聚丙烯腈纤维对混凝土强度及耐磨性的影响.pdf

2 0 1 5年第 4期 4月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C ONC RET E AND C EME NT P R0DU C T S 2 01 5 No 4 Apr i l 聚丙烯腈纤维对混凝土强度及耐磨性的影响 李 斌 ， 蔡汉超 ， 缠宏宇 ( 内蒙古科技大学 ， 包头 0 1 4 0 1 0 ) 摘要 ： 通过聚 丙烯腈纤维混凝 土的力学性 能试验 ， 研 究 了不 同含量 、 不 同长度的单丝聚 丙烯腈 纤维对混凝土 抗压强度的影响 ， 针对道面混凝 土性 能要 求 ， 应 用公路 耐磨试验 方法 ， 进行 了素混凝 土和纤维混凝 土的对比试验 ， 研究 了不 同舍量、 不 同长度的纤维的作用机 理。 结果表 明， 6 n u n 、 1 2 mr n的聚丙烯腈 纤维能大幅提 高混凝土的抗压强 度 ； 1 9 ram 的聚 丙烯腈纤维在 一定掺量 以上 时对 混凝 土强度存在一定抑制作用 不 同长度掺量的聚 丙烯腈纤维对耐 磨性 的影响规律 不同且对混凝土的 2 8 d和 5 6 d耐磨性影响规律差异 明显 。 关 键 词 ： 聚 丙烯 腈 纤 维混 凝 土 ； 抗 压 强度 ； 耐 磨 损 性 能 Ab s t r a c t ： T h e me c h a n i c a l e x p e r i me n t s o f p o l y a c r y l o n i t r i l e fi b e r c o n c r e t e a r e e a r r i e d o u t t o s t u d y t h e i n fl u e n c e o f d i f - f e r e n t l e n g t h a n d c o n t e n t o f p o l y a c r y l o n i t fi l e mo n o fi l a me n t f i b e r o n c o mp r e s s i v e s t r e n g t h An d b a s e d o n r e q u i r e me n t s o f r o a d p a v e me n t c o n c r e t e ， t h e c o mp a r a t i v e t e s t s o f p l a i n c o n c r e t e a n d fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e a r e a l s o c a r r i e d o u t t o t h e me c h a n i s m o f p o l y a c r y l o n i t ril e f i b e r s wi t h d i f f e r e n t c o n t e n t a n d l e n gth b y u s i n g r o a d a b r a s i o n t e s t i n g me t h o d 1 1 1 e r e s u l t s s h o w t h a t 6 mm a n d 1 2 ram o f p o l y a e r y l o n i t r i l e fi b e r c a n s i g n i fi c a n t l y i mp r o v e t h e c o mp r e s s i v e s t r e n gth o f c o n c r e t e ；1 9 mm p o l y a c r y l o n i t r i l e fi b e r h a s s o me i n h i b i t o r y e f f e c t o n c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e w h e n a b o v e a c e r t a i n c o n t e n t Di f f e r e n t l e n g t h a n d c o n t e n t o f fi b e r s h a v e d i f f e r e n t i n fl u e n c e s o n we a l r e s i s t a n c e ； t h e i n f l u e n c e o f p o l y a e r y l o n i t r i