钢纤维和聚合物乳液对水泥混凝土抗冲击与磨耗性能影响及机理分析.pdf

2 0 1 4年 第 1 期 1月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01 4 No 1 J a n u a r y 钢纤维和聚合物乳液对水泥混凝土抗冲击与 磨耗性能影响及机理分析 梅迎 军 ， 张 昶 ， 徐建平 。 ， 魏河广 ， 樊文胜 。 ( 1 重 庆交 通大 学 土木 建筑 学 院 ， 4 0 0 0 7 4 ； 2 重庆 交通 建设 ( 集 团 ) 有 限责 任公 司 ， 4 0 0 0 1 0 ； 3 江西省高速公路投资集团有限责任公司抚州至吉安高速公路项 目建设办公室 ， 南昌 3 3 0 0 0 0 ) 摘 要 ： 通 过 时 混 凝 土 试 样 进 行 抗 冲 击 与 磨 耗 试 验 测 试 ， 得 到 了 S BR 乳 液 改 性 水 泥 混 凝 土 ( S BR 质 量掺 量 为 0 1 8 ) 、 钢纤 维混凝 土( 钢纤 维体 积掺 量为 0 1 2 ) 和钢纤维聚合物 水泥混凝土 单位 面积磨损 量与抗冲 击韧性 ， 分 析 了钢 纤维和 聚合物 乳液对水泥混凝土抗冲击与磨耗 性能影响规律及作 用机理 。研 究结果表明 ， 钢纤维和 S B R 乳 液提 高 了混凝土抗 冲击与耐磨性能 ， 且随着掺量增加 ， 作 用效 果越 好 ； 钢 纤维和聚合物乳液复掺对 改善 混凝土抗 冲 击、 磨耗性能优 于钢纤维和聚合物乳液单掺 。 关 键 词 ： 铜 纤 维 ； 聚 合 物 乳 液 ； 水 泥 混 凝 土 ； 抗 冲击 ； 抗 磨耗 ； 作 用机 理 Ab s t r a c t ：T h e a b r a s i o n w e i g h t l o s e p e r u n i t a r e a a n d i mp a c t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e s we r e a c q u i r e d b y me a n s o f i m p a c t a n d w e a r t e s t o n c e me n t c o n c r e t e t h o s e t e s t e d c o n c r e t e s i n c l u d e S B R l a t e x mo d i fi e d c e me n t c o n c r e t e f 0 1 8 ma s s f r a c t i o n ) s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e f 0 1 2 v o l u m e f r a c t i o n ) ， s t e e l fi b e r a n d S B R l a t e x mo d i fi e d c e m e n t c o n c r e t e T h e i n flu e n c e l a w a n d t h e a c t i o n me c h a n i s m o f s t e e l fi b e r a n d p o l y me r l a t e x o n t h e i mp a c t a n d a b r a s i o n r e s i s t a n c e o f t h e s e c e me n t c o n c r e t e s we r e s t u d i e d Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e a d d i t i o n