塑钢混杂纤维轻骨料混凝土力学性能研究.pdf

2 0 4 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第 3 6卷第 4期 2 0 1 0年 8月 塑钢混杂纤维轻骨料混凝土力学性能研究 王起帆 ， 李 洁 ， 田 强 ， 孙鹏程。 ( 1 后勤工程学院军事建筑工程系， 重庆4 0 0 0 4 1 ； 2 重庆大学建筑设计研究院， 重庆4 0 0 0 4 5 ； 3 江苏省交通规划设计院， 江苏 南京2 1 0 0 0 5 ) 摘要： 在轻骨料混凝土中掺入一种新型纤维塑钢纤维( 简称 H P P ) 或其与聚丙烯纤维的混杂， 通过对不同掺量纤维混凝 土的抗压、 抗折、 抗劈拉等试验， 研究了纤维混凝土的力学性能， 分析了纤维的增强、 增韧机理及其混杂效应 ， 并在考虑经济性 与性能并重的基础上， 寻找出了合适的纤维掺量。 关键词 ： 塑钢纤维 ； 纤维轻骨料混凝土 ； 力学性 能； 韧性 中图分类号： T U 5 2 8 5 7 2 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 8 1 9 3 3 ( 2 0 1 0 ) 0 42 04 0 4 Th e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s r e s e a r c h o f HPP fi b e r l i g h t we i g h t a g g r e g a t e c oncr et e WA N G Q i f a n ， L I J i e ， T I A N Q i a n g ， S U N P e n g c h e n g 3 ( 1 D e p t o f A r c h i t e c t u r eC i v i l E n g i n e e r i n g ， L E U ， C h o n g q i n g 4 0 0 0 4 1 ， C h i n a ； 2 T h e Ar c h i t e c t u r e D e s i g n I n s t i t u t e o f C h o n g q i n g Un i v e r s i t y， C h o n g q i n g 4 0 0 0 4 5， C h i n a ； 3 N a n j i n g T r a f fi c& P l a n D e s i g n I n s ti t u t e 。 N a n j i n g 2 1 0 0 0 5 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： HP P fi b e r w h i c h i s n e w t y p e o r HP P P P h y b r i d fi b e r wa s mi x i n g i n t o t h e h g h t w e i g h t a g g r e g a t e c o n c ret e A s e ri e $o f e x p e 6一 me n t s we r e p e r f o r me d o n t h e fi b e r l i g h t w e i g h t a g g r e g a t e c o n c r e t e w i t h d i ff e r e n t fi b e r v o l u me s Th e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n fi b e r v o l u me a n d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h， ben d i n g s t r e n gth， s p a i n g s t r e n g t h i s f o u