纤维EPS吸能防护混凝土材料研究.pdf

2 0 1 5年 第 2期 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT P R0DUCTS 2 01 5 No 2 Fe b r u a r y 纤维 E P S吸能防护混凝土材料研究 陈友治 ， 陈雍雍 ， 欧阳康 ， 孙 涛 ， 李新平 ， 沈春华 ( 武汉理工大学材料科学与工程学院， 4 3 0 0 7 0 ) 摘 要 ： 试验制备 了钢纤维、 聚丙烯 纤维混杂的纤维 E P S混凝土 。 考察 了 E P S混凝土及 纤维 E P S混凝 土力学性 能 。 以改变荷载速率的方式研 究和表征 纤维 E P S混凝 土的抗 冲击性能 。研究结果表明 。 E P S混凝土有较好的力学性 能 ， 在 水 胶 比为 0 2 6， EP S体 积 率 为 4 0 时 ， 2 8 d龄 期 抗 压 强度 及 抗 折 强 度 分 别 为 2 2 0 3 M P a ， 4 5 0 MP a ； 低 掺 量 的 混 杂 纤维对纤维 E P S混凝 土抗压 强度提 高较 小， 但 对韧性提 高较 大； 相比普 通混凝 土， 纤维 E P S混凝 土随着荷 载速率增 大极限抗压强度明显提 高。 关键词 ： E P S混凝土 ； 混杂纤维； 力学性 能 ： 抗冲击性能 Ab s t r a c t ：I n t h i s e x p e ri me n t wi t h s t e e l fi b e r a n d p o l y p r o p y l e n e fi b e r ， fi b e r E P S c o n c r e t e wa s ma d e ， t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f wh i c h w e r e a n a l y z e d a s we l l a s E P S c o n c r e t e ， a n d a n t i - i mp a c t i n g p r o p e rt i e s o f fi b e r EP S c o n c r e t e we r e s t u d i e d a n d c h a r a c t e ri z e d t h r o u g h v a r y i n g t h e l o a d r a t e ： T h e r e s e a r c h r e s u l t s s h o w t h a t t h e E P S c o n c r e t e h a s g o o d me c h a n i c a l p r o p e rt i e s Wh e n t h e w a t e r c e me n t r a t i o i s 0 2 6 a n d t h e E P S v o l u me r a t e i s 4 0 c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d f l e x u r a l s t r e ng t h o f c o n c r e t e a f t e r 2 8 da y s a r e r e s p e c t i v e l y 2 2 03 MPa a n d 4 5 0MPa Lo w d o s a g e of h y brid fib e r s c a n s l i g ht l y i m p r o v e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f fi b e r E P S c o n c r e t e ，b u t l a r g e l y e n h a n c e t h e t o u g h n e s s o f c o n c r e t e C o mp a r e d wi t h n o r ma l c o n c