混雜纖維增強(qiáng)高性能混凝土強(qiáng)度的試驗(yàn)

摘 要:目的揭示鋼纖維和聚丙烯纖維混雜后對(duì)高性能混凝土強(qiáng)度和抗裂性能的影響. 方法參照國家標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)方法,按不同的纖維摻量設(shè)計(jì)了16 組纖維增強(qiáng)高性能混凝土試件,進(jìn)行了大量抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂抗拉性能試驗(yàn)研究. 結(jié)果低體積摻量的聚丙烯纖維增強(qiáng)高性能混凝土劈裂抗拉試驗(yàn)破壞為爆裂式破壞;在高性能混凝土中摻加適量的鋼纖維和聚丙烯纖維可使抗拉強(qiáng)度提高10 %~40 % ,使拉壓比增大到1/ 18~1/ 16 ;劈裂抗拉試驗(yàn)破壞為帶有一定延性的破壞;鋼纖維體積摻量為018 %、聚丙烯纖維體積摻量為0111 %時(shí)混雜纖維增強(qiáng)高性能混凝土的復(fù)合增強(qiáng)效果最好,高性能混凝土拉壓比為1/ 16. 結(jié)論適量摻加鋼纖維和聚丙烯纖維可使高性能混凝土的拉壓比增大,提高高性能混凝土的抗裂性能.

關(guān)鍵詞:混雜纖維;高性能混凝土;強(qiáng)度;拉壓比

中圖分類號(hào): TU375    文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

  高性能混凝土以其較高的強(qiáng)度、良好的抗裂性和工作性能等成為21 世紀(jì)混凝土技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)和方向,但其最大的弱點(diǎn)仍是因脆性增大而易產(chǎn)生裂縫,而且隨著高性能混凝土強(qiáng)度的提,其破壞形式往往呈無征兆的爆炸性破壞[1 ] . 國內(nèi)外大量研究表明[1 - 7 ] :摻加適量的高彈性模量的纖維可明顯提高混凝土的強(qiáng)度,而摻加適量的低彈性模量、高延伸率的的纖維可明顯提高混凝土的韌性. 因此在混凝土中摻入鋼纖維或聚丙烯纖維后,由于纖維在混凝土中的阻裂效應(yīng)而使混凝土的抗拉強(qiáng)度或韌性得到提高;但單一鋼纖維或聚丙烯纖維的增強(qiáng)作用是有限的,因?yàn)殡S著纖維摻量的增大,纖維就難以均勻分布于基體混凝土中,當(dāng)增大到一定程度時(shí),反而起不到增強(qiáng)的效果. 文獻(xiàn)[8 ]中對(duì)鋼纖維混凝土的有關(guān)設(shè)計(jì)和施工作了詳細(xì)的規(guī)定,增補(bǔ)了有關(guān)聚丙烯纖維混凝土設(shè)計(jì)和施工的內(nèi)容,但還沒有對(duì)混雜纖維增強(qiáng)混凝土作相應(yīng)的規(guī)定. 在高性能混凝土中同時(shí)摻加低摻量的鋼纖維(體積摻量< 1 %) 和聚丙烯纖維(體積摻量< 0.2 %) 后,混雜纖維增強(qiáng)高性能混凝土的強(qiáng)度和抗裂性能是混雜纖維增強(qiáng)高性能混凝土研究的前沿問題.

  筆者對(duì)1 組普通高性能混凝土、3 組鋼纖維增強(qiáng)高性能混凝土、3 組聚丙烯增強(qiáng)高性能混凝土以及9 組鋼纖維( < 1 %) 和聚丙烯纖維( <0.2 %) 的混雜纖維增強(qiáng)高性能混凝土進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)研究,分析了混雜纖維體積摻量對(duì)高性能混凝土強(qiáng)度和拉壓比的影響,探討了混雜纖維增強(qiáng)高性能混凝土的增強(qiáng)機(jī)理及混雜纖維增強(qiáng)高性能混凝土的破壞形式.

