混杂钢-聚丙烯纤维混凝土弯曲韧性试验研究.pdf

2 0 1 1年 第 1 0期 (总 第 2 6 4 期 ) Nu mb e r 1 0 i n 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 6 4 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 t 0 0 0 9 混杂钢一 聚丙烯纤维混凝土弯曲韧性试验研究 权莉 。陶文祥 ( 1 中石化河南石油勘探局水电厂，河南 南阳 4 7 3 1 3 2 ；2 中石化国际石油工程公司， 北京 1 0 0 0 0 0 ) 摘要： 普通混凝土具有易开裂， 延性差、 抗拉强度低的特点。 针对混凝土这一系列缺点， 采用不同体积掺量的钢纤维和聚丙烯纤维混合 掺人混凝土中。 采用 A S T M C 1 0 1 8 评价体系综合评定混凝土的弯曲韧性指标， 试验研究表明： 在混凝土中掺人混杂纤维后显著提高了混 凝土的弯曲韧性。 其中加入聚丙烯纤维能够提高小梁试件的初裂挠度和初裂点的荷载， 而钢纤维则对于小梁试件的残余强度具有重要贡献。 依据试验结果分析， 给出了最优的纤维组合掺量。 关键词： 钢纤维；聚丙烯纤维；混凝土；弯曲韧性 中图分类号： T U 5 2 8 5 7 2 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 1 0 - 0 0 2 5 0 3 E x p e r i me n t a l s t u d y o n f l e x t i r a l t o u g h n e s s o f h y b r i d s t e e l p o l y p r o p y l e n e f i b e r c o n c r e t e QU ANL i ， T AO We n - x i a n g ( 1 S i n o p e cH e n a nP e t r o l e u mE x p l o r a t i o nB u r e a u， Wa t e r a n dE l e c t r i c i t yS u p p l y i n gF a c t o r y， Na n y a n g 4 7 3 1 3 2 ， C h i n a 2 S i n o p e c I n t e ma t i o n a l P e t r o l e u m S e r v i c e Co r p o r a t i o n ， B e ij i n g 1 0 0 0 0 0 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： Th e c o n c r e t e us ua l l y h a s c h a r a c t e ris t i c s of l o w t e n s i l e s t r e n g t h， p oo r t o u g h n e s s a n d he n c e l o w r e s i s t a n c e wi t h r e s p e c t t o c r a c k f o r ma t i o nF o r t h e s e rie s o f s h o r t c o mi n g s o n c o n c r e t e ， W i th d i f f e r e n t v o l ume c o n t e n t o f s t e e l fi b e r a nd p o l y p r o p yl e n e fib e r mi x e d i n c o n c r e t e By