钢聚丙烯混杂纤维对混凝土抗冲击性的影响.pdf

第 3 1 卷蟮 5期 2 0 1 6年 5月 露炙采矿技 术 Op e n c a s t Mi n i n g T e c h n o l o g y V0 l - 3 1 No 5 Ma lv ， 2 0 1 6 D O h 1 0 1 3 2 3 5 c n k i h c m 2 0 1 6 0 5 0 2 3 引用格式： 周放 ， 赵文， 张昭 钢聚丙烯混杂纤维对混凝土抗冲击性的影响 J 露天采矿技术， 2 0 1 6 ， 3 1 ( 5 ) ： 7 9 8 2 钢聚丙烯混杂纤维对混凝土抗冲击性的影响 周放 ， 赵文 ， 张昭 ( 1 中国煤炭科工集团沈阳设计研究院， 辽宁 沈阳 1 1 0 0 1 5 ； 2 东北大学 资源与土木工程学院， 辽宁 沈阳 1 1 0 0 0 4； 3 北方重工集团电控液压设备分公司。 辽宁 沈阳 1 1 0 1 4 1 ) 摘 要： 通过正 交设计进行 了钢， 聚丙烯混杂纤维混凝土的坍 落度和抗冲击强度试验 ， 结果表明 ： 钢， 聚 丙烯纤维混掺对混凝土的抗冲击强度增强显著 ， 体现 了不同弹性模量的纤维在不同层次上 对混凝土的增强作 用，找到了在试验条件下混杂纤维增强混凝土在满足抗冲击强度和工作性的 较 优 组合 配 比。 关键词： 混杂纤维； 聚 丙烯纤维； 钢纤维； 抗冲击性 ； 坍落度 中图分类号： T U 5 2 8 5 7 2 文献标志码： A 文章编号： 1 6 7 19 8 1 6( 2 0 l 6 ) 0 50 0 7 90 4 Effe c t o f s t e e l p o l y p r o p y l e n e h y b r i d fib e r o n t h e c o n c r e t e r e s i s t a n c e t o i mp a c t Z H O U Q i ， Z HA O We n ， Z HA N G Z h a o ( 1 C h i n a C o a l T e c h n o l o g y a n d E n n e e d n g G r o u p S h e n y a n g D e s ig nR e s e a r c h I n s t i t u t e ， S h e n y a n g 1 1 0 0 1 5 , Chi n a； 2 o fR e s o u r c e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g , N o r t h e a s t e r n V n w e n y , S h e n y a n g 1 1 0 0 0 4 ,Chi n a ； 3 N o rt h e rn H e a v y I n d u s t r i e s G r o u p E l e c t r i c C o n t r o l &H y d r a u l ic C o r p o r a t i o n , S hen y a n g 1 1 0 1 4 1 C h i na) Ab s t r a c t ：T h e e x p e ri me n t o f s t e e r ，p o l y p r o p y l e n e h y b rid fi b e r mi n f o me d c o n c r e t e du mp a n d r e s i s t a n c e t o i mp a c t i s c a r r i e d o u t t h r o u g h o r t h o g o n a l d e s i g n T h e r e s u l t s s h o w t h a t h y b