钢—聚丙烯腈纤维混凝土低温性能研究.pdf

6 低温建筑技术 2 0 1 1年第 9期( 总第 1 5 9期 ) 钢一聚丙烯腈纤维混凝土低温性能研究 吴文伟， 董雪花， 姜曼骁， 杨菲菲 ( 南京理工大学 土木工程系 。 南京2 1 0 0 9 4) 【 摘要】 采用试验的方法， 研究了低温环境下素混凝土、 聚丙烯腈纤维混凝土和钢纤维一聚丙烯腈纤维混 凝土的抗压、 抗弯以及断裂能量等力学性能， 还研究了不同掺量的钢纤维一聚丙烯腈纤维混凝 土的力学性能 ， 找 出了比较优化的纤维掺量。为工程材料的使用提供了一些有价值的参考。 【 关键词】 钢纤维； 聚丙烯腈纤维； 低温； 力学性能； 试验研究 【 中图分类号】 T U 5 2 8 5 7 2 【 文献标识码】 B 【 文章编号l 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 1 ) 0 9 0 0 0 6 0 2 为了降低 昆 凝土材料在路用时的脆性， 提高混凝土的 韧性， 可以采用在普通混凝土材料中掺入短纤维制成复合 材料的方法。一般而言 ， 低弹性模量纤维增强效果较差， 但 增韧效果较好 ； 高弹性模量纤维的增强、 增韧效果较好” 】 。 目前关于这两种纤维在混凝土中混合使用的报道还不是很 多， 所以开展这方面的试验研究显得十分有意义 J 。 本文通过一系列的力学性能对 比试验， 研究 了素混凝 土、 聚丙烯腈纤维混凝土和钢纤维一聚丙烯腈纤维混凝土 在低温下的力学性能及不同含量的钢纤维一聚丙烯腈纤维 的混合应用对混凝土的抗压 、 抗弯力学性能的影响。 1 试验的具体内容 1 1 试验方案 方案一 ： 进行 素混凝土， 聚丙烯腈纤维混凝土， 钢纤 维一聚丙烯腈纤维混凝土的力学性能的对 比试验， 其中聚 丙烯腈混凝土中的纤维含量为 1 0 ， 钢纤维一聚丙烯腈纤 维混凝土中的钢纤维和聚丙烯腈纤维掺量均为 1 0 。试 件是在 O C下经过 1 4 d养护后测试的。 方案二： 进行不同掺量的钢纤维一聚丙烯腈纤维混凝 土的力学性能的对比试验， 其中二种纤维选取掺量均为 0 5 、 1 0 、 1 5 、 2 0 这四种情况。从中得出比较优化 的纤维掺量。试件是在 O 下经过 1 4 d养护后测试的。 1 2 原材料 ( 1 ) 水泥 ： P 0 3 2 5海螺牌普通硅酸盐水泥。 ( 2 ) 钢纤维 ： 武汉东洲钢纤维有限公司生产的剪切型 钢纤维， 其主要参数详见表 1 ； 聚丙烯腈纤维 ： 南京市润方建 筑技术工程公司生产的纤维， 其主要参数详见表2 。 ( 3 ) 采用南京黄河建材制造中心生产的 B C一 2 早强 防冻剂， 掺量为水泥用量的 3 ； 粗集料粒径为 5 2 0 ram的 碎石， 连续 级 配， 表 观 密 度 为 2 7 0 0 k g m ， 堆 积密 度 为 1 4 1 0 k g m ； 细集料细度模数为 2 6的中砂， 级配 良好 ； 外加 剂为无引气功能萘系高效减水剂 ， 减水率为 1 5 2 0 。 1 3 试验方法 为了对各种纤维混凝土进行力学性能对比， 上述各项 试验分别对素混凝 、 聚丙烯腈纤维混凝土和钢纤维聚丙 烯腈纤维混凝土进行。抗压试件采用 7 0 9 ra m X 7 0 9 m m X 7 0 9 ram的立方体试件 ， 采取均匀加压的方式。抗弯拉试 件采用 4 0 ra m x 4 0 m m X 1 6 0 m m的梁式试件， 采取三点弯的 加载方式， 两支点的距离为 1 4 0 ra m。试样按标号 C 3 0强度 混凝土配制 ， 试验的配合 比如下， 水泥 ： 石子： 砂子 ： 水为 2 0 3 ： 4 9 5 ： 5 3 6 ： 1 1 4 0 。试件的制作及养护过程严格参照 C E C S 1 3 ： 8 9 钢纤维混凝土试验方法 。 表 l 钢纤维主要参数 2 力学试验结果与分析 2 1 方案一结果分析 以下试验的纤维的含量均为 1 O ， 在 0 C环境下进行 1 4 d 养护， 然后进行抗压和抗弯力学试验力学试验。结果见 表 3 。就各种混凝土抗压情况而言， 从表 3中结果 可见： 随 着纤维的加入， 弹性模量变化不大， 纤维在一定程度上提高 了混凝土的抗压强度。聚丙烯腈纤维混凝土比索混凝土强 度提高了 1 1 9 ， 钢纤维一聚丙烯腈纤维混凝土强度比素 混凝土提高了 1 8 0 。随着纤维种类由 1 存 到 3 # 的变化 ， 最 大压缩力在逐渐递增。从破坏形态来看： 素混凝土在破坏 时， 试件裂缝数量少而裂缝很宽， 一旦出现开裂就迅速断为 许多碎块 ， 表现为典型的脆断。而聚丙烯腈纤维混凝土和 钢纤维一聚丙烯腈纤维混凝土抗压试件裂缝细密 ， 开裂后 裂缝有一个开展过程， 压坏后大部分还是凝聚成一个整体 ， 表现出较好的延性。 