复合纤维混凝土的力学性能试验研究.pdf

2 0 1 1年第 1 0期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne e r i ng 1 2 7 文章 编 号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 1 ) 1 0 0 1 2 7 0 3 复合纤维混凝土 的力学性能试验研究 张存 亮 ， 弓 锐 ， 张存 明 ( 1 西安科技大学 建筑 与土木工程学院 ， 西安7 1 0 0 5 4 ； 2 西安公路研究 院 ， 西安7 1 0 0 5 4； 3 济宁市东方建设工程监理有 限责任公 司 ， 山东 济 宁2 7 2 0 0 0 ) 摘要 ： 研 究在相 同水 灰 比条件 下 ， 采 用不 同品种 、 不 同形 状 的 纤维 对 混凝 土 的 力 学性 能及 破 坏 形 态的影 响 。结果 表 明 ， 掺入 一 定的钢 纤 维 ， 提 高 了混凝 土 力学性 能 ， 但 力学性 能随钢 纤维形状 的 不 同而异 ， 随掺 量的增加而增大； 加入不同品种的聚丙烯纤维 ， 对混凝土的力学性能有一定的影响， 力学性能随纤维体 积掺量表现 出先增加后降低最后又增加 的规律 ； 选 用钢纤维及聚丙烯进行混合形成复合 纤维， 得 到在 钢一 聚 丙烯 复合条 件 下的 最优体 积 率为 1 ， 在 最优 体 积 率 下 复合 纤 维 混凝 土 性 能 随聚 丙烯 的 相 对掺 量增 大 而提 高。 关键 词 ： 抗 压 强度劈 裂 体 积 率 复合 纤维 中 图分类 号 ： T U 3 7 7 9 4文献 标识 码 ： A 混凝土是现代最重要 的结构材料 ， 具有抗压强度 高 、 刚度 大的特 性 ， 但 抗裂性 、 抗 冲击 性 和 变形 能 力 较 差 。国 内外 的许多 专家 学者将 纤 维定 为增 强混凝 土 性 能的核心材料。纤维增强混凝土是将两种或多种不同 性能 、 不同尺寸 的纤维掺人混凝土基材中， 使其在不同 尺寸和性能层次上相互 补充， 以达到配制高性能混凝 土 的 目的 。 1 纤维混凝土 的增 强机理 1 1纤维 间距 理论 纤维 间距 理论 是根 据线 弹性 断裂 力学 来说 明纤 维 对于裂缝发生和发展 的约束作用。这种理论认 为， 在 混凝土内部存在固有缺陷和裂纹 ， 若想提高强度和韧 度 ， 必须尽可能减小缺陷程度 ， 降低混凝土体内裂缝端 部 的应力集 中。 R O MU A L D 1 等人 对 定 向 纤 维 混 凝 土 试 件 进 行 了 抗弯拉与劈裂试验 ， 进一步提 出纤维混凝土 的强度和 韧性 只 由纤 维 的平 均 间 距 控 制 的观 点 。通 过 试 验 表 明 ， 纤 维混 凝 土 的初 裂 应 力 与 纤 维 间距 的平 方 根 成 反 比， 并 且分 别提 出了在 纤 维 混凝 土纤 维 呈 三 维 乱 向 分 布时纤维平均中心间距 i 的计算公式为 i=1 3 8 d 4 - ； ( 1 ) 沈荣熹提出的计算公式为 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 4 - 3 0； 修 回日期 ： 2 0 1 1 - 0 7 1 6 作者简介 ： 张存亮 ( 1 9 8 3 ) ， 男 ， 山东 济宁人 ， 硕 士研究生 。 