塑钢纤维对水工抗冲磨混凝土性能的影响研究.pdf

2 0 1 1年 第 5 期 (总 第 2 5 9 期】 Nu mb e r 5 i n 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 5 9) 混 凝 土 Co n c 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 0 5 0 1 7 塑钢纤维对水工抗冲磨混凝土性能的影响研究 陈 国新 。祝烨然 。杜 志芹 ，付丹华 ，黄国泓 ( 1 南京水利科学研究院瑞迪高新技术公司， 江苏 南京 2 1 0 0 2 4 ；2 东南大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 2 1 1 1 8 9 ) 摘要 ： 纤维可提高混凝土的抗冲磨性能 ， 但塑钢纤维 尚无在此领域的研究 。通过在混凝土 中掺加不同用量的塑钢纤维 ， 研究 了其抗压 强度 、 劈裂抗拉强度、 抗压弹模、 干缩变形、 抗冲磨强度及抗渗性， 并与聚丙烯纤维混凝土进行了对比。 结果表明： 掺加 4 k g m 的塑钢纤维 可提高混凝土抗冲磨强度 1 1 6 8 ， 效果明显优于聚丙烯纤维 ， 但其限制干缩及提高抗渗性 的能力较聚丙烯纤维略差 。 关键词 ： 混凝土 ；塑钢纤维 ；聚丙烯纤维 ；抗冲磨 审图分类号 ： T U5 2 g 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 ) 0 5 0 0 4 7 0 3 St ud y on m ac r o f i br e of h ydr a ul i c c on c r e t e CHEN Gu o - x i n 一 ， ZHU Ye - r a n ， DU Zh i qin ， FUDa n- h u a ， H UANG Gu o h o n g ( 1 R &DHi g h T e c h n o l o g yC o ， Na n j i n g Hy d r a u l i c R e s e a r c hI n s t it u t e ， Na n j i n g 2 1 0 0 2 4 ， C h i n a ； 2 S c h o o l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g ， S o u t h e a s t U n i v e r s i t y， Na n j i n g 2 1 1 1 8 9 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Fi b r e c a n i mp r o v e c o nc r e t e a b r a s i o n r e s i s t a n c e， b u t t h e ma c r o fib r e u s e d i n i t h a s n t b e e n s t u di e dTh 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 gth， c o mp r e s s i v e e l a s t i c mo d u l u s ， d r y s h r i n ka g e， a b r a s i o n r e s i s t a n t s t r e n g t h a n d i mp e r me a b i l i t y o f c o n c r e t e wi t h d i ff e r e n t d o s a g e o f ma c r ofi b r eWas s tudi e d， a ndt h e s ep r o p e r t i e s o fc o n c r e t ewi t hp o l y p r o p y l e n efi b r ewa s a l s o c o mp a r e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t ma c r ofib r e c a r l s i g n i f - i c a n t l y i mp r o v e t h e a b r a s i o n r e s i