冻融后聚丙烯纤维细石混凝土力学性能研究.pdf

2 0 1 0 年 第 1期 (总 第 2 4 3 期 ) Nu mb e r 1 i n 2 0 1 0 ( T o t a I No 2 4 3) 混 凝 土 Co nc r e t e 原 材料及辅助物料 MA T ER【 AI ，AND ADM I NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 8 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 1 0 2 0 冻融后聚丙烯纤维细石混凝土力学性能研究 赵军 。李光辉 ，张营 ( 1 郑州大学 土木工程学院 ，河南 郑州 4 5 0 0 0 2 ；2 河南省交通科学技术研究 院有 限公司 ，河南 郑州 4 5 0 0 0 6 ) 摘要： 通过聚丙烯纤维细石混凝土的冻融循环试验， 研究 了聚丙烯纤维掺量、 冻融循环次数、 细石混凝土强度等级对冻融循环作用下 聚丙烯纤维细石混凝土基本力学性能的影 响， 探讨 了聚丙烯纤维对细石混凝土抗 冻性能 的增强机理。 试验结果 表明 ： 聚丙烯纤维细石混凝 土的抗压强度、 劈拉强度和抗折强度随冻融次数的增加而降低； 聚丙烯纤维的加入及细石混凝土强度等级的提高是改善聚丙烯纤维细石 混凝土抗冻性 能的有效途径 。 关键词 ： 冻融 ；细石混凝土 ；聚丙烯纤维 ；力学性能 中图分类号： T U5 2 8 5 7 2 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) O l 一 0 0 6 1 0 3 St u dy on me c han i c al pr ope r t i e s o f pol y pr opyl e ne f i be r r e i nf or ce d f i ne agg r eg a t e c onc r e t e und er a c t i on of f r e z z e - t ha w ZHAO J u n ， LIGu a n g- h u i 2 , ZHAN G Yi n g ( 1 I n s t i t u t eo f C i v i l E r g in e e r i n g ， Z h e n g z h o uUn i v e r s i t y ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 2 ， C h i n a ； 2 H e n a n C o mmu n i c a t i o n s S c i e n c e Re s e a r c h I n s t i t u t e C o ， L t d ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 6 ， C h i n a ) Abs t r a ct ： Th r o ug h t h e e x p e rime n t o n fre e z e t h a w f o r c o n c r e t e s pe c i me ns ， t h e i n fl u e n c e o fthe g r a d e o f c o n c r e t e s t r e n g t h wa s s tud i e d， t he c o n t e n t o f p oly p r o p yl e n e fi b e r a n d t h e fre e z e -t h a w c i r c u l a t i o n t i me s o n th e b a s a l m e c h a n i c s p e r f o r ma n c e o fp o l y p r o p y l e n e fi b e r r e i n f o r c e d fi ne a g g r e - g a t e c o n c r e t e a f t e r fr e e z e - t h a w we r e t e s t e d F u r t h e r mo r e t h e r e i n f