预应力织物增强混凝土力学性能试验研究.pdf

2 0 1 3 年 第 4 期 (总 第 2 8 2 期 ) Nu mb e r 4 i n 2 0 1 3 ( T o t a l No 2 8 2 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 MA T EI uAL AND ADM I NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 0 4 0 2 2 预应力织物增强混凝土力学性能试验研究 吴伟民 ( 福建水利电力职业技术学院 ，福建 永安 3 6 6 0 0 0 ) 摘要： 织物增强混凝土是一种新型的水泥基复合材料 ， 通过以碳纤维和耐碱玻璃纤维为原料的编织物为主要增强材料 ， 聚丙 烯纤维为次要增强材料 ， 制成混凝土材料。 在保证强度的前提下 ， 不仅能有效 的减少水泥用量 ， 预应力织物还能够较好地传递拉 伸和弯曲荷载 ， 可以起到替代部分钢筋 的作用 ， 有效地防止 了碳酸盐或氯盐 的腐蚀 ， 对提高混凝土耐久性有很大的作用 ， 其在水 利工程混凝土结构中的运用越来越广泛。 关键词： 预应力 ；织物增强混凝土 ；聚丙烯纤维；力学性能 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 4 0 0 8 0 0 3 S t u d y o n me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f p r e s t r e s s e d t e x t i l e r e i n f o r c e d c on c r e t e WU We i - m抽 ( F u j i a n C o l l e g e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d E l e e t i c P o u e r ， Y o n g a n 3 6 6 0 0 0 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： The t e x t i l e r e i n f o r c e d c o n c r e t e wa s a n e w typ e o f c e me nt b a s e d c o mp o s i t e ma t e ria l s ， c a r b o n fib e r an d a l ka l i r e s i s t a n t g l a s s fibe ra s r a w ma t e ria l o fb r a i da st h ema i n r e i n f o r c i n gma t e ria l ， an dp o l y pr o py l e n efib e ra sthe s e c o nd a r y r e i n f o r c e dma t e ria l ， t opr od u c ethe c o n c r e t ema t e ria l ， t o e n s u r ethe s tre n g t hof thepr e mi s e， i t n o to n l yc o ul d e ffe c t i v e l yr e d u c ethe a mo t mt o fc e me n t ， thep r e s t r e s s e df a b ric a l - S O b e R e r a b l e t o p a s s the t e n s i l e an d b e n d i n g l o a d s and r e p l a c e p a r t o f the r e i n f o r c e me n t ， a n d e ff e c t i v e l y p r e v e n t i n g the c o r r o s i o n o f c a l - bo n a t e o r c h l o rid e， pl a y e d a s i g n i fic an t r ol e t o i mp r o v e c o n c r e t e d u r a bi l i t y， the u s e o ft e xt i l e r e i n f or c e d c o n c r e t e b e c o me s mo r e an d mo r e wi d e l y i n h y d r a u l i c e ng i n e e ring c o nc r e t e s t r u c t u r e s K e y w o r d s ： p r e s t r e s s e d ； t e x t i l e r e i n f o r c e d c o n c r e t e ； p o l y p r o p y l e n e fi b e r ； me c h an i c a l p r o p e r t y 0 引言 随着国民经济的发展， 水利的重要性愈加突出， 建设 项 目也越来 越多。 