不同掺量聚丙烯纤维混凝土力学性能试验研究.pdf

2 0 1 5 年 第 1 1期 (总 第 3 1 3 期) N u mb e r 1 1 i n 2 0 1 5 ( T o t a l No 3 1 3 ) 混 凝 土 Con c r e t e 理论研究 THE0RETI 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 5 1 1 0 0 7 不 同掺量聚丙烯纤维混凝土 力学性能试验研究 周继 凯 ， 毕枫桐 ，沈超 。王石付 ( 1 河海大学 土木与交通学院， 江苏 南京 2 1 0 0 9 8 ； 2 上海市建筑装饰工程集团有限公司第五工程公司， 上海 2 0 0 0 8 1 ) 摘要 ： 在相 同配合比基体混凝土中掺人体积掺量分别为0 、 0 3 、 0 7 、 1 0 、 1 5 的聚丙烯纤维， 制备纤维混凝土构件 ， 进行 立方体抗压与四点弯折试验研究 。 得出以下结论 ： 掺人纤维的试件无论掺量高低 ， 立方体抗压强度均低于基体混凝土 ， 变形性能 均有一定程度的增长 ， 弯折韧性随纤维掺量的增加而增加 。 在纤维混凝土试件中， 高纤维掺量试件在峰值荷载后变形性能、 弯折 韧性以及承载力方面相比其他试件较为优越。 关键词 ： 聚丙烯纤维混凝土； 抗压强度 ； 变形性能；弯折韧性 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 1 1 0 0 2 3 0 4 E x p e r i me n t a l s t u d y o n me c h a n i c a l p r op e r t y o f p o l y p r o p y l e n e f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e wi t h di ff e r e n t i n c o r p o r a t ion r a t e s ZHO U i k a i ， BI Fe n gt o n g ， S HEN Ch a o ， W AN G S h i f u ( 1 Co l l e g e o f c i v i l a n d t r ans p o r t a ti o n e n g i n e e ri n g， Ho h a i Un i v e r s i t y， Na n j i n g 2 1 0 0 9 8 ， Ch i n a ； 2 S h a n g h a i C o n s t r u c t i o n De c o r a ti o n En g i n e e ri n g Gr o u p C o ， Lt d ， F i f I h E n g i n e e ri n g Co mp a n y， S h a n g h m 2 0 0 0 8 1 ， Ch i n a ) Abst r a c t： P o l yp r o py l e n e fi be r i n va r i o us i n c o r po r a t i o n r a t e s wa s mi x e d i n t o t he c on c r e ma t r i x wi t h a s a me mi x p r o p o r t i o n t o ma k e p o l y p r o p y l e n e fi be r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s p e c i me n s Th e i nc o r p o r a t i o n r a t e s a r e 0， O 3 ， O 7 ， 1 0 an d 1 5， r e s p e c ti v e l y Th e s e s pe c i me ns we r e u s e d f o r c u be c o mp r e s s i v e s tre ng t h t e s t a n d f o u rpo i n t b e n d i n g t e s t F r o m the t e s t s s o me c o n c l us i o n s we r e S U l l l lT I z e d wh a t e v e r t h e i n c o rpor