ri d fi b e r i s r e ma a b l e f o r res i s t a n c e t O i mp a c t o f c o n c r e t e ，w h i c h r e fl e c ts t h a t d i ffe r e n t e l a s t i c mo d u l u s fi b e r i s d i ff e r e n t for res i s t a n c e t o i mp a c t of c o n c ret e a t d i ff e ren t p h a s e ， a n d t h e o p ti mu m mi x p r o p o r t i o n u n d e r the s p e c i fi c c o n d i t i o n i s f o u n d for h y b r i d fi b e r r e i n f o r c e d c o n c ret e Ke y wo r d s ：h y b rid fi b e r ； p o l y p rop y l e n e fi b e r ； s t e e l fi b e r ： res i s t a n c e to i mp a c t ； s l u mp 0 引 言 水泥混凝土作为一种建筑材料已有 1 0 0 多年的 历史 ； 脆性破坏仍然是其存在的主要问题之一， 尤其 是承受拉应力和冲击荷载时， 更是如此 。 纤维在提高 混凝土性能方面扮演着 E t 益重要的角色 ，由于混凝 土凝固后握裹水泥 的高强纤维粘联成为致密的乱 向 分布的网状系统 ， 增强 了混凝土的韧性和整体强度， 当混凝土受到冲击荷载时 ， 纤维吸收大量的能量 ， 有 效地减少 了应力集 中现象 ，从而提高了混凝土的动 载性能，所 以纤维越来越多地用来改善混凝土的脆 性从而提高其力学性能和抗 冲击性能。吴中伟院士 收稿 日期 ： 2 0 1 5 1 2 1 0 作者简介： 周放( 1 9 7 8 一 ) ， 男，工学硕士， 2 0 0 7年毕业 于东北大学工程力学专业， 主要从事带式输送机方面的设计 和研 究工作 。 认为， 复合化是水泥基材料高性能化的主要途径 ， 纤 维增强是核心【 ” 。 混杂纤维增强水泥基复合材料就是将两种或多 种不同性能、 不同尺度的纤维掺人基材中， 使其在不 同尺度和性能上互相补充 、达到取长补短造就高性 能材料的 目的12 1 。 一般而言 ， 高弹性模量的纤维增强、 增韧效果好， 但价格较高； 低弹性模量的纤维增强效 果差 ， 增韧效果较好且价格便宜 ， 可 以通过合理的材 料设计 ， 使不 同模量的纤维混杂 ， 使其在不同层次和 受荷阶段发挥各 自效应来达到增强混凝土性能的 目 的。正交设计是利用正交表科学地安排与分析多因 素试验的卓有成效的方法 ，也是最常用的试验设计 方法之一。 通过正交试验 ， 讨论 2种不同弹性模量的 纤维( 钢 聚丙烯纤维 ) 混掺及其它因素对混凝土的 和易性和抗冲击性能的影响，并找到试验条件下满 7 9 第 3 I卷第 5期 2 0 1 6年 5月 露天采矿技 术 Op e n c a s t Mi n i n g T e c h n o l o g y Vo I 3 1 N O 5 Ma y 2 0 1 6 足动载性能的较优组合配比。 1 试验研究 1 1 原 材料 1 ) 水泥 ： 4 2 5普通硅酸盐水泥 ； 2 ) 粉煤灰 ：I 级粉煤灰 ， 密度为 2 0 5 9 k g m ； 3 ) 细骨料 ： 河砂 ， 中砂 ， 细度模数为 2 6 ， 密度为 2 5 6 3 k g m3 ； 4 ) 粗骨料 ： 碎石 ， 粒径 52 0 m m连续级配 ， 密 度为 2 7 3 2 k g m ； 5 ) 减水剂 ： 平泉 H F D N混凝土高效减水剂 ， 减水 率为 3 0 ； 6 ) 水 ： 饮用水。 