钢纤维及丁苯乳液对混凝土韧性及耐磨性能的影响.pdf

2 0 1 5 年 第 1 2期 (总 第 3 1 4 期 ) N u m b e r 1 2 i n 2 0 1 5 ( T o t a l No 3 1 4 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 MATERI AL AND ADMI NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 1 2 0 1 9 钢纤维及 丁苯乳液对混凝 土韧性及 耐磨性 能的影 响 李洋 ，刘纪伟 ， 安小龙 ， 李晶晶 ， 周明凯 ( 1 江苏省交通科学研究院股份有限公司， 江苏 南京 2 1 0 0 1 7 ； 2 武汉理工大学 硅酸盐建筑材料国家重点实验室，湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 ) 摘要： 针对普通水泥混凝土韧性及耐磨性较差 的问题， 采用钢纤维和丁苯乳液对其进行 了改性 ， 并对改性混凝土 的韧性及耐 磨性进行了研究 。 结果表明 ： 单掺钢纤维( 2 o 5 0 m ) 或丁苯乳液 ( 7 0 9 0 ， m ) 均能改善其弯曲韧性 、 抗冲击性能及耐磨 性 ， 且随着掺量的增加呈现上升趋势； 钢纤维、 聚合物复掺时 ， 其柔韧性及耐磨性会得到进一步改善 ， 且改善效果明显好于单掺效 果； 另外 ， 探讨了钢纤维及聚合物乳液对混凝土的复合改性机理。 关键词： 钢纤维 ； 丁苯乳液 ； 抗冲击性能 ； 弯曲韧性 ； 耐磨性 ； 改性机理 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 5 ) 1 2 0 0 7 1 04 E ffec t of s t e el f i ber a nd s t yr enebut a di ene r ubbe r l a t e x on t he t oughnes s and abr a si on r es i s t anc e of c eme nt c onc r e t e L I y a n g ， L I UJ i we i ， AN Xi a o l o n g ， L IJ i n g j i n g ， ZHOU Mi n g k a i ( 1 J i a n g s u T r a n s p o r t a t i o n Re s e a r c h I n s ti t u t e Co ， L t d ， Na n j i n g 2 1 0 0 1 7， C h i n a ； 2 S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f S i l i c a t e Ma t e ri a l s f o r A r c h i t e c t u r e s ， Wu h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 0 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： S t e e l fib e r a n d s t y r e n eb u t a d i e n e r u b be r l a t e x we r e fil l e d i n t o c o n c r e t o s o l v e t h e p r o b l e m o f the p o o r t o u g h n e s s a n d a b r a s i o n r e s i s t a n c e o f Po r t l an d c e me n t c o n c r e t e Ex p e rime n t s we r e d o n e t o s tudy the t o u g h n e s s a n d a br a s i o n r e s i s t a n c e o f the mod i fie d c o n c r e t e T h e r e s u l t s s h o we d t h a t e i the r a d d i ti o n o f s t e e l fi b e r ( 2 05 0 k g m ) o r s y r e n eb u t a d i e n e l a t e x ( 7 09 O k g m ) c o u l d i mp r o v e the fl e x u r a l t o u g h n e s s ， i