n d b y t h e e x p e ri me n T h e me c h an i c a l p r o p e r t y ， i mp r o v i n g t o u g h n e s s me c h a n i s m a n d the h y b ri d e f f e c t a r e s t u d i e d ， an d a l l o w f o r e c o n o my a n d p r o p e r t i e s ， t h i s p a p e r s e l e c t t h e s u i t a b h fib e r v o l u me Ke y wo r d s： HP P fi b e r ； fi b e r fi g h t we i g h t agg r e g a t e c o n c r e t e ； me c h a n i c a l p r o p e r t y ； t o u g h n e s s - 一_ J U 刖 吾 轻骨料混凝土是用多孔轻质骨料 ， 如膨胀粘土 陶粒、膨胀珍珠岩等和水泥配制而成的一种轻质混 凝土， 其容重一般比普通混凝土约小2 0 3 0 以 上 ， 具有质轻、 保温隔热性能好 、 抗震性能好并且易 于加工等优点， 在高层建筑等领域具有广阔的应用 前景。但轻骨料混凝土的抗剪强度、 抗拉强度， 尤其 是弹性模量 ， 要 比普通混凝土小得多 ， 脆性较大。 解决这一问题的方法之一 ， 是采用纤维来提高混凝 土的抗拉强度和韧性。目前 ， 国内外对钢纤维、 聚丙 烯纤维轻骨料混凝土力学性能进行了一系列的研 究 ， 但对混杂纤维增强轻骨料混凝土的研究 尚不多 收稿 日期： 2 0 0 8 - 0 5 - 0 9 作者简介： 王起帆( 1 9 7 9一) ， 男 ， 河南 南阳人 ， 硕 士 ， 主要从事 防护 工 程研究 。 E ma i l ： q i f a n _wa n g 1 2 6 c o m 见 。此次试验采用 了塑钢纤维与微细聚丙烯的混 杂， 以控制混凝土的微、 宏观裂缝， 取得所期望的效 应。 塑钢纤维( 又称塑料钢筋 ， 简称 H P P ) ， 是采用 聚丙烯改性高分子聚合物为主要原料， 经过特殊技 术成型工艺生产而成 。它是一种表面粗糙 ， 外形轮 廓分明的单丝粗纤维， 直径粗细不同， 纤维长短不 等， 成波浪形状， 抗拉强度高， 弹性模量大， 抗酸碱能 力强 ， 并且它有钢筋、 钢纤维的外形 ， 具备钢筋 、 钢纤 维的功能， 又有合成纤维的优点。与钢纤维相比， 塑 钢的优点包括 ： 能快速分散 ， 无腐蚀性 ， 适用运送， 重 量轻 ， 装卸方便 ， 比细合成纤维在混凝土中能够有更 大的掺量 J 。 塑钢纤维是一种应用于建筑工程控制混凝 土裂缝、 提高韧性和冲击性能的高强度纤维 ， 可以替 代传统钢筋网、 钢纤维， 能起到防裂和增强作用， 而 建设成本更加经济， 使用操作方便， 并具有广泛应用 2 0 1 0 N o 4 王起帆， 等： 塑钢混杂纤维轻骨料混凝土力学性能研究 2 0 5 前景的混凝土增强新型材料 。 1 试 验概况 1 1 原材料 1 1 1 粗骨料 高强粉煤 灰 陶粒 ， 粒 径 51 6 m m， 表 观 密度 1 5 1 0 k g m ， 筒压强度 8 7 5 MP a 。 1 1 2细骨料 某地 区产江砂 ， 细度模数为 2 6， 含泥量 1 5 ， 含水率 0 5 。 1 1 3水泥 4 2 5 R普通硅酸盐水泥。 1 1 4 矿物掺合料 矿物掺合料为微 硅粉 ， S i O ： 含量大于 9 0 ， 密 度为 2 2 1 g c m ， 比表面积2 0 to n i g 。 表 2 试验 配合比 Ta b l e 2 Ex p e r i m e n c o mp o un d r a tio 1 1 5外加 剂 江苏省建筑科 学研究院研 制开发 的 J M A型 萘系高效减水剂 ， 粉态 ， 减水率 2 0 以上。 