s t an t s tr e n gth a b r asi o n r e s i s t a n t s t r e n gth o fc o n c r e t e wi t h 4 k g m ma c r o fi b r e i n c r e a s e d b y 1 1 6 8 ， b u t i t s d r y s h r i nk a g e a n d i mp e r me a b i l i ty i s l e s s t h a n p o l y p r o p y l e n e fi b r e c o n c r e t e Ke y w or d s： c o n c r e t e ； ma c r o fib r e； p o l y pr o p y l e n e fib r e； a b r a s i o n r e s i s t a nc e 0 引 言 高速水流、 含沙水流 、 推移质水流对水工建筑物的冲刷和 冲磨一直是水利水电建设中长期关注、 有待妥善解决的问题。 据 调查， 我国运行中的大坝泄水建筑物有 7 0 存在程度不同的冲 磨破坏问题 ， 因此抗 冲磨材料 的研究和试验具有非常重要 的意 义。 聚丙烯纤维能够提高混凝土的抗 冲磨性能 ， 对此已有不少研 究和工程应用 。 其 他也有利用玄武岩纤维 、 聚乙烯醇纤维及钢 纤维等提高混凝土抗冲磨性 能的研究 。 塑钢纤维在混凝土 中的应用研究 目前 尚不多 ， 而且主要应 用于混凝土的增韧 、 阻裂等 。 塑钢纤维用于提高混凝土抗冲磨 性能的研究 尚未见报道 。 本文研究了不同掺量塑钢纤维对混凝土抗冲磨性能及其 他物理力学性 能的影 响， 并与聚丙烯纤维进行 了比较。 1 原材料及试验 方法 1 1 原 材料 中联巨龙水泥 ( 宿迁 ) 有限公 司生产 的中联牌 P 0 4 2 5级 水 泥 ， 其化学组成见表 1 ； 粉煤灰为南京华 能电厂的 I I 级灰 ， 需 水量 比 9 2 ， 细度 2 2 1 ， 含水率 O 6 5 ； 宿迁骆 马湖产河砂 ， 中 细砂 ， 细度模 数 2 3 ； 南京江 宁产碎石 ， 5 3 1 5 mm 连续 级配 ， 表 观密度 2 7 3 0 k g m ； 南京瑞迪高新技术公司生产的 HL C I X聚 羧酸系高性能减水剂； 宁波大成新材料股份有限公司生产的HP P 异型塑钢纤维和强纶 I 聚丙烯纤维， 具体性能指标见表 2 。 表 1 水 泥的物理力学性能 表 2 纤维技术参数 1 2混凝土 试验 方案 混凝土试验 的基准配合 比为 C ： F A： S ：G： W= 3 6 2 ： 6 0 ： 7 1 6 ： 1 0 7 2 收稿 日期：2 0 1 0 - 1 2 _ 0 1 1 9 0 ， 水灰比为 0 4 5 ， 砂率为 4 0 ， 外加剂掺量根据新拌混凝土 状态进行调整以满足坍落度为( 2 0 + 1 ) c m的要求。 纤维试验方案 为： 聚丙烯纤维掺量 0 8 、 1 0 k g m ， 塑钢纤维掺量 0 、 2 、 4 、 6k g m3 试件编号分别为 P P 0 8 、 P P 1 、 S G 0 、 S G2 、 S G 4和 S G 6 。 1 3性 能测 试 方法 试验依据 S L 3 5 2 -2 0 0 6 ( 水工混凝土试验规程 进行。 抗压 强度及劈裂抗压强度试验采 用 1 5 0 ram 1 5 0 mmx l 5 0 m n l 立方 47 体试件； 抗压弹模采用 1 5 0 mmx l 5 0 mm 3 0 0 1 y l m棱柱体试件； 干缩变形 采用 1 0 0 ram 1 0 0 minx 5 1 5 l l l m棱 柱体试件 ； 抗 冲磨 性能试验采用水下钢球法 ， 试件尺寸为 + 3 0 0 mmx l O 0 m m； 抗渗 试验采用一 次加压 至 1 3 MP a并恒压 2 4 h的方法测定平均 渗 水高度并计算相对渗透系数。 2 试验结果及 讨论 2 1 不同纤维及掺量对强度 的影响 不同掺量的塑钢纤维和聚丙烯纤维对混凝土抗压强度和 劈裂抗拉强度的影响分别见图 1 、 2 。 由图 1 可见： 掺入聚丙烯纤 维和塑钢纤维后 ， 混凝土抗压强度略有提高 ， 但提高幅度不大 ， 不同掺量之间的差异也较小。 由图2可见： 掺入纤维后混凝土的 劈裂抗拉强度均有不同程度提高， 掺入塑钢纤维的混凝土劈裂 抗拉强度略高于掺入聚丙烯纤维的， 塑钢纤维存在一个最佳掺 量， S G 4时劈裂抗拉强度最高， 比空白可提高 1 3 3 。 