r e t e ，t h e u l t i ma t e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f fi b e r E P S c o n c r e t e w i l l b e i mp r o v e d s i g n i fi c a n t l y wi t h t h e l o a d r a t e i n c r e a s e d Ke y wo r d s ： EP S c o n c r e t e ；Hy b rid fi b e r ； Me c h a n i c a l p r o p e r t i e s ； S h o c k r e s i s t a n c e 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编 号： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 5 ) 0 2 5 O 一 0 4 0前 言 聚苯 乙烯泡沫( E x p a n d e d P o l y s t y r e n e C o n c r e t e ， 简称 E P S ) 是一种稳定且具有 良好绝热性 、 绝缘性 、 抗震性等特点的超轻颗粒。以 E P S颗粒部分或全部 取代混凝土 中的集料 ，可制备不 同密度和强度 的 E P S混凝 土f l - -2 1 。 E P S混凝 土具有 良好 的保 温 隔热 、 减 震 、 大变形及超轻 等工程特性 ， 受到建筑行业 的广 泛 关注 3 。因此 ， E P S混凝 土结构 材料 的开 发 与性 能 研 究 及其 在工 程 领域 的应用 探讨 。 具 有 十分 重 要 的 技术经济和社会效益。 普通混凝土存在抗拉强度低 、脆性大等缺陷。 低弹性模量高韧性的聚合物纤维、 高弹性模量的钢 纤维可作为主要增强材料 ， 通过纤维对裂缝面的桥 接作用抑制混凝土裂缝的扩展。许多研究表明 ， 高 强度、 小直径短纤维的掺入能提高混凝土 的抗 冲击 性能 。钢纤维可以显著提高混凝土的韧性和能量 吸收能力 ， 改善混凝土控制裂纹宽度 的能力 。聚丙 烯纤维可有效提高水泥基材料的韧性指数 ， 且掺量 越大 复合材料 的韧性越好同， 聚丙烯纤维对提高水 基金项 目： 国家 自然科学基金项 目( 5 1 2 0 2 1 7 2 ) 。 一 5 0一 泥 基材料 的抗 冲击 性 能存在 最佳 掺量 8 1 。 使两类纤维三维乱象均匀分布于混凝土中， 可 对 混凝 土 的增 强 作用 得 到叠 加 ， 实 现 材料 性 能 的 优 势互补 ， 使得混凝 土中的塑性裂缝数量减少 ， 内部 空隙减少 。 即使其原生缺陷部分减少 。 目前 ， 有关 E P S混凝 土 和纤 维混 凝 土 的研 究 较 多 ，但对纤维 E P S防护 吸能混凝土 的研究相对较 少 。为此 ， 本研究制备 了纤维 E P S混凝土， 并对 E P S 混 凝 土 及 纤 维 E P S混 凝 土 的各 项 力 学 性 能 等 进 行 了研究 。 1 试验 过程 1 1 原材 料 水 泥 ： P O 4 2 5 级 水 泥 。 粉 煤灰 ： 级 粉煤 灰 。 偏 高岭 土 ： 湖 北产 。 钢纤维 ： 武汉某公司产高强度钢纤维。 聚丙烯纤维 ： 武汉某公司产专用聚丙烯纤维 。 E P S颗 粒 ：选 用 两 种 不 同 粒 径 的 球 形 E P S颗 粒 ， A粒径 为 l 3 m m， 表 观密度 约 为 1 0 k g m ； B粒 径 为 5 - 7 mm， 表观 密度 约为 4 k g m 。 外加剂 ：湖北某公司产聚羧酸高效减水剂 8 D， 陈友 治 ， 陈雍 雍 ， 欧 阳康 ， 等 纤 维 E P S吸能 防护 混凝 土材 料研 究 其 固含量为 2 0 推荐掺量 0 7 1 3 ，减水 率 25 。 1 2试 验方 法 首先将水泥 、 粉煤灰 、 偏高岭 土放入搅 拌机 中 搅拌至少 1 rai n 待上述原材料搅拌均匀后再加入聚 羧酸减水剂和9 0 的水 ， 继续搅拌 2 m i n ， 最后均匀 加入 E P S颗粒及 砂直至搅拌均匀 。