o f s t e e l fi b e r a n d S B R l a t e x a r e a b l e t o i mp r o v e t h e i mp a c t a nd a b r a s i o n r e s i s t a nc e o f c e me n t c o n cr e t e ，t he e ffe c t e nh a nc e s wi t h i nc r e a s i ng t h e c o n t e n t o f s t e e l fibe r a nd S BR l a t e x ， a n d t h e e ff e c t s o f c o mp o s i t e a d d i t i v e s a r e b e t t e r t h a n t h a t o f s i n g l e a d d i t i v e Ke y wo r d s ： S t e e l fi b e r ； P o l y me r l a t e x ； Ce me n t c o n c r e t e ； I mp a c t r e s i s t a n c e ； Ab r a s i o n r e s i s t a n c e ； Ac t i o n me c h a n i s m 中图分类号 ： T U 5 2 8 4 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 4 ) 0 1 5 9 一 O 4 0前言 水泥混凝土因具有较高 的抗压强度 、 良好的耐 久性 及 施 工方 便 、 成 本低 等 优 点 在铺 面工 程 中得 到 了广 泛 的 应用 。但 由 于水 泥混 凝 土 抗折 强 度 低 、 抗 冲击韧性差和耐磨性差等弱点 。 使混凝土铺面易出 现断板 、 表面磨光等病害 既影 响行车的舒适性 ， 又 影 响行 车 的安 全 性 这 就 限制 了水 泥混 凝 土 在 铺 面 工程 中的应用 。 在 普通 混 凝 土 中掺 人 钢纤 维 或 聚 合 物乳 液 ， 能 够起到提高混凝土韧性 、 抗 冲击性能和抗磨耗性能 的作用。王彦明【 l 研究表 明， 钢纤维混凝土冲击韧性 是 素混 凝 土 冲击 韧 性 的 1 5 1倍 ： W G Wo n g 2 1 研 究认 为 在聚合物掺量为 1 5 2 0 时 水泥浆体 冲击韧 性最佳 ； 刘卫东I 引 测试表明 ， 聚丙烯纤维混凝土的磨 耗量较普通混凝土下 降 4 6 6 ； 邓宗才【 3 J 研究表 明， 将粗合成纤维掺入混凝土 中能改善混凝 土抗 冲击 基金项 目： 教育 部博 士点基 金项 目( 2 0 1 0 5 5 2 2 1 2 0 0 0 1 ) ； 重 庆 市科 委科技攻 关项 目( 2 0 1 1 G G C 0 0 6 ) ； 江西 省交通 厅科技 项 目 ( 2 01 2 C 0 0 2 4) 。 性 能 ，使 混凝 土 由脆 性破 坏 变 为延 性破 坏 ： H u i L i 4 研 究 表 明 ， 混凝 土 耐磨 性 与磨 损 区 域孔 结 构 密切 相 关 ， 基体越密实， 耐磨性越好 ； 秦鸿根阎 等研究表明 ， 掺有 粉煤 灰 、 聚羧 酸类 高 效减 水 剂 和 高强 高 模纤 维 的混凝土 ， 具有较好 的抗冲击和耐撞磨性能。 在混凝土中掺入纤维 、 聚合物乳液或矿物掺合 料虽能提高混凝土性能 ， 但往往只能改善混凝土某 一 方 面 的性能 。同 时 。 为 了取得 好 的效果 其掺 量一 般较高 ， 导致成本增加 ， 从而限制 了应用。为此 ， 本 文探索适量钢纤 维和聚合物对混凝土抗冲击和磨 耗性能的影 响， 以寻求钢纤维和聚合物在铺面水泥 混凝 土应 用 中的最 佳掺 量 。 