5O 40 羔 云 。 誉 2 0 1 0 0 兰 、 越 墨 罐 瓠 图 1 3 0 P P 0 8 P P】 S GO S G2 S G4 S G6 试件编 号 不 同纤维及掺量对混凝土抗压强度的影 响 I 口7 d 一2 8 d ： 一 誊 _ _ 誊 。 一 薯 _ 45 40 3 5 30 2 5 最 2 0 l 5 l O 5 0 P P 0 8 P Pl S G0 S G2 S G4 SG6 试件 编号 不同纤维及掺量对混凝土抗压弹模 的影响 l 3 7 1 4 21 2 8 4 9 龄期 d 图 4 不同纤维及掺量对混凝土干缩变形 的影响 由图 4 可见： 掺入塑钢纤维后混凝土干缩变形略有减小， 但 48 - 减小幅度不大 ， 且并不是 随着掺量增大而相应减小 ， S G 2的干缩 变形最小 ， 2 8 d 干缩减小 8 9 ； 聚丙烯纤维 的限制干缩能力要大 于塑钢纤维 ， P P 1 的 2 8 d干缩 比空白可减小 1 6 。 这是 由于塑钢 纤维的密度大于聚丙烯纤 维且纤维 尺度 明显大于聚丙烯纤维 ， 虽然塑钢纤维的掺量大于聚丙烯纤维， 但聚丙烯纤维的根数仍 然远远多于塑钢纤维， 聚丙烯纤维的纤维间距远小于塑钢纤维， 因而可在相应层次上 ， 以更小的纤 维间距发挥限缩作用。 2 3 不同纤维掺量对耐久性能的影响 由图 5可见： 不同掺量的聚丙烯纤维和塑钢纤维均能大幅 提高混凝土的抗冲磨 强度 ， 聚丙烯纤维在试验 掺量范围内随着 掺量提高 ， 抗冲磨强度随之提高， 而塑钢纤维存在一个最佳掺 量 4 k g m ， 继续增大掺量则抗冲磨强度反而有所下降， S G 4 试件 的抗冲磨强度比空白提高了 1 1 6 8 。 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 于冲磨发生的裂缝的发展。 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。 塑钢纤维 由于更 大的抗拉 强 度和更高弹性模量， 其大尺度纤维尺寸还可起到“ 微筋” 的作 用 ， 因而抗冲磨效果更 明显网 。 吕 憩 盥 量 曩 蘑 P P 0 8 P P1 S GO S G2 S G4 S G6 试件编 号 图 5 不同纤维及掺量对混凝土抗冲磨强度的影响 南图6 7 可以看到： 塑钢纤维和聚丙烯纤维均可不同程度 的提高混凝土的抗渗性， 且随着纤维掺量的提高， 渗水高度随 之下降， 聚丙烯纤维对抗渗性的改善作用 明显 优于塑钢纤维 ， P P I 的相对渗透系数从 1 1 0 - 3 降低至 1 5 8 ， 减小了 8 5 以上， 而 S G6 仅从 1 1 0 3降至 4 6 7 ， 仅减小 5 7 7 。 纤维对抗渗性的影响与对 干缩变形的影 响几乎一致 ， 这也与纤维尺度及其 与纤维在混凝 土的分散均匀性密切相关 ， 塑钢纤维由于其大尺度造成的分散 均匀性相对 较差 ， 在混凝土 中容易形成界面 薄弱区 ， 从 而导致 抗渗性不如聚丙烯纤维。 l 2 g1 0 8 s 4 2 0 P P 0 8 PP 1 S GO S G2 S G4 S G6 试 件编号 图 6 不同纤维及掺量下对混凝土渗水 高度的影响 2 7 1| i i 一 P P O8 P P1 S G0 S G2 S G4 S G6 试 件编号 图 7 不 同纤维及掺量对混凝 土相对渗透系数的影响 一 ” I L I m I -1 I 一 I 加加O 【 s 、 暑0 0 _I J ， 辍 峨姻 莨 3 O O O 0 O 0 如 加 【 ， 婚 3结 论 与聚丙烯纤 维相 比 ， 塑钢纤 维在混凝 土的抗压强度 、 劈 裂 抗拉强度及抗乐弹模等方面较为接近 ， 而对抗 冲磨抗 冲磨 性能 的提高方 面则具有 明显 优势 ， 干缩变形及抗 渗性则 略差 ； 对 提 高混凝土抗冲磨强度而言， 塑钢纤维掺量为 4 k g m 时最佳， ? 昆 凝土抗冲磨强度可比空白时提高 1 1 6 8 ； 从改善抗冲磨混凝土 的综合性能的角度出发 ， 可考虑采用塑钢纤维与聚丙烯纤维混 杂的方式 ， 今后可进一步开展工作。 