纤维增强煤矸石轻骨料混凝土路用性能研究.pdf

2 0 1 5年 第 6期 6月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PR0DUCTS 2 01 5 No 6 J u n e 纤维增强煤矸石轻骨料混凝土路用性能研究 朱 凯 ， 原胜利 ， 马先伟 ( 1 河南城建学院土木工程学院 ， 平顶山4 6 7 0 3 6 ； 2 新乡学院土木工程与建筑学院 ， 4 5 3 0 0 0 ) 摘要 ： 以 煤 矸 石 为 粗 骨 料 ， 掺 入 不 同掺 量 的聚 丙 烯 纤 维 配 制 路 面水 泥 混 凝 土 ， 对 混 凝 土 的路 用 性 能 和微 观 结 构进行 了试验研 究， 分析 了纤维的增强机理。 结果表 明， 聚丙烯纤维可以减 少混凝土 中微 裂缝 的产 生， 抑制连通裂缝 的发展 ， 在一定掺量范 围内能够有效提 高煤矸 石轻骨料 混凝土的抗折 强度和耐磨性 ， 随着掺 量的增加 显著提 高混凝 土的抗渗性和抗冻性 。煤矸石轻 骨料 混凝 土中掺入 聚丙烯 纤维， 可获得 良好的路 用性能。 关键词 ： 聚丙烯纤维； 煤矸石 ； 水 泥混凝 土； 微 观结构 ； 路 用性 能； 试验研 究 Abs t r ac t： Th e r o a d pe rfo r ma nc e a nd mi c r o s t r uc t u r e o f pa v eme n t c on c r e t e wi t h c o a l g a ng ue a g g r e g a t e a nd di f f e r e n t c o n t e n t o f p o l y p r o p y l e n e fi b e r w e r e r e s e a r c h e d a n d t h e e n h a n c e me n t me c h a n i s m o f fi b e wa s a n a l y z e d T le t e s t r e s u l t s s h o w t ha t po l y pr o p y l e n e f i be r c a n r e d ue e t he g e ne r a t i o n o f mi c r o c r a c ks i n c o n c r e t e a nd i n hi bi t t he de v e l o pme n t o f c o n n e c t e d c r a c k s A c e r t a i n d o s a g e o f p o l y p r o p y l e n e fi b e r c a n i mp r o v e t h e fl e x u r a l s t r e n g t h a n d a b r a s i o n r e s i s t a n c e o f c o a l g a ng ue l i g h t we i g ht a g g r e g a t e c o nc r e t e ，a n d t he p e r me a bi l i t y r e s i s t a nc e a nd f r os t r e s i s t a n c e o f c o nc r e t e s i g n i fic a nt l y i mpr o v e wi t h t h e i n c r e a s e o f p o l y p r o p y l e n e fi b e r d o s a g e C o a l g a n g u e l i g h t we i g h t a g g r e g a t e c o n c r e t e mi x e d wi t h p o l y p r o p y l e n e fi b e r c a n o b t a i n