7 ) 钢纤维 ： 鞍山市 昌宏钢纤维厂生产的剪切型 钢纤维 ， 形状 为剪切 压痕型 ， 直径 0 9 m m， 长度 3 0 mm， 抗拉强度 3 8 0 MP a 。 8 ) 聚丙性纤维 ： 常州利尔德通新材料科技有 限 公 司生产的聚丙烯束状单丝纤维 ，截面形状 Y型 ， 弹性模 量 3 5 G P a ，密度 为 0 9 1 g c m ，长度 1 9 m m， 当量直径 3 34 8 I x m， 断裂强度 3 0 0 MP a ， 断 裂伸长率 1 5 。 1 2正 交试验 设 计 试验选取 聚丙烯纤维 、 钢纤维 、 砂率 、 减水剂和 粉煤灰 5个因素 ， 采用 L 1 6 ( 4 42 3 ) 正交( 因素与水 平见表 1 ) ， 每组 5个试件 ， 记录 中剔除最大值 和最 小值 ， 取 中间 3个平均值 ， 强度等级为 C 3 0 ， 水胶 比 统 一 取 0 5 ： 1 ) A 聚丙烯纤维掺量 ： 文献【 】 认为聚丙烯纤维掺 量为 O 0 5 0 1 ( 体积分数) 时， 混凝土的抗冲击 强度提高幅度最大， 常州利尔德通新材料科技有限公 司推荐抗冲击掺量为 0 61 2 k g m ， ，即体积率为 0 0 6 6 0 1 3 2 ， 刘卫东4 1 认为聚丙烯纤维掺量超 过 1 2 k g m 。 时， 因纤维不能均匀分散使混凝土的抗 冲击性能开始下降。考虑到聚丙烯纤维与钢纤维的 相互缠绕及分散性和搅拌性的影响，试验采用掺量 为 0 k g m3 0 3 k g m 3 、 0 6 k g m 和 0 9 k g m 。 2 ) B I 钢纤维掺量 ：钢纤维常用体积率 的掺量一 般为 0 3 5 1 5 ， 超过 1 5 体积率以后 ， 拌和的均 匀性差 ， 其增强增韧效果也变差 ， 最大不宜超过2 t3 。 故 试验采取 的掺量 为 0 k g m 3 , 4 0 k g m 3 , 8 0 k g m 和 1 2 0 k g m ， 即体积率为 0 、 0 5 1 、 1 0 2 和 1 5 3 。 3 ) C ， 砂率 ： 掺加纤维会使混凝土的和易性降低 ， 故应增大砂率。 但砂率不能过大 ， 否则细集料 比表面 8 0 积和空隙率增大，在用水量和水泥用量一定 的情况 下， 水泥浆的润滑作用相对减弱， 细集料的摩擦阻力 增加 ，拌和物的和易性反而降低 ，试验采用 3 o 、 3 5 、 4 0 和 4 5 。 4 ) D 减水剂：纤维的掺加会使混凝土的工作性 降低 ， 减水剂的掺入既可以降低水胶 比， 又可 以使混 凝土获得较好的工作性。高效减水剂的掺量一般不 超过胶结材料的 l 【 6 J ，本文采用 0 、 0 6 、 0 8 和 1 O 。 5 ) E 粉煤灰 ： 是一种球状的玻璃体结构 ， 混凝土 中掺入粉煤灰既可以降低生产成本 ，又可 以改善纤 维与基体的界面结构 ，提高纤维的黏结强度。试验 取粉煤灰 占胶凝材料的 0 和 1 0 。 表 1 L 1 6 ( 4 42 3 ) 正交表 1 3试 验 方 法 抗 冲击常用 的有 冲压 冲击试验和弯 曲冲击 实 验， 本文采用由美国 A C I 5 4 4委员会推荐的落锤 冲压 方法 ， 试件尺寸为 1 5 0 m m 1 5 0 m m8 0 m m， 标准 养护 2 8 d后进行试验 。冲击锤质量为 5 1 4 k g ， 下落 高度为 h=5 0 0 mm， 重锤 中线与试件中心对齐。试 验时， 重锤 自由下落 ， 砸在试块的中心 ， 当试件裂缝 贯通时 ， 记录冲击次数 ， 冲击能量方法可依据下式计 算： W ： n mg h 式 中： 为冲击 能量 ， ( N m) ； n为 冲击次数 ； 为冲击锤下落高度 ， m； m为 冲击锤质量 ， k g ； g为重 力加速度 9 8 1 n d s 。 