参考文献： 谢祥明， 余青山， 胡磊 聚丙烯纤维改善混凝土抗冲磨性能的试验研 究 J 1 重庆建筑大学学报 ， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 3 ) ： 1 3 4 1 3 7 2 卢安琪， 李克亮 ， 祝烨然 ， 等 聚丙烯纤维混凝土抗冲耐磨试验研 究J 1 水利水电技术 ， 2 0 0 2 ， 3 3 ( 4 ) ： 3 7 3 9 3 薛喜文， 张东升 西霞院工程抗磨混凝土应用研究与实施 J I 人民黄 河 ， 2 0 0 6 ， 2 8 ( 9 ) ： 1 3 1 4 【4 1 祖福兴， 钟明全， 李洪英， 等 聚丙烯纤维混凝土在船闸输水廊道中 的应用l J l l水运工程 ， 2 0 0 6 ( 2 ) ： 5 2 5 4 【 5 】 江朝华， 赵辉 ， 陈达， 等 玄武岩纤维及聚丙烯纤维对水泥砂浆性能 影响的对比分析l J l l硅酸盐通报， 2 0 0 7 ， 2 6 ( 6 ) ： 1 0 8 4 1 0 8 8 上接 第 4 4页 f o r c e d c o n c r e t e b e a ms s u b j e c t e d t o f i r e J B e t o n - u n d S t a h l b e t o n b a u， 1 9 9 1 ， 8 6 ( 1 ) ： 7 - 1 2 7 】J G J 3 2 O 0 2， 高层建筑混凝土结构技术规程 s 】 北京 ： 中国建筑 工业 出版社 ， 2 0 0 2 8 】 沈蓉 ， 凤凌云， 戎凯 高温( 火灾) 后钢筋力学性能的评估l J 1 四川建筑 科学研 究 ， 1 9 9 1 ， 1 7 ( 2 ) ： 5 - 9 9 覃丽坤， 宋玉普 ， 王玉杰， 等 高温对混凝土力学性能影响的试验研 究l J 1 _混凝土 ， 2 o o 4 ( 5 ) ： 9 - l 1 上接 第 4 6页 ( 1 ) 通过参数转换， 利用 ANS YS软件的数据接 V 1 编程输入 相应参数 ， 可以实现基于 A NS YS中的热分析模块对混凝土结构 碳化过程的数值分析。 进一步研究表明 ， 分析结果和试验结果 比 较吻合 ， 证明此方法是可 行的 ， 可为一般 大气环境下 混凝土结 构耐久性评估 和寿命预测提供 一种 灵活有效 的分析方法。 ( 2 ) 在 T梁混凝土碳化的过程 中， T梁翼缘处和边角处为 薄弱环节， C O 。 容易从多个边界侵入混凝土 ， 碳 化较为严重。 ( 3 ) 从 C O 在混凝土中的浓度分布情况可以看出， 在开始 阶段混凝土碳化较快， 随着时间的推移， 碳化速度会减慢。 ( 4 ) 本研究 的分析结果 以二 氧化碳浓度在混凝 土中的分布 作为混凝土碳化程度的表征量 ， 与 以酚酞显色测得 的实 际混凝 土碳化程度有一定的偏差。 如何 更加适 宜的量化混凝土的碳 化 程度 ， 尚需进一步研究 。 参考文献 ： 1 】 屈文俊， 张誉构件截面混凝土碳化深度分布的有限元分析 J 】 1 9 9 9 2 S T E F F E N S A Mo d e l i n g c a r b o n a t i o n f o r c o n o s i o n r i s k p r e d i c t i o n o f c o n 6 1李光伟 玄武岩纤维在水工抗； 中 蚀高性能混凝土中的应用【 J l_ 混凝 土 2 0 0 8 ( 1 1 ) ： 7 7 7 9 7 冯长伟， 李思胜， 秦鸿根 ， 等 闸室墙混凝土抗冲击和而 寸 撞磨性能的 影响因素研究l J 1 混凝土与水泥制品 ， 2 0 0 8 ( 2 ) ： 3 8 4 1 f 8 】胡曙光 ， 马杰 ， 丁厌军 ， 等 武汉长江隧 道抗裂混凝土 的研 究 J f 施 工 技术 ， 2 0 0 8 ， 3 7 ( 1 2 )： 1 - 3 9 邓宗才， 李建辉， 王作虎 粗合成纤维混凝土梁抗震性能试验研究【 J 】 北京工业大学学报， 2 0 0 7 ， 3 3 ( 4 ) ： 3 8 8 3 9 2 f l O 】 毕远志， 孔一凡 ， 华渊， 等 改性聚丙烯( 粗) 对混凝土增强增韧性能 影响的试验研究f J 建筑节能， 2 0 0 7 ( 1 2 ) ： 3 6 - 4 0 f l 1 1 焦红娟， 金剑 ， 史小兴 有机仿钢丝粗纤维与钢纤维在喷射混凝土中 的性 能研究 J 1 混凝土 ， 2 0 0 7 ( 7 ) ： 5 4 5 6 f 1 2 R B 宗才， 李建辉， 刘国栋 混杂粗纤维增强混凝土力学特性试验研 究 l J f _混凝土 ， 2 0 0 6 ( 8 ) ： 5 0 5 5 1 3 1 伟 ， 钱红萍 ， 陈 惠苏 纤维混杂及其与膨胀剂复合对水泥基材料的 物理性能的影I NJ 硅酸盐学报， 2 0 0 0 ， 2 8 ( 2 ) ： 9 5 1 0 0 作者简介 ： 联系地 址： 联系电话： 陈国新( 1 9 7 2 一 ) ， 男， 博士生， 高级工程师， 主要从事水工混 凝土及9 1, ； O 0 U 的研究开发 。 