AS T M - el 01 8 c omp r e h e ns i v e a s s e s s me n t e v a l ui o n s y s t e m o n fle x ur a l t o u g hn e s s o f c o nc r e t e， t e s t r e s u l t s s h o w t h a t the i nc o r p o r a t i o n o fh y b r i d fi b e r s in t h e c o n c r e t e s i g n i fi c a n t l y i n c r e a s e d th e fle x uml t o u g h n e s s of c o nc r e t e Ad ding po l y p r o p y l e ne fib e r c a n i mp r o v e the b e a m s p e c i me n s o f t h e fi r s t c r a c k d e fle c t i o n a n d i n i t i a 1 c r a c k 1 o a d wh i l e the s t e e l fi b e r C an i mp r o v e the r e s i d u a l s t r e n g t h o f b e a m s pe c i me n s Ba s e d o n t e s t r e s u l t s a n d a n a l y s i s ， p ut f o r ward t h e o p t i ma l c o m b i n a t i o n o f fi b e r c o n t e n t Ke y w or d s： s t e e l fib e r ； p o l y pr o p y l e n e fi b e r ； c o n c r e t e； fle x ur a l t o u g h n e s s 0 引言 弯曲韧性是表示在外部荷载作用下， 材料吸收能量的能力。 是衡量混凝土开裂后能继续保持承受较大荷载的能力， 是评价纤 维 昆 凝土的个重要指标。 近些年来， 大量的工程实践和一系列广 泛的试验研究表明， 通过在混凝土基体中掺人各类纤维， 能够有效 抑制混凝土早期塑性收缩裂缝的产生， 并限制外力作用下裂缝的 扩展， 而且对混凝土随强度增长而出现的抗拉、 抗弯、 抗冲击和韧 性变差的现象也能起到极大的改善作用。 通过合理的材料设计， 使 高弹模纤维与其他低弹模纤维混合， 形成混杂纤维增强混凝土， 可 弥补单一纤维混凝土的一些。 若以合理的体积比例混杂， 则在混凝 土中纤维尺寸效应和性能充分发挥、 相互补充， 产生叠加效应。 1 试验概 况 1 1 混凝 土 配合 比 ( 1 ) 水泥 ： 是湖北华新水泥股份有限公司生产的 P O 4 2 5 级水泥。 ( 2 ) 砂： 河砂， 细度模数在 2 4 2 8范围内， 级配良好。 ( 3 ) 碎石 ： 粒径为 5 2 O mm， 级配 良好。 ( 4 ) 水： 自来水。 ( 5 ) 钢纤维： 钢板剪切型纤维。 收 稿 日期 ：2 0 l 1 J 0 4 1 2 ( 6 ) 聚丙烯纤维。 本试验纤维混凝土配合比见表 1 。 