1 试 验设计 和试 验 方法 1 1 试 验原 材料 水 泥 ： 4 2 5级普 通 硅 酸 盐水 泥 。主要 技 术参 数 见表 1 。粗集料 ：采用 5 2 0 m m连续级配石灰岩碎 石 ， 表观密 度 2 6 7 0 k g m ， 压碎 指标 7 5 。 细集 料 ： 洞 庭湖黄砂 ， 细度模数 2 8 。 表观密度 2 6 8 0 k m， 含泥 量 0 1 。聚合物 ： 羧基丁苯乳胶 ， 含固量 5 1 6 3 粘 一 5 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 1期 混凝土与水泥制品 总第 2 1 3期 度 8 9 8 m P a s ， 表面张力 1 0 0 m N m， p H值 8 9 8 。 钢纤 维 ： 冷拔 钢丝切 断 型钢纤 维 ， 长 3 0 ram， 长径 比 6 0 ， 抗 拉强度 9 8 0 M P a 。水 ： 自来水。 1 2 试 验 配合 比 钢纤维聚合物水泥混凝土配合比见表 2 。混凝 土基准配合 比为水泥： 砂： 碎石： 水= 1 ： 1 9 8 ： 2 1 5 ： 0 4 3 ， 单位用水量应扣除聚合物乳液中所含的水量 。 1 3试验 方法 l - 3 。 l 磨耗试验 参照 J T G E 5 3 -2 0 0 5 公路 _T程 水 泥及 水 泥混 凝土试验规程 进行 。采用 T MS 一 0 4型耐磨损试验 机 ， 试样尺寸为 1 5 0 m mx 1 5 0 mmx 7 5 mm( 将标准养 护 龄 期 为 5 9 d的 1 5 0 m mx 1 5 0 mmx 1 5 0 m r n的立 方 体 试 件沿成型面中心切割 ， 再风干 2 d ， 第 6 1 d测试 ) ， 每 表 2 钢纤维聚合物混凝土配合比 组 4个试件 。测试时 ， 将试件切割面放至试验机的 水平转盘上， 用夹具将其轻轻紧固。 在 2 0 0 N负荷下 控制 转 速磨 损 3 O转 ，然后 取 下试 件 刷 净 表 面粉尘 后称重 ， 记下相应质量 ， 该质量作为试件 的初始质 量 ； 再在 2 0 0 N负荷下控制转速磨损 6 0转 ， 取下试 件刷净表面粉尘后称重 ， 并记下剩余质量 。 每组刀片只进行一组试件磨耗试验 当进行第 二组磨耗试验时。 更换一组新的刀片。磨损过程 中 采用吸尘器将磨下的粉尘及时吸走 ， 耐磨损试验装 置见 图 l 所 示 。 试件磨损量按下式计算 ： 一 m I m 2 一 式中， G 一 单位面积磨损量 ， k g m 2 ； m。 一 试件初始 质量 ， k g ； m 2 一 试件磨损后质量 ， k g ； O 0 1 2 5一 试件 磨损面积 。 n l 。磨损量的算术平均值作为试验结果 ， 如某个测试数据大于平均值 的 1 5 ，则剔除该数 据 取余下 3个数据的平均值 ；如有效数据小于 2 个 则该组试验重做。 1 3 2 抗 冲击 试验 采用耐磨性试验后的试件进行抗冲击试验 ， 切 图 1耐 磨损 试 验 装 置 图 割面朝上 。 冲击杆重量 4 4 4 k g ， 冲击高度 4 8 e m， 冲击 锤中线与试件中心线对齐 自由下落。当试件首次出 现 裂缝 和 破坏 时分 别 记 录相 应 冲击 次数 根据 美 国 A C 1 5 4 4委员会推荐的方法计算抗冲击韧性 。计算 公 式如 下 ： W =n mg h 式 中 ， 一 冲击 韧性 ， N i n ； 凡一 锤 击 次 数 ； h一 冲 击下落高度 ， I n ； m一 冲击锤质量 ， k g ； g一 重 力加 速度 ， m s 。 2测试 结果 2 1 磨 耗试 验测试 结果 钢纤维和聚合物乳液在单掺 、 复掺时混凝土单 位面积磨损量测试结果如表 3所示。 