a t i o n r a t e， the c u b e c o mpr e s s i ve s t r e n g th o f p ol y p r o p y l e n e fib e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i s l o we r than tha t o f c o n c r e t e ma t r i x Th e d e f o r ma ti on c ha r a c t e ris t i c o f fibe r r e i n f o r c e d c o n c r e t e wa s i mp r o v e d Fl e x u r e t o u g h n e s s i n c r e a s e d a s the i n c r e a s i n g o f i n c or p o r a t i o n r a t e Amo n g the fibe r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s pe c i me ns ， s p e c i me n s wi th h i gh i n c o rpo r a t i o n r a t e s a r e s u pe rio r t o o the r s i n d e for ma t i o n p e r f o r ma n c e， f l e x u r e t ou g h n e s s a n d b e a r i ng c a p a c i t y Ke y wor ds： po l y p r o p y l e n e fib 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 tre ng th； de f o r ma ti o n c h a r a c t e ris ti c； f l e x u r e t o u g h n e s s 0 引言 1 试验概况 聚丙烯纤维混 凝土是一种具 有优 良耐 久性 的混凝 土 材料， 耐酸、 碱、 盐腐蚀， 化学稳定性突出 。 近些年来 大量的工程实践和试验研究表 明 ， 聚丙烯纤维可以抑制 混凝土早期塑性收缩裂缝的产生 ， 减少混凝土表面微 裂 缝 出现 ， 降低混凝 土脆 性 ， 改善混凝 土或砂浆 内部孔 隙率 。卜 ， 提高延性及其后期承载变形性能 J 。 然而在提高耐久性与变形能力的 同时 ， 纤维的加入也 增加了混凝 土内部纤维 与混凝土交 界面 的缺 陷 ， 这使 得纤维混凝土的抗压强度 相 比基体混凝 土有一定程度 的 降低 。 在掺入聚丙烯纤维提高试件耐久性 的同时 ， 必须 保证其强度在一个可 以接受 的范围内。 因此为 了确定一种 较合适 的纤维掺人量 ， 需要对各体积掺入量的纤维 混凝土 力学性能做进一 步研究 。 本研 究不 同的 聚丙烯纤 维掺量 下 ， 进行立方体轴压试验与四点弯折试验以研究纤 维混凝 土力学性能的变化 。 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 2 1 2 基金 项 目 ： 国家 自然科学基金 ( 5 1 4 7 9 0 4 8 ， 5 1 1 7 8 1 6 2 ) 本试验设计不同纤维体积掺量 ( 0 - 1 5 ) 的聚丙烯纤 维混凝土 ， 对其进 行立方 体抗压 强度试 验 和四点弯 折试 验。 根据试验结果分析纤维体积掺量对纤维混凝土力学性 能的影响 ， 并确定纤维混凝 土力学性能达到最优 时的纤维 体积掺量。 1 1 试 件 制 备 制备纤维混凝 土的水泥采用 中联 P O 4 2 5级 水泥 ， 粉煤灰采用优质 I 级 粉煤灰 ， 细骨料 为细沙 ， 粗骨料 采用 优质标准 5 1 6 c m 连续级配石子 ， 水 为试验 室用水 ， 符合 J G J 6 3 2 0 0 6混凝土用水标准 。 减水剂采用 P C A I 型 高性能聚羧酸减水剂 。 纤维为北京 中纺纤建 E C C专用聚 丙烯短纤维 ， 长度小 于 4 0 I L r n 。 基于相同配合比混凝土基体， 取五种不同纤维体积掺 量 ( ) 纤维混凝土进行试验。 ( 为保证混凝土基体有 良好 工作性， 本试验基体混凝土配合比基于 C 3 0 混凝土设计配 23 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 大降幅达 3 0 2 ) ， V f = 0 7 时强度较 V f = 1 0 有所增加 ， 但相 比普通混凝土抗压强度仍有较大幅度 的下降。 纤 维体 积掺量 图4不同纤维体积掺量下的混凝土抗压强度 加入纤维 的混凝土基体 ， 其 内部初始缺 陷增加 。 同时 ， 混凝土与纤维 的交 界面成为 了聚丙烯纤 维混凝土 的薄弱 层。 当构件受压时 ， 混凝土 一 纤维界 面和混凝土初 始缺陷 位置会首先发生局部破坏 。 纤维掺量增加会引起混凝土 内 部缺陷增加 ， 混凝土 一 纤 维交界面薄弱层也 相应 增加。 因 此 ， 纤 维 混 凝 土 的抗 压 强 度 均 低 于 相 应 的基 体 混 凝 土 。 随着纤维掺量增加 ， 混凝土抗压强度呈下降趋势 。 另一方面 ， 掺人 纤维后混凝土 破坏形式 产生 了变化。 主要改变在于掺人 了纤维 的混凝 土构件在临近峰值荷载时 均未发生与普通混凝土类似 的试件表面局部剥 落现象 ， 破 坏时整体性较好 。 试 件达到峰值荷载 时裂缝 开展减缓 ， 裂 缝宽度明显降低 。 并且峰值荷载后 ， 纤维 昆 凝 土试件仍能 继续变形承载 ， 具体 的变形能力 与纤 维掺量有关 。 根据试 验结果 ， 工况 4与工况 5的峰值荷载后变形性能最好 。 2 2四 点 弯折 试 验 工况 1 试件一裂即断 ， 并伴 随有脆性 响声。 工 况 2与 工况 3不再一裂即断 ， 初始裂缝 出现后稍有一定程度 的开 展 ， 相 比工况 1 ， 破坏声 音 比较低 沉。 工 况 1 工 况 3的荷 载 一 位移曲线无下降段 。 工况 4与工况 5在出现裂缝时仍 然连在一起 ， 可继续变形 ， 且 荷载 一位移 曲线有 明显 的下 降段 。 图 5不同 工况典型弯折构件荷载一跨中挠度曲线 2 2 1 弯折强度 试验获得各工况纤维混凝土四点弯折强度见表 4 所示。 表 4各工况纤维混凝土四点弯折强度 纤 维 体 积 掺 量 图6不同纤维体积掺量混凝土弯折强度 纤维混凝土受弯拉作用开裂后 ， 纤维对混凝土产生桥 联作用有效延缓裂缝 的开展 。 因此在较低掺量下 ， 构件 的 弯折强度会有小 幅度提 高。 而 当纤 维体积 掺量进 一步增 加 ， 加强 了纤维对混凝 土的桥联作用 ， 这可 以有效 抑制裂 缝延伸 ； 同时混凝土 内部初始缺陷也 随之增 多。 若初始缺 陷不断累积的不利作用超过纤维桥联的有利效果 ， 此 时弯 折强度就会相应降低 。 2 2 2 弯 曲韧性 韧性是材料从加载到破坏 的过程中吸收能量的能力 ， 材料 的韧性越好 ， 脆 性破坏 的可能性越低。 图 5所选 取 的 典 型构件的荷载 一 挠度 曲线表明 ， 纤维掺量 V f 0 7 时 ， 纤维混凝土试 件 的弯 曲韧性 与基 体混凝 土差别 很小 ； 当 1 0 时， 试件在到达极 限荷载后并 未一裂即断。 在到 达极限荷载后 ， 位移控制加载方式仍 然有效 ， 荷载 一挠度 曲线具有明显的下降段 ， 曲线十分饱满 ， 韧性显著提升。 表 5各纤维掺量典型构件 ( 图 5所示 ) 荷载、 挠度统计 A S T M C 1 0 1 8 计 算韧性指数能反 映试 件 中后期韧性 发展 程 度 ， 参 照 A S T M C 1 0 1 8( 与 J G J 2 2 1 _2 0 1 0附 录 C 计算方法相 同) ， 计算各纤维掺 量下韧性指数并与理 想弹塑性材料韧性指数进行 比较。 需 要注意 的是 ， 针对可 能出现的不能达到规范指定相应挠度时韧性指数的计算， 本试验采用极 限挠度对应韧性指数进行计算评价。 表 6韧性 指数 计算 结果 25 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 根据表中数据 ， 韧性指数 随着 的增大而增大 ， 其 中 当 ， f = 1 0 和 = 1 5 时 ， ， m 已大于 1 0 ， 增韧效果较为明 显 。 而 当 1 0 时 ， 韧性指数 较低且无变化 ， 这表 明此 掺量 时纤维对混凝土的增韧效果较差 ， 试件的脆性破坏概 率仍然维持在较高水平 。 2 3 纤维掺量对力学性能的影响 当纤维掺量增加时 ， 试件的立方体抗压强度整体呈先 慢后快的下 降趋势 ， 最大降 幅达到 3 0 。 从 图 4中得 出 ， 1 0 时试件总体抗压强度降低较多， 其中 =1 5 试 件强度稍大于 1 0 试件强 度。 