然而 ， 由于水工建筑物长期受环境水 的 作用 ， 工作条件十分复杂 ， 它不仅需要满足强度 、 稳定方面 的要求， 还要具备抗裂、 抗渗 、 抗冻 、 抗冲耐磨等耐久性方 面的要求 ， 这就要求不断改善混凝土材料 的性能。 预应力织物增强混凝土是一种新型 的水泥基复合材 料， 在保证强度的前提下， 它不仅能有效的减少水泥用量 ， 预应力织物还能够较好地传递拉伸和弯曲荷载， 可以起到 替代部分钢筋的作用 ， 有效地防止了碳酸盐或氯盐的腐蚀 ， 对提高混凝土耐久性有很大的作用。 本研究首先介绍了预 应力织物增强混凝土的制备， 并通过弯曲、 拉伸等性能试 验研究来验证这种新型混凝土 的有效性 ， 为水利水 电工程 昆 凝土耐久性改善的研究提供借鉴。 1 试验材料及试验仪 器 1 1 试验材料 水泥： 湖北华新水泥公司生产的 P I I 5 2 5 级水泥。 石子 ： 5 2 5 h i m碎石 ， 密度为 2 6 0 0 k g m 。 收稿 日期：2 0 1 2 1 0 1 9 8 0 砂 ： 中砂 ， 细度模 数 为 2 7 ， 含 水率 为 3 2 ， 密 度为 2 5 0 0 k g m 3 ， 级配 良好 。 织物： 网状碳 玻璃纤维缝编织物， 碳纤维粗纱与玻璃 纤维粗纱成交叉 网状编织 ， 其中碳纤维作抗拉增强材料 ， 沿 长边布置， 一束碳纤维粗纱的抗拉力为 2 0 k N。 聚丙烯纤维 ： 长度为 1 0 1T I 1T I 的短纤维 ， 直径为 2 5 tx m， 主要起抗裂 、 抗渗作用 。 浸润剂 ： 环氧树脂 ， 用以浸润织物 ， 提高界面连接性能。 水 ： 普通 自来水 。 1 2 试 验 仪 器 R G 3 0 1 0 万能试验机 ， 3 0 0 m mx l O 0 m mx l O 0 mm模具 ， 3 0 0 mm 5 0 m mx 5 0 m m模具恒温养护室 ， 预应力张拉台 ， 夹具等 。 2 试验 方法 2 1 预应力织物增强混凝 土试件 的制备 预应力织物增强混凝土要有较好的密实性和早期强 度， 根据前期试验确定混凝土的配合比为： 水泥： 石子： 砂： 粉 煤灰： 水 = 3 5 0 ： 1 1 0 0 ： 5 5 0 ： 1 5 0 ： 2 5 0 ， 聚丙烯纤维的掺量体积率 为 0 2 ， 使用方法为先掺法。 预应力织物混凝土试件 的制作流程是 ： 首先将搅拌均 匀的混凝土浇筑到铺有塑料薄膜的模具中， 浇筑厚度为试 件高度的一半 ， 并用振动器振平 ， 然后将在浸润剂 中浸润 过的织物网平整安放在混凝土上， 碳纤维粗纱端部放入夹 具并拉紧， 进行预应力张拉并保持持续荷载状态， 使混凝 土试件满足各 向同性的要求 ， 最后浇筑上半层混凝土 ， 振动 器振平， 用薄膜覆盖放人养护室养护 2 8 d 后试验。 2 2 预应 力织物增强混凝 土弯曲性能试验 弯曲试验主要用来检验材料在经受弯曲负荷作用时 的性能 ， 以评定材料的弯曲强度和塑性变形的大小 ， 利用 万能压力试验机采用 四点弯 曲加载法对混凝土试件进行 弯曲性能试验 ， 试件尺寸按弯曲试验规定采用 3 0 0 m l T I X 1 0 0 m m 1 0 0 tu r n ， 加 载速 率为 0 8 n l m s ， 加载简 图如图 1 所示。 图 1 混凝 土试件 四点加载 法简 图 本试验需要探究掺人织物、 同时掺人织物和聚丙烯纤 维 、 以及未掺人织物和聚丙烯纤维三种状态在不同预应力 时分别对混凝 土试件力学性能的影响 ， 其 中预应力施加强 度在碳纤维粗纱强度的 2 0 以内， 每组试件取三个， 最后 记 录抗弯弹性模量 、 挠度 、 初裂荷载和极 限荷载平均值 ， 并 进行试验对比分析， 具体试验方法如表 1 所示。 表 1 预应力织物增强混凝土弯曲性能试验方法 2 3 预应 力织物增强混凝土拉伸性能试验 拉伸试验是指在 承受轴 向拉伸载荷下 测定材料特性 的试验方法 ， 利用拉伸试验得到的数据可以确定材料 的拉 伸强度、 屈服强度和其他拉伸性能指标， 能有效反应试件 的力学性能 。 本试验采用万能试验机对掺入织物 、 同时掺 入织物和聚丙烯纤维、 以及未掺入织物和聚丙烯纤维的混 凝土试件施加均匀的轴向拉伸 ， 对织物 和纤维增强混凝土 的工作机理进行有效分析。 为了防止试件打滑 ， 在试验前 对试件端部打磨并涂抹强力胶 ， 等强力胶充分固化后进行 试验 ， 试件尺寸为 3 0 0 m m 5 0 m m 5 0 m l n 。 本试验分三组 ， 每组三个试件 ， 记 录其最大拉应力 和 饱和裂缝间距平均值 ， 饱和间距 是指试件达到一定应力水 平后 ， 裂缝数量 不再增加 ， 这 时裂纹 之间最 小的间距 称为 饱 和裂缝间距 。 