表 1 纤维混凝土的配合比 1 2 试件制作过程及尺寸 该试验试件分为 9组 ， 每组混凝土试件 3个， 混凝土抗压 试件尺寸为 1 5 0 mmx 1 5 0 mmx 1 5 0 mlT l ， 抗弯韧性试件尺寸为 1 0 0 mm 1 0 0 mmx 4 0 0 mm， 为了使钢纤维和聚丙烯纤维能均匀 且充分散于混凝土中， 在搅拌时先往搅拌机中放入砂和钢纤维 预先搅拌 1 2 mi n ， 然后加入 1 2的碎石搅拌 ， 边搅拌边加入聚 丙烯纤维约 3 mi n ， 最后将水泥 、 剩余的碎石以及水加入搅拌 4 - 5 mi n ， 待搅拌均匀后， 将混凝土拌合物置人预先做好的钢模， 放到振动后振捣密室后 ， 将混凝土顶面抹平 ， 将振捣成型的混 25 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 凝土放置阴凉干燥处， 2 4 h后脱模 ； 最后将混凝土试块放入标 准养护室养护 2 8 d后进行力学性能测试。 1 3试验 方 法 参照 C E C S 1 3 ： 8 9 钢纤维混凝土试验方法 ， 对纤维混凝 土小梁进行三分点加载试验， 小梁净跨为 3 0 0 1 1 1 1 1 1 ， 试验梁示意 图如图 1试验在电液伺服万能疲劳试验机上进行， 对试件连续、 均匀加荷 初裂前的加荷速度取 0 0 5 0 0 8 MP a s ； 混凝土出现裂 缝后按位移对梁进行加载， 使挠度增长速度相等 计算机自动采 集数据， 得到荷载一 挠度全曲线。 若试件在受拉面跨度三分点以 外断裂， 则该试件试验结果无效。 图 1 混凝土小梁示意图( 单位 ： mm) 2 试验结果分析 2 1 混凝土荷载一 挠度曲线分析 表 2中的数值是每组 3 个试件的平均值。 从表 2可以看出， 对于在混凝土掺人纤维后， 纤维的体积掺量对混凝土的立方体抗 压强度对比素混凝土立方体抗压强度没有得到提高， 反而会有降 低的情况。 在混凝土掺入纤维后， 但导致混凝土内部出现了“ 初 始缺陷” ， 混凝土抗压强度没有得到实质性的提高。 纤维混凝土初 裂荷载比较接近， 都要比素混凝土能承受的初裂荷载要高一些， 说明纤维的加入能提高混凝土试件的初裂荷载， 但提高的幅度比 较小。 掺入纤维混凝土的初裂挠度比素混凝土稍微大， 说明在混 凝土中加入纤维能够改善试件的开裂性能， 但效果不太明显 ， 也 表明纤维的加入对混凝土裂前性能影响不大。 在钢纤维体积掺 量一定的情况下， 随着聚丙烯体积掺量的增加， 混凝土的初裂荷 载和初裂挠度都有所提升， 说明聚丙烯纤维的掺入， 在混凝土内 部形成了类似于“ 网状” 结构， 有效地限制了混凝土裂缝的产生， 延长了裂缝出现的时间。 因而提高了混凝土抗开裂的能力。 表 2 不同纤维体积掺量混凝土的力学性能 在钢纤维体积掺量一定的情况下， 随着聚丙烯体积掺量的增 加， 昆 凝土的初裂荷载和初裂挠度都有所提升， 选取第 3 组、 第 6 组 和第 9 组 昆 凝土荷载一 挠度曲线( 图2 4 ) ， 其 昆 凝土纤维掺量分别 为 0 钢纤维与 0 1 5 聚丙烯、 0 5 钢纤维与 0 1 5 聚丙烯和 1 0 钢纤维与 0 1 5 聚丙烯。 从图中的荷载 挠度曲线可以看出， 在聚丙 2 6 烯掺量不变的条件下， 随着钢纤维掺量增加， 昆 凝土荷载峰值逐渐 增大， 而且出现荷载峰值的点对应的挠度逐渐增大， 说明钢纤维的 掺人， 钢纤维与混凝土之间的黏结作用， 增加了混凝土的抗弯能力。 Z 握 挠度 m m 图 2 钢纤维 O聚丙烯 0 1 5 混凝土 挠度 m m 挠度 t ram 图 4 钢纤维 1 聚丙烯 0 1 5 混凝土 2 2 混凝 土韧性 性 能评价 按照弯曲韧性评价体系评定混凝土试件的弯曲韧性指数， 同时参考美国材料协会标准( A s T M c l 0 1 8 9 8 ) ， 计算残余强度 尺 ， R 。 值。 一般地， 利用理想弹塑性体的弯曲韧性指数 ， 5 、 ， 。 。 和 ， 3 0 作为评定材料韧性的参考标准， 其基本方法是选用混凝土 试件的初裂点挠度( 的倍数作为终点挠度 ， 即 3 倍( 3 a ) 、 5 5 倍 ( 5 5 6 ) 、 1 5 5倍( 1 5 5 。 