g o o d r o a d p e r f o r ma n c e Ke y wor ds ： P o l y p r o p yl e n e f i b er ； Co a l g a n g u e； Ce me n t c o nc r e t e； Mi c r o s t m c t ur e； Ro a d pe rfo r ma nc e； Ex pe r i me n t a l s t u d y 中图分类号 ： T U 5 2 8 5 7 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 - 4 6 3 7 ( 2 0 1 5 ) 0 6 5 8 - 0 4 O前 言 平顶 山市是豫西南地区最大 的能源 型工业城 市 ， 煤炭储量丰富 ， 素有中原煤仓之称。在煤炭开采 过程 中会伴生大量的煤矸石 ， 这些煤矸石 已成为存 量和占用场地最多的固体废弃物 ， 对环境造成 了严 重 的污 染 。用 煤矸 石 作 骨料 来 拌 制混 凝 土 ， 可 以大 量减少天然集料的使用 ， 是合理利用煤矸石 的有效 途径 ， 必将对 当地社会 、 经济 、 环境 的协调发展起到 有力 的促 进作 用 。 水泥混凝土路面在公路 和城市道路 中已得到 广 泛 应 用 ， 但 水 泥混 凝 土 路 面 存 在 脆 性 大 、 易 开 裂 等 缺点 ， 将 纤 维 掺入 混凝 土 ， 可 以起 到阻 裂 、 增 强 和 增韧作用 1 】 。聚丙烯纤维质轻 、 价低 、 强度高 、 耐久性 好 ， 能有效改善混凝土的抗裂 、 抗渗性能圜 。本试验 采用平顶山地区 自燃煤矸石作为粗骨料 ， 掺人不 同 量 的 聚丙 烯纤 维 配制 混 凝 土 ， 进 行 了混凝 土抗 折 强 度 、 抗 渗性 、 抗 冻 性 、 耐磨 性 等 方 面 的研 究 ， 并 进 行 了微观结构分析 ， 探讨了聚丙烯纤维 的增强机理及 对煤 矸石 轻 骨料混 凝 土路用 性能 的影 响 。 1 试 验方 案 1 1 试验 原材 料 基 金 项 目 ： 河 南 城 建 学 院 科 学 研 究 基 金 重 点 项 目 ( 2 0 1 1 J Z D0l 1 ) 。 一 5 8一 煤矸石采用平顶 山地区的自燃煤矸石 ，通过 x 射线衍射分析试验 ，确定其矿物组成主要有石英 、 高岭石 、 方解石 ， 试验结果见图 1 。试验用煤矸石主 要 化 学组成 为 S i O ，试 验测 定煤 矸石 的堆 积密 度 为 1 1 7 9 k g m ， 吸水率为 3 5 。煤矸石经人工破碎 、 掺 配后 ， 其公称粒径范围为 5 - 2 0 m m， 颗粒级配符合相 关要 求 1 o 2 O 3 O 4 U 5 U 6 0 2 0 。 图 1 煤矸石 的 X R D图谱 聚丙烯纤维为南京某公 司产 ， 其主要技术指标 见表 1 。 水泥采用 4 2 5级普通硅酸盐水泥 ， 其各项指标 均 符 合标 准要 求 ，实测 2 8 d抗 压 强 度 为 4 9 5 MP a ， 朱凯 ， 原胜利 ， 马先伟 纤维增强煤矸石轻骨料混凝土路用性能研究 2 8 d抗折强度为 8 7 MP a 。 细骨 料 为 平顶 山本 地 河 砂 ， 细 度 模数 为 2 6 ， 属 中砂 ， 颗粒级配符合要求。 外加剂 采用 聚羧 酸高性能减水剂 ，减 水率为 2 0 。 试验用水为 自来水 。 1 2 试 验用 配 合 比 水 泥用 量 为 3 9 0 k g m ， 用水 量 为 2 1 4 k g m。 ， 砂 用 量为 8 l O k g m ， 煤 矸 石粗 骨 料用 量 为 9 4 8 k g m ， 聚羧 酸减水剂掺量为 1 ，聚丙烯纤维的掺量分别为 0 、 0 4k g m 、 0 8 k g m 、 1 2k g m 、 1 6 k g m 。 以上述 配合 比进行 聚丙烯纤维煤矸 石混凝土 的路用性能试验。 