o r c e d m e c h a n i s m o f the p o l y p r o p y l e n e fi b e r r e i n f o r c e d fi n e a g g r e g a t e c o n c r e t e un d e r the a c t i o n o ffre e z e tha w wa s d i s c u s s e d Th e s tud y r e s u l t s s h o we d that a s t h e n u mb e r o f f r e e z e tha w c i r c u l a t i o n i nc r e a s e d， t h e b a s a l me c h a n i c s p e r f o rm an c e o f 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 fi n e a g g r e g a t e c o n c r e t e d e c l i n e d T h e a d d i t i o n a l o fp o l y p r o p y l e n e fi be r a n d t h e e n h an c e m e n t o f t h e gra d e o f fi n e a g gre g ate c o n c r e t e s t r e n gth we r e the e ff e c t i v e w a y s t o i mp r o v e t h e fr e e z e r e s i s t i n g p r o p e r t y o f p o l y p r o p y l e n e fi b e r r e i n f o r c e d fi n e a g g r e g a t e c o n c r e t e Ke y wor d s： fre e z e t h a w； fin e a g gre g a t e c o n c r e t e ； p o l y p r o p y l e n e fib e r ； me c h a n i c a l p r o pe r t y 0 引言 混凝土冻融破坏是我国混凝土结构老化病害的主要问题 之一， 严重影响混凝土建筑物的长期使用和安全运行。在我国 的东北 、 西北 、 华北 、 华东 、 华中的长江以北地区及西南高山寒 冷地 区， 港 口工程 、 铁路 、 桥 涵 、 混凝土路面工程 、 城 市立 交桥工 程以及北 方寒冷地 区的工业与 民用 建筑 等混凝土 结构都存 在 着不同程度的冻融破坏 。 在对冻害混凝土结构表面进行修补、 加固时， 往往采用较小骨料粒径的细石混凝土。由于骨料粒径 的变化， 使细石混凝土的抗冻性能和普通粒径混凝土有较大的 区别， 同时聚丙烯纤维混凝土具有优 良的抗拉 、 抗弯、 抗剪 、 阻 裂等性能 叫， 将其作为修补材料， 能提高修补结构的物理力学 性能。因此， 本文对聚丙烯纤维细石混凝土冻融后的基本力学 性能进行了试验研究。 1 试验概 况 1 1 原材料 水泥 ： P O4 2 5 级水泥 。 石子 ： 粒径为 5 1 0 l l n ， 连续级配。 砂： 中砂， 细度模数为 2 , 6 。 聚丙烯纤维： 杜拉纤维。 细石混凝土基准配合比 ， 见表 1 。 表 1 混凝土基准配合比 k g m 1 2试验 方案H 一 5 1 冻融试验以聚丙烯纤维掺量( 0 、 0 6 、 0 9 、 1 2 k g m3 ) 、 混凝土 强度等级( C 3 0 、 C 5 0 ) 和冻融循环次数( 5 0次、 1 0 0次、 1 5 0次) 为 变化参数， 共制作了 1 6 8个 1 0 0 m mx l 0 0 mmx l O 0 m m和 8 4 个 1 0 0 m mx l O 0 mmx 4 0 0 tur n细石混凝土试件 。 聚丙烯纤维细石混 凝土的制作采用强制式搅拌机拌和， 振动台振动成型， 2 4 h 后拆 模 ， 放入养护室内标准养护 2 8 d ， 测试聚丙烯纤维细石混凝土 抗压、 劈拉和抗折荷载。 