i=3 1 1 v c -； s r s ( 一维) ( 2 ) i =3 8 9 V V ； S F S ( 二维) ( 3 ) i=4 8 8 s F s ( 三维) ( 4 ) 式( 1 )式 ( 4 ) 中， d为纤维直 径 ， I ， r 为纤维体 积率 ， S F S为单位体积纤维混凝土中纤维的表面积。 1 2 复 合材 料理 论 对于复合材料 ， 材料复合 的主要 目的是改善材料 的力学性能。复合材料理论出发点是复合材料构成的 混 合原 理 ， 将 纤 维增强 混 凝土看 作 是增强 的复合 材料 ， 假定混凝土基体和纤维处于完全黏结的条件下 ， 并且 在混凝土基体和纤维连续构成的复合体上 ， 柱状纤维 是一维单向配制于基体中的。该复合体的强度是 由纤 维与基体的体积 比和应力所共同决定的。复合材料抗 拉 强度 or ， 为 or r= O r f t I ， ， +o r ( 5 ) 式中 ， or ， 为复合材料抗拉强度 ； o r 为纤维材料的抗拉 强度 ； or 为基体混凝土的抗拉强度； 为纤维体积 ； V m 为基体体积 ； V c 为复合材料体积。 因为 + ， ， = V c=1 ( 6 ) 所 以 or r=or y t +or ( 1一 ) ( 7 ) 混 凝 土基体 与纤 维 充分 黏结 条件 为 。 r c f = ( 8 ) E E f E 、 式 中， E ， E ， ， E 分别为复合材料 、 纤维、 基体混凝土弹 性 模 量 。 1 2 8 铁道建筑 令 ： ： m ( 9 ) m 5 得 ，= o r 1+ ( m 一1 ) ( 1 0 ) 复合材料理论将纤维增强混凝土看作是纤维强化 体系 ， 并应用混合原理来推定纤维混凝土的抗拉 和抗 弯 强度 ， 提 出 了纤维 混 凝土 强度 与纤 维 的掺 人量 、 方 向 以及黏 结力 之 间 的关 系 。 2试验 方法及试验 内容 2 1试 验原 材 料 水泥采用 5 2 5 普通硅 酸盐水泥 ； 碎石要求具备一 定 的强 度 ， 还应 有 较 好 的 耐 磨 性 。聚 丙 烯 纤 维 采 用 大 东和深圳聚丙烯纤维 ， 体积率分别为 0 1 、 0 2 ， 其 物 理特 性见 表 1 。 表 1聚丙烯特征参数 钢纤 维 选 用 上 海 “ 真强 ” 的剪 切 型 钢 纤 维 。形 状 如图 1 所示。特征参数见表 2 。 一 一 ( a ) 压痕型钢 纤维 ( b ) 端钩型钢 纤维 图 1 钢纤维 表 2 钢 纤维特征参数 2 2纤维 混凝 土 的配 合 比及试 件 混凝土配合 比： 水 1 9 3 g ， 水泥 4 5 0 g ， 砂子 7 0 3 g ， 石子 1 0 5 4 g 。本试验参考 钢纤维混凝土试验方法 的规 定 ， 抗压 强 度试 验试 件 为 1 5 0 m m 1 5 0 m m 1 5 0 mm 的立 方 体试 件 ， 每 组 三个 试 件 ； 抗 劈 裂 试 件 为 1 5 0 mm1 5 0 m m 1 5 0 mm， 每组 三个 试件 ； 在 试件 浇筑 2 4 h后 脱模 并 在标 准 养护 室养 护 2 8 d ， 试 验 前 3 h从养 护 室 取 出晾 干 。 3试 验结果及分 析 3 1抗压 强度 本 试 验 中 ， 加 入 不 同类 型 、 不 同 体 积 率 的 纤 维 在 2 8 d的抗 压 强度 见表 3 。 表 3 立方体抗压 强度试验结果 相 同水灰 比条件 下， 体积率分别为 0 8 、 i 0 条件下端钩型钢纤维抗压强度 比普通混凝土强度提高 了 1 8 2 ， 2 4 6 ， 比压痕 型钢纤维强度 分别提 高 了 1 5 6 ， 2 0 1 ， 而压痕型钢纤维强度 比普通混凝土分 别提 高 了 1 0 6 ， 3 7 6 。