在加入 E P S期 间 ， 加入剩余 的水 以调整浆体的稠度 ， 制备 E P S混 凝 土。重复上述步骤 ， 最后均匀将钢纤维和聚丙烯 纤 维加入 混凝 土中 继续搅拌 3 - 5 mi n ，制备纤维 E P S混凝 土 将 搅拌好 的浆料注入 4 0 mmx 4 O m mx 1 6 0 m m 的 三联模， 进行人工振动成型 ，将试块带模放入温度 ( 2 0 2 ) ，湿度 ( 9 5 5 ) 的养护室中进行养护 ， 1 d 后 拆模 ， 拆模 后 的试块 放 入 养 护室 中继续 养 护 。待 到 3 d 、 7 d 、 2 8 d 、 6 0 d龄期 时取 出试 件进 行力学性 能 测 试 2结果 与讨 论 根据标准配合 比设计原则 经计算并进行试验 调 整 ， 确定 的基 准混 凝土 配合 比见 表 1 。 表 1 基 准 混 凝 土 配 合 比 k g m 根据试验 ， 在基准配合 比的基础上进行 E P S混 的体积取代率进行掺加。具体 E P S混凝土配合比见 凝土的制备。E P S按照 1 0 、 2 0 、 3 0 、 4 0 和 5 0 表 2 。 表 2 E P S混凝 土配合 比 k g m 注 ： A、 B为 E P S颗粒 中的 A颗粒及 B颗 粒 ， 下 同。 选 取 E P S体积掺 量为 2 0 、 3 0 、 4 0 进行 实 验 。 同时 ， 钢纤 维 、 聚丙烯纤维的体积掺量分别为 0 5 、 1 0 、 2 0 以及 0 0 3 、 0 0 5 、 0 1 。将 E P S 体积率、 钢纤维和聚丙烯纤维掺量三个变量并三个 因素进 行 正 交 试 验 ， L ( 3 ) = 9 ， 得 纤 维 E P S混 凝 土 配 合 比见表 3 。 表 3 纤维 E P S混凝土配合 比 k g m 2 1 E P S混 凝 土 的力学 性 能 表 4为 E P S混凝 土 力学 性能 试 验结 果 。 由表 4 可见 ， 当 E P S体积率为 4 0 时 ， 其 2 8 d抗压 、 抗折强 度分别 为 2 2 0 3 MP a和 4 5 MP a ， 压 折 比为 4 9 ， 与普 通 混凝 土 6 0 7的 压折 比相 比有 了很 大 的提 高 说 明 增 强效 果 良好 。 2 2纤维 E P S混凝 土力 学性 能 纤 维 E P S混 凝 土 力 学 性 能 试 验 结 果 见 表 5及 图 1 和 图 2 。 2 2 1 龄期对 纤 维 E P S混凝 土强 度 的影 响 一 51 2 0 1 5年第 2期 混凝土与水泥制品 总第 2 2 6 期 图 1为试 验 所 得 纤 维 E P S混 凝 土 抗 压 强 度 与 龄期的关系曲线。从图 1可以看出 ，三组( E 2 、 E 3 、 E 4 ) 不 同 E P S掺量试件的抗压强度都随龄期的增长 而增 长。所有九组试件 的前期强度增长速率 均较 快 ， 并在 7 d左右达到峰值 ， 而后平稳增长。 2 8 d以后 混凝 土强度增长缓慢 ，说明水 泥水化 已经基 本完 成 ， 强度趋于稳定 。 想 E2 S2 E2 S3 E3 S1 E3 S2 E3 S3 E4 S1 E4 S2 E4 S3 U l U 2 U 3 U 4 U 5 U 6 U 龄期 d 图 1 纤维 E P S混凝土抗压强度与龄期的关系 2 2 2 纤维掺量对混凝土强度 的影响 图 2为 不 同纤 维 掺 量纤 维 E P S混凝 土 的抗 压 强 度试验 结果 。从 表 5及 图 2可 以看 出 ，纤维 E P S 混 凝 土 的抗 压 强 度 主要 随着 钢 纤 维 掺 量 的增 加 而 5 2一 逐渐 提高 。这是 因为 钢纤维 具有 很高 的 弹性模量 及 模量 比， 在混凝土受到荷载作用时 ， 能承受部分应 力而不致使纤维断裂或拔 出。