纤维类型对塑性混凝土基本性能的影响.pdf

第 3 4卷第 1期 2 0 1 3年 2月 华北水利水电学院学报 J o u r n a l o f No r t h C h i n a I n s t i t u t e o f W a t e r C o n s e r v a n c y a n d Hy d r o e l e c t r i c P o w e r Vo 1 ． 3 4 No ． 1 Fe b．2 01 3 D OI ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 2— 5 6 3 4 ． 2 0 1 3 ． 0 1 ． 0 0 5 纤维类型对 塑性混凝 土基本性 能的影响 宋帅奇 ，高丹盈 ，杨 林 ( 1 ． 郑州 大学 新型建材与结构研究 中心 ， 河南 郑州 4 5 0 0 0 2 ； 2 ． 河南城建 学院 交通工程 系， 河南 平顶 山 4 6 7 0 3 6 ) 摘要 ： 通过研究聚丙烯纤维 、 聚酯纤维 、 木质素纤 维和玄 武岩纤 维对 塑性混凝 土工作 、 力学 变形 、 抗渗等 性能影 响 ， 发现塑性混凝土掺入纤 维后 ： 拌合物的坍落度 、 扩展度 、 泌水率均有不 同程度 降低 ， 纤维 的长度 、 吸水性 及在混凝土中形成 的网状结构对 塑性混 凝土工作 性能 影响显 著； 抗 压 、 劈 拉和抗 折强度 均有不 同程度 降 低 ， 纤维 的填充作用超越了纤维与混凝 土的黏 结作用和纤 维的吸水 作用 ； 变形性能 明显 改善 ， 以聚丙烯纤 维改善最为明显 ； 相对渗透系数均有所 降低 ， 按 降低 作用 由小 到大依次 为 ： 木 质素纤维 、 聚酯纤维 、 聚丙烯 纤维和玄武岩纤维 ， 纤维能在一定程度上阻止 塑性混凝土 内的原始裂缝 ， 降低裂缝贯通的可能性 ． 关键词 ： 塑性混凝土 ； 纤维 ； 工作性能 ； 力学性 能 ； 抗渗性能 中图分类号 ： T V 4 3 1 ． 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2— 5 6 3 4 ( 2 0 1 3 ) O l 一 0 0 2 0— 0 4 塑性混凝土是 以膨润土 、 黏土等掺合材料取代 普 通混凝 土 中的部 分 水 泥配 制 而 成 的柔 性材 料 ， 通 常被用作防渗墙材料 ， 广泛应用于大坝 围堰工程 、 大 坝 除 险加 固工 程 及 结 构 基 础 工 程 ． 近 年 来 ， 塑性 混 凝 土在我 国 的三 峡大坝 围堰 、 小浪底 上游 围堰 、 丹 江 口水 库副 坝等水 利 工 程 中广 泛 应 用． 我 国对 塑 性 混 凝 土 的研究 始 于 2 0世 纪 8 0年代 ， 中 国水 利 水 电 基础 工程局 、 长江 水 利研 究 院 、 清 华 大学 、 郑 州 大 学 等 单 位 对 此 开 展 了 塑 性 混 凝 土 课 题 的 试 验 研 究 ． 塑 性混凝 土 具 有 强度 低 、 弹性 模 量 低 、 极 限 变形大 、 弹性模量与强度的比值小 、 渗透系数合适并 可控等特点， 是较为理想的防渗材料． 然而， 针对塑 性混 凝土 的研究 大 多侧 重 于 工程 实 际 应用 ， 缺 乏基 础理 论研究 。 。 ⋯． 纤维作 为一 种集增 强 、 增 韧 、 阻裂 等功 能 于一体 的材料 已在普 通混凝 土 中得 以广 泛应 用并 取得 良好 效果 ， 并 演 化 出纤 维 混凝 土 这 一 分支 学科 领域 ． 能 否将纤 维 应 用 到塑 性 混凝 土 中 以进 一 步 改善其 性能 成为 了笔 者关 注 的焦 点． 笔 者 较 为 详 细地研 究 了纤 维类 型 对 塑性 混 凝 土性 能 的影 响 ， 以 期 对 纤 维 混 凝 土 和 塑 性 混 凝 土 的 应 用 起 到 推 动作 用． 1 试验概况 水 泥采用 4 2 ． 5普 通硅 酸盐水 泥 ， 由河 南省 卫辉 市天瑞 水泥 有限公 司生 产 ； 黏 土采 用 三 门峡 灵 宝窄 口水库库区粉质黏土( 磨细至 2 0 0目粉状) ； 膨润土 采用信 阳平桥生产的 c a 一基一级膨润土； 粗骨料采 用粒径 为 5～ 2 0 m m 的碎石 ； 细 骨 料采 用 河砂 ， 细 度 模数 2 ． 