表 3 混凝土磨 耗性 能测试结果 2 2 抗 冲击试 验 测试结 果 由于抗 冲击试验测试结果离散性较大 ， 为保证 试验数据的可靠性 采用格拉布斯统计法对试验数 据进行处理。关于格拉布斯统计法对数据处理的过 一 6 0 一 程详见文献 6 。抗冲击试验测试结果如表 4所示。 3 钢纤 维和 聚合物 乳液 对混 凝土耐 磨性 的影 响 图 2为 钢 纤 维对 普 通 混 凝 土 和 掺 量 为 1 2 的 聚合物混凝土耐磨性影响 ， 图 3为聚合物乳液对普 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 梅迎军 ， 张昶 ， 徐建平 ， 等 钢纤维和聚合物乳液对水泥混凝土抗冲击与磨耗性能影响及机理分析 表 4混凝土抗冲击测试结果 通混凝 土和体积掺 量为 0 9 的钢纤维混凝土耐磨 性 影响 。 钢纤维掺量， 图 2 钢纤维对混凝土耐磨性 的影响 图 3聚合 物 乳 液 对 混 凝 土 耐磨 性 的影 响 测 试 结果 表 明 ： ( 1 ) 钢纤维提 高了混凝 土的耐磨 性能 ， 且随着 钢纤维掺量增加 ， 磨损量呈现正 比下降 。对于钢纤 维混凝土。其磨损量 比普通混凝土减少 了 1 6 6 7 3 8 3 3 ， 复 掺 1 2 的 聚合 物乳 液 后 ， 混 凝 土 磨 损 量 减少 了 3 8 8 7 一 4 8 。这表明在钢纤维混凝土中复 掺聚合物乳液 ， 耐磨性能可得到进一步提高。 ( 2 ) 聚合 物乳液提高 了混凝土耐磨性能 ， 且聚 合物乳液掺量越大 ， 其磨损量呈现正比下降 。对于 聚合物乳液改性水泥混凝土 ， 其磨损量 比普通混凝 土减少 了 2 1 5 9 3 8 4 4 ，复掺 0 9 的钢 纤维 后 ，混凝 土磨 损量 减 少 了 3 5 4 8 5 1 1 l 。这表明在聚合物乳液改性水泥混 凝土中复掺钢纤维 其耐磨性能可得到进 一 步提高。 4钢 纤维 和 聚 合 物 乳 液 对 混 凝 土 抗 冲 击 性 能影 响 图 4为 钢 纤维 对 普通 混 凝 土 和掺 量为 1 2 的聚合物混凝土抗 冲击性能影响 ， 图 5 为聚合物乳液对普通混凝土和掺量为 0 9 的钢纤维混凝土抗冲击性能影响。 测试结果表明 ： ( 1 ) 普通混凝 土在 冲击荷 载作用 下很 快 出现开裂 ， 且一旦出现裂缝 。 试块即开裂 成两半 ， 呈明显脆性特征。 昌 善 相 量 j 鑫 钢纤维掺量， 图 4 钢纤维对 混凝 土抗 冲击韧性 的影 响 昌 芝 屡 伯 量 聚合 物 掺 量 ， 图 5 聚合物乳液对混凝土抗冲击韧性的影 响 ( 2 ) 钢纤维混凝 土在 冲击荷 载下同样会 出现开 裂 ， 但抗冲击次数明显增加 ， 且钢纤维掺量 越大 ， 抗 冲击次数越多 ， 出现的裂缝宽度越小 。对于钢纤维 混凝土 ， 复掺 1 2 的聚合物乳液后 。 混凝 土抗冲击 性能比同掺量钢纤维维混凝土有一定幅度提高。 ( 3 ) 聚合物改性水泥混凝土在冲击荷载下抗冲 击性能略有提高。当聚合物乳液掺量为 1 2 时。 混 凝土抗 冲击性能最佳 ； 当掺量继续增加时 ， 抗冲击 性能下降。对于不同掺量聚合物改性水泥混凝土 复掺 0 9 的钢纤维后 。 混凝土抗冲击性能 比聚合物 混凝土有较大幅度提高。 ( 4 ) 不 同掺量钢纤维和聚合物乳液复掺对改善 混凝土抗冲击性能优于钢纤维和聚合物乳液单掺。 一 61 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 1 期 混凝 土与水 泥制 品 总第 2 1 3 期 5 钢 纤维 和聚 合 物乳 液对 混 凝 土抗 冲 击及 磨耗 性 能机理 5 1 聚合物乳液对混凝土抗冲击磨耗性能作用机理 ( 1 ) 聚合物乳液改善了新拌 混凝 土工作性 能 ， 提高 了混凝土的致密性 。