聚丙烯纤维改善混凝土抗冲磨性能的试验研究.pdf

第30卷 第3期重 庆 建 筑 大 学 学 报Vol. 30 No .3 2008年6月Journal of Chongqing Jianzhu UniversityJ un. 2008 聚 丙 烯 纤 维 改 善 混 凝 土 抗 冲 磨 性 能 的 试 验 研 究 3收稿日期2 2 作者简介 谢祥明(2) ,男,江西信丰人,工程师,主要从事水工施工技术研究。(2) xx 63 谢祥明, 余青山, 胡 磊 (广东水电二局股份有限公司,广州 511340) 摘要:对聚丙稀纤维和聚羧酸超塑化剂等新型材料合掺条件下混凝土的抗冲击性能、 抗冲耐磨性能和抗 裂性能进行了试验研究。研究表明,由于聚羧酸超塑化剂和粉煤灰的高效减水作用,使得该混凝土与硅 粉混凝土相比具有胶材用量少,裂缝显著减少等特点。在聚丙稀纤维的作用下,混凝土抗冲击、 耐磨损 和抗裂等性能得到显著提高。 关键词:水工材料;抗冲耐磨混凝土;试验研究;聚丙稀纤维;聚羧酸超塑化剂 中图分类号:TU560. 25 文献标志码:A 文章编号:100627329 (2008)0320134204 Experimental Research on the Shock and Wearing Resistant Concrete Blended with Polypropylene Fiber XIE Xiang2ming ,YU Qing2shan ,HU lei ( The L td Share Company of the Second Engineering Bureau of Water Conservancy and Hydropower of Guangdong Province , Guangzho u 511340 ,China) Abstract : Theshockandwearingresistancesandanti2crackperformanceofconcreteblendedwith polycarboxylate superplasticizer and polyp ropylene fiber were studied.Results show that , compared with concrete added with silica fume , the high water2reducing effect of polycarboxylate superplasticizer and fly ash reduced the consumptio n of cementitious material and the amount of cracks decreased significantly.Toget her with the action of polypropylene fiber , the shock and wearing resistances and anti2crack performance of concrete enhanced remarkably. Key words :hydraulic materials ; scour and wear resisting co ncrete ; experimental investigation ; polycarboxylate superplasticizer; polypropylene fiber 夹沙石高速水流中推移质的冲击破坏和悬移质的 切削破坏作用,使得大坝溢流表孔、 排沙底孔和泄洪洞 等水工建筑物产生严重破坏,是工程建设必需解决的 技术问题,需进行专题研究。国内外对抗冲耐磨混凝 土的研究已不少 17 ,其大多采用聚丙稀纤维和掺硅 粉等技术措施来提高混凝土抗冲磨,并取得了较好的 效果。但由于硅粉的掺入导致混凝土用水量增加,加 上大多采用了减水率偏低的萘系减水剂,从而导致胶 材用量偏大,混凝土裂缝普遍存在,需花费大量的人力 物力来处理。 南沙水电站工程位于云南红河(元江)干流中游段 元阳县南沙镇境内,多年平均含沙量5. 08 kg/ m 3 ,泥 沙含量为溪洛渡的3倍,二滩的9倍。多年平均悬移 质沙量为4 240万t ,多年平均推移质输沙量为63. 6 万t ,在国内比较罕见。工程海拔低,光照时间很长,夏 季气温极高,抗冲耐磨混凝土需在夏季施工。高气温 条件下硅粉混凝土工作性差,且易产生塑性裂缝,混凝 土施工质量很难保证。