土的韧性和破坏过程，即具有改性、加筋和桥联作用，显著的提高混凝土的抗压能力和抗裂能力，延缓疲劳寿命。
图1 -3抗压强度随养护龄期的变化
2.2 断裂能
图4为混凝土试样28d龄期时的应力－应变曲线. 由图4 (a) 可见，基准混凝土试样在达到应变最大峰值后，曲线骤然下跌，表现出很大的脆性，而(b)图的碳纤维试样和(c)图的聚酯纤维试样，下降段较平缓，相对来说有较好的延性。对图4中三条曲线分别进行拟和，我们可以得到这三个试样的断裂能，其结果见图5。从图5可见，纤维混凝土的断裂能均比基准混凝土的有所增加，其中碳纤维混凝土的断裂能为110.8KJ，比基准混凝土的90.8KJ提高了22％，而聚酯纤维混凝土的断裂能140.5KJ则比基准混凝土提高了54.7％，聚酯纤维混凝土的断裂能明显高于碳纤维混凝土的断裂能。
断裂能是材料形成单位面积裂缝所需消耗的能量，当混凝土中微小裂缝受荷载作用时，会发生裂缝扩展，而纤维能跨接裂缝两端，起桥接作用，从而缓解裂缝尖端的应力集中，增加裂缝的扩展阻力，提高混凝土的断裂能。然而，不同种类的纤维的阻裂机制又有所不同，而且碳纤维较聚酯纤维难分散，所以超细碳纤维抑制混凝土的较大裂缝扩展作用明显低于聚酯纤维。因而，碳纤维混凝土的断裂能较小，聚酯纤维混凝土的断裂能较大。
3 结论
1. 磷铝酸盐纤维混凝土的抗压强度和劈拉强度较磷铝酸盐素混凝土高，其中聚酯纤维的增强效果明显优于碳纤维。在90d龄期时,聚酯纤维和碳纤维磷铝酸盐水泥混凝土的抗压强度分别达到了59.5MPa和53.7MPa，比同龄期素混凝土试样的45.7MPa分别提高了30.6％和17.5％；而劈拉强度分别达到了5.85MPa和5.02MPa，比同龄期素混凝土试样的4.15MPa分别提高了41％和21％。
2. 碳纤维和聚酯纤维对磷铝酸盐水泥混凝土均有明显的约束其裂缝扩展的能力，表现为碳纤维混凝土的断裂能比基准混凝土的90.8KJ提高了22％，而聚酯纤维混凝土的断裂能则提高了54.7％。
参考文献
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