6 ， 级配 曲线 位 于 Ⅱ区 ， 属 中砂 ； 纤 维 采 用 聚 丙烯 纤维 、 聚酯纤 维 、 玄 武岩纤 维和 木质素 纤维 4种 类型． 参照课题组前期 的试验结果 ’ ， 以及为 确 定用水 量而 提 前进 行 的纸 杯 试 验结 果 ’ ， 确 定 了表 1 所 示 的 5个 塑性混 凝 土配 合 比． 其 中， B M 组 为基准组 ， 不掺 纤维 ； F I — F 4组 为 对 比组 ， 分别 对应 聚丙烯纤 维 、 聚酯 纤 维 、 木质 素 纤 维 和玄 武 岩纤 维 ， 纤 维掺量 均 为 0 ． 6 k g ／ m ； 龄期 2 8 d ． 塑性 混凝 土采 用机械 拌和 ， 人工或 振动 台振捣 ， 试模成 型 ， 静 置 4 8 h后 拆模 ， 并 移 至标 准 养 护 室养 护至 目标 龄 期 ． 工 作 性 能 及 基 本 力 学 性 能 均 参 照 《 水工混凝土试验规程》 ( D L ／ T 5 1 5 0 —2 0 0 1 ) 进行相 关试验． 立方体抗压强度和劈拉强度均采用边长为 1 0 0 m m和 1 5 0 m m 的两种 立方 体 试块 ， 抗 折 强度 试 收 稿 15 t 期 ： 2 0 1 2—1 0—3 O 基金项 目： 国家 自然科 学基 金项 目( 5 0 9 7 9 1 0 0 ) ； 国家重点基础研究发展计 划( 2 0 1 0 C B 6 3 5 1 1 8 ) ． 作者简介 ： 宋帅奇 ( 1 9 8 1 一 ) ， 男 ， 河南 叶县人 ， 讲师 ， 博士研究生 ， 主要从事新型复合材料及其 结构性能方面 的研究． 高丹盈 ( 1 9 6 2 一 ) ， 男 ， 河南 三门峡人 ， 教授 ， 博导 ， 博士 ， 主要 从事新 型复合材料结构理论及其应用方面的研究 第 3 4卷第 1 期 宋帅奇 ， 等： 纤维类型对塑性混凝土基本性能的影响 2 1 块 尺寸 为 1 0 0 m m1 0 0 m m 4 0 0 mm ． 表 1 配 合 比 配 比 编号 BM F1 F 2 F 3 17 4 水胶 比 O． 8 O． 8 0． 8 O． 8 0． 8 材料用量／ ( k g ／ m ) 水 水 泥 2 96 l 2 0 29 6 1 2 0 2 96 1 2 0 2 96 1 2 0 2 96 1 2 O 黏土膨润土纤维 砂 71 8 718 71 8 7l 8 71 8 石 71 8 71 8 71 8 71 8 71 8 l 8 0 7 0 O． O 1 8 0 7O O． 6 l 8 0 70 0． 6 1 8 O 7 0 O． 6 1 8 O 7O 0． 6 2 结果与分析 2 ． 1 纤维类 型对 拌合 物工作 性 能的影 响 2 ． 1 ． 1 拌合物工作性能测试结果 参考 《 水 工混 凝土试 验规 程》( D L ／ T 5 1 5 0 — 2 0 0 1 ) 采用坍落度 、 扩展度 、 黏聚性和保水性来评定 塑 性混凝 土 拌和物 的工 作性 能． 试 验结 果见 表 2 ． 表 2拌合物工作性能测试结果 配合 比编号 B M F 1 17 2 F 3 F 4 坍 落度／ ra m 1 7 5 1 0 0 1 5 0 1 7 0 1 4 5 扩展度／ ra m 3 0 5 2 6 0 2 8 0 3 1 5 2 9 0 泌水率／ ％ 5 ． 8 5 ． 1 0 ． 7 1 ． 0 5 ． 7 黏聚性和保水性 良好 良好 良好 良好 良好 2 ． 1 ． 2 结 果 分析 塑性混凝土拌合物坍落度 、 扩展度及泌水率与 纤 维类 型之 间 的关 系如 图 1 —2所 示． 吕 艇 密 3 50 3 0 O ； I ，厂 I ．厂 厂 ．厂 ．厂 BM Fl F2 F3 F4 配合比编号 图 1 纤维类型对坍落度和扩展度的影响 BM F1 F 2 F3 F 4 配合 比编号 图 2纤 维类 型对 泌水 率的影响 相对不掺纤维组而言 ， 掺纤维组的坍落度 、 扩展 度及泌水率呈整体下 降趋势 ， 纤维对拌合物工作性 能的影响显著 ， 且不 同类型的纤维素影响程度不同． 