这 说 明 ， 钢 纤 维 混 凝 土 的 抗压强度与钢纤维的体积掺量及钢纤维 的形状相关。 随着钢纤维体积率的增大， 其抗压强度也增大 ， 且端钩 型钢纤维比压痕型提高的速度更快。 相同水灰 比条件 下， 体积率 为 0 1 ， 0 2 条件 下深 圳 聚 丙 烯 的 抗 压 强 度 比 普 通 混 凝 土 提 高 了 2 9 0 ， 2 2 9 ， 大东聚丙烯 比普通混凝土分别提高了 1 3 4 ， 1 2 1 。而 在体 积率 分别 为 0 1 ， 0 2 时 深圳聚丙烯抗压强度 比大东的抗压强度 分别降低 了 9 2 3 ， 8 7 0 。这说 明 ， 纤 维混 凝 土强 度 与 聚丙烯 的 品种及体积率相关 。聚丙烯混凝土强度 比普通混凝土 强度大， 但随着体积率的增大， 大东聚丙烯混凝土强度 提 高 的速 度更 快 。 相同水灰 比条件下 ， 当钢纤维体积率为 0 8 ， 深 圳 聚 丙烯 体 积 率 分 别 为 0 1 ， 0 2 时 ， 其 2 8 d的抗 压强度比普 通混凝土分别 提高 了 1 3 9 ， 1 4 9 ； 在 深圳聚丙烯 体积率 为 0 1 ， 钢纤 维体积 率为 1 O 时 ， 2 8 d 的 抗 压 强 度 比 普 通 混 凝 土 强 度 提 高 了 3 4 7 。由此说明 ， 复合纤 维混凝土强度并非 随纤维 体积掺量 的增加而无限增大 ， 而是存在最优体积率 ， 此 试验最优体积率为 1 0 。 3 2 劈 裂强 度 由表 4得 ， 当钢纤维体积率为 0 8 和 1 0 时 ， 3 d ， 7 d ， 2 8 d的劈裂抗拉强度最大都发生在纤维体积 率为 1 0 左 右 ， 且 比普 通 混 凝 土 强 度 分 别 提 高 了 4 1 8 ， 4 9 ， 2 1 。这 说 明 ， 试 块 的 劈 裂 抗 拉 强 度 2 0 1 1年第 1 0期 复合纤维混凝土 的力学性 能试验研究 1 2 9 与 纤维 混凝 土 的纤维 掺量 有关 ， 掺 量越 大 ， 强度影 响 越 明显 。 由表 5得 ， 聚丙 烯 纤 维 掺 量 在 0 5 3 6 时 ， 3 d ， 7 d ， 2 8 d的劈 裂 抗 拉 强 度 都 随 掺 量 的增 加 ， 其 强 度 先增 后减 最后 再增 加 。3 d ， 7 d ， 2 8 d的强 度 最 大值 都发生在体积掺量 为 1 O 左右 ， 分别 比普通混凝 土 强度 提 高 了 1 3 5 ， 1 1 9 ， 8 7 5 。这 说 明 ， 聚 丙 烯 纤 维 混凝 土 的劈裂抗 拉 强度 在早 期 的提高更 明显 。 表 4钢 纤 维 混 凝 土 3 d。 7 d， 2 8 d劈 裂 抗 拉 强 度MP a 表 5聚丙烯纤维混凝土 3 d。 7 d ， 2 8 d劈裂抗拉强度 M P a 由表 6得 ， 同水灰 比条件下 ， 当钢纤 维体 积率为 0 8 ， 聚 丙烯 掺 量 为 0 1 0 2 时 ， 3 d ， 7 d ， 2 8 d 的劈裂抗 拉强度分别 提高 了 1 4 9 ， 2 8 2 ， 2 4 ； 当聚丙烯体 积率为 0 2 ， 钢 纤维体积 率为 0 8 1 0 时 ， 3 d ， 7 d ， 2 8 d的劈裂强度分别降低 了 6 8 ， 7 0 5 ， 2 0 。