2纤 维增 强机 理 聚丙 烯 纤 维 密 度低 、 柔 性 好 ， 为 了研 究 聚 丙 烯 纤 维在 混 凝 土 中 的增 强作 用 ， 试 验 采 用 扫 描 电 子显 微镜 ( S E M) 对聚丙烯纤维水泥砂浆 的微观结构进行 分析。制作 尺寸为 4 0 m mx 4 O m mx l 6 0 mm 的标准试 件 ， 进行抗 折强度和抗压强度试验 ， 利用扫描 电镜 分析水泥砂浆试件 的断面形 貌和聚丙烯纤维 的表 面 特征 ， 试验 结果 见 图 2 。 f b) 图 2水 泥 砂 浆 的 S EM 图 图 2 ( a ) 为水泥砂浆试件抗压破坏后的形貌 。由 图 2 ( a ) 可 以看出 ， 聚丙烯纤维均 匀分散在砂浆 中 ， 形成一种乱 向分布 的网状结构体系 ， 并且与砂浆有 很好 的黏结性。图 2 ( b ) 为水泥砂浆试件抗折断裂后 的形 貌 ， 由 图 2 ( b ) 可 以 看 出 ， 聚 丙 烯 纤 维 是 被 拉 长 断裂 的 ， 没有拔 出现象 ， 说 明聚丙烯纤维具有较好 的抗拉韧性 ， 且与砂浆之 间的结合 比较紧密 ； 纤维 表面附着有 明显的水化产物 ， 提高了与水泥砂浆之 间的结合力1 1 ， 增加 了拔出纤维所需要的能量。 S E M 图像表明 ， 聚丙烯纤维掺入混凝土后形成 了一种三维乱 向分布的支撑网 ， 使得 混凝土硬化初 期形成 的微裂纹在发展过程 中受到纤维的阻挡 ， 有 效减少 了早期干缩微裂缝及离析裂纹 的产 生和发 展， 抑制了连通裂缝 的出现 ， 提高了混凝土的断裂 韧性 ； 纤维与水泥砂浆之间有着较强的机械 咬合力 和界面黏结力 ， 明显提高 了混凝土 的抗拉强度和抗 折强度 ； 大量纤维均匀分布在混凝土 中 ， 减少 了内 部孔 隙的数量 ， 改善 了孔 隙结构 ， 提高 了混凝土的 抗渗性和抗冻性 。 3混凝 土性 能研 究 3 1 抗 折强度 成型尺寸为 l O O m mx l O O m mx 4 O O m m 的试件 ， 采 用三分点加荷 试验 ， 尺寸换 算系数为 0 8 5 ， 抗折强 度试验结果见图 3 。 聚 丙 烯 纤 维 掺 量 ( k g m ) 图 3 抗折强度试验结果 由 图 3可 见 ， 煤 矸 石 昆 凝 土 的抗折 强 度 随 聚丙 烯纤维掺量的增加呈先增大后下降的趋势。纤维掺 量为 0 4 k g m 的混凝土与不掺纤维的基准混凝土相 比 ， 7 d抗 折 强 度增 加 了 4 8 ， 2 8 d抗 折 强 度 增 加 了 2 1 ； 纤维掺量为 0 8 k g m 的混凝土与基 准混凝土 相 比， 7 d抗折强度增加 了 7 1 ， 2 8 d抗折强度增加 了 1 0 4 ； 纤维掺量为 1 2 k g m 的混凝土 ， 其 2 8 d抗 折强度 比基准混凝土增加了 6 3 ，但 7 d抗折强度 已低于基准混凝土 ； 纤维掺量为 1 6 k g m 的混凝土， 其 7 d 、 2 8 d抗 折 强度 均低 于基 准混 凝土 。 以上试验结果表明 ， 聚丙烯纤维在一定掺量范 围内对煤矸石混凝土 2 8 d抗折强度 的提 高有较明 显的效果 ， 主要原因是纤维与基体之间有着较强的 黏结力 ，在混凝 土断裂时纤维吸收了部分能量 ， 有 效 阻止 了混凝 土裂缝 的产生和发展阁 ， 提高 了混凝 一 5 9 2 0 1 5年第 6期 混凝土与水泥制品 总第 2 3 0期 土的抗折强度 。但聚丙烯纤维掺量超过一定量时 ， 纤维的分散性下降 ， 降低了混凝土的均匀性和密实 性 ， 影 响 了混 凝土 的力 学性 能 。 3 2 抗渗性 抗渗性试验按 J T G E 3 0 -2 0 0 5 公路工程水泥 及水泥混凝土试验规程 中的水泥混凝土抗渗性试 验方法进行 ， 试件采用上 口直径为 1 7 5 m m、 下 口直 径为 1 8 5 m m、 高 1 5 0 m m的圆台体 ， 试件成型后标准 养护 2 8 d再进行试验。试验水压从 0 1 MP a开始 ， 每 隔 8 h增加水压 0 1 MP a ，当 6个试件中有 3个试件 端面出现渗水时 ， 记下此时的水压力 ， 停止试验。