坍落度和扩展度方面 ， 聚丙烯纤维组降幅最大 ， 分别 下降 7 5 ％和 1 4 ． 8 ％ ， 木质素纤维组降幅最小 ， 分别 降 2 ． 9 ％和 一3 ． 3 ％； 泌水率方面 ， 聚酯纤维组 降幅 最大 ， 玄武岩纤维组 的降幅最小． 可见纤维掺人可以 改善拌合物的保水性、 流动性和黏聚性． 2 ． 1 ． 3 机 理探 讨 掺加纤维后 ， 塑性混凝土拌合物的坍落度 、 扩展 度和泌水率降低的原 因是 ： 纤维在拌合物 中乱向分 布 ， 呈 网状结 构 ， 增 大 了拌合 物 内部 摩 阻力和剪 切 阻 力 ， 降低 了拌合物的流动性 ； 纤维表面和内部还可吸 附一定量的水分 ， 使得拌合物浆体 中的 自由水分减 少． 纤维对塑性混凝土拌合物坍落度、 扩展度和泌水 率 影 响的差异 主要 由纤 维 的 长度 和吸 水性 决 定 ． 在 一 定范围内， 纤维 的长度越大 ， 拉结 、 黏结作用越明 显 ， 拌合物的稠度和黏聚性会明显增加． 本次试验中 聚丙烯纤维的长度 ( 1 9 m m) 远大于其他 3种纤维 ， 故其坍落度和扩展度 降幅最大， 木质素纤维长度最 小 ( 小于 6 m m) ， 故其坍落度和扩展度降幅最小 ； 聚 酯 纤维 的长 度 比玄武 岩 纤 维 稍小 ， 但前 者 吸 水 性较 大 ，聚酯纤维组坍落度和扩展度降幅大于玄武岩纤 维组． 纤维对塑性混凝土拌合物泌水率 的改善主要 源 自纤维吸收了部分水分 ， 增大了拌合物的黏聚性 与保水性 ， 阻碍了骨料下沉与浆体上浮． 2 ． 2 纤 维类 型对 塑性 混凝土 基本 力学 性能 的影 响 2 ． 2 ． 1 测 试结 果 参照《 水 工 混 凝 土试 验 规 程》( D L ／ T 5 1 5 0 — 2 0 1 0 ) 进行抗压强度 、 劈拉强度和抗折强度试验 ， 但 由于塑性 混凝 土强 度较低 ， 加 载速度 稍慢 ． 抗压 加载 速率为 0 ． 1 0 MP a ／ s ； 劈拉加载速率定为 0 ． 0 2 M P a ／ s ； 抗折加载速率为 1 0 N ／ s的连续 、 均匀加荷． 通过试 验 可得 力 学 性 能 测试 结 果 见 表 3 ， 力 学 性 能 与纤 维 类 型关 系如 图 3所 示． 表 3基本 力学性能测试结果 2 ． 2 ． 2 结果 分析 相对不掺纤维组， 掺纤维组的塑性混凝 土抗压 强度 、 劈拉强度和抗折强度均有不同程度的下降， 木 7 6 5 4 3 2● O 瓣*璃 第 3 4卷第 1期 宋 帅奇 ， 等 ： 纤 维类 型对 塑性 混凝 土基本性能的影响 2 3 性混凝土后呈乱向分布 ， 阻碍 了骨料下沉与浆体上 浮 ， 减少 了干缩 、 骨 料 下 沉 造成 的原 始 裂 缝 ， 降 低 裂 缝贯 通 的概率 ， 阻 断或改 变 内部 的毛细 孔通道 ， 增 加 了 塑性混 凝土 的整 体均匀 性 ； 此外 ， 纤维 的 网状拉 结 作用能阻止黏土颗粒在渗水压力下 的迁移 ， 从而提 高塑性混凝土的抗渗能力． 3 结 语 1 ) 掺入纤维后 ， 拌合物 的坍落度 、 扩展度 、 泌水 率均有不同程度降低 ， 纤维长度和吸水率对其影响 较 大． 2 ) 掺入纤 维后 ， 抗压强度 、 劈拉强度和抗 折强 度均有不同程度降低 ， 聚酯纤维降幅最小 ， 聚丙烯 、 玄武 岩纤 维次 之 ， 木 质素 纤维 降 幅最 为 明显 ， 原 因在 于纤 维 的填充 作用 大于 黏结作 用 和吸水 作用 ． 3 ) 掺 人 纤 维 后 ， 塑 性 混 凝 土 变 形 性 能 明 显 改 善 ， 以聚丙烯纤维改善最为明显． 4 ) 纤 维 能 在 一 定 程 度 上 阻 止 塑 性 混 凝 土 内 部 原始裂缝并提高材料分布均匀性． 掺入纤维后 ， 塑性 混凝土相对渗透系数均有所 降低 ， 按 降幅由小到大 依次 为 ： 木 质素 纤 维 、 聚 酯纤 维 、 聚丙 烯 纤 维 和 玄 武 岩纤 维． 参 考 文 献 [ 1 ]李青云 ， 张建红 ， 包 承 刚． 风 化花 岗岩 开挖 弃料 配制 三 峡 二期 围堰 防渗 墙材料 [ J ] ． 