2 试验结果及分析 混杂纤维强混凝土试验结果见表 2 ，正交试验 结果极差分析、抗冲击强度方差分析和坍落度方差 分析分别见表 3 、 表 4和表 5 。 从表 3的极差分析结果可以看出，当聚丙烯纤 维掺量 0 0 9 k g m 3 , 钢纤维掺量 01 2 0 k g m 3 , 砂 率为 3 0 4 5 、减水剂为 01 0 和粉煤灰为 0 1 0 时，对于混杂纤维增强混凝土的抗 冲击强度 第 3 1卷第 5 期 2 0 1 6年 5月 露天采矿 技术 O p e n c a s t M i n i n g T e c h n o l o g y V0 1 3 1 No 5 Ma v 2 0 1 6 表 2 混杂纤维混凝土试验结果 编号 冲击次数， N 冲击能t ( n m ) 坍落度 n u n 编号 冲击次数， N 冲击能 ( N m ) 坍落度 m m S P 一1 4 7 1 1 8 5 l l O S P 一 9 6 8 1 7 1 4 7 O S P -2 71 l 7 9 0 1 0 7 S Pl 0 1 6 3 4 ll O 6 6 S P 一3 1 3 3 3 3 5 3 l o 0 SP -I l 1 8 2 4 5 8 9 5 0 S P -4 l l 2 2 8 2 4 9 4 SP l 2 2 6 8 6 7 5 7 6 5 S P一 5 5 3 l 3 3 6 l o 5 SP 一1 3 l 0 7 2 6 9 8 4 0 S P一 6 8 2 2 0 6 7 9 9 S P一1 4 3 4 2 8 6 2 2 6 o S P- 7 9 8 2 4 71 8 7 SP l 5 l 3 o 3 2 7 8 2 5 S P一8 2 81 7 0 8 4 8b SP l 6 3 9 5 9 9 5 9 1 5 表 3 正交试验结果极差分析 注 ： F n 是合并误差后新的 F值， ( 3 3 ) =9 2 8 ， ( 3 3 ) =2 9 4 6 ， ( 3 3 ) F F o 。 。 ( 3 3 ) 时， 为高度显著因素， 记为“ 。 表 5 混杂纤维混凝土坍落度方差分析 注 ： 当 0 0 1P减水 剂 砂率 粉煤灰， 其中， 钢纤维的 尺值最大 ， 是 高度显著 因素 ，即钢纤维掺量的变化将引起混凝 土 的抗 冲击性能产生较大 的变化 ， 粉煤灰 的 R值最小 且远小于其它因素 ，说 明粉煤灰对混凝土的抗冲击 强度影响很小 ， 它们的最优组合为 B 4 A 4 D1 C 3 E 2 ； 对 混凝土的坍落度各因素的影响顺序是：聚丙烯纤维 钢纤维 减水剂 砂率 粉煤灰 ，其中聚丙烯 纤维的 值最大且远大于其它 4个 因素 ， 聚丙烯纤 维对混凝土的坍落度是显著影响因素 ，它们的最优 组合为 A1 B 2 D1 C 3 E 2 。通过对各因素及水平的排序 ， 结合误差值对次要因素进行误差合并，综合抗冲击 强度和工作性考虑，混杂纤维增强混凝土的较优组 合配比为 B 4 A 4 D1 C 3 E 2 。 由表 4方差分析可知对抗冲击强度有显著影响 的因素有钢纤维、 聚丙烯纤维、 砂率和减水剂。其中 钢纤维是高度显著性因素 ， 其贡献率达到 4 5 0 6， 一 方面由于钢纤维的形状为剪切压痕性 ，表面粗糙 提高了与基体混凝土的粘结力； 另一方面则 由于粉煤 灰的活性效应和微集料效应的综合作用 ， 改变了钢纤 维与基体界面的微观结构， 提高了粘结强度， 使钢纤 维的作用得到充分发挥 。聚丙烯纤维对混凝土抗冲 击强度的提高同样 由于其特殊的截面形状( Y型 ) ， 增 加了与基体的粘结力， 同时粉煤灰的存在有助于聚丙 烯纤维在混凝土中的分散 ， 当基体混凝土在开裂时纤 维更能充分地吸收能量 ，改善裂缝尖端的应力集 中， 延缓裂纹的扩展 ， 从而提高混凝土的抗冲击强度。