为了满足工程需要,开展了聚 羧酸超塑化剂和聚丙稀纤维等新型建筑材料对混凝土 抗冲击耐磨损性能影响的试验研究。通过采用减水率 高的聚羧酸超塑化剂减少胶材用量、 利用粉煤灰替代硅 粉、 外掺聚丙稀纤维等技术配置高抗冲耐磨混凝土。研 究证明,采用上述方法能显著提高混凝土抗冲耐磨性 能,能在该工程中采用,可有效控制混凝土的裂缝。 1 原材料与混凝土配合比设计 1.1 试验原材料 主要原 材料:级粉煤灰,物 理指标见 表1 ; 8 :2007 12 20 :1974E mailie iangming741. com 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m P. O42.5普硅水泥,物理力学指标见表2 ;聚羧酸高效 减水剂,减水率28 %32 %;混凝土专用聚丙稀纤维, 性能指标见表3 ;混凝土用微硅粉,性能指标见表4 ;红 河天然砂石骨料和石灰岩人工粗骨料等。 表1 粉煤灰品质检验 细度/ %需水量比/ %烧失量/ %SO3含量/ % 16. 6981. 151. 03 表2 42. 5普硅水泥物理力学性能 细度 / % 凝结时间/ h :min抗压强度/MPa抗折强度/MPa 初凝终凝3 d28 d3 d28 d 5. 003 :104 :0524. 151. 85. 113. 6 表3 混凝土专用聚丙烯纤维的物理性质 项目参数项目参数 密度/(gcm - 3) 0. 91熔点/165 抗拉强度/ MPa276导电、 导热性极低 弹性模量/ MPa3 793安全性无毒 线密度/ dtex0. 93. 3耐酸碱性极高 燃点/593 表4 混凝土用SF93微硅粉物理性质 烧失量 / % 比表面积 /(m2kg- 1) 需水量比 / % 火山灰活性 / % 1. 018 00012095 1. 2 试验方法与试验配合比 1. 2. 1 试验方法 试验依据 水工混凝土试验规程(DL/ T 51502 2001)、水工建筑物抗冲磨防空蚀混凝土技术规范 (DL/ T 520722005)、 抗冲击强度试验采用ACI委员会 推荐方法。 抗冲击强度试验混凝土试件尺寸为150 mm 64 mm ,标准养护28 d。冲击锤重2 kg ,下落高度h= 900 mm ,冲击锤与试件的中心对齐,采用自由落体下 击。冲击能量计算采用式(1)。 W = nmgh (1) 式中: W 锤击能量,N. m ; n 锤击次数; h 冲击锤下落高度,m ; 冲击锤重量,; 重力加速度,。 抗冲磨试验按 水工混凝土试验规程(DL T 515022001)中风砂枪法和含砂水流冲刷法的技术要求 进行。 风砂枪法成型15 cm15 cm15 cm立方体试 件,标准养护28 d ,抗冲磨强度按式(2)计算。 fa= TcA L()M (2) 式中: fa 抗冲磨强度,即磨损1 cm深度所需小时数, h / cm ; T 平均冲磨历时,h ; c 混凝土密度,g/ cm3; A 试件受冲磨面积,225 cm 2 ; L() 冲磨损失率,g/kg ;分别取L0()或LS (),计算方法见规范第94页; M 平均冲磨砂量,kg ; 含砂水流冲刷法成型外径322 mm ,内径202 mm ,高60 mm的环型试件,标准养护28 d ,抗冲磨强 度按式(3)计算。 fa= TA M (3) 式中: fa 抗冲磨强度,单位面积磨损单位质量所需时 间,h /(gcm - 2) ; M 经T时段冲磨 后,试 件损失的 累计质 量,g ; T 试验累计时间,h ; A 试件受冲磨面积,380 cm 2 。 1.2.2 试验配合比设计 混凝土配合比设计在参考国内相关研究成果 16 的基础上,结合设计要求、 材料特性和气温条件等实际 情况,对试验研究的内容进行优化。重点对强度等级、 聚羧酸高效减水剂、 聚丙稀纤维、 硅粉、 骨料等因素对 混凝土抗冲耐磨性能的影响进行对比研究。经筛选试 验(本文不含此内容),确定了部分材料最优掺量:聚羧 酸高效减水剂掺0.75%、 聚丙稀纤维掺0.9 kg/ m 3 、 硅 粉掺10 %、 粉煤灰掺15 %。抗冲磨混凝土试验配合比 见表5。在表5中,混凝土坍落度35 cm , T1T3 粗骨料为红河卵石, T4T9粗骨料为石灰岩碎石。 T6、T8、T9分别为掺聚丙稀纤维、 纯水泥、 聚丙稀纤维 和硅粉双掺条件下的对比试验。 表5 混凝土试验配合比 编 号 水 灰 比 混凝土单位材料用量/(kgm- 3) 水 水泥 粉煤灰 砂 中石 小石 减水剂 硅粉 纤维 T1 0. 40 105 223397338265511. 