1 1 6 纤 维 强纶牌塑钢纤维和聚丙烯纤维 ， 指标见表 1 。 表 1 纤维物理性能指标 Tla b k 1 M a i n p a r a me t e r s o f t he fi b e r s 1 2 试验配合比 为研究纤维对轻骨料混凝土的力学性能方面的 影响， 避开其他因素 的影响 ， 选择基准配合 比不变， 改变纤维的掺量和种类 。配合比见表 2 。 1 3试件制作、 养护及其试验方法 塑钢纤维经过特殊处理 ， 表面具有亲水性 ， 与水 泥基体有 良好的亲和力 ， 使用 比较方便 ， 可用通常搅 拌设备， 在混凝土正 常搅拌时 ， 添加塑钢纤维 ， 适 当 延长 2 3 m in ， 就能在混凝土中分布均匀。纤维在 混凝土中的分散性好 ， 纤维不会结团， 无泌水、离析 现象。本试验采用强制式搅拌机进行搅拌 ， 试块制 作具体步骤如下： ( 1 ) 按配合比中数据称取各材料， 同时， 使陶粒 预吸水 0 5 h； ( 2 ) 将陶粒倒入搅拌机 中， 加入水泥并且搅拌 3 0 S ； ( 3 ) 倒人砂、 纤维及硅粉等的混合物， 并干拌 1 mi n； ( 4 ) 加入水 ， 搅拌 5 m i n ； ( 5 ) 出料成模 ， 同时测试坍落度 ， 振动成型 ( 振 动台上振动 3 0 4 0 s ) 。 所有混凝 土试块成型后 ， 均在室温下放置一昼 夜后拆模。拆模编号后， 立即放入温度为 2 0 2 C， 相对湿度为 9 5 以上的标准养护室中养护。 混凝土抗压 、 抗拉强度和抗折强度测试 ， 参照 G B T 5 0 0 8 0 2 0 0 2 规定。其中， 混凝土抗拉强度通过劈 拉试验来测定。 2结果与讨论 2 1 立方体抗压强度 混凝 土的抗压 强度是最基本 的力学性 能指标 ， 经常作为基本参数来确定其他力学性能指标， 常用 作设计混凝土结构的最基本参数。 试验每种纤维体积率各做 6个试块 ， 分别测试 其 7 d ， 2 8 d抗压强度。试块尺寸 为 1 0 0 u n1 0 0 m r n1 0 0 mm。表 3为不同纤维体积率混凝土的立 方体抗压强度试验的平均值。 表 3 立方体抗压强度 T a b l e 3 T he c u b i c c o mp r e s s i v e s t r e n g t h 呈 兰 ! 里 墅 兰 墅 MP a 5 5 5 5 3 0 5 4 2 5 4 8 5 4 6 5 3 5 5 3 9 MP a 61 0 5 9 3 6 0 0 6 0 3 5 9 6 5 9 0 5 8 5 由试验结果可知， 掺入纤维后， 轻骨料混凝土的 抗压强度并没有提高， 反而有所降低。 这是因为根据复合材料理论 ， 塑钢纤维是有机 合成纤维 ， 它的弹性模量较混凝土低 ， 仅为普通混凝 四川建筑科学研究 第3 6卷 土弹性模量 的 1 5 ， 难 以在基体 材料 中承担 应力。 塑钢纤维对混凝土的脆性改善较大 ， 脆性随纤维体 加入纤维后 ， 在试块受压过程中， 试块的破坏形态得 积率的增长而逐步降低 。 到改变， 韧性有极大的改善。试块达到峰值强度后 表5 纤维混凝 土拉压比 继续加载时 ， 可以听到因纤维被拔 出( 拔断) 而发出T a b l e 5 T h e r a d i o o f t e n s i l e s t r e n g t h a n d c o mp r e s s i v e 明显的噼啪声 ； 再继续加载 ， 随着纤维在开裂面的脱 或 r e n g t h 粘 拔 出 ， 试 块 逐 渐 丧 失 承 载 力 直 至 破 坏 。 试 件 破 坏 蔷 盖 时， 依然可以保持良 好的整体性， 而不像普通混凝土 破裂后崩裂成碎块。掺入塑钢纤维后， 纤维轻骨料 2 3 抗折强度 混凝土的强度达最大值后的后期承载能力下降较为 塑钢纤维轻骨料混凝土的抗折强度试验， 是采 缓慢， 纤维能较好地控制后期性能， 使塑钢纤维混凝 用 1 0 0 m m 1 0 0 m m 4 0 0 m m的小梁作为试件的。 