在抗弯试验中， 2 # 与 3 # N种纤维混凝土的优点表现更 为突出。从表 3可以看出： 随着混凝土种类由 1 # 到 3 的变 化， 弯曲弹性模量和最大弯曲力都在逐渐递增。与素混凝 土相比， 聚丙烯睛纤维 昆 凝土抗弯强度提高了 2 7 2 ， 钢纤 维一聚丙烯腈纤维混凝土提高了 4 4 7 。在弯曲断裂能量 吴文仆等 ： 钢一聚丙烯腑纤 维混凝 土低温性能研究 7 方面， 纤维混凝土与素混凝土相比， 提高的幅度非常明显。 从破坏过程来看， 素混凝土一旦开裂就迅速脆断， 而两种纤 维混凝土的破坏具有明显 的延性， 其中钢纤维一聚丙烯腈 纤维混凝土的变形能力最大。 表3 各类纤维混凝土力学性能结果 类 注： 1 # 为素混凝土； 2 功 聚丙烯腈纤维混凝土； 3 劝 钢一聚丙烯腈纤维混凝士 2 2 方案二结果分析 通过方案一的分析可发现， 钢纤维一聚丙烯腈纤维混 凝土的力学性能比较优越 。为进步研究不同纤维掺量对 其力学性能的影响状况 ， 设计了四种不同纤维掺量混凝土 的力学性能试验， 进行对比和研究， 从中得出较合适的掺量 以便工程应用。在此 ， 设计 了钢纤维和聚丙烯腈纤维体积 率分别均为0 5 、 1 O 、 1 5 、 2 O 的四种掺量， 试验的 配合比同上， 也是在 0 进行 1 4 d养护后进行抗压和抗弯力 学试验， 结果如表4所示。 从表4及图 1可以发现， 在纤维掺量从 0 到 1 5 的 增加过程中， 混凝土的抗压强度、 最大压缩力均随着纤维体 积率的增大而有一定的提高， 但是提高幅度不大， 纤维对基 体混凝土的增强作用并不十分显著。其 中含量为 1 5 的 钢纤维一聚丙烯腈纤维混凝土抗压强度最大。 表 4 不同体积率的钢纤维一聚丙烯腈 纤维混凝土力学性能结果 纤维掺率 抗压强度 抗压弹性 最大压缩 抗弯强度 弯曲弹性 最大弯曲 弯曲断裂 M P a 模量 M P a ； b k N M P s 模量 M P 丑 力 k N 能量 J 从表 4及图 2可以发现， 纤维的掺量对抗弯强度和抗弯 延性的影响比较明显， 在纤维掺量从 O 到 1 5 的增加过 程中， 纤维含量较高的混凝土的曲线的峰值更高， 在峰值处 曲线比较平滑。下降段则更加平缓， 可见在弯曲断裂中消 耗的能量 比较多。在纤维掺量从 O 到 1 5 的增加过程 中， 混凝土的抗弯强度、 弯曲弹性模量、 最大弯曲力和弯曲 断裂能量都在逐渐递增， 当 1 5 纤维含量时， 混凝土的抗 弯性能最好， 在 1 5 纤维掺量之后 ， 曲线的峰值又出现一 定程度的下降， 混凝土的延性也有所降低。 3 结语 ( 1 ) 钢纤维一聚丙烯腈纤维混凝土内部空隙较少 ， 其 Z 0 4 2 5 1 25 1 8 7 5 2 3 位移 r a m 图1 各种掺量的钢纤维一 聚丙烯腈纤维混凝土抗压曲线 3 27 5 Z 妄I 5 07 5 0 一 一萎 2 -0 5 纤 维 掺 量 O 1 5 3 45 6 位移 ra m 图2 各种掺量 的钢纤维一聚丙烯腈纤维混凝土抗弯 曲线 在破坏时塑性裂缝数量较少、 宽度明显较小。其对混凝土 的增强作用得到了优势叠加 ， 材料性能得到了优势互补。 ( 2 ) 通过方案一的试验 ， 得出低温情况下钢纤维一聚 丙烯腈纤维混凝土与素混凝土及聚丙烯腈纤维混凝土相 比， 其抗压延性、 抗弯拉强度和弯曲韧性均有明显提高。 ( 3 ) 通过方案二的试验得出在 1 5 的纤维掺量下， 钢纤维一聚丙烯腈纤维混凝土的各项力学性能 比较优越 ， 在道路、 桥梁、 隧道工程等工程中有比较好的应用前景。 参考文献 I 沈荣熹， 王璋水， 崔玉忠 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 ： 1 6 9 2 0 5 2 章文刚， 程铁生钢纤维混凝土的主要力学性能及工艺 J 混凝土与加筋混凝土 ， 1 9 8 4， 1 4 ( 4 ) ： 18 3 J 姚武， 李杰， 赵碧华混凝土劈拉破坏机理研究f J 】 岩石力 学与 工程 学报 ， 2 0 0 1 ， 2 O ( 增 刊 2 ) ： 1 3 3 31 3 3 6 4 姚武 ， 马一平 ， 吴科如 ，聚丙烯纤维水泥基复合材料 物理力学 性能研究( ) 一力学性能 J 建筑材料学报， 2 0 0 0 ， 3 ( 3 ) 5 C E C S l 3 ： 8 9 ， 钢纤维混凝土实验方法 s 收稿日期 2 0 1 1 一 O 5 1 0 作者简介 吴文伟( 1 9 8 7一) ， 男 ， 江苏扬州 人 ， 硕： t ： 研 究生 ， 研究方 向： 结构 工程 、 混凝 土材料 。 O 5 5 5 0 9 4