南京市虎踞关 3 4 号( 2 1 o o 2 4 ) 1 3 8 51 7 9 2 5 0 9 f 1 0 L I U G u i r o n g ， S ON G Y u p u ， Q U F u l a i P o s t fi r e c y c l i c b e h a v i o r o f r e i n for c e d c o n c r e t e s h e a r w a l l s J J o u r n a l o f C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， 2 0 1 0 ， 1 7 ( 5 ) ： 1 1 0 3 1 1 0 8 作者简介 联系地 址： 联 系电话 ： 刘桂荣( 1 9 7 9 一 ) ， 女 ， 博士， 讲师， 主要从事钢筋混凝土结构 抗火性能研究。 华北水利水电学院土木与交通学院( 4 5 0 0 1 1 ) 0 3 71 6 91 2 7 3 7 3 c r e t e s t r u c t u r e s J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 2 ( 3 2 ) 9 3 5 9 4 1 3 B U R K A N O F i n i t e e l e m e n t m o d e l i n g o f c o u p l e d h e a t t r a n s f e r ， mo i s t u r e t r a n s p o r t a n d c a r b o n a t io n p r o e e s s e s i n c o n e r e t e s t ruc t u r e s J C e m e n t & C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 2 0 0 4 ( 2 6 ) ： 5 7 7 3 4 S AE TF A A V E x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n a n d n u me r i c a l n m d e l i n g o f c a r b o n a t i o n p r o c e s s i n r e i n for e e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s Pa r t I ： t h e o r e t i c a l l o r m u l a t io n J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 4 ( 3 4 ) ： 5 7 1 5 7 9 f 5 】C HE N D o n g C o mp u t a t i o n a l f r a m w o r k f o r d u r a b i l i t y a s s e s s m e n t o f r e i n f o e e d c o n c r e t e s t r u c t u r e u n d e r c o u p l e d d e t e r i o r a t i o n p r o c e s s e s D P h D T h e s i s o f Va n d e r b i l t U n i v e r s i t y ， 2 0 0 6 6 】王腾 钢筋混凝土T形梁的耐侵蚀构造研究f D J 长沙： 中南大学， 2 0 1 0 作者简介 联系地址 联系电话 卫军( 1 9 5 7 一 ) ， 男， 教授， 博士生导师， 主要从事混凝土结构 基本理论和结构耐久性研究。 湖南省长沙币韶山南路 2 2 号 土木建筑学院( 4 1 0 0 7 5 ) 1 3 2 7 2 4 8 3 5 4 8 49