聚丙烯纤维弹性模量 低 ， 对 于早期 裂 缝 以及 微 裂缝 的产 生 和 发 展有 良好 的防护和迟滞作用 ， 并增强混凝土的韧性 在低掺 量混杂纤维中， 聚丙烯纤维对 E P S混凝土的抗压强 度影响较小 ， 而对 E P S混凝土抗折强度 的提高有较 好 的贡献 。 5 0 4 0 曼3 0 露 营2 0 l O 0 E2 E3 试件编号 图 2 纤维 E P S混凝土抗压强度试验结果 2 2 3 纤 维掺 量对 混凝 土韧性 的影 响 由表 5的试验 结 果 可 以看 出 ，随着混 杂 纤 维 ， 尤其钢纤维掺量的增加 ， 纤维 E P S混凝土的压折 比 呈线性下降趋势 ， 混凝土表现出了较好的韧性。纤 陈友治 ， 陈雍雍 ， 欧阳康 ， 等 纤维 E P S吸能防护混凝土材料研究 维 的掺入 ， 能有效分担应力对 E P S混凝土的荷载作 用 。含纤维 的水泥基材料在受弯时 ， 即使基材中已 出现大量 的分散裂缝 ， 仍可继续 承受一定的荷载并 具有假延性 ， 从而使复合材料 的韧性和抗冲击性得 以明显提高 。 2 _ 3 纤维 E P S混凝土的抗冲击性能 随着 混 凝 土抗 压 强 度 的提 高 ， 其 抗 折 及 抗 冲击 强 度 提 升较 为 困难 ， 表 现 为脆 性显 著 增 大 。如何 改 善混凝 土韧性 ， 提 高混凝 土抗 冲击性能 ， 对混凝 土 性 能 的提 升有 重要 意 义 。 根据前期 试验配合 比( 表 3 ) 及其试验结果 ， 研 究 了不 同加 载 速 率 下 纤 维 E P S混 凝 土 的抗 冲击 性 能 。将标准养护 2 8 d的试件进行动态压缩试验 ， 试 验结果见表 6 。 表 6 纤 维 E P S混凝土抗 冲击性能试验结果 MP a 由表 6可 以看 出 纤 维 E P S混凝 土 的抗压 强 度 极 限随着荷载速率的提高而增大。 同时 ， 在纤维 E P S 混凝 土 中 钢 纤 维对 混 凝 土 的动 态 极 限荷 载 有 一 定 的提高作用 。在不 同 E P S体积率下 ， 混凝土动态荷 载强度会随钢纤维掺量 的提高而增 大 ，主要 原 因 是 ： 在混杂纤维 中， 聚丙烯纤维的弹性模量较小 ， 能 控制早期裂缝及微裂缝 ， 并对混凝土的抗折 和劈拉 性 能做 出一定贡献 ， 但对抗压强度影 响较小 ； 而钢 纤 维本 身 弹性 模 量 高 可 以阻 止宏 观 裂 缝 的发 展 。 即可 以提 高 混凝 土 的抗压 强度 。 结 合 E P S混 凝土 工 作性及力学性能 的增 强效果 ，钢 纤维体积掺量为 2 聚丙烯纤维掺量为 0 1 时 ， 纤维 E P S混凝土拥 有最优性能。 3结 论 ( 1 ) 在水胶比为 0 2 6 ， E P S体积率分别为 3 O 和 4 0 时， E P S混凝土标准养护 2 8 d后 ， 其压折 比分别 为5 0 0和 4 9 O ， 与普通混凝土 6 0 7的压折 比相比有 了很大程度 的提高。因此 ，在 E P S体积率为 3 0 一 4 O 时 ， E P S混 凝 土 具 有 良好 的抗 压 性 能 及 较 好 的 韧性 。 ( 2 ) 纤 维 对 E P S混 凝 土有 良好 的增 韧 效果 。低 掺量混杂纤维 的掺加对 E P S混凝土韧性影响较大 而对其强度 的增长效果不明显。 ( 3 ) 结合 E P S工作性及力学性能 的增强效果 ， 钢纤维体积掺量为 2 ， 聚丙烯纤维掺量为 0 1 时 纤维 E P S混 凝 土拥有 最优 性 能 。 ( 4 ) E P S颗粒对于冲击能量有很强的吸收作用 。 荷载速度越快 ， E P S在瞬时所承担吸收的冲击能越 大 ， 具 有 较好 的能量 耗 散作 用 。纤 维 E P S 昆 凝 土 具 有较好 的抗 冲击性能 ，具有一定的吸能 防护作用 ， 此 项性 能 对 人 防 工 程 建 设 具 有 重 要 的 理 论 意 义 和 实用价值 。 