饱和裂缝间距能反映混凝土基体 内部的有 效传力长度和黏结度， 主要试验方法如表 2所示。 3 试验 结果及 分析 3 1 预 应力 织物 增强混凝 土 弯曲性能试 验 结果及 分析 通过对混凝土试件进行弯曲性能试验 ， 得到的弹性模 量、 挠度、 初裂荷载和极限荷载值如表 3 ， 图 2 、 3 所示。 表 2 预应力织物增强混凝土试件拉伸性能试验方法 试件 抗弯弹性 初裂荷载及挠度 极限荷载及挠度 编号模量 a 荷载 挠度 mm荷载 N 挠度 m m 2 5 0 0 2 0 0 0 1 5 0 0 j 四 1 0 0 0 5 0 0 3 5 3 O 日 2 5 2 o - 5 1 O 0 5 3 2 预应力织物增强混凝土拉伸性能试验结果及 分析 通过对混凝土试件进行拉伸试验 ， 得到的抗拉强度和 裂缝扩展结果如表 4 ， 图 4 、 5 所示。 表 4 混凝土试件拉伸试验数据结果表 7 0 目 6 0 童 5 0 星 4 0 3 0 2 0 l 0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 试件编号 图 4 拉伸试验拉应力图 lIl 上接第 7 9页 ( 2 ) 对于强度要求而言， 无论使用干燥状态的再生细骨 料还是饱和面干状态的再生细骨料， 在掺量低于 5 4 4 k g m 的情况下混凝土的强度均能够达到 3 0 MP a 。 参考文献 ： 1 1肖建庄 再生混凝土材料与结构研究新进展 J 】 _ 世界科学， 2 0 0 6 8 2 入织物和聚丙烯纤维的试件的饱和裂纹间距最小 ， 当预应力 为 3 k N时达到最小的 3 7 6 mi l l ， 这是因为加入的聚丙烯纤 维和织物共同传递荷载， 缩短了基体中荷载的传递长度， 减 小了饱和裂缝间距 ， 两者都不掺时饱和裂纹间距最大 ， 预应 力为 1 k N时最大达到 6 7 4 ra i n ， 而单掺织物时试件饱 和裂 纹间距较双掺试件要大得多， 这说明聚丙烯纤维使织物增 强混凝土具有更好的裂缝分别能力 ， 使基体黏结度增大。 4结论 通过对预应力织物增强混凝土进行弯 曲性能试验和 拉伸性 能试验 ， 研究 了预应力 、 织物和聚丙 烯纤维对弯 曲 性能和拉伸性能的影响， 得到 的结论如下 ： ( 1 ) 对织 物增强混凝土试件施加预应力 ， 可 以提 高其 抗弯强度 ， 并且抗弯刚度随预应力水平的提高而增大。 但是 ， 提高预应力会降低织物增强混凝土的抗弯延性和韧性， 使 混凝土试件的抗弯弹性模量降低。 加入聚丙烯短纤维， 对 织物增强混凝土有一定的增强和良好的增韧作用。 ( 2 ) 织物和聚丙烯纤维对预应力织物增强混凝土的抗 拉强度均有很大作用 ， 且 随着预应力 的增加而增大 ； 此外 ， 织物增强混凝 土具有显著 的拉伸应变硬化特性 ， 加入织物 和聚丙烯纤维能减小饱和裂纹间距， 有效的缩短基体内部 有效传力长度， 且当基体中掺人聚丙烯纤维时效果更佳明显， 能使织物增强混凝土具有更好的裂缝分布能力和黏结力。 ( 3 ) 从试验结果可 以看出 ， 预应力织物增强混凝土在 抗弯抗拉强度方面有较好的优势 ， 能够有效的满足水利工 程混凝土所需要 的抗裂 、 抗渗和抗腐蚀 的要求 ， 对延长水 利水 电工程混凝土结构耐久性有很大作用。 参考文献 ： 1 1黄故 现代纺织复合材料 M 1 E 京： 中国纺织出版社， 2 0 0 0 ： 1 6 8 【 2 2 徐世煨， 李赫 纤维编织网增强混凝土的拉拔计算分析【 J 】 铁道 科学与工程学报， 2 0 0 5 ( 6 ) ： 1 5 2 1 3 3 苟勇， 等 碳纤维织物增强混凝土薄板的界面黏结性能试验 J 】 _ 东南大学学报， 2 0 0 5 ( 7 ) ： 5 9 3 5 9 7 4 】 苟勇 增强混凝土的方法与原理综述 J 】 盐城工学院学报， 2 0 0 3 ( 1 2 ) ： 2 - 5 5 5张卫东， 等 碳纤维混凝土的特性及发展前景【 J 森林工程， 2 0 0 4 ( 1 ) ： 6 1 6 3 6 孙 家瑛 聚丙烯纤维对高性能混凝土抗折强度 、 抗冲击性能影 响 J 混凝土， 1 9 9 9 ( 6 ) ： 1 9 2 1 作者简介： 联系地址： 联系电话： 吴伟民( 1 9 6 5 一 ) ， 男， 副教授， 硕士， 主要从事土木工程 设计与施工管理。 福建省永安市东门路 1 9 9号( 3 6 6 0 0 0 ) 1 8 9 6 05 9 8 9 63 ( 1 2 ) ： 2 9 2 12 G B T 1 4 6 8 4 -2 0 1 1 ， 建设用砂 s 】 2 0 1 1 作者简介： 联 系地址 ： 联 系电话： 卞立波( 1 9 8 4 一 ) ， 男， 讲师， 研究方向： 建筑材料。 北京市西城区展览馆路 1 号 北京建筑工程学院 ( 1 0 o 0 4 4 ) 1 3 5 81 71 6 41 3 8 7 6 5 4 3 2 l 0 日 、 辑