土表现出具有延性破坏的特征 。混凝土的破坏模式 从脆性到延性的变化， 是纤维掺入的一个重要贡献。 2 2抗拉 强度 抗拉强度是确定混凝土抗裂度 的重要指标 ， 也 是间接地衡量其他力学性能， 诸如混凝土的抗剪强 度、冲切强度等的指标。混凝土的抗拉强度可通过 劈拉试验来测定- 3 J 。与直接测试抗拉强度相比， 它 对试验形状、 试验装置的要求低， 易于操作实施。 试验每种纤 维体积率各做 6个试块 ， 分别测试 其 1 4 d ， 2 8 d 劈裂抗拉强度。试块尺寸为 1 0 0 m m 1 0 0 m m1 0 0 m m。表 4为不同纤维体积率混凝土 的劈裂抗拉强度试验的平均值。 表 4 劈裂抗拉 强度 Ta b l e4 Th e s p l i t t i n g t e n s il e s t r e n g t h MP a 4 5 2 5 3 6 5 5 1 5 6 9 5 9 8 6 0 5 5 5 6 由表 4的试验结果可以说明， 当单掺塑钢纤维 后 ， 塑钢纤维轻骨料混凝土的 1 4 d和 2 8 d的劈裂抗 拉强度， 较轻骨料混凝土有所提高。同时， 只有在适 当的纤维掺量 内， 塑钢纤维轻骨料混凝土的劈裂抗 拉强度才会随纤维掺量的增大而提高。当塑钢纤维 掺量为5( k g m ) 时， 1 4 d 和2 8 d 劈拉强度的增 长幅度分别为 3 4 3 和2 5 9 。而当纤维掺量为9 ( k g 1T I ) 时， 1 4 d和 2 8 d 劈拉强度的增长幅度， 则分别为 2 4 1 和 2 3 0 。 从劈拉的破坏过程来看， 塑钢纤维混凝土的破 坏荷载达到最大之后 ， 试件裂缝的发展表现为一定 过程， 劈拉强度虽不能增长， 但劈拉强度下降较缓， 表现出延性破坏的特征。 拉压比是反映混凝土膪陛的指标之一。表 5反 映了2 8 d龄期混凝 土的拉压 比随纤维体积率的增 长的发展趋势。显示了在适当的纤维掺量内， 拉压 比随纤维的掺量的增加而呈现增长的趋势。说 明了 由于试验进程因素 ， 选取 S 0 ， s 5 ， S 6三组配比进行定 性的比较。分别选取试验每种纤维体积率各做3 个 试块 ， 测试其 2 8 d 抗折强度。加载采用三分点方式 进行 ， 试验结果见表 6 。 表 6 抗折强度 Ta b l e 6 T h e fl e x u r a l s t r e n g t h 从表 6可以看出， 塑钢纤维轻骨料混凝土 比没 有加入纤维的混凝土的抗折强度要提高很多。在试 验进程中， 可以观察到混凝土的抗弯强度明显提高。 混凝土试件初裂后 ， 受拉 区裂缝宽度随荷载的增大 而增加， 达到极限强度后 ， 普通高强混凝土梁的承载 能力直线下降， 呈现较大的脆性破坏特征。而塑钢 纤维高强混凝土梁试件的破坏过程表现了极强的延 性破坏特征。试块在达到破坏荷载后 ， 在较长 的一 段时间内， 仍然具有较高的承载能力， 可以明显听到 塑钢纤维拔出( 拉断) 时发出的砰砰声， 与素轻骨料 混凝土及常用纤维混杂轻骨料混凝土的抗折破坏形 成强烈对 比， 表现了较强 的韧性 。试验完毕 ， 观察塑 钢纤维轻骨料混凝土的破坏截面， 发现塑钢纤维大 部分被拔出， 也有少部分被拉断。这是 由于纤维高 强混凝土梁由于塑钢纤维的跨接和桥连作用， 限制 了宏观裂纹的失稳扩展 ， 使得混凝土梁 的承载能力 随裂缝宽度的不断增大而缓慢下降 ， 并且 ， 试件最终 破坏时的挠度和裂缝张开度 ， 也 比普通高强混凝土 大幅增加 ， 断裂过程 中消耗了更多的能量 ， 体现了较 强的延性破坏特征。 2 4 纤维混杂对混凝土力学性能的影响 纤维的混杂是优化轻骨料混凝土性能的技术之 一 ，它使得轻骨料混凝土具有两种纤维单掺时的各 自优点。本试验采用的是塑钢纤维与聚丙烯纤维的 混杂， 是同种品质而不 同几何形态纤维 的混杂。由 表 2 ， 3可 以看出， 混杂纤维 的混凝土抗拉强度和抗 王起帆， 等： 塑钢混杂纤维轻骨料混凝土力学性能研究 2 0 7 折强度， 均高于掺量接近 的单一纤维混凝 土( 见编 号 S 3和 S 4 ， s 5和 S 6试验的对 比结果 ) 。