840. 9 T3555558 555 T33585366585 65 T5536838 T556683 531第3期 谢祥明,等:聚丙烯纤维改善混凝土抗冲磨性能的试验研究 8 mkg gm/ s 2 / 2 0.1024700202. 100. 9 0. 0 10291942. 40. 9 4 0. 4122421174921. 940. 9 0. 40 12247777 94922. 190. 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 续表5 编 号 水 灰 比 混凝土单位材料用量/kgm - 3) 水 水泥 粉煤灰 砂 中石 小石 减水剂 硅粉 纤维 T6 0. 32 125 332597317244832. 730. 9 T7 0. 25 125 425756397204803. 500. 9 T8 0. 32 125 39107207444962. 73 T9 0.35 125 35707307555032.5035.70.9 2 试验结果与机理分析 2.1 试验结果 表6为不同配合比混凝土抗压强度、 劈拉强度、 抗 折强度和脆性系数试验结果汇总表。 表6 混凝土力学强度试验结果 编号 抗压强度/MPa劈拉强度/MPa抗折强度/ MPa脆性系数 T143. 82. 74. 89. 1 T247. 22. 94. 99. 6 T356. 13. 45. 99. 5 T443. 92. 84. 79. 3 T548. 02. 95. 19. 4 T654. 83. 45. 89. 4 T762. 53. 86. 69. 5 T860. 83. 65. 511. 1 T963.43.96.210.2 由表6可知:聚丙稀纤维能有效提高混凝土抗折 强度和劈拉强度,降低混凝土脆性,提高混凝土韧性。 聚丙稀纤维混凝土T7的抗折强度比纯水泥混凝土 T8高5. 6 %,劈拉强度高20 % ,脆性系数降低16. 8 %。 因此,聚丙稀纤维能有效减少高强混凝土裂缝的产生。 表7为不同配合比混凝土抗冲击强度与抗冲磨强 度试验结果汇总表。图1为冲击破坏试验事物照片。 表7 混凝土抗冲击强度抗冲磨强度试验结果 编 号 抗压 强度/ MPa 抗冲击强度抗冲磨强度 锤击 次数 锤击能量/ (Nm) 风砂枪法/ (hcm- 1) 含砂高速水流法/ (h(gcm- 2)21) T143. 826458. 6218. 5 T247. 235617. 42510 T356. 1671181. 93112. 8 T443. 933582. 1208. 3 T548. 039688. 0239. 5 T654. 8701234. 83012. 0 T65656 63 T86838 6 T63533 (a)编号T6混凝土 (b)编号T8混凝土 (c)编号T9混凝土 图1 不同混凝土冲击破坏对比试验 由表7及图1可知: (1)聚丙稀纤维能显著提高混凝土抗冲击强度。 聚丙稀纤维混凝土C6抗压强度比纯水泥混凝土T8 小6 MPa ,但其抗冲击强度却比T8大5. 8倍。由图1 冲击破坏的图片可以看出:图1(a)为T6混凝土冲击 试验破坏的照片,由于聚丙稀纤维的作用,混凝土抗冲 击达70次,破坏裂缝逐步发展;图1(b)为纯水泥混凝 土T8冲击试验的破坏照片,冲击达到12次后试件断 裂,断口很整齐,混凝土非常脆。混凝土T9虽掺入了 硅粉,但由于聚丙稀纤维的作用,其抗冲击强度比T8 增加2. 08倍。 (2)聚丙稀纤维能显著提高混凝土抗冲磨强度。 与纯水泥混凝土T8相比,聚丙稀纤维混凝土T6的抗 冲磨强度提高了39. 5 %。 (3)采用减水率高达3%的聚羧酸高效减水剂, 可显著减小水泥浆体的体积,在无需采用硅粉条件下 配制出高强卵石混凝土,如T3混凝土,其水泥用量 631重 庆 建 筑 大 学 学 报 第30卷 8 72.114 .112. 2 0.12211. 72. 9. 42441. 021 . 2 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 298 kg ,粉煤灰53 kg ,抗压强度高达56. 1 MPa。水泥 浆体体积的减少不仅可减少混凝土收缩,而且还可提 高混凝土的抗冲磨强度,因为水泥浆体的抗冲磨强度 要比骨料低的多。 (4)掺微硅粉可明显提高混凝土抗冲磨强度,T9 硅粉聚丙稀纤维混凝土抗冲磨强度比纯水泥混凝土 T8提高53. 5 %,比聚丙稀纤维能混凝土T7提高 10. 8 %。 