水 利学 报 ， 2 0 0 4 ， 3 5 ( 1 1 ) ： 1 1 4 — 1 1 8． [ 2 ]宋 帅奇 ． 塑性 混凝 土单 向受压 应力 应变 关系 的试验 研 究 [ D] ． 郑州 ： 郑州大学 ， 2 0 0 8 ． [ 3 ]严 克兵 ． 塑性混凝土基本性能 的试验研究 [ D] ． 郑州 ： 郑 州 大学 ， 2 0 0 8 ． [ 4 ]张鹏 ． 塑性混凝土材料性能研究及其应用 [ D] ． 郑州 ： 郑 州 大学 ， 2 0 0 5 ． [ 5 ]李 清富 ， 张鹏 ． 塑 性混 凝土强 度试验 研究 [ J ] ． 混 凝 土， 2 0 0 6( 5 )： 7 5—7 9 ． [ 6 ]李 文林 ． 塑 性混凝 土 防渗墙技 术综述 [ J ] ． 水 利水 电工 程设计 ， 1 9 9 5 ， 1 4 ( 3 ) ： 5 4— 5 9 ． [ 7 ]程瑶 ， 张美霞． 塑性混凝 土配合 比试验研 究及应用 [ J ] ． 长 江科 学院院报 ， 2 0 0 2 ， 1 9 ( 5 ) ： 6 2— 6 4 ． [ 8 ]王 四巍 ． 单轴和 三轴应力下 塑性混凝 土性 能研究 [ D] ． 郑州 ： 郑州大学 ， 2 0 1 0 ． [ 9 ]胡 良明． 塑 性 混 凝 土 受压 本 构 关 系 模 型与 破 坏 准 则 [ D ] ． 郑州 ： 郑州大学 ， 2 0 1 2 ． [ 1 0 ]宋帅奇 ， 高丹盈 ， 胡 良明 ， 等 ． 塑性混 凝 土强度 和尺 寸 效应的 试 验 研 究 [ J ] ． 水 利 水 电科 技 进 展 ， 2 0 1 0 ， 3 3 ( 3 )： 3 2—3 6 ． [ 1 1 ]宋帅奇 ， 高 丹盈 ， 严 克 兵 ， 等 ． 胶 凝材 料对 塑性 混凝 土 轴心抗压强度的影响[ J ] ． 混凝土 ， 2 0 1 0 ( 6 ) ： 8 6—8 8 ． Ef f e c t s o f Fi be r Ty p e s o n t h e Ba s i c Pe r f o r man c e o f Pl as t i c Co nc r e t e SONG S h u a i ． q i ’ 一 ，GAO Da n — y i n g ，YANG Li n ( 1 ． Re s e a r c h C e n t e r o f Ne w S t y l e B u i l d i n g Ma t e r i a l ＆ S t r u c t u r e ，Z h e n g z h o u U n i v e r s i t y ，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 2，C h i n a ； 2 ． D e p a r t m e n t o f T r a f f i c E n g i n e e r i n g ， He n a n U n i v e r s i t y o f U r b a n C o n s t r u c t i o n ， P i n g d i n g s h a n 4 6 7 0 3 6 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：Ba s e d o n t he r e s e a r c h o f t h e e ffe c t s o f po l y p r o p y l e ne fib e r s，po l y e s t e r f i b e r s，l i g n i n fi be r s a n d b a s a l t f i be r o n t he wo r k i n g pe r f o r ma n c e，me c ha n i c a l d e f o r ma t i o n p r o pe r t i e s a nd i mp e r me a b i l i t y o f t he pl a s t i c c o n c r e t e ，s o me f in d i n g s we r e f o un d a fte r t h e i n c o r p o — r a t i o n o f t he f i b e r ．