mp a c t r e s i s t a n c e a n d a b r a s i o n r e s i s t anc e ， a n d t h e mo r e c o n t e n t o f fi b e r o r p o l y me t e mu l s i o n ， the b e t t e r e f f e c t wo u l d b e g o t Th os e p e r f o r m a n c e c ou l d be f urth e r i mp r o v e d whe n fib e rp o l y me r c o mp l e x d o p e d a n d we r e b e t t e r t ha n s i n g l ed o p e d I n a d dido n， m e c h a n i s m o f i mp r o v i n g to u g h n e s s o f c o n c r e b y a d d i t i o n o f s t e e l fib e r a n d p o l yme r e mul s i o n wa s a n y z e d Ke y WOr ds： s t e e l fib e r ； s t y r e n eb u t a d i e n e rub b e r l a t e x； i mp a c t r e s i s t a n c e； fle x u r a l t o u g h ne s s； a b r a s i o n r e s i s t anc e； mo di fic a t i on me c h a n i s m 0 引言 作为路面水泥混凝土会长期经受着外部荷载的冲击、 挤压及路面坚硬物质的切削等作用， 这就要求其必须拥有 较好的韧性及耐磨性能 。 为提高混凝土的韧性及耐磨 性 ， 国内外学者 已进行 了大量 研究 ， 以期对混凝 土进行改 性 ， 其 中较具有代表性 的是钢纤维混凝土 及聚合物改 性混凝土 。 。 在混凝土 中加 入钢纤维时 ， 能较 大程度 的 改善其的各种力学性 能 ， 然 而 ， 多数研究表 明钢纤 维混凝 土在被破坏时断面处有大量的纤维被拔 出( 特别是平直 型 钢纤维 ) ， 并没有被拉断 ， 这说 明钢纤维 的作用并没有充分 发挥， 这是由于钢纤维与基体之间的作用力较小， 在试样 受力时 ， 钢纤维易脱 黏 。 而在混凝土 中加入聚合物乳液 后 ， 虽然其韧性 、 耐磨性等有较好 的改善 ， 但 其改善作用 也是有限的， 且过多聚合物的加入反而会降低聚合物改性 混凝土的性价 比。 而有研 究表 明 ： 在钢 纤维混凝 土 中 加入聚合物乳液后 ， 乳液脱水形成 的高黏结力的膜不仅会 较好 的改善混凝土内部缺陷( 特别是界面过渡区) ， 也会较 收 稿 日期 ： 2 0 1 5 0 3 1 1 基 金 项 目 ： 交通运输部科研项 目( 2 0 1 1 3 1 8 2 2 3 4 2 0 ) 好的改善钢纤维与基体间的黏结作用， 更有利于钢纤维增 韧阻裂作用 的发挥 ， 体现 出两者复合 改性 的效果。 在此基 础上 ， 本试验研究 了丁苯乳液 、 钢纤维在单掺 及复掺情况 下对混凝土抗冲击性能、 弯曲韧性及耐磨性能的影响， 并 对聚合物、 钢纤维对混凝土的改性机理进行了分析， 以便 为实际工程及进一步理论研究提供参考依据和理论基础。 1 原材料及试验 方法 1 1 原 材 料 水泥 ： 华新 P O 4 2 5级水 泥。 集料 ： 由湖北省宜 昌市 华升碎石厂生产 ， 岩性均为辉绿岩 ， 粗集料 ： 4 7 5 9 5 m i l l ， 连续级配， 压碎值为8 8 ， 表观密度为 2 8 3 1 k g m 3 ； 细集料： 0 4 7 5 m i l l ， 压碎值为 8 3 ， 表观密度为 2 8 3 8 k g m ， 细 度模数为 3 2 。 聚合物乳液 ： 上海 B A S F生产 的 S D 6 2 3改 性羧基丁苯乳液 ， 相关性能见表 1 。 减水剂 ： 武汉苏博新 型 建材有限公 司生产的 F D N一 1 萘系高性能减水剂 ( 粉剂 ) ， 型号为 P C一 3 3 0 1 C 。 钢纤维 ： 江苏博特新 材料有 限公 司生 产的润强丝 一s 3平直型高强微细钢纤维， 具体技术参数 71 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 和物理性能如表 2 。 表 1 S D 6 2 3的相关性能 1 2试 验 配 合 比 试验 中粗、 细集料用量均为 1 0 5 0 k g m。 ， 水泥用量为 3 3 0 k g m ， 水 灰 比为 0 3 2 ， 减 水 剂 掺 量 为水 泥 用 量 的 0 2 ， 来研究钢纤维及 丁苯乳液对混凝土性能的影响 ， 试 验 中设计 的配合比见表 3 。 表 3 试验配合比 1 3试验 方 法 ( 1 ) 成型及养护方式 ： 根据 J T G E 3 0 -2 0 0 5 ( 公路工程 水 泥及 水泥混凝 土试 验规程 并 在振动 台上振 动 3 0 S 成型 ； 1 d后脱模 ， 薄膜覆盖养护 7 d ， 再干养 至 2 8 d ， 养护 湿度为 5 0 7 0 ， 温度为 ( 2 0 2 ) o C。 ( 2 ) 弯曲韧性 ： 根据 日本 J S C E -S F 4标准 ， 在万 能伺 服仪上进行试 验 ， 加载速率为 0 0 2 m m mi n进行测 试 ， 以 弯曲韧度( 挠度为 L 1 5 0值时荷载 一挠度曲线下的面积， 其中L为试样跨度) 和韧度系数对其进行表征， 且韧度系 数按式( 1 ) 进行计算。 = ( 1 ) 式中 ： 6 给定的挠度 L 1 5 0 ； L 跨度 ， mm； 7 z 梁高度 ， n l r n ； b 梁宽度 ， m m； 曲线下的面积 。 ( 3 ) 抗 冲击 性能 ： 根 据 A C I 5 4 4委员 会推 荐 的“ 落锤 法” 进行试验 ， 其试验装置如图 1所示， 以冲击韧度 及 初裂后继续吸收的能量 A W对其进行表征 ， 其 中 w及 按式( 2 ) 、 ( 3 ) 进行计算。 W=c mg h ( 2 ) W =A Nm g h ( 3 ) 式中 ： 冲击锤质量 ， 4 5 k g ； g 重力加速度， 9 8 1 m s ； 落锤下落高度 ， 4 5 7 m m； AN =NcN1 ； 一 试样终裂时的冲击次数 ； 一初裂时冲击次数 。 5mm l 5 2mm 5mm 图 1 抗 冲击试 验装 置 2试 验 结 果 与讨 论 2 1 钢纤维及丁苯乳液对混凝土抗冲击性能的影响 对于试样 的抗 冲击性能 ， 测试结 果见表 4 。 可见 钢纤 维 、 丁苯乳液在单掺或复掺情况下均能改善混凝土 的抗冲 击性能 。 与基准样相 比： 单掺钢纤维 ( 2 0 5 0 m ) 可使 其抗 冲击性能提高 1 0 3 2 7 3倍 ， 初裂后继续 吸收的能量 提高 2 o 0 5 o 0倍 ； 单掺丁苯乳液 ( 7 0 9 0 k g m ) 可使其 抗冲击性能提高 O 8 3 2 4 1 倍 ， 初裂后继续吸收的能量提 高 0 5 2 2 5 倍 。 表 4试样 冲击性 能试 验 结果 而在两者复掺情况下 ， 抗冲击性能会得到进一步 的改 善 。 与基准样相 比： 加入 8 0 k g m 丁苯乳液后抗 冲击性能 7 2 提高 1 6 1 倍 ， 初裂后继续 吸收的能量 提高 1 2 5倍 ； 加入 3 5 k g m 钢纤维后抗冲击性能提高 2 o 0 倍 ， 初裂后继续 吸 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 为了进一步探究聚合物乳液在钢纤维混凝土 中的作 用 ， 对钢纤维混凝土及聚合物 一 钢纤维复合改性 昆 凝土断 面进行了场发射扫描电镜分析， 结果如图4 。 可见， 对于钢 纤维混凝 土， 被拔出的钢纤维表面相对较光滑 ， 且钢 纤维 与基体间存在明显缺陷。 这是 由于钢纤维与基体之 间仅存 在物理作用 ， 这就导致 钢纤维与基体 间的黏结强 度较低 ， 在受到外力作用时， 易脱黏而不利于钢纤维增强增韧作用 的充分发挥 。 而在钢纤维混凝土 中加入聚合物后 ， 被拔 出的钢纤维表面明显附着有聚合物膜及水泥水化产物 ， 且 钢纤维与基体之间接触紧密 ， 几乎看不到缺 陷， 明显 聚合 物乳液在钢纤维混凝土中起到了“ 桥” 的作用 ， 使钢纤维与 基体间的过渡区得到强化 ， 进而更有利于钢纤维在混凝土 中增韧阻裂作用 的发挥 ， 表现 出两者 的复合 改性效 果 ， 最终致使聚合物 一 钢纤维复合改性混凝 土的耐磨及韧 性均明显好于钢纤维混凝土 、 聚合物改性混凝 土及普通混 凝 土。 3 结论 ( 1 ) 单掺钢 纤维 ( 2 05 0 m ) 或 丁苯乳 液 ( 7 0 9 0 k g m ) 均能改善 混凝土 的韧性及 耐磨性 ， 且 随着 掺量 的增加呈 现上 升趋 势。 单 掺钢纤 维 时， 抗 冲击性 能 提高 1 0 3 2 7 3 倍 ， 弯曲韧性提高5 4 1 9 1 7 ， 单位磨损量 降低 1 6 8 2 2 7 ； 单掺丁苯乳液时， 抗冲击性能提高 0 8 2 4 1 倍， 弯曲韧性提高2 7 4 6 1 3 ， 单位磨损量降 低 2 9 0 3 4 4 。 ( 2 ) 钢纤维与丁苯乳液两者复掺时 ， 混凝 土柔韧性及 耐磨性会得到大幅度改善 ， 且 明显好 于两 者单掺效果 ， 充 分体现出两者复合改 性的优势 。 与基准样相 比： 单掺 丁苯 乳液试样 8 0一 C O 0抗 冲击性能提高 1 6 1 倍 ， 弯 曲韧度 提高 4 1 6 ， 单位磨损量降低 3 0 5 ； 单掺钢纤维试样 0一 C一 0 4抗 冲击性能提高 2 O 0倍 ， 弯 曲韧度提高 6 8 0 ， 单 位磨损量降低 1 9 0 ； 两者复掺试样 8 0一C一 0 4抗 冲击性 能提高 4 1 4倍 ， 弯 曲韧度提高 1 1 1 2 ， 单位 磨损量 降低 4 8 9 。 ( 3 ) 丁苯乳液加入钢纤维混凝土后形成的高黏结力的 上接第 7 0页 参考 文献 ： 1 沈荣熹， 崔琪， 李清海 新型纤维增强水泥基复合材料 M 北 京 ： 中国建材工业出版社， 2 0 0 4 2 3王志才 ， 白培康 三维间隔连体织物复合材料研究进展 J 化 工新型材料， 2 0 1 l ， 3 9 ( 4 ) ： 1 8 2 1 E 3 3 N A K A T A N I T， N A K A I A， F U J 1 T A A， E G A MI M， H A MA D A H Me c h a n i c a l b e h a v i o u r i n g l a s s 3 D w o v e n f a b r i c c o m p o s i t e s C I n ： P r o c e e d i ng s o f t h e 4 t h J a pa n I n t e rna t i o n a l S a mp l e S y mp o s i u m ， 1 9 9 5， 1 4 731 4 7 8 4 陶积柏 ， 王绍凯 ， 李敏 三维夹芯层连 织物复合材 料真空辅助 成型工艺影响因素 J 复合材料学报 ， 2 0 1 0 ， 2 7 ( 4 ) ： 8 1 8 6 5 王志才， 潘晓行 ， 缪长礼 三维间隔连体织物酚醛泡沫复合材 料性能研究 J 工程塑料应用， 2 0 1 2 ， 4 0 ( 1 1 ) ： 2 3 2 6 6 庄桂增 ， 孙志杰， 王绍凯 三维间隔连体织物泡沫夹层结构复合 7 4 膜 ， 能有效改善钢纤维与基体及水泥石与骨料间的黏结性 能， 使过渡区得到强化， 从而更有利于钢纤维的增韧阻裂 作用的发挥， 进一步提高混凝土的抗冲击性能、 弯曲韧性 及耐磨性 。 参 考文献 ： i 梅迎军 ， 王培铭 ， 梁乃兴 ， 等 纤维增强聚合物水泥砂浆耐磨损 及抗冲击性能的试验研究 J 重庆交通学院学报 ， 2 0 0 6 ， 2 5 ( 5 )： 5 4 5 7 2 朱海棠， 高丹盈， 谢丽， 等 冈 纤维高强混凝土弯抽韧I生的研究r J 圭 酸盐学报 ， 2 0 0 4 ， 3 2 ( 5 ) ： 6 5 6 6 6 0 3 邓宗才 ， 李建辉 ， 孙宏俊 ， 等 新型纤维增强混凝土梁的抗弯 中 击特性 J 公路， 2 0 0 4 ( 1 2 ) ： 1 6 3 1 6 9 4 申爱琴 改性水泥与现代水泥混凝土路面 M 北京： 人民交通 出版社 ， 2 0 0 8 5 方东， 徐方， 周明凯 路用聚合物改性水泥混凝土( P MC ) 性能 与应用研究 J 混凝土 ， 2 0 0 9 ( 1 O ) ： 1 2 0 1 2 2 I- 6 钟鸣， 罗立峰， 周建春 乳胶增强钢纤维混凝土机理的研究 J 混凝土与水泥制品， 2 0 0 0 ( 增T U ) ： 3 7 3 9 7 姚红云 ， 梁乃兴 ， 孙立军 ， 等 羧基丁苯聚合物改性混凝土性 能 及其机理 J 建筑材料学报 ， 2 0 0 5 ， 8 ( i ) ： 3 O一 3 6 8 林晓峰 ， 关恒 ， 徐金余 钢纤维聚合物水泥混凝土的试验 及其 应用 J 混凝土与水泥制品， 2 0 0 7 ( 1 ) ： 4 9 5 2 I- 9 公路工程水泥及水泥混凝土试验规程 ： J T G E 3 0 -2 0 0 5 s 北 京 ： 人民交通出版社， 2 0 0 5 1 0 赵J 巾 ， 曹杨， 李国忠 聚丙烯纤维及聚合物乳液对砂浆抗冲击 性能的影响 J 化学建材， 2 0 0 7 ， 2 3 ( 3 ) ： 3 0 3 2 1 1 张雪华， 姜正平， 陈飚 机场跑道耐冲磨混凝土的研究 J 南京 航空航天大学学报 ， 2 0 0 2 ， 3 4 ( 2 ) ： 1 1 41 2 0 1 2 罗立峰， 周建春， 黄培彦 聚合物钢纤维混凝土的增韧机理分 析 J 复合材料学报 ， 2 0 0 2 ， 1 9 ( 3 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