但应注意,硅粉的掺入会加大混凝土的早期收 缩,必须进行严格的保湿养护,否则会产生大量裂缝, 影响混凝土抗冲磨强度。 2. 2 机理分析 2. 2. 1 聚丙烯纤维增强混凝土抗裂和抗冲击性能 聚丙烯纤维以特殊的生产工艺进行表面处理,同 水泥基材料有很强的粘结力,在混凝土内易均匀分布; 同时由于聚丙烯纤维比表面积大,每cm 3 混凝土中有 近20条纤维 8 ,纤维在混凝土内部构成一种均匀的乱 向支撑体系,可以有效阻碍骨料的离析,保证混凝土早 期均匀的渗水性,阻碍沉降裂缝的产生。聚丙烯纤维 的随机分布形式可显著减少混凝土的塑性收缩,使收 缩的能量被分散到纤维上,纤维具有高抗拉强度和低 弹性模量的特点,从而有效地增强混凝土的韧性,抑制 微细裂缝的产生和发展。混凝土受到冲击时聚丙烯纤 维吸收了大量的能量,从而有效减少集中应力的作用, 阻碍了混凝土中裂缝的迅速扩展,增强混凝土的抗冲 击能力。 2. 2. 2 聚丙烯纤维增强混凝土抗冲磨性能 在混凝土中掺入一定量的聚丙烯纤维具有防止或 减少混凝土裂缝、 改善混凝土长期工作性能、 提高变形 能力和耐久性等优点。聚丙烯纤维的掺入能使混凝土 内部互相搭接、 牵连,整体性强,改善了混凝土的脆性, 阻碍了由于冲击或磨损发生的裂缝的发展。同时聚丙 烯纤维也牵制了水泥块的剥落,将纤维从水泥基体剥 离需要消耗一定的能量,从而可以有效地提高混凝土 的抗冲磨能力。 2. 2. 3 硅粉和粉煤灰等细粉料增强混凝土抗冲耐磨 性能 硅粉的主要成分为无定形氧化硅,其颗粒为极细 小的球形微粒,比表面积达20 m 2 / g ,具有很高的活 性。前人试验研究发现:硅粉可显著改善水泥石的孔 隙结构,使大于320A的有害孔显著减少,可使水泥石 中力学性能较弱的Ca(OH)2晶体减少、C2S2H凝胶体 增多。硅粉能改善浆体自身的抗磨性和硬度,大幅度 提高混凝土表面抗冲磨能力;同时还能改善水泥浆与 骨料界面结合强度,从而使粗骨料在受到磨损作用时 难以被冲蚀,从而提高混凝土整体抗冲磨性能。 粉煤灰与水泥水化产物Ca(OH)2进行二次水化, 能有效减少Ca(OH)2晶体含量,尤其能减少骨料界面 Ca(OH)2晶体的富集,从而改善水泥石与骨料的界面 结构,增强水泥石与骨料的界面黏结力,提高混凝土的 各项力学性能。 2.2. 4 聚羧酸超塑化剂配置低胶材高强卵石混凝土 试验采用的聚羧酸高效减水剂的减水率高达 30 %以上,在较小水泥浆体的体积和无需采用硅粉条 件下配制出高强混凝土。混凝土的收缩来源于水泥浆 体,随着浆体体积的增加,混凝土的收缩增加。混凝土 掺入硅粉也将导致收缩量的增加,甚至产生大量裂缝, 这在以往的施工中经常发生。另外,水泥浆体的抗冲 磨强度比骨料小,在同等强度级条件下,水泥浆体的体 积越大,混凝土抗冲磨强度越小,这已经被大量的试验 及工程实践所证明。因此,随着减水率高达30 %以上 的超塑化剂的问世和聚丙烯纤维的推广应用,在无需 应用硅粉的条件下,可配置出抗冲耐磨强度高的水工 混凝土,完全能满足流速在30 m/ s内的抗冲磨技术 要求。 3 结 论 挟带沙石等磨损介质的高速水流对水工泄水、 排 砂建筑物产生强烈的冲击磨损作用,必须采取有效措 施提高混凝土的抗冲耐磨性能。采用聚羧酸超塑化剂 与聚丙稀纤维等新型材料能显著提高混凝土抗冲击耐 磨损性能。 1)掺入聚丙烯纤维改善混凝土抗裂、 抗冲击和抗 冲耐磨性能。聚丙稀纤维掺量为0. 9 kg/ m 3 时,混凝 土抗冲击强度比同强度等级纯水泥混凝土提高5. 8 倍,抗冲耐磨强度提高39. 5 %,脆性系数降低16. 8 %。 这样可显著提高推移质的冲击破坏和悬移质的切削破 坏作用,提高排沙底孔和泄洪洞的抗冲耐磨性能。 2)采用减水率高达30 %以上的聚羧酸高效减水 剂配制低胶材高强卵石混凝土,大幅度减少浆体体积, 在无需掺硅粉的条件下,可使混凝土抗冲耐磨性能显 著提高。 3)通过试验研究,工程可采用T3或T6配合比。 考虑到工程附近碎石来源有问题而有大量合格河卵石 的实际情况,工程实际使用T3配合比,主要参数为: 水胶比为0.3、 采用天然砂石料、 级粉煤灰掺15 %、 聚羧 酸高效减水剂掺0. 75 %、 聚丙稀纤维掺0. 9 kg/ m 3 。 (下转第页) 731第3期 谢祥明,等:聚丙烯纤维改善混凝土抗冲磨性能的试验研究 8 142 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 P. 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