砂 率对混凝土抗冲击强度 的贡献则主要是通过改善纤 维在混凝土中的分散性而得到提高。 从表 5方差分析可知聚丙烯纤维掺量、钢纤维 掺量、 砂率、 减水剂和粉煤灰对混凝土坍落度都是显 著影响因素 ，特别是聚丙烯纤维掺量的贡献率达到 8 5 6 2， 原因在于聚丙烯纤维的直径较细 ， 单位体 积 内纤维的数量很多 ， 增大了混合料的比表面积 ， 即 增大了需要湿润的表面积 ，在单位用水量不变的情 况下， 使得新拌混凝土的稠度增加， 致使混凝土的坍 落度下降。粉煤灰对混凝土坍落度影响主要由于粉 煤灰 的形态效应 ，即粉煤灰是 由大小不等的球状玻 璃体组成 ， 其表面光滑致密， 在混凝土拌合物中起润 滑作用 ； 同时粉煤灰颗粒粒径 比水泥颗粒粒径小 ， 粉 煤灰微细颗粒均匀地分布在水泥颗粒之中，阻止了 8 2 水泥颗粒粘聚，使滞留于水泥颗粒之间的部分拌合 水释放出来【 8 ， 从而改善 了混凝土拌合物 的坍落度 ， 从试验结果可以看出其显著性( JP 值为 O 0 1 2 ) 。 3 结论 1 ) 在试验条 件下 ， 混杂纤维增强混凝土的较优 组合配比为 B 4 A 4 D1 C 3 E 2 ，即聚丙烯掺量为 0 9 k g m 3 钢纤维掺量为 1 2 0 K g m ， 砂率为 4 5 、 减水剂位 1 0和粉煤灰为 1 0。 2 ) 钢纤维 、 聚丙烯纤维混掺对混凝土的抗 冲击 性能增强显著，体现了不同弹性模量的纤维在不同 层次上对混凝土裂缝的抑制作用， 从而达到增强 、 增 韧的效果。 3 )粉煤灰对混凝土的抗冲击强度影响较小， 但 有助于纤维在混凝土中的分散 ，改善纤维与基体的 界面结构 ， 提高 了纤维与基体的粘结强度 ， 同时有助 于节约成本和改善环境。 4 ) 聚丙烯纤维和钢纤维掺入都使新拌混凝土的 坍落度显著降低 ， 但可以通过掺加粉煤灰、 减水剂和 调整砂率达到施工要求。 参考文献： 1 王红喜 ， 陈友治 ， 丁庆军， 等 混杂纤维对高性能混凝 土力学性能与抗渗性能的影响 J 混凝土 ， 2 0 0 3 ( 1 1 ) ： 3 3 3 5 2 王浩， 陈会凡， 师金锋 混杂纤维增强混凝土的均匀试 验研究 J 混凝土 ， 2 0 0 5 ( 3 ) ： 5 9 6 1 3 Z h e n g Z H， F e l d m a n D S y n t h e t i c fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e J P r o g r e s s i n P o l me r S c i e n c e ， 1 9 9 5 ， 2 0( 2 ) ： 1 8 5 - 2 1 0 4 刘卫东 ， 王依民 聚丙烯纤维混凝土的耐磨损及抗 冲 击性能研究 J 混凝土， 2 0 0 5 ( 1 ) ： 4 3 4 5 5 黄承逵 纤维混凝土结构 M 北京 ： 机械工业出版社 ， 2 0 0 4 6 汪谰 水泥混凝土一组成 性能 应用 M 一E 京 ： 中国 建材工业出版社 ， 2 0 0 5 7 刘建忠 ， 黄煜镔 粉煤灰对钢纤维混凝土性能的影响 J 粉煤灰综合利用 ， 2 0 0 2 ( 1 ) ： 4 4 4 5 8 Wa n g A i q i n， Z h a n g C h e n g z h i ，S u n We i F b a s h e ff e c t s I T h e m o r p h o l o g i c a l e ff e c t o f fl y a s h 【 J 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 3 ( 3 3 ) ： 2 0 2 3 2 0 1 9 【 责任 编辑： 张东旭】