l e fi b e r o n 2 8 d a n d 5 6 d w e a r r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e a r e s i g n i fi c a n t l y d i f f e r e n t Ke y wo r d s ： P o l y a e r y l o n i t r i l e fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ； C o mp r e s s i v e s t r e n gth ； W e a r r e s i s t a n c e 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 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 5 ) 0 4 4 9 一 O 5 0前 言 关 于纤维混凝土 的抗压强度 国内已经进行 了 大量研究 _ 3 1 ， 但 由于纤维物理性能和配合 比的不 同 得到的结论有一定差异。本文较系统地研究了聚丙 烯腈纤维掺量 、 长度对混凝土强度的影 响。混凝土 的磨损被解释为是一个断裂过程 ， 由于混凝土表面 不断承受着压应力和拉应力的循环作用， 微裂缝等 原 发缺陷则成 为磨损 时周期性扰动 的疲劳裂纹引 发源， 最终引起表层的局部断裂 、细骨料 的脱落而 导致结构破坏嗍 。 聚丙烯腈纤维具有强度高， 耐酸 、 碱 、 盐等化学 腐蚀等特点， 且价格低廉， 施工工艺简单， 可有效抑 制混凝土的开裂 ， 改善混凝土耐久性能 。对 聚丙烯 纤维混凝土的耐磨性 ， 国内有 了一定研究 - 7 ， 然而 ， 对 于 聚 丙烯 腈 纤 维 混凝 土 耐 磨 损性 能方 面 的研 究 ， 学术界尚涉及不多 。为此 ， 笔者进行 了纤维混凝土 耐磨损试验， 并分析 了耐磨损性能与长度 、 掺量、 龄 期之间的相关性及磨损机理 。 1 试 验 用原材 料 水泥 ： 4 2 5级普通硅酸盐水泥。 中砂 ： 细度模数 2 9 6 ， 含泥量 3 9 。 碎 石 ： 粒 径 5 - 2 5 m m。 外加剂 ： 萘 系高效减水剂 ( 粉 剂 ) ， 其指标符合 G B 8 0 7 6 2 0 0 8 混凝土外加剂 要求 。 纤 维 ：聚丙 烯腈 纤维 ，长 度 为 6 mm、 1 2 ram、 1 9 mm， 其物理力学性能见表 1 。 表 l 聚丙烯腈纤维 的物理力学性能 2混凝 土配合 比 本试验所用混凝土基材强度为 C 5 0 ，根据 J G J 5 5 2 0 1 1 普通混凝土配合 比设计规程 进行 配合 比 设计。单方配 比为 ：水泥 4 7 1 4 k g ，水 1 8 8 6 k g ， 砂 6 7 0 1 k g， 石 1 0 9 3 5 k g 。 本 试验所用 聚丙 烯腈纤维选取 3种长度 和 4 种掺量添加到混凝土中， 测试各组混凝土的抗压强 度和耐磨损性能 ， 即本试验共设计 了包括素混凝土 在内的 1 3组试件进行试验 ， 具体纤维长度 、 掺量及 试件编号见表 2 。 3 立 方体抗 压试 验 3 1 立方体抗压试验和基准组抗压强度试验 49 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 4期 混凝土与水泥制品 总第 2 2 8 期 表 2 纤 维长度 、 掺量及试件编号 混凝土的抗压性能是混凝 土力学性 能的最基 本的指标 ， 对纤维混凝土的其它性能研究具有参考 意义。 本试验参照 G B T 5 0 0 8 2 2 0 0 9 ( 普通混凝土力 学性能试验方法标准 进 行 ， 混凝土立方体抗压强 度用式( 1 ) 计算 。 = F ( 1 ) 式中 7 ： 为混凝土立方体抗压强度 ， MP a ； F为试 件破坏荷载 ， k N； A为试件承压面积。 以每组三个试件测值 的算术平均值 作为该组 试件的强度值 ， 精确至 0 1 MP a 。因本试验所用试块 为 1 0 0 m mx 1 0 0 m mx 1 0 0 m m非标准试件 ， 故乘 以 0 9 5 的尺寸换算系数。基准混凝土的抗压强度见表 3 。 表 3 基准混凝土的抗压强度 MP a 3 2 聚丙 烯腈 纤维对 混凝 土抗压 强度 的影 响 图 1 图 3分别为 7 d 、 2 8 d 、 5 6 d龄期时各组聚丙 烯腈纤维混凝土的抗压强度对 比。