在试 件立方体抗压 强 度下降 的同时， 无论立方体抗 压试 验还是 四点弯 折试验 ， 掺入纤维的时间其材料脆性得到了很好改善 ， 纤维的加入 为试件提供 了峰值荷载后继续变形的能力。 四点弯折试 验 中， 掺入纤维 的试件初 裂荷载 显著 降 低 ， 降幅均达 5 0 以上。 但极 限荷载 与基体混凝土试件相 差不大 ， 且破坏状态改变 ( 不再一裂就坏 ) ， 峰值荷载后继 续变形能力提升明显。 四点弯折试验也表 明， 低纤维掺量 混凝土试件 的在加载 中后期韧 性不 足 ， 随着 纤维 掺量提 高 ， 混凝土试件荷载 一挠度 曲线有 较明显下降段 ， 这说 明 当纤维掺量较高时， 纤维能在裂缝开展后期继续发挥增韧 作用 ， 使荷载 一挠度 曲线较低掺量试件饱满。 3 结论 ( 1 ) 掺入纤维后 的混凝土试件 ， 抗压强度较基 体混凝 土有所降低 ， 但变形 能力与延性提高显著 。 ( 2 ) 纤维掺量对试 件的弯 折破坏荷 载影响不 明显 ， 对 开裂荷载影响显著 ， 高掺量试件韧性好 于低掺量试件。 ( 3 ) 较高纤维掺量 的混凝土试件在承载力 、 工作性 、 韧 性 、 峰值荷载后变形能力上优于其他掺量 。 参考文献 ： 1 李燕飞， 杨健辉 ， 丁鹏 ， 等 混杂纤维混凝土力学性能研究E J 玻璃钢 复合材料 ， 2 0 1 3 ( 2 ) ： 6 0 6 4 上接第 2 2页 3 结 论 ( 1 ) 橡胶粉改性再生混凝 土的立方体抗压强度 、 棱柱 体抗压强度低于普通混凝土 、 再生混凝 土 ， 随着橡胶粉取 代率的增加 ， 橡胶粉改性再生混凝 土的立方体抗压 强度 、 棱柱体抗压强度不断降低 。 而橡胶粉改性再生混凝土的劈 裂抗拉强度则与普通混凝土、 再生混凝土相差不大。 ( 2 ) 基于试验结果， 分别建议了橡胶粉改性再生混凝 土立方体抗压强度与棱柱体抗压强度 、 劈裂抗拉强度 的关 系计算式 参考文献 ： 1 N A J I M K B， H A L L M R Me c h a n i c a l a n d d y n a m i c p r o p e r t i e s o f s e l f c o mp a c t i n g c r u mb rub b e r m o d i fi e d c o n c r e t e J C o n s t r u c - ti o n a n d B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 1 2 ， 2 7 ( 1 ) ： 5 2 1 5 3 0 2 K H A L O O A R， D e h e s t a n i M， R A H MA T A B A D I P Me c h a n i c a l 2 6 2 张广泰 ， 唐巍 聚丙烯纤维混凝土应力 一 应变曲线试验研究 J 混凝土， 2 0 1 5 ( 2 ) ： 2 2 2 5 3 权莉， 陶文祥_ j 匡 钢 一 聚丙烯纤维混凝土弯曲韧性试验研究 J 混凝土， 2 0 1 1 ( 1 O ) ： 2 5 2 7 4 邵晓蓉 ， 王柏生 1 氏 掺量聚丙烯纤维混凝土力学性能的试验研 究r J 混凝土， 2 0 0 6 ( 8 ) ： 3 5 3 6 5 罗才松 聚丙烯纤维掺量对混凝土强度的影响 J 科学技术与 工程 ， 2 0 1 1 ， 1 1 ( 4 ) ： 8 7 4 8 7 6 r 6 H O S I N I E H M M， A O U D E H， C O O K W D， e t a 1 B e h a v i o r o f u l - t r a h i g h p e r f o r m a n c e f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u m n s u n d e r p u r e a x i a l l o a d i n g J E n g i n e e r i n g S t r u c tu r e s ， 2 0 1 5 ， 9 9 ： 3 8 8 4 01 7 C H E N X， wu S ， Z H O U J I n fl u e n c e o f p o r o s i t y o n c o m p r e s s i v e a n d t e n s i l e s tr e n g t h o f c e m e n t m