混 凝土抗渗等级 以每组 6个试件 中 4个 未出现渗水 时 的最 大水压 力表 示 ， 抗渗 等级计 算公 式 为 ： S = 1 0 H- 1 ( 1 ) 式 中 ： ， 卜 混凝土抗渗等级 ； 日 第三个试件顶 面开始渗水时 的水压力 ， MPa 。 昆 凝土抗渗试验结果列于表 2 。 表 2 抗渗试验结果 由表 2可见 ， 掺聚丙烯纤维混凝土的抗渗等级 高于不掺纤维 的基准混凝土 ， 且随着纤维掺量的增 加 ， 混凝土的抗渗性能提高 。这主要是 由于聚丙烯 纤维大量分散于混凝土 中， 改善了混凝土的孔隙结 构 ， 阻止 了混凝 土表 面的泌水与集料 的离析 ， 有效 抑制 了 昆凝土早期干缩裂缝及离析裂纹的产生和 发展 ， 降低 了混凝 土的孔隙率 ， 减少 了混凝土收缩 裂缝特别是连通裂缝 的产生嘲， 提高 了混凝土的抗 渗能 力 。 3 3 抗冻 性 抗 冻 性 试 验 按 J T G E 3 0 -2 0 0 5中规 定 的 快 冻 法 进 行 ，采 用 尺 寸 为 1 0 0 mmx 1 0 0 ramx 4 0 0 mm 的 棱 柱体试件 ， 在 2 8 d龄期的前 4 d浸泡于( 2 0 2 ) c C 的饱 和石灰水 中， 浸泡 4 d后进行冻融试验 ， 试件中心 的 冻融温度控制在 ( 一 1 8 2 ) c 【 = 和( 5 + 2 ) 。 每隔 2 5次冻 融循环对试件进行一次横向基频的测试并称重 ， 当 冻融至 3 0 0次循环 ， 或质量损失达到 5 ， 或相对动 弹性模量下降至 6 0 以下时停止试验 。 一 6 0一 相对动弹性模量计算公式为 ： 2 1 0 0 ( 2 ) 。o 式 中 ： 经 n次冻融循环后试件的相对动弹性模 量 ， ； 冻融 n次循环后试件的横向基频 ， H z ； 厂 。 试验前试件的横向基频 ， H z 。 质量损失率计算公式为 ： l 0 0 ( 3 ) l l L 0 式 中 ： n次冻融循环后的试件质量损失率， ； m。 冻融试验前 的试件质量 ， k g ； m 次冻融循环后的试件质量 ， k g 。 混凝土抗冻性试验结果见图 4 。 褂 I1 血I】 融 幅 靛 冻融循环次数， 次 ( a ) 质量损失率 冻 融 循 环 次 数 次 ( b ) 相对动弹性模量 图 4 抗冻性试验结果 由图 4 ( a ) 可见 ， 经过 3 0 0次冻融循环后 ， 不掺 聚丙烯纤维的基准混凝土质量损失率为 2 0 ， 掺聚 丙烯纤维混凝土的质量损失率为 1 1 - 1 5 ，而且 随着纤维掺量 的增加 ，混凝土的质量损失逐渐减 朱凯 ， 原胜利 ， 马先伟 纤维增强煤矸石轻骨料混凝土路用性能研究 小 。由图 4 ( b ) 可见 ， 经过 3 0 0次冻融循环后 ， 不掺纤 维 的基准混凝土相对动弹性模量下降 8 5 6 ，掺纤 维混凝土相对 动弹性模量最小 的下降 8 6 9 ，掺纤 维混凝土 的相对动 弹性模 量要大于不掺纤维混凝 土 ， 而且纤维掺量越多 ， 混凝土 的相对 动弹性模 量 越大 。这说明聚丙烯纤维掺入后 ， 煤矸石混凝土的 抗冻能力得到提高。纤维 的掺人有效地抑制了混凝 土 的冻 胀 开 裂 ， 并 且 在混 凝 土 成 型过 程 中 阻碍 了 内 部空气 的溢 出 ， 增加 了混凝 土的含气 量 ， 降低 了结 冰产生的静水压力17 1 ， 提高 了混凝土的抗冻性能 。 3 4耐磨性 根 据 J T G E 3 0 _2 0 0 5 ，采 用 尺 寸 为 1 5 0 m m 1 5 0 mr n x 1 5 0 mm立方体试件 ， 养护到 2 7 d龄期取 出， 擦干表面水分 ，放到空气中 自然干燥 1 2 h ，再放入 ( 6 0 5 ) o c 烘箱 中， 烘 1 2 h至恒重 。刷净表面浮尘后 ， 将试 件放在耐磨试验机的水平转盘上 ，在 2 0 0 N的 负荷下磨 3 0转 ， 取下试件刷净表 面粉尘称重 ， 作为 试件的初始质量 ，然后在 2 0 0 N的负荷下磨 6 0转 ， 取下试件刷净表面粉尘称重 ， 作为试件磨损后 的质 量。混凝土的耐磨性 以试件单位面积 的磨损量来表 示 ， 计算公式为： G 0 = ( 4 ) u 斗 ， 式 中： G _单位面积的磨损量 ， k g m ； m， 试件的初始质量 ， k g ； m ， 试件磨损后的质量 ， k g ； 0 0 1 2 5 试件磨损面积 ， m 。 混凝土耐磨性试验结果见图 5 。 誊 挺 盥 暄 聚丙烯纤维掺量 ( k g m ) 图 5耐 磨 性 试 验 结 果 由图 5可见 ， 掺人聚丙烯纤维后 ， 煤矸 石混凝 土单位 面积的磨损量 明显降低 ， 混凝 土的耐磨性得 到提高。与基准混凝土相 比， 混凝土单位 面积磨损 量在纤维掺量为 0 4 k g m3 , 0 8 k g m 、 1 2 k g m 时分别 降低 了 1 5 O 、 3 9 6 、 2 6 1 ，即使纤维 掺量 达到 1 6 k g m 时 ，混凝土 的单位面积磨损量也低于基准 混凝土。聚丙烯纤维掺入混凝土后 ， 能减少混凝土 表面裂缝 ， 增加混凝土表面 的密实性 ， 提高 了混凝 土 的耐磨 性 能 。在 一定 范 围 内 ， 纤维 掺 量越 多 ， 混 凝 土的耐磨性越好 ， 这与混凝土 2 8 d抗折强度试验结 果 是一致 的 。 4结论 ( 1 ) 在一定掺量范 围内 ， 聚丙烯纤 维可明显提 高煤矸石轻骨料混凝土的 2 8 d抗折强度 ， 纤维掺量 为 0 8 k g m 时 ， 混凝土抗折强度最高。 ( 2 ) 聚丙烯纤维 的掺人 ， 能够有效 改善煤矸石 轻骨料混凝土的抗渗性和抗冻性 。随着纤维掺量的 增加 ， 混凝土的抗渗 、 抗冻能力明显提高。 ( 3 ) 掺入聚丙烯纤维可 以增强煤矸石轻骨料混 凝土的耐磨性能 ，纤维掺量为 O 8 k g m 时混凝土的 耐磨性最好 ，即使掺量达到 1 6 k g m 时的耐磨性也 优于不掺纤维的混凝土 。 ( 4 ) 聚丙烯纤维可有效抑制混凝土早期裂缝的 产生 和发展 ， 减少连通裂缝 的出现 ， 提高煤矸 石轻 骨料 混凝 土 的抗 折强 度 和 耐久 性 ， 获得 更 好 的 路 用 性 能 。 参 考 文献 ： 【 1 程云虹， 王宏伟， 王元 纤维增强混凝 土抗碳化性 能的初步 研究【 J J 建筑材料学报， 2 叭 l 3 ( 6 ) ： 7 9 2 7 9 5 【 2 】 曹双梅， 钟颖川 I ， 张世海 聚丙烯 纤维混凝 土及其在 环形超 长无缝结 构中的应用 J 混凝 土与水 泥制品， 2 0 1 3 ( 7 ) ： 7 7 7 9 【 3 李国忠， 宁超 ， 原海燕， 等 改性 聚丙烯纤维对水 泥砂浆力学 性 能的影 tll J 建筑材料学 报， 2 0 1 0 ， 1 3 ( 2 ) ： 1 3 5 - 1 3 8 4 江朝华 ， 赵 辉， 陈达， 等 玄武岩 纤维及 聚丙 烯纤 维对水 泥 砂 浆性 能影 响 的对 比分析 J 】 硅 酸盐 通报 ， 2 0 0 7 ， 2 6 ( 6 ) ： 1 0 8 4 1 088 5 薛志超， 李林 聚丙 烯纤 维对 路用混凝 土强度 及收缩 性能 的影 响 J 建筑材料学报， 2 0 1 1 ， 1 4 ( 1 ) ： 1 3 2 - 1 3 5 6 吴刚， 李希龙 ， 史丽华， 等 聚丙烯 纤维混凝土抗 渗性能的研 究【 J 】 混凝土， 2 0 1 0 ( 7 ) ： 9 5 9 7 【 7 】 王晨 飞 ， 牛荻涛 聚丙烯纤 维混凝土 的耐久性试验研究 J 混凝 土， 2 0 1 1 ( 1 0 ) ： 8 2 8 4 收 稿 日期 ： 2 0 1 5 0 4 0 3 作者简介 ： 朱凯 ( 1 9 7 7 一 ) ， 男 ， 副教授 、 硕士 。 通讯地址 ： 河南 省平 顶山市新城区 联 系 电话 ： 1 3 7 8 3 2 8 9 7 5 0 E ma i l ： z h k a i 9 61 6 3 c o m 一 61