由图可见 ， 不同 龄期时 ， 6 ra m和 1 2 ra m聚丙烯腈纤维可使混凝土强 度大幅提高 ， 但随着龄期的增长与基准组 的比值呈 减小趋势 ， 这是 由于纤维的弹性模量低于混凝土的 弹性模量 ， 所 以， 掺聚丙烯纤维 的混凝土立方体抗 凸_ 岂 暖 O 5 09 1 - 3 1 7 掺量 ( k g m ) 图 1 各组聚丙烯腈纤维混凝 土 7 d抗压强度对 比 芝 鹱 压强度较基 准混凝土会有所下降 8 1 ， 但个别出现提 高幅度变大 的现象 ； 1 9 m m 聚丙烯腈纤维使混凝 土 的强度略微降低 。 由图 1可见 ， 7 d时 ， 掺 0 5 k g m 的 6 mm聚丙烯 腈组 混凝土 强度较 素混 凝土下 降 了 1 3 ，但 掺 0 9 k g m 组的? 昆凝土强度提高了 2 1 3 。由图 1还 可看 出 ， Al 组 混凝 土抗压 强度 随掺 量呈 现先 快速 提 高后缓慢下降的趋势。这是由于几何尺寸较小的纤 维可桥接混凝土 内部 的微裂缝 ， 分散 了集中应力并 抑 制 了表 面裂 缝 的产生 。从 表 面无裂 缝到产 生裂 缝 肯定 比从微裂缝扩展为宏 观裂缝需要更多 的能量 嘲 ，因此 ， 在 掺 量 刚增 加 时混 凝 土 强 度 增 长 较快 ， 之 后强度出现下降说明纤维数量的增加影响了粘结。 长度 1 2 mm的聚丙烯腈纤维混凝土强度是随掺量的 增长呈现较为平 缓的先增长后下降规律 ，其 中， 最 小和最大提高幅度分别为 4 9 和 1 0 9 ， 各点连线 为微 凸 的形 状 。长度 1 9 mm 的聚丙烯 腈纤 维混 凝 土 强度 与基 准最小 相差一 1 7 7 ， 最 大相 差 1 0 1 。 由图 2可见 ， 在 2 8 d龄期时 ， 掺长度 1 2 ram的聚 丙 烯腈 纤 维混 凝 土 强 度 随 掺 量 的 增 长 变 化规 律发 生明显改变， 掺 0 5 k g m 、 0 9 k g m 、 1 3 k g m 、 1 7 k g m 。 的聚丙烯腈纤 维 昆凝土强度较基准混凝 土强度的 差值 比例分别为一 1 5 、 9 8 、 1 4 6 、 5 4 。因此可 以判断 ， 中间掺量 的混凝土强度值表现补强效应 。 原 因是 1 2 m m纤维抑制微裂缝产生的作用较弱 ， 但 在其达到一定 数量 时却较强地抑制了微 裂缝的发 展。与早龄期的规律不同可能是 由于平均粘结力不 足 ， 裂缝 刚一产生纤维就产生滑移并导致试件破坏 所致 。长 度 1 9 m m 的聚丙 烯腈 纤维 混凝 土强 度在 四 个 掺量时与基 准分别相 差 4 2 、 一 3 5 、 一 9 0 、 一 3 5 ，中间两个掺量补强作用明显 。这说 明 1 9 ram 的纤维与基体粘结强度较低l 1 o l 。 图 2 各组聚丙烯腈纤维混凝土 2 8 d抗压强度对 比 在 5 6 d时， 掺 6 m m 聚丙烯腈 0 5 k g m 时 ， 混凝 土强度较素混凝土提高了 4 3 ， 但掺 0 9 k g m 时上 一 5 0一 嘎 图 3 各组聚丙烯腈纤维混凝土 5 6 d抗 压 强 度 对 比 升 至 1 2 1 ，可见 Al组混 凝 土抗 压 强 度 的提 高 速 率下 降明显 。A 3组强度 较基准混 凝土 强度提 高 卯 卯 卯 如铝 舭 加强 弘 如 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李 斌 ， 蔡汉超 ， 缠宏字 聚丙烯腈纤维对混凝土强度及耐磨性的影响 1 9 ， A 4组则上升了 2 9 。 长度 1 2 ram的聚丙烯腈 纤维混凝 土强度随聚丙烯腈纤维掺 量的增长呈现 平缓的增长趋势和较大的下降趋势 ， 其最小和最大 值与基准相差幅度为一 0 8 和 1 2 1 。 掺 1 9 ram聚丙 烯腈纤维混凝土组抗压强度呈现先 下降后 提高的 情况 ，各组强度值与基准分别相差 1 7 、 一 1 5 、 一 5 3 、 一 2 9 ， 与 6 mm、 1 2 m m组 差异 明显减 小 。 4混凝土耐磨性试验和基准磨耗量 4 1 耐磨试验方法和基准磨耗量 混凝土耐磨耗试验按 J T G E 一 2 0 0 5 公路工程水 泥及水泥混凝土试验规程 “ 进行。用表 2配合 比， 每组成型 3个试件。试验时先刷净表面浮尘 ， 再将 试件放至耐磨耗试验机上 ， 用夹具紧固， 在 3 0 0 N负 荷下预磨 3 0转后取下试件称重 ， 记下相应质量 m ， 接着复磨 4 0转取下称重 ，记下质量为 m： ， m 、 m ： 均 精确至 0 5 g 。 每一试件单位面积的磨损量按式( 2 ) 计 算 ， 精确至 0 0 0 1 k g m 。 