超强韧性聚丙烯纤维混凝土工作度的液化机理设计与自修复功能研究.pdf

2 0 1 3年第 9期 9月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C0NC RE T E AND C E MEN T P RODUC T S 2 01 3 No 9 S e p t e mb e r 超强韧性聚丙烯纤维混凝土工作度的液化机理 设计与 自修复功能研究 高照宇 ， 张德 刚 ， 赵永 生 ， 杨春亮 ， 俞家欢 。 ( 1 沈 阳市市政工程养护管理处 ， 1 1 0 0 0 5 ； 2 辽宁省交通高等专科学校 ， 沈阳 1 1 0 0 0 0 ； 3 沈 阳建筑大学土木工程学院 ， 1 1 0 1 6 8 ) 摘要 ： 利 用液化机 理研 究 了具有 应变强化 和多重裂纹破 坏特征 的超 强韧性 聚丙烯 纤维测凝土 的配合 比设计 使得 水泥基 复合 材料 的工作度和力 学性 能在 施工现场 大批 量生产条件 下与实验室 内， 卜规模 生产条件 下保持接 近。 通过 不同颗 粒级 配的控 制、 混合 次序 、 时间间隔的调整 以及不 同类型 添加 剂的使 用 ， 给 出 了生产应变强化功能的超 强韧性 纤维混凝 土材料 的方法。最后研 究 了拉伸 试件 多重裂纹破坏后 的 自修 复现 象。 关 键 词 ： 超 强韧 性 ； 液 化 ； 工作 度 ；级 配 ； 自修 复 Ab s t r a c t ：Ac c o r d i n g t o the l i q u e f a c t i o n me c h a n i s m， t h e d e s i g n o f mi x p r o p o r t i o n of P P U l t r a D u c t i l e F RC wi th t h e c h a r a c t e r s o f s t r a i n - h a r d e n i n g a n d mu l t i p l e c r a c k s i s c a r r i e d o u t ， n 1 e wo r k a b i l i t y a n d me c h a n i c a l p r o p e r t y o f the c o n c r e t e p r o d u c e d ma s s i v e l y a t t h e c o n s t r u c t i o n fi e l d c a n c l o s e t o t h e s e p r o p e rt i e s o f t h e s a me k i n d of c o n c r e t e p r o d u c e d i n t I l e s ma l l - s c ale p r o d u c t i o n l a b o r a t o r y B y c o n t rol l i n g t h e p a r t i c l e g r a d u a t i o n ，mi x i n g s e q u e n c e ，s p a c e o f t i me a n d a d d i c t i v e t y p e s ， the ma n u f a c t u r e me t h o d of s e l f - c o n s o l i d a t i n g E CC i s p u t f o r w a r d I n a d d i t i o n ，a f t e r b r e a k i n g t h e mu l t i p l e c r a c k s o f t h e t e n s i l e s p e c i me n ， i t s s e l f - r e p a i ri n g p h e n o me n o n i s a l s o s t u d i e d Ke y wo r d s ： EC C； L i q u e f a c t i o n ； Wo r k a b i l i t y ； Gr a d a t i o n ； S e l f r e p a i r 中图分 类号 ： T U 5 2 8 5 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 3 ) 0 9 5 1 0 3 0前 言 新 拌水 泥基 复合材料在流变和硬化状态下 的 工作度、 流动性 、 密实性和耐久度等对应力一 应变关 系等力学性能均有重要影响。需要满足不 同批次间 产品性能 的一致性 运输及施工过程中不发生离析 等一 系列要求f l j 。纤维体积含量通常在 1 一 2 0 之 间 ， 并且生产工艺和工作度受到各组分的影响。 要实现纤维 的合理分 布和纤 维混凝土 良好 的 工作度， 通常有以下三种不同情况 ： 纤维体积含 量介 于 l 2 时 ， 可使用常规重力式搅拌机 ， 且材 料的抗拉强度和极 限应变能力变化不大。纤维含 量达到 2 时 。可使用符合大规模生产要求的强制 式搅拌机。 对添加 2 0 以上大体积含量的砂浆渗 浇纤维混凝土而言 ，加工工艺有非常特殊 的要求。 此外 纤维混凝 土的离析 、 流动性 、 密实性及表 面加 工处理均受到纤维体积率的影响 。