同时 ， 胶乳中含有大量表 面活 性 物 质 ， 在 混凝 土水 化 、 硬 化 过 程 中增 加 了胶 乳与集料及水化产物的粘附性。胶乳失水后形成的 聚合 物薄 膜 紧密 吸 附在 集 料表 面 、填 塞在 集料 一 水 泥石界面区 ， 形成 了集料一 聚合物薄膜一 水泥石的空 间网状结构。这样的结构保证 了混凝土基体在冲击 荷载和磨耗削切作用下不易开裂或脱落 。同时 聚 合 物 薄膜 本 身具 有纤 维 拉应 力 作用 ， 增 强 了混凝 土 基体抗 冲击及磨耗削切作用 。 ( 2 ) 因聚合物乳液对混凝 土工作性能的改善 。 少量聚合物乳液提高了混凝土抗压强度 ； 但乳液掺 量超过一定质量后 ， 会降低混凝 土抗压强度 使 混 凝 土 变 得更 “ 柔 ” ， 从 而 导致 其 抵抗 冲击 和磨 耗 的 作 用 能 力 降低 。已有 研究 _7 _ 踟 表 明 ， 混 凝土 抗压 强 度越 高 ， 磨 耗性 能越 好 。 5 2 钢 纤维 对混凝 土抗 冲击 与磨耗 性 能作用 机理 ( 1 ) 钢纤维 的“ 桥联” 作用 ： 即乱 向分布在混 凝 土内部的钢纤维阻碍了由于磨损产生的裂缝扩展 ： 同时 ， 钢纤维能够起到阻止混凝土碎块从基体 中剥 落的效果 ，使碎块在脱落过程中消耗更多的能量 ， 从 而提高 混凝 土 的耐磨损 能力 。 ( 2 ) 钢纤维对混凝土 的“ 增韧 ” 作用 ： 即增加混 凝土在荷载作用下抗变形能力 ， 使混凝土在反复变 形 中消 耗更 多的 冲击与 磨耗 能量 。 5 _ 3 钢 纤 维 和 聚合 物 乳 液 复掺 对 混 凝 土抗 冲击 与 磨 耗性 能作 用机 理 ( 1 ) 对 于钢 纤 维混 凝 土 ， 因钢 纤 维 密度 大 ， 在 混 凝 土 硬 化 过 程 中 ， 易 出现 钢 纤 维 下 沉 、 水 分 上 浮 现 象 ， 从而导致钢纤 维周 围的水泥石水灰 比高 、 孔 隙 率大 、 结构疏松 ， 在冲击和磨耗荷载作用下 ， 钢纤维 不能有效地将荷载传递给水泥石 ， 纤维易于从水泥 石基体 中拔 出。 ( 2 ) 由于聚合物乳液 良好 的减 水效果 、 粘 附作 用及成膜效应 ，乳液的掺入有助于减薄钢纤维一 水 泥石界面水膜层 的厚度 、 缩小界面层与水泥石基体 水灰 比之差 、 增进与纤维表面的粘 附 ， 从而极大地 改善了钢纤维一 水泥石界面性质 ，使钢纤维与水泥 石在界面处也相互形成连续相 ， 这就使得与钢纤维 接触面处能够传递滑移作用力的基体厚度增加 。在 冲击和磨耗荷载作用下 ， 钢纤维能有效地将荷载传 递给水泥石 ， 从而进一步提高 了钢纤维混凝 土的抗 一 6 2一 冲击 与磨耗 性 能 。 6结 论 ( 1 ) 钢纤维和聚合物乳液提高了混凝土 的耐磨 性能 ， 且随着掺量 的增加 ， 混凝土磨损量呈 比例下 降。 ( 2 ) 普通混凝土在冲击荷载作用下很快碎裂为 两半 ， 试件破坏呈 明显脆性 ； 钢纤维混凝土抗冲击 性 能 较普 通混 凝 土大 幅提 高 且钢 纤 维 掺量 越 大 抗 冲击性能越好 ； 聚合物混凝土抗冲击性能较普通混 凝土略有提高 ， 当聚合物乳液掺量为 1 2 时 ， 混凝 土抗 冲击性 能最佳 。 ( 3 ) 钢纤维混凝土复掺 1 2 的聚合物乳液 ， 聚 合物混凝土复掺 0 9 的钢纤维后 ， 其抗冲击 、 磨耗 性能有较大幅度提高 ， 表明钢纤维和聚合物乳液复 掺 对 改善 混凝 土 抗 冲击 、 磨耗 性 能优 于钢 纤维 和 聚 合物乳液单掺 。 ( 4 ) 聚 合 物乳 液对 混 凝 土 流 动 性 的改 善 、 乳 液 成 膜形 成 的 网状 空 间结 构 、对 钢纤 维一 水 泥石 界 面 的改善作用以及钢纤维的“ 桥联” 、 “ 增韧” 等作用是 钢纤 维 和 聚合 物 乳 液 增 强混 凝 土 抗 冲击 和 磨 耗 性 能 的作 用机 理 。 参 考 文 献 ： 【 1 王彦明， 刘克， 孙纪正， 等 码头面层纤维混凝 土的抗 冲击性 能与增 韧机 理l J I ， 工程力学， 2 0 1 l ， 2 8 ( 1 1 ) ： 1 3 8 1 4 4 。 【 2 】 W G Wo n g ， P i n g F a n g ， J K P a n D y n a m i c p r o p e r t i e s i m p a c t t o u g h n e s s a n d a b r a s i v e n e s s o f p o l y me r m0 d i e d p a s t e s b y U S i n g n o n d e s t r u c t i v e t e s t 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 3 ， 3 3 ( 9 ) ： 1 3 7 1 1 3 7 4 3 】 邓宗才， 师亚军， 焦 红娟 聚烯烃 粗纤维混凝土梁 的抗 弯冲 击特性研究 混凝土与水泥制品， 2 0 1 0 ( 2 ) ：4 6 4 9 t 4 H u i L i ， Ma c - l L l a Z h a n g ， J i n p i n g O u A b r a s i o n r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e c o n t a i n i n g n a n o - p a r t i c l e s f o r p a v e me n t I J 1 We a r ， 2 0 0 6 ， 2 6 0 ( 1 1 - 1 2 ) ： 1 2 6 2 - 1 2 6 6 5 冯长伟， 李 思胜， 秦鸿根， 等 闸室墙 混凝土抗冲击和耐撞磨 性能 的影响因素研究 J J 混凝土与水泥制品， 2 0 0 8 ( 2 ) ： 3 8 4 1 6 郑建 华 节能环保型道路再生混凝土 的应用研究【 D 】 重庆： 重庆交通大学硕士学位论 文， 2 0 l 1 7 J s Y a z l c l ， G I n a n A n i n v e s t i g a t i o n o n t h e w e a r r e s i s t a n c e o f h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e s J We a r , 2 0 0 6 ， 2 6 0 ( 6 ) ： 6 1 5 - 6 1 8 【 8 T S e b o k ， 0 S t r a n d We a r r e s i s t a n c e o f p o l y m e r - i mp r e g n a t e d mo r t a r s a n d c o n c r e t e【 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 o 4 ， 3 4 ( 1 0 ) ： 1 8 5 3 1 8 5 8 收 稿 日期 ： 2 0 1 3 1 1 2 7 作者简介 ： 梅迎军 ( 1 9 7 6 一 ) ， 男 ， 博士 、 教授。 联 系 电 话 ： 1 3 6 6 7 6 3 3 5 7 7 E ma i l ： 1 3 6 6 7 6 3 3 5 7 71 6 3 c o rn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m