G= 盥 ( 2 ) 001 2 5 一 式 中： G为单位面积的磨耗量 ， k g m ； m 为试件 预磨后的质量； mz 为试件磨损后的质量。 经 测试 ，基 准 混凝 土 的 2 8 d磨 耗 量为 3 2 2 7 k g m 2 ，5 6 d磨耗量为 3 0 0 0 k g m 。 4 2 聚丙烯腈纤维对混凝土耐磨性的影响 4 2 1 聚丙烯腈纤维对 2 8 d混凝土耐磨性 的影响 图 4为 2 8 d龄期时各组聚丙烯腈纤维混凝 土 的磨耗量试验结果。由图 4可见 ， 2 8 d时， 不 同长度 及掺量下的聚丙烯腈纤维混凝土耐磨性规律表现 不 同。 6 m m聚丙烯腈纤维混凝土各组的磨耗量分别 为素 混凝 土 的 7 6 4 、 6 6 5 、 5 9 9 、 6 7 8 ； 1 2 mm 聚丙烯腈纤维混凝土各组 的磨耗量分别 为素混凝 土 的 7 1 9 、 6 3 8 、 5 2 9 、 8 9 2 ，且 与 6 ra m 组 一 样呈现先下降后上升的趋势 ，但掺量为 1 7 k g m 时 磨耗量反弹得非 常明显 ； 1 9 ra m聚丙烯腈纤维混凝 土各组的磨耗量分别 为素混凝土的 5 2 1 、 7 1 9 、 掺量 ( k g m ) 图 4 各组聚丙烯腈纤维混凝土 2 & d 磨耗量 7 7 3 、 8 7 4 ，且随掺量增加磨耗量一直呈现上升 趋势。 分析数据还发现 ， 1 2 m m聚丙烯腈纤维? 昆 凝土 组在掺量小于 1 3 k g m 时， 其磨耗量略小于6 mm纤 维组 ； 1 9 m m纤 维组磨耗量 在掺量 为0 5 k g m 时最 小 ， 但掺量较大时其磨耗量 比 6 m m组及 1 2 m m组明 显要大。可见 ， 一定掺量 以下 时， 越长的纤维掺入 ， 混凝土的耐磨性越好 ， 但这个掺量随纤维长度的增 加会 明显变小 ； 在该掺量 以上时 ， 混凝土 的耐磨性 会变差 ， 但纤维越短这个趋势就越不明显 。 考虑纤维 的阻裂作用 ， 纤维的掺入会增强混凝 土 的耐磨损能力 ， 以上试验结果与这一原理相矛盾 说 明各组混凝土在 2 8 d龄期 时， 纤维与基体 间界面 水化不充分 ， 致使耐磨性下降。聚丙烯腈纤维 的亲 水性增加 了水泥浆体对纤维表面的润湿效果 ， 包覆 效果得到显著改善 ， 水泥硬化后能产生更大 的界面 粘结作用 ，从而大大提高了纤维一 硬化基体 的界面 粘结性能 ， 增强了纤维与水泥基材料的结合力 1 2 1 ， 但 这种粘结力受到界面基体水化程度的影响。笔者认 为 ， 聚丙烯腈纤维分子上的极性基团使贴近纤维 的 区域富集更多的水分导致水灰比上升 ， 在距纤维一 定距离区域的基体水灰比略微下降至 0 4以下。随 着龄期的增长 ，基础水灰 比偏低处水 泥浆体密实 ， 孔 隙率较小 ， 水分扩散受限制 ， 水泥 的水化速度也 就越慢l l3 1 。 这使水分扩散变慢 ， 贴近纤维的基体一旦 得 不 到充 分 的水 分 就影 响 界 面 的水 化 ， 继 而形 成 薄 弱层 。纤维越长 ， 薄弱层 的界面也越长 ， 这种趋势就 越 明显 。混凝 土 的磨 耗本 质上 是一 种 剪 拉 破坏 ， 试 块承受的最大法 向正应力虽然在表面上 ， 但最大剪 应力却发生在表面以下的次表面层 ， 在接触应力的 移动和反复作用下 ， 混凝土表面不断承受压应力和 拉应力的交替循环 ， 形成周期性扰动 ， 引发破坏4 1 。 4 2 2 聚丙烯腈纤维对 5 6 d混凝土耐磨性的影响 图 5为 5 6 d龄期时各组聚丙烯腈纤维混凝 土 的磨耗量试验结果 。 对 比 2 8 d时的耐磨性 ， 5 6 d龄期 时 ， 混凝 土的耐磨性 明显提升 ， 这 是 由于界面的水 掺量 ( k g ma ) 图 5各组聚丙烯腈纤维混凝土 5 6 d磨耗量 化更为充分所致。由图可见 ， 6 ra m纤维 混凝土组 的磨耗量分别 为基准组混凝 土磨耗量的 6 3 1 、 3 7 3 、 4 8 、 5 4 2 ， 磨耗量呈先下降后上升 的趋势 。1 2 r n m 纤 维混凝土组的磨耗量分别 为基准混 凝 土 磨 耗 量 的 5 2 9 、 5 2 9 、 3 8 、 4 2 2 ，呈现平缓下 降再 上升 的趋势 。 1 9 ram纤维? 昆 凝土组的磨耗量分别为基 准 混 凝 土 磨 耗 量 的 4 2 2 、 6 6 7 、 6 4 4 、 4 4 ， 呈现先上升后下降的趋势。 一 5】一 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 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m