冻融循环试验按照GB J 8 2 8 5 普通混凝土长期性能和耐 久性能试验方法 中抗冻性能试验的快冻法进行。 采用 T DR V 型混凝土快速冻融试验机， 试件在饱水状态下进行快速冻融试 验， 在冻结和融化终了时， 试件中心温度分别控制在( 一 1 7 a - 2 ) 收稿 日期 ：2 0 0 9 - 0 8 1 6 基金项目： 河南省杰出青年科学基金( 0 6 1 2 0 0 2 3 0 0 ) ； 河南省教育厅 自 然科学计( 2 0 0 9 A 5 6 0 0 1 5 ) 6l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 和( 8 + 2 ) ， 3 h左右完成一 次冻融循环。 2 试验结果及 分析 2 1 抗 压 强度 试验 结果 与分析 图 1 和 图 2描述 了聚丙烯纤维细石 混凝 土试件相对抗 压 强度( 细石混凝土冻融循环后与冻融循环前抗压强度的比值) 与聚丙 烯纤 维掺量 的关系 ， 图 3 描述 了聚丙烯纤维细石混凝土 试件相对抗压强度 与细石混凝土强度等级的关 系。 1 O O8 誉 0 薹 0 2 0 0 6 0 9 1 2 聚丙烯 纤维掺 量 ( k g m ) 图 1 相对抗压强度与纤维掺量的关系( C3 0混凝土试件 ) 1 0 0 8 詈 0 。 蝠 薹 0 - 0 0 6 0 9 1 2 聚丙烯 纤维掺 量 ( k g m ) 图 2 相对抗压强 度与纤维掺置的关系( C5 0混凝土试件 ) 1 0 O 8 鬈 量 薹 0 - O 2 0 聚丙烯纤维 掺量 ( k g m ) 图 3 相对抗压 强度与混凝土强度等级 的关系( 1 0 0次冻融循环 ) 从图 1 和图 2中可以看出， C 3 0 试件冻融 5 0次循环和 C 5 0 试件冻融 1 0 0 次循环时， 试件的相对抗压强度值随着聚丙烯纤 维掺量的增加， 相对抗压强度呈现上升趋势。但随着冻融循环 次数的进一步增加， C 3 0和 C 5 0细石混凝土试件均呈现高掺量 聚丙烯纤维试件的相对抗压强度值低于低掺量试件的强度值。 从 图 3中可以发现 ， 冻融循环作用后 ， C 5 0试件的相对抗压 强度值高于C 3 0 试件的强度值。 聚丙烯纤维细石混凝土强度越 高， 聚丙烯纤维与细石混凝土之间的黏结作用越强， 从而使细 石混凝土的抗剥落能力和抵抗横向变形的能力得到增强 ， 表现 为随聚丙烯纤维细石混凝土强度等级的提高， 聚丙烯纤维细石 混凝土的冻融后抗压强度降低幅度减少。 6 2 2 2 劈拉强度试验结果及分析 根据试验数据 ， 绘制出聚丙烯纤维细石混凝土相对劈拉强度 ( 细石混凝土冻融循环后与冻融循环前劈拉强度的比值) 与聚丙烯 纤维掺量及细石混凝土强度等级关系曲线， 如图 4 , 5和图 6 所示。 鼎 疆 盏 R b 聚丙烯纤 维掺量 ( k g m ) 图 4相对劈拉强度和纤维掺量的关系( C 3 0混凝 土试件 】 1 0 O 曙 极 薹 4 O 2 0 0 6 0 9 1 2 聚丙烯纤 维掺量 ( k g m 1 图 5相对劈拉强度和纤维掺量的关系( C5 0混凝土试件 ) 1 O O- 8 瑟 薹 0 4 O 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 纤维掺量的关系， 图9表示聚丙烯纤维细石混凝土相对抗折强 度与细石混凝土强度等级的关系。 O 5 0 4 矮 03 $ 莨 0 2 O 1 o o 6 o 9 1 2 聚丙烯 纤维掺 量 ( k g m ) 图 7相对抗折强度与纤维掺 量的关 系( C3 0混凝 土试件 ) 1 0 0 8 爱 0 6 蛞 莨 O 4 0 2 0 0 6 o 9 1 2 聚丙烯 纤维 掺量 ( k g m ) 图 8 相对抗折 强度与纤维掺量的关系( C5 o混凝 土试件 ) 1 0 0 8 薹 0 0 2 0 聚 丙烯纤维掺 量 ( k g m ) 图 9 相对抗折强度与纤维掺量 的关 系( 1 0 O次冻融循环 ) 图 7 和图8表明： 对于C 3 0和 C 5 0细石混凝土试件， 当冻 融循环次数一定时， 随着聚丙烯纤维掺量的提高， 细石混凝土 相对抗折强度呈现增大的趋势。但当聚丙烯纤维掺量提高到 1 2 k g m 时， 随着冻融循环次数的增加， 聚丙烯纤维细石混凝 土相对抗折强度 比相应普通细石混凝土的相对抗折强度低。