对纤维体积含量 大于 1 的超强韧性纤维混凝土而言 ，需要有 良好 的力学性能和工作度。 1 液化 机理 与 设计方 法 超强韧性纤维混凝土是工程水 泥基 复合材料 基金项 目： 国家 自然科学基金项 目( 5 0 9 7 8 1 7 1 ) 。 ( E C C ) 的另一名称 ， 通常采用聚 乙烯醇纤维 ( P V A) 或聚乙烯 ( P E ) 纤维嘲 ， 通过高效减水剂及起稳定粘 结作用的粘度改 良剂优化组合 在添加表面经过特 殊处理的聚丙烯 ( P P ) 纤维后 ， 可得具有 良好宏观性 能和微观 界面粘结特征 的聚丙烯超强韧性纤维混 凝土 。其 中， 高效减水剂用来控制水泥颗粒间的凝 絮现象 。 而粘度改 良剂通过减少水泥浆 的剪切粘度 使这些水泥颗粒达到稳定状态 3 。虽然粘度改 良剂 有助于 E C C流动性的提高且不使其产生离析现象 ， 但在搅拌过程 中会产生一些尺寸相对较大且无法 溢出的气孔( 体积含量在 2 0 左右) 。超强韧性聚丙 烯纤维混凝土 的工作度主要受到小尺寸颗粒 的影 响。在适 当的水灰 比下 ， 处于搅拌过程 中的混合物 能够发生液化。液化是岩土工程 中饱和非粘性土受 单调反复扰动地震波作用时经常发生的现象。当土 颗粒间 的孑 L 隙压力增加时 ， 抗剪强度会 降低 。 此时 土的流动性能表现得象液体一样。本研究利用液化 机理 ， 降低超强韧性纤维混凝土在搅拌过程中的稠 度 ， 使水泥、 硅砂等固体颗粒 和纤维都能均匀分布， 从而改善流动性并使其保持 良好稳定的微观结构 。 1 1 产生液化现象的理想固体颗粒级配 一 51 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 9期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 9期 超 强 韧 性 纤 维 混凝 土 具 有 多裂 纹 破 坏 和应 变 强化的特性。根据细观力学方法可以对其最大固体 颗粒粒径给 出上限( = 2 0 0 m) ， 对 P P纤维体积含 量给出下限( 0 8 ) 。文献 4 通过骨料级配方法优化 纤维混凝土的颗粒尺寸分布 ， 当水灰 比保持在 0 _ 3 0 4 5之 间时 。 均 可 以 实现 致 密 的微 观 结 构 ， 从 而得 到 良好的初裂强度。 理想颗粒级配公式为： f O 5 f d = l O 0 ( ) ( 1 ) 、一m ， 式中， 为尺寸小于 d的颗粒百分含量 ； ( z 为 最大固体颗粒尺寸。 固体颗粒的理想尺寸分布如图 1 所示。在此条 件下 ， 无需添加粘度改 良剂 即可产生致密且稳定的 微观结构。根据式 ( 1 ) 得到优化的固体各组分 比例 后 ， 可以确定产生液化现象 ( 固体和液体之 间的过 渡状 态 ) 含 水量 。 1 2 E C C材料组分及制造过程 本试验采用普通硅酸盐水泥 ：级粉煤灰 ； 粒 径为 0 2 1 0 3 6 ra m 的硅砂 ； S i k a 型高效减水 剂和 P P纤维 。 按照图 1 所示 的固体颗粒理想级配曲线配 置各组分 可得 到固体颗粒直径的体积百分含量分 布 示意 图 见 图 2 。 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 O O 屡 U 二 泥 一 一谚 P 一 粉 煤灰 ( c) 、 1 j 0 1 1 1 0 1 0 0 粒 径 mm 图 1 固体颗粒理想级配曲线 图 2 超强韧性纤维混凝土颗粒尺寸分布 利用重力式搅拌机制备 E C C的关键是避免加 水过多 ， 同时要在整个搅拌过程 中保 持水泥浆 的流 一 5 2一 塑状态。混合过程仅包括重力和离心力引起的材料 内部剪切摩擦 ， 因此 ， 需要干料在发生絮凝前可 以 均匀搅拌并保持稳定状态。 实际制备过程为 ： 先干拌砂、 粉煤灰及 1 3的水 泥 l m i n ， 随后加入 8 0 的水。 此时， 由于水泥较少而 形成流塑状态的胶体 。随后交替填加剩余的 2 3 水 泥 、 2 0 的水 和 高效减 水剂 以防止形 成块 状 积聚 物 。 此过程大约需要进行 8 1 0 m i n 。最后在具有 良好粘 稠度的水泥砂浆胶结之前 ，填加 P P纤维并使其均 匀分散于基体之中。 2 E C C流 动性分 析和 力学 性能试 验 本试验通过小型重力式搅拌机( V = 3 O O d m ， ) 生 产 4组水灰 比不 同的超强韧性纤维混凝 土并利用 坍落度测试锥测量其流动性能 ， 见图 3 。 其中， 第 1 组为对 比用的参考组 ( 表 1 ) ， 水灰 比 为 0 4 5 ， 液 固比为 O 2 5 ， 流动 指数 F = I 1 3 。 P P纤维 长 f ， = 1 2 m m， 直径 = 4 0 1x m， 体积含量 2 5 。 超强韧性 纤维混凝 土的工作度可通过坍落度试验 测得并用 流 动指标 f表 示 。 ( 一 d 0 2 ) ( f 0 2 ( 2 ) 式 中， 为流动后超强韧性纤维混凝土饼块 的 直 径 ， d 。 = 1 0 c m 是 圆锥筒底 部 的直径 。 表 1 超强韧性纤维混凝土混合物成分及 流动性能 图 3 坍落度测试锥试验 仅在混合物 M1中添加粘度改良剂 ，但流动性 能变化不明显并且含气量在 2 0 左右。混合物 M2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m