o r t a r J C o n s t r u c ti o n a n d B u i l d i n g M a t e ria l s ， 2 01 3， 4 0： 8 6 98 7 4 8 C H E N X， wu S I n fl u e n c e o f w a t e r t oc e m e n t r a t i o a n d c u r i n g p e ri o d o n p o r e s t r u c t u r e o f c e m e n t m o r t a r I- J C o n s t r u c ti o n a n d Bu i l d i n g M a t e ria l s ， 2 01 3， 3 8： 8 0 4 81 2 9 梁兴文， 郑雨， 邓明科 ， 等 塑性铰区采用纤维增强混凝士剪力 墙的变形性能研究E J 工程力学 ， 2 0 1 2 ， 3 0 ( 3 ) ： 2 5 6 2 6 2 1 O 3 葛韦华 基于 C T图像研究聚丙烯纤维高强混凝土不同温度下 的内部缺陷 D 太原 ： 太原理工大学 ， 2 0 1 4 1 1 赵国藩 高等钢筋混凝土结构学 M 北京 ： 机械工业 出版社， 20 1 2： 3 7 2 3 7 4 1 2 J G J 6 3 2 O 0 6 ， 混凝土用水标准 s 北京： 中国建筑工业出版 社 ， 2 0 0 6 1 3 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 ， 普通混凝土力学性能试验方法标准 s 北京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 3 1 4 J G J T 2 2 1 2 O 1 O ， 纤维混凝土应用技术规程 s 北京 ： 中国建 筑工业出版社 ， 2 0 1 0 1 5 王慧芳 ， 杜红秀 ， 张伟 聚丙烯纤维高强混凝土的力学性能试 验研究 D 太原 ： 太原理工大学， 2 0 1 0 第一作者 联 系地 址 联 系电话 周继凯( 1 9 7 0一 ) ， 男， 教授 ， 博士 ， 主要从事混凝士动 态力学性能、 混凝土结构基本理论的研究。 江苏省南京市西康路 1号河海大学土木与交通学院 ( 2 1 0 0 9 8 ) 1 3 6 01 46 9 9 6 8 pr o pe r ti e s o f c o n c r e c o n t a i n i n g a h i g h v o l u me o f t i r erub b e r p a r t i c l e s J Wa s t e Mana g e m e n t ， 2 0 1 0 ， 2 0 4 ( 3 ) ： 1 0 9 1 1 6 3 李丽娟 ， 谢伟锋 ， 刘锋 ， 等 高温作用后高强橡胶混凝土 的性能 研究 J 建筑材料学报， 2 0 0 7 ， 1 0 ( 6 ) ： 6 9 2 6 9 8 4 H E R N A N D E ZO L I V A R E S F ， B A R L U E N G A G F i re p e rf o rm a n c e o f r e c y c l e d r u b b e r fi l l e d h i g hs t r e n g t h 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 ar c h ， 2 0 0 4 ， 3 4 ( 1 ) ： 1 0 9 1 1 7 5 J G J 5 5 2 0 l 1 ， 普通混凝土配合比设计规程I s r 6 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 ， 普通混凝土力学性能试验方法标准 s 7 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 ， 混凝土结构设计规范 s 第一作者 联系地址 联 系电话 梁炯丰( 1 9 8 0一) ， 男 ， 副教授 ， 博士后 ， 主要从事再 生 绿色混凝土应用研究。 江西省南昌市 国家经济技术开发区厂 兰大道 4 1 8号 东华理工大学建筑工程学院( 3 3 0 0 1 3 ) 1 8 0 79 1 2 8 0 8 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m