可见 ， 在纤维所 占的体积率 为 1 左 右 ， 劈 裂 强度 最好 ， 随 着 体 积率 的增 加 ， 纤 维 掺 量 的增 加 ， 纤 维 均匀分 散 变得 困难 ， 两种 纤 维 互 相 抑 制 ， 影 响 了在混凝土中的分散 ， 造成混凝土和易性降低 ， 进而影 响纤 维混 凝 土的抗 劈裂 强度 。 表 6复合纤维混凝土 3 d， 7 d， 2 8 d劈裂 强度 MP a 3 3劈 裂破坏 特征 由图 2 ( a ) 可 得 ， 在 普 通 混凝 土破 坏后 ， 裂 缝 迅 速 发展 并 断裂成 两半 ， 在 开裂 过程 中有 劈裂声 ， 并 伴有 掉 块产 生 。 由图 2 ( b ) 裂 口可得 ， 纤 维 是被 拉 断而不 是 被 拔 出 ， 表 明纤维 与混 凝 土 的黏结是 良好 的。 由 图 2 ( e ) 可知， 钢纤维在混凝土中拌合均匀 ， 真正起到骨架的作 用。以上说明， 随着纤维体积率的增大 ， 试块的抗劈裂 破坏 能力 越强 ， 纤 维对 裂缝 的发 展有 极强 的抑 制作 用 。 ( c ) 钢纤维棍凝 土破坏状态 ( d ) 复合纤维混凝土 破坏状态 图 2 纤 维混 凝土劈裂破坏状态 4 结 论 1 ) 纤维 混 凝 土抗 压 强 度 及 抗 劈 裂 强 度 明 显 优 于 普通混凝土。本试验 中端钩型钢纤维的抗压强度优于 压 痕性 钢纤 维 ， 深圳 聚 丙 烯纤 维 混 凝 土 比大 东 聚丙 烯 纤 维 混凝 土稍 差 。 2 ) 随着纤维掺量 的增加 ， 钢纤维混凝土强度呈现 逐 渐递 增 的趋势 ， 聚 丙 烯纤 维 混 凝 土 的强度 先 增 加 而 后 减少 。 3 ) 验证了复合纤维混凝土在最佳体积率 1 条件 下 ， 钢一 聚丙烯纤维混凝土的力学性能优于其它体积 率 的钢一聚丙烯复合纤维混凝土性能。 4 ) 从破 坏 形 态 上 可 以看 出 ， 纤 维 的掺 入 ， 在 一 定 的体积 率下 能够 很好 地 预 防裂 缝 的 出 现 ， 防 止裂 缝 的 扩 大 ， 能够 有效 地预 防病 害 的出现 。 5 ) 只是室 内试 验， 没有考虑实 际施工 的影 响 ， 需 在 以后的现场试验中进一步完善。 参 考 文 献 1 邓宗 才 ， 张鹏飞 ， 薛会青 ， 等 纤维素纤维及混杂纤维混凝 土 的弯 曲韧性 J 北京 工业 大学 学报 ， 2 0 0 8 ( 8 ) ： 8 5 2 8 5 5 2 R O MU A L D I J P ， B A T S O N G B Me c h a n i c s o f C r a c k A r r e s t i n c o n c r e t e M P r o c e e d i n g s A S C E， 1 9 6 3 3 沈荣熹 纤维增 强水泥 与纤维 增强混凝 土 M 北京 ： 化 学 工 业 出 版 社 ， 2 0 0 6 4 弓锐 复合纤维路用 混凝 土 的性 能研 究 D 西安 ： 西安 科 技 大学 建筑 与土木工程学院 ， 2 0 0 8 5 中华 人民共和 国建设部 J G J 5 5 -2 0 0 0 普通 混凝土 配合 比 设计规 程 S 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 0 6 袁 勇 ， 邵晓芸 合 成纤 维增 强混 凝土 的发展 前 景 J 混 凝 土 ， 2 0 0 0 ( 1 2)： 3 7 7 张海辉 复合纤 维混凝 土 的试 验研究 D 石 家庄 ： 河北 工 业大学， 2 0 0 6 ( 责任 审编 白敏华)