1  試驗(yàn)概況

11  材料

  按文獻(xiàn)[ 9 ]高性能混凝土(HPC) 配合比設(shè)計(jì)的有關(guān)要求,選擇配置基準(zhǔn)高性能混凝土C45 的材料:湖北省第一冶金水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥42.5 級(jí);湖北陽邏電廠粉煤灰公司生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰,其性能見表1 ;武漢市武昌預(yù)制構(gòu)件廠提供的粗骨料為黏結(jié)強(qiáng)度比較好的石英斑巖石,粒徑為10~15 mm ,細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)在2.68 左右;武漢華東化工有限公司生產(chǎn)的萘系高效減水劑FDN ,減水率≥10 %;武漢漢森鋼纖維有限公司生產(chǎn)的SFB - 32 鋼纖維,長徑比57 ,抗拉強(qiáng)度> 600 MPa ;香港恒律發(fā)展有限公司提供的美國杜拉牌聚丙烯纖維,其基本性能見表2.

表1  Ⅰ級(jí)粉煤灰的基本性能

表2  杜拉牌聚丙烯纖維的基本性能

12  配合比

  根據(jù)文獻(xiàn)[ 10 ]中介紹的鋼纖維增強(qiáng)HPC 和聚丙烯纖維增強(qiáng)HPC 的工程應(yīng)用,為分別比較鋼維、聚丙烯纖維以及混雜纖維對(duì)HPC 的增強(qiáng)效果,進(jìn)行了4 個(gè)系列的對(duì)比試驗(yàn):

  (1) 基準(zhǔn)高性能混凝土為C45 (編號(hào)C - 1) :配合比設(shè)計(jì)取水膠比0. 3 ; ,砂率40 %;粉煤灰摻量20 %. 按文獻(xiàn)[ 11 ]中方法計(jì)算出1 m3C45 各組成材料的質(zhì)量分別為: 水泥431 kg ,砂子727 kg ,石頭918 kg ,用水量160 kg ,粉煤灰96 kg ,減水劑1 kg.

  (2) 鋼纖維增強(qiáng)HPC(編號(hào)為SF 系列) :1 m3HPC45 中,鋼纖維摻量SF - 1 為50 kg、SF - 2 為64 kg、SF - 3 為78 kg ,質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.6 %、0.8 %、1.0 %.

  (3) 聚丙烯纖維增強(qiáng)HPC(編號(hào)為PF 系列) :1 m3 HPC45 中, 聚丙烯纖維摻量PF - 1 為0.5 kg、PF - 2 為1.0 kg、PF - 3 為1.5 kg ,質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為01055 %、0.11 %、0.165 %.

  (4) 鋼纖維和聚丙烯纖維混雜增強(qiáng)HPC (編號(hào)為SPF 系列) :由于摻加低摻量的纖維后,HPC原有組分體積變化非常小,現(xiàn)場(chǎng)配置混雜纖維增強(qiáng)HPC 時(shí)除纖維外的基本組分均與C - 1 相同,適當(dāng)調(diào)整減水劑FDN 的用量,以控制坍落度在180 mm左右. 各系列纖維增強(qiáng)HPC 中鋼纖維和聚丙烯纖維的摻量見表3.

13  試驗(yàn)方法

  纖維混凝土試塊的制作和養(yǎng)護(hù)、以及抗壓強(qiáng)度測(cè)試方法參照文獻(xiàn)[8 ]的有關(guān)規(guī)定. 纖維混凝土抗拉強(qiáng)度通過劈裂抗拉試驗(yàn)來測(cè)定,試驗(yàn)采用INSTRON8501 電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī),控制模式采用等應(yīng)變控制,這樣可以獲得穩(wěn)定的劈拉荷載- 位移曲線,夾式引伸儀安裝在試件的中部,量測(cè)標(biāo)距為50 mm ,荷載和位移值分別由荷載傳感器和夾式引伸儀同步量測(cè),由計(jì)算機(jī)控制和記錄并輸出荷載位移曲線.

表3  各系列HPC 中的混雜纖維摻量

2  試驗(yàn)結(jié)果

21  受壓破壞形態(tài)

  未加纖維的C - 1 試塊,隨著荷載的增加,最后聽到“