例如 ， 掺入 混杂纤维的轻骨料混凝土试块 S 4的2 8 d 的抗折强 度 比单掺塑钢纤维轻骨料混凝土试块 S 3的 2 8 d的 抗折强度提高了 1 9 1 ， 说明在试验范围内， 塑钢 纤维和聚丙烯纤维混掺产生 了正混杂效应。 本试验的微细聚丙烯纤维和较粗的塑钢纤维相 互配合 ， 从不同层次上对混凝土起增强、 增韧作用。 在受荷的各个阶段， 发挥它们的混杂效应。由直径 较小的聚丙烯纤维减少混凝土凝固时产生 的初始缺 陷 ， 并在加载时跨接混凝土的微细裂缝 ， 阻止早期微 裂缝的扩张； 由直径较大的塑钢粗纤维阻止较大裂 缝的扩展 ， 共同对混凝土裂缝的开展起约束作用， 从 而改善混凝土的性质。因此， 采用纤维混杂的方式， 可以在较小的体积掺量 的情况下 ， 充分发挥纤维 的 增强、 增韧特性 ， 从整体上改善混凝土的力学性能 ， 是制备高性能水泥基复合材料的一种有效途径。 2 5 塑钢纤维轻骨料混凝土增韧机理 在试验 中， 可 以观察到塑钢纤维轻骨料混凝土 的韧性较之素轻骨料混凝土有了极大的提高。这主 要归功于塑钢纤维在从混凝土基体中拔出时的独特 的耗能机理。从理论上讲 ， 控制纤维混凝 土材料性 能( 包括韧性) 的主要因素 ， 是纤维与基体的物理性 能， 以及两者之 间的粘结强度 J 。 由易成等 提出的两种耗能模型 的分析可知 ， 钢纤维的耗能效果主要表现在裂缝扩展的初期， 其 所耗能量主要取决于界面性质， 与纤维与基体的粘 结强度有很大的关系。而一般合成纤维混凝土的耗 能能力在更大程度上取决于纤维本身的弹性模量与 伸长率等性质 ， 只有 当裂缝扩展到一定宽度以后 ， 才 能得以体现。 塑钢纤维直径较粗， 表面经过压痕处理， 改善了 纤维与基体界面的性能和增加纤维表面 的粗糙度 ， 提高了纤维与水泥的粘结力和摩擦力， 加强了塑钢 纤维齿肋与混凝土间的机械咬合作用。通过单丝纤 维从混凝土基体中的抗拔测试证明， 其抗拉拔性能 与异形钢纤维相当。由一般合成纤维弹簧一摩擦块 复合模型分析可知 ， 在裂缝的扩展初期 ， 弹簧的伸长 较小， 弹簧的抗力也小。因此， 在裂缝初期， 主要是 摩擦块起作用 ， 塑钢纤维 的耗能能力在裂缝 的扩展 初期， 同样可以得到体现。随裂缝的扩展， 弹簧抗力 逐渐加大 ， 弹簧一摩擦块 同时起作 用 ； 随着裂缝扩 展 ， 纤维对裂缝扩展的抑制力呈上升趋势。因此 ， 塑 钢纤维混凝 土的耗能能力在裂缝 扩展 的整个过程 中， 一直在发挥作用， 明显地增加了基体的韧性。 3 结论 塑钢纤维轻骨料混凝土 的抗压强度与普通轻骨 料混凝土相差不大， 但抗折强度有一定的提高， 且韧 性也较普通轻骨料混凝土有 了明显的改善。当塑钢 纤维与聚丙烯纤维混杂后 ， 体现 了正的混杂效应。 本次试验研究了塑钢纤维轻骨料混凝土的基本力学 性能 ， 由于条件有限， 还有一些力学性能指标未进行 研究 ； 还需要更多的系统试验 ， 才能掌握塑钢纤维轻 骨料混凝土的力学性能。 塑钢纤维最初用于混凝土的喷浆作业， 它可以 减少回弹、 收缩， 并且定位准确， 使用方便。塑钢纤 维也可广泛应用于混凝土的公路路面、 屋顶、 装载码 头 、 机场跑道 、 停车场 、 隧道衬砌 、 水利工程和各类混 凝土建筑 ， 其应用可渗透到许多工程领域 ， 它是当今 混凝土建设工程 中很有发展前途 的新型增强材料， 有非常广阔的应用前景 J 。 参 考 文 献： 1 石建军。 王学东 轻骨料碳纤维混凝土 J 科技情报开发与经 济 ， 2 0 0 4， 1 4 ( 4 ) 2 邓宗才 高性能合成纤维混凝土 M 北京： 科学 出版社， 2 0 03 3 高丹盈， 刘建秀 钢纤维混凝土基本理论 M 北京： 科学技术 文献 出版社 。 1 9 9 4 4 徐至钧 纤维混凝土技术及应用 M 北京： 中国建筑工业出 版社 ， 2 0 0 3 5 易成， 逢治字， 戴成琴 纤维拔出时耗能机理对纤维混凝土 力学性能的影响 J 哈尔滨建筑工程大学学报 ， 1 9 9 8 ， 3 1 ( 6 )