增強材料對聚合物混凝土性能的影響
1 試驗材料及方法
本試驗采用最佳配比即骨料、填料和粘接劑按8∶1∶1 混合使用。其中粗、細骨料采用最佳配比63∶37[1 ]的高強度花崗巖,粘接劑配方如表1 所示
表1 粘接劑配方
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環(huán)氧膠 |
增韌劑 | 固化劑 | ||||
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E - 44 | DBP | JA - 1 | ||
| 份數(shù) | 30 | 70 | 14 | 18 | ||
PC 制作工藝如圖1
圖1 PC 制作工藝
分別采用水泥、粉煤灰、Al2O3粉末、CaO 粉末、玻璃纖維作填料,按上述工藝澆注成
2.11 填料對PC性能影響
在環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑、樹脂混凝土中均加入填料以改善其性能,從復(fù)合材料角度分析,填料實際為一種增強材料。本文采用五種不同填料制取試樣,性能測試如表2。
表2 填料對PC性能影響
| 試樣組 | 填料 | 固化7天抗強度/ MPa | 固化7天抗折強度/ MPa | 固化7天抗折強度/ MPa |
| 1 | 水泥 | 27.7 | 56.5 | 85.5 |
| 2 | 粉煤灰 | 23.8 | 62.1 | 83.8 |
| 3 | 氧化鋁 | 19.7 | 59.5 | 71.6 |
| 4 | 氧化鈣 | 23.1 | 63.5 | 43.7 |
| 5 | 玻璃纖維 | 17.0 | 55.8 | 64.8 |
從表2 中數(shù)據(jù)可看出,在固化前期水泥和粉煤灰對提高PC抗折強度有明顯優(yōu)勢,而在后期對提高PC材料抗壓強度也有很大優(yōu)勢。綜合考慮,水泥和粉煤灰是比較理想的填料。水泥和粉煤灰極為相似,是吸濕性材料。當水泥(或粉煤灰) 與粘結(jié)料充分混合,由于水泥的吸濕性使得粘結(jié)料的粘度提高,水泥與粘結(jié)料形成顆粒膠體,增大了膠體有效粘接面積,包裹在骨料的表面,并填充在骨料的空隙中。在固化前,水泥起到了潤滑作用,使膠結(jié)料盡可能與骨料均勻混合。硬化時,水泥顆粒與骨料、膠結(jié)料三者粘結(jié),減小了孔隙率,提高了PC 試樣的強度。而CaO、Al2O3 粉末本身價格較貴,作填料制取的PC材料強度也不太高,沒有多大使用價值。且CaO有很強的潮解作用,使制成的PC性能不穩(wěn)定。另外,粉煤灰填料可以降低干燥收縮率,減小滲透性,改善抗介質(zhì)侵蝕性,提高PC 制品的修整性[2] 。而且粉煤灰又是煤礦工業(yè)的副產(chǎn)品,來源廣泛,價格便宜,故粉煤灰是較理想的聚合物混凝土填料。
2.1.2 尼龍纖維對PC材料劈裂抗拉強度的影響
在上述以粉煤灰為填料的PC中又加入尼龍纖維,以尼龍纖維作為增強材料制取試樣,與未加入尼龍纖維的PC 對比,進行劈裂抗拉強度測試,結(jié)果見表3。
| 增強材料 | 劈裂抗拉強度/ MPa |
| 無 | 7. 0 |
| 尼龍纖維 | 8. 0 |
試驗發(fā)現(xiàn),尼龍纖維的加入使PC性能有所提高。從劈裂面來看,尼龍纖維已經(jīng)完全斷開,這說明尼龍纖維和PC良好粘合,在PC中起到一定增強作用。尼龍纖維是一種纖細并且柔韌的織狀物材料,它的彈性模量較大,受力后不易變形[3] 。尼龍纖維通過與PC材料的復(fù)合作用提高了PC材料的強度,利用了尼龍纖維承受高強度應(yīng)力的能力和基體高聚物的切變性及其與尼龍纖維的粘合性能來傳遞應(yīng)力。當尼龍纖維與基體出現(xiàn)相同的應(yīng)力變形時,纖維中的應(yīng)力要比基體中的應(yīng)力大得多,即尼龍纖維承擔了大部分載荷。只有在纖維排列方向與載荷方向一致時,才起到增強作用。尼龍纖維與PC之間界面粘結(jié)力一定要高,否則基體中的剪切應(yīng)力難以通過界面的粘結(jié)作用傳遞給纖維,尼龍纖維不能起到承受大部分載荷的作用,也就不能起到增強PC的作用。
2.1.3 試樣尺寸對聚合物混凝土性能影響
試驗采用三種不同尺寸的模具制備試樣,結(jié)果如表4。
表4 不同尺寸試件的劈裂抗拉強度
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尺寸/ cm |
劈裂抗拉強度/ MPa |
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7. 07 |
6. 73 |
|
5. 50 |
7.23 |
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4. 00 |
8. 00 |
由表面得到不同尺寸立方體試件與土木工程中常用的邊長
表5 不同尺寸立方試件與標準件換算系數(shù)
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試件尺寸/ cm |
比尺效應(yīng)系數(shù) |
|
7. 07 |
1. 00 |
|
5. 50 |
0. 84 |
|
4. 00 |
0. 67 |
由表5 數(shù)據(jù)可以得到圖2
圖2 PC 試樣比尺效應(yīng)
從圖2可以看出試件尺寸和對應(yīng)的劈裂抗拉強度換算系數(shù)呈線性關(guān)系,因此可以推算出研究范圍內(nèi)任一尺寸試件的劈裂抗拉強度。從表4中的數(shù)據(jù)可以看出,試樣尺寸越大,劈裂抗拉強度反而低,其原因可歸結(jié)到混凝土拉伸破壞模型上[4] 。因為混凝土未承受載荷前就存在微裂紋和缺陷,即“薄弱環(huán)節(jié)”,從統(tǒng)計理論來看,試件尺寸增加,“薄弱環(huán)節(jié)”出現(xiàn)的概率也增加,性能也會下降。實際生產(chǎn)中應(yīng)考慮到這一方面。
3 結(jié)論
(1) 粉煤灰是一種比較理想的聚合物混凝土填料。
(2) 尼龍纖維作為增強材料可以顯著提高PC的劈裂抗拉強度。
(3) 試件尺寸對聚合物混凝土性能有很大影響,試件尺寸增加,劈裂抗拉強度反而降低。
參考文獻
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[2]陳義初,譯. 粉煤灰的實際研究及其工程應(yīng)用[M] . 北京:人民交通出版社,1992.
[3]陳正鈞,等. 耐蝕非金屬材料及應(yīng)用[M] . 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1995 , (3) :86 - 89.
[4]姜福田. 混凝土力學(xué)性能測試[M] . 北京:中國鐵道出版社,
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