由此定义的 3个韧性指数 ， 5 、 和 ， 3 0 分 别为 3 6 、 5 5 占 、 l 5 5 6 挠度下对应的荷载一 挠度曲线面积与初裂挠 度6时曲线下的面积之比， 如图 5 所示。 J 5 、 ， 10 和 ， 。 表示为： ， 5 ： ； I , o -A + A 2 + A 3 一 ； 掣 A 1 A 1 A 对于理想弹塑性材料来说， 韧性指数值 厶 、 ， l 0 、 分别为 5 、 1 0 、 3 0 ， 韧性指数越小， 韧性越差。 由试验数据计算得出弯曲韧 性指标见表 3 。 Fc r a Z 鳎 遛 0 B D F J H 挠度 m m 图 5 韧性指标计算方法图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 3 不 同体积掺量混凝 土抗弯韧性指标 对于素混凝土的韧性指数设为 l ， 在本试验中， 当钢纤维掺量 0 5 聚丙烯 0 1 5 时， 混凝土的弯曲韧性指数， 5 、 ， 。 、 达到最高， 分别比素混凝土提高了3 5 、 7 4 、 1 7 1 倍 ， 分别为 4 5 4 ， 8 4 3 ， 1 8 1 。 说明混凝土掺入钢纤维和聚丙烯纤维后 ， 混凝土弯曲韧性指数 和残余强度均有了更进一步的显著提高。 但是， 并不意味着纤维 掺量越大越好， 纤维掺量越大， 导致混凝土的初始缺陷就越大。 继续增大纤维掺量， 混凝土弯曲韧性指数的增长速度明显减缓， 个别力学性能指标可能还有下降。 3结论 ( 1 ) 钢纤维的掺入对于纤维混凝土的初裂荷载影响不大， 而对混凝土的峰值荷载以及韧性指数的提升均有明显的增强 作用， 但是聚丙烯纤维在抑制初始裂缝 ， 提高初裂挠度中有着 较大的贡献。 ( 2 ) 混凝土在掺人钢一 聚丙烯混杂纤维后， 弯曲韧生得到很大 提高。 当钢纤维掺量为 0 5 一 1 0 ， 聚丙烯纤维掺量为 O 1 一 0 1 5 时， 纤维混凝土弯 曲韧性指数 ， 5 介于 3 9 6 ,- -4 5 4之间， ， 10 介于 6 9 8 8 4 3 之间， 介于 1 5 2 l 8 1 之间； 残余强度 R 介于 5 1 7 2 - 8 7 9 1 之间， 。 介于 3 2 6 1 5 9 5 3之间。 理想的弹性材料弯曲 上接第 2 1 页 一 年间抗弯强度及抗压强度的特性发展情况。 结论如下： ( 1 ) 较无粉煤灰试件 F 0龄期 2 8 d以后抗弯强度无增长相 比，掺有粉煤灰的混凝土试件 2 8 d以后抗弯强度增长显著， 且 3 6 5 d 后仍有继续增长趋势。 ( 2 ) 龄期 2 8 d以后抗弯强度的增长率随着粉煤灰取代率的 增大而提高。 由此可知， 粉煤灰置换率越高， 粉煤灰水化反应强 度发展效果越明显。 ( 3 ) H VF A混凝土抗弯强度增长率大于抗压强度增长率， 此 为粉煤灰与水泥水化反应产物 c s H的填充效果使混凝土密 实性提高。 可推定抗拉强度也有增强。 因此可以判定 H VF A混 凝土适用于道路路面铺装施工。 上接第 2 4页 究 混凝土 ， 2 0 0 6 ( 1 2 ) ： 1 8 2 1 2 】冯辉荣 ， 罗仁安 ， 樊建超 “ 沙琪玛骨架” 绿化混凝土的研制试验f J 】 上 海大学学报： 自然科学版 ， 2 0 0 5 ， 1 1 ( 6 ) ： 6 3 9 6 4 4 3 】高建明， 许国东， 吕锡武 多孔混凝土综合生态效应的试验研究 J J 东 南大学学报： 自然科学版 ， 2 0 0 8 ， 3 8 ( 5 ) ： 7 9 4 7 9 8 【 4 】陈瑜 ， 吴学毅 路面多孔水泥混凝士制备技术研究综述【 混凝土 ， 2 0 0 9 ( 7 ) ： 1 2 3 1 2 6 5 G B T 2 4 1 9 -2 0 0 5 ， 水泥胶砂流动度测定方法 s 】 中华人民共和国国 韧性指数的值分别为 5 、 1 0 和 3 0 ， 残余强度 R = 1 0 0 ， 这说明混杂 纤维混凝 土已经表现 出较好 的韧性。 ( 3 ) 在试验中， 当钢纤维和聚丙烯纤维体积掺量达到 1 和 O 1 5 时， 混凝土的弯曲韧性指数最大， 如果在此基础上继续增加 钢纤维和聚丙烯纤维含量， 纤维混凝土弯曲韧陛可能仍有提高， 但 对弯曲韧胜指数的提升幅度很小。 结合混凝土的工作性能以及经 济因素综合来考虑， 推荐使用上述的钢纤维和聚丙烯的体积掺量。 参考文献 ： 1 】张明远 ， 倪铁权， 卢哲安 层布式钢纤维混凝土路面荷载应力分析f J 长江大学学报 ： 自科版理工卷， 2 0 0 7 2 郭丽萍， 孙伟 ， 郑克仁， 等磨细矿渣和粉煤灰掺量对混凝土弯曲疲 劳性能的影D NJ 东南大学学报： 自然科学版， 2 0 0 6 3 石国柱 冈 纤维混凝土弯曲韧性和断裂性能试验研究 D 郑州： 郑州 大学， 2 0 0 5 【 4 】 梅华东 层布式钢纤维混凝土弯拉强度增强机理及细观力学分析 D 】 武汉 ： 武汉理工大学， 2 0 0 6 5 】 朱海堂 ， 高丹盈， 谢丽， 等钢纤维高强混凝土弯曲韧性的研究l J 1 _ 硅 酸盐学报， 2 0 0 4 6 孙增智， 申爱琴， 胡长顺聚丙烯酰胺对混凝土抗折强度和弯曲韧性 的影响 J 交通科技， 2 0 0 4 7 毕巧巍， 赵鹏飞 混杂纤维轻骨料混凝土的力学性能及抗碳化性能叨 大连交通大学学报， 2 0 0 8 【 8 】 赵鹏飞， 毕巧巍， 杨兆鹏 纤维轻骨料混凝土力学及抗渗性能研究【 J J _ 低温建筑技术 ， 2 0 0 8 【 9 】 杨明华 公路隧道路面柔性水泥混凝土应用研究【 D 武汉： 武汉理工 大学， 2 0 0 5 1 0 欧阳斌 聚丙烯纤维混凝土在地下室墙中的应用研究【 D 杭州： 浙江 大学 ， 2 0 0 5 作者简介 联系地址 联 系电话 权莉( 1 9 7 9 一 ) ， 女， 工程师， 国家一级建造师， 研究方向： 混 凝土抗裂研究。 河南省南阳市河南油田水电厂基建管理部( 4 7 3 1 3 2 ) 1 3 5 9 8 2 7 O 5 9 0 参 考文献 ： 【 1 杨爱伦， 江雍年 ， 赵星敏 ， 等煤炭的真实成本一 2 0 1 0 年中国粉煤灰调 查报告 R 绿色和平 2 G B J 1 6 4 9 0 ， 粉煤灰混凝土应用技术规范i s 1 9 9 0 3 扇正典， 浜田砘夫， 等 一廿、卜7 了 ， 、 y 。耘压5 2 、夕l J 配合 I 二 亨为寅稳的研究 I J 1 土木学会 文集， 2 0 0 2 ， 7 1 8 ( v 一 5 7 ) ： 1 9 3 1 作者简介： 毛明杰( 1 9 7 2 一 ) ， 男， 副教授， 博士， 主要研究方向结构工程 及新型建筑材料。 联系地址： 宁夏银川西夏区贺兰山西路 4 8 9 号 宁夏大学土木与水利 学院( 7 5 0 0 2 1 ) 联系 电话 ： 0 9 5 1 2 0 6 2 4 4 6 家质量监督检验检疫总局 中国国家标准化管理委员会 6 】 郑木莲， 陈拴发， 王秉纲基于正交试验的多孔混凝土配合比设计方 法【 J J 同济大学学报 ： 自然科学版， 2 0 0 6 ， 3 4 ( 1 0 ) ： 1 3 1 9 1 3 2 3 作者简介 联 系地址 联 系电话 钟文乐( 1 9 6 6 一 ) ， 男， 副教授， 主要从事建筑施工技术的理 论研究与工程应用。 江苏省泰州市迎春东路 8 号 高职院求是楼( 2 2 5 3 0 0 ) l 5 0 0 61 7 5 5 0 8 2 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m