这 是 由于聚丙烯纤维掺量过高 ， 增加了聚丙烯纤 维细石混凝土 的 界面， 随着冻融循环次数的增加， 细石混凝土内部各组分变形 差异增大， 使细石混凝土界面损伤严重 ， 冻融循环达到 1 5 0次 时 ， 水 泥砂 浆的黏结力 已基 本丧失 ， 其与 聚丙烯 纤维 的黏结 力 也遭到严重削弱， 从而造成高掺量的聚丙烯纤维降低了细石混 凝土的抗冻融性能。 从图 9中可以看出 ： 随着混凝土强度等级的提高 ， 在冻 融循环作用下， 聚丙烯纤维细石混凝土相对抗折强度随之增 大。提高细石混凝土强度等级 ， 使细石混凝土密实度得到提 高， 混凝土内部质量得到改善 ， 骨料间水泥砂浆的黏结能力 增大， 聚丙烯纤维的作用也能得到有效发挥， 相对抗折强度 明显提高。 3 聚 丙烯 纤维对 细石 混凝 土冻融性 能的增强 机 理 聚丙烯纤维细石混凝土其粗骨料为细石， 直径较小 ， 使聚 丙烯纤 维在细石混凝 土中分布的更加 均匀 ， 由于乱 向分 布的微 细纤维相互搭结 ， 阻碍了细石混凝土搅拌和成型过程中内部空 气的溢出， 使细石混凝土的含气量增大， 缓解了冻融循环过程 中的静水压力和渗透压力 ， 同时均匀分布的聚丙烯纤维更好地 改善了细石混凝土的早期内部缺陷， 降低了原生裂隙尺度， 提高 了细石混凝 土的抗拉极 限应变 ， 改善 了细石混凝土 的拉伸断裂 行为， 而且聚丙烯纤维具有明显的阻裂效应 ， 增加了细石混凝 土冻融损伤过程中的能量损耗。 综合上述， 在冻融循环过程中， 当细石混凝土基体冻胀开 裂以后 ，掺人细石混凝土基体的聚丙烯纤维开始发挥阻裂作 用 ， 缓和了细石混凝土内部缺陷处的应力集中现象， 提高了细 石混凝土的变形能力和韧性。另外， 跨越裂缝的聚丙烯纤维仍 能传递应力， 继续抵抗外力。由于聚丙烯纤维与水泥砂浆的紧 密结合， 增大了聚丙烯纤维对水泥砂浆的影响， 水灰比越低， 界 面黏结越强 ， 聚丙烯纤维对细石混凝土影响范围也越大， 阻裂 能力也相应得到提高。但是聚丙烯纤维的掺量是有范围性的， 过大掺量的聚丙烯纤维 ， 大大增加了聚丙烯纤维与水泥砂浆的 界面， 超过一定界限， 就可能产生不利影响。 4结 论 通过对聚丙烯纤维细石混凝土在冻融循环作用下基本力 学性能的试验研究 ， 得出 ： ( 1 ) 在聚丙烯纤 维掺量一 定的范 围内 ， 随着 聚丙烯纤 维掺 量的增加， 聚丙烯纤维细石混凝土基本力学性能均得到了改善， 抗冻融性 能提 高。 ( 2 ) 提高细石混凝土强度等级， 使混凝土密实度得到提高， 细石混凝土内部质量得到改善 ， 骨料间水泥砂浆的黏结能力增 大， 聚丙烯纤维的作用得到有效地发挥， 进而提高了聚丙烯纤 维细石混凝土冻融后抗压强度、 劈拉强度和抗折强度， 增大了 聚丙烯纤维细石混凝土的抗冻性能。 参考文献 ： 1 】 金伟良， 赵羽习 混凝土结构耐久性【 M E 京： 科学出版社， 2 0 0 2 【 2 】 龚益， 沈荣熹， 李清海 杜拉纤维在土建工程中的应用 M 】 北京： 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 2 【 3 徐至钧 纤维混凝土技术与应用【 M 】 北京： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 3 【 4 J G B J 8 2 8 5 ， 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法 s 黄功学 聚丙烯纤维混凝土( 砂浆) 物理力学性能试验研究 o 1 郑州： 郑州大学， 2 0 0 5 6 】高丹盈， 谢晓鹏 在冻融作用下钢纤维混凝土的性能 J 工业建筑 ， 2 0 0 6。 1 0 ( 3 6 ) ： 6 5 6 8 作者简介 ： 单位地 址 联系电话 ： 赵军 ( 1 9 7 1 一 ) ， 男 ， 教授 ， 博士 ， 主要从事纤维复 合建筑材 料 的研 究。 郑州市文化路 9 7 号 郑州大学新型建材与结构研究中心 ( 4 5 0 0 0 2 ) 1 3 8 3 8 0 9 7 2 9 2 63 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m