参考文献 ： 【 1 P E R R Y S H， B I S C HO F F P H ， Y A MU R A K Mi x d e t a i l s a n d M a t e r i a l b e h a v i o u r o f p o l y s t y r e n e a g g r e g a t e c o n c r e t e【 J M a g a - z i n c o f C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 1 ， 4 3 ( 1 ) ： 7 1 - 7 6 2 】R A V I N D R AR A J A H R S ， T U C K A J , P r o p e r t i e s o f h a r d e n e d c o n c r e t e c o n t a i n i n g t r e a t e d e x p a n d e d p o l y s t y r e n e b e a d s J C e - me r i t a n d C o n c r e t e C o mp o s i t e s ， 1 9 9 4 ， 1 6 ( 2 ) ： 2 7 3 - 2 7 7 3 赵 晓艳， 田稳苓， 赵继东， 等 E P S轻集料混凝 土制备关键 技 术及其研究进展 J 混凝 土， 2 0 0 9 ( 8 ) ： 5 9 6 2 4 】 B i n Mu ， Z o n g j i n L i ， J n n p e n g S h o r t fi b e r - r e i n f o r c e d e e m e n - t i t i o u s e x t r u d e d p l a t e wi t h h i g h p e r c e n t a g e o f s l a g a n d d i ffe r e n t f i b e r s J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 0 ( 3 0 ) ： 1 2 7 7 1 2 8 2 【 5 邓宗才， 李 建辉， 孙俊宏， 等 纤 维混凝 土的抗弯冲击性能 J 公路交通科技。 2 0 0 5 2 2 ( 6 ) ： 2 4 2 6 6 焦楚杰， 孙 伟， 高培正， 等 钢纤维混凝 土抗冲击试验研究 J 中山大学学报， 2 0 0 5 ， 4 4 ( 6 ) ： 4 1 4 4 7 D B o u l e t ， R P l e a u ， P R o u g e a u d ， e t a 1 F l e x u r a l b e h a v i o r o f u l t r a h i g h pe rfo r ma nc e mo r t a r s r e i n f o r c e d wi t h d i f f e r e nt t y p e s o f s t e e l fi b r e s J F i b r e - R e i n f o r c e d C o n c r e t e s( F R C ) ， P r o c e e d i n g s o f t h e Fi f t h I n t e r n a t i o na l RI LEM S y mp o s i um Ly o n Fr an c e ， 2 00 0： 75 9 7 6 8 8 】 梁磊， 赵文， 李 艺， 等 增 强纤维 的加入对混凝 土抗 冲击性能 的影响 J J 混凝土与水泥制品 ， 2 0 0 7 ( 1 ) ： 4 4 4 6 【 9 】 袁海庆， 陈景 涛， 朱继东 层 布式钢纤 维一 聚丙烯 腈纤维 混 凝土力学性能实验研究 J J 武汉理工大学学报， 2 0 0 3 ( 4 ) ： 3 1 3 4 , 收 稿 日期 ： 2 0 1 4 1 2 2 5 作者简介 ： 陈友治 ( 1 9 6 9 一 ) ， 男 ， 研究员 、 博 士后 。 通讯地址 ： 湖北省武汉市洪 山区珞狮路 1 2 2号 联系 电话 ： 1 3 1 3 5 6 9 7 1 7 5 E -ma i l ： c y z lywh u t e d u c r l 通讯作者 ： 陈雍雍 ， 硕士研究生。 联 系 电 话 ： 1 5 8 2 7 4 6 7 4 9 9 53