Sl u mp，e xt e n de d d e g r e e s a nd b l e e d i ng r a t e o f t he mi x t u r e we r e r e d u c e d t o v a r y i n g de g r e e s ．The wo r k i n g pe r f o r m— a n c e o f pl a s t i c c o n c r e t e wa s o b vi o u s l y i n flue n c e d b y t he l e ng t h，wa t e r a b s o r pt i o n a n d t h e r e t i c u l a r s t r u c t u r e f o r me d i n c o n c r e t e o f t h e f i — be r ．Th e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h，s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n g t h a n d f l e x u r a l s t r e ng t h de c r e a s e d t o v a r y i n g d e g r e e s ．The r e a s on wa s t h a t t h e f i — be r fil l e d e f f e c t wa s b e y o n d t h e fib e r a n d c o nc r e t e b o n di n g e f f e c t a s we l l a s t he f i be r a bs o r p t i o n e ffe c t ．The d e f o r ma t i o n p e r f o r ma n c e o f p l a s t i c c o n c r e t e wa s i mp r o v e d s i g n i fic a n t l y；t h e mo s t o b v i o us i mp r o v e me nt wa s t h e p o l y p r o py l e n e fibe r ．Afte r fibe r i nc o r po r a t i o n，t h e r e l a t i v e p e r me a bi l i t y c o e ffi c i e nt s o f p l a s t i c c o nc r e t e we r e l o we r ． Ba s a l t f i be r，po l y p r o p yl e n e f i b e r s，p o l y e s t e r f i be r s a nd l i g n i n f i be r s we r e a r r a ng e d i n de s c e n d i n g o r de r a c c o r d i n g t o t h e i r r o l e s o f r e du c t i o n．Th e r e a s o n wa s t he fibe r c o u l d p a r t l y p r e v e n t s o me i n i t i a l c r a c k s a n d r e d u c e t h e po s s i b i l i t y o f t h e f r a c t ur e c o a l e s c e n c e． Ke y wo r d s：p l a s t i c c o n c r e t e；f i be r ；wo r ki n g pe r f o r ma n c e；me c h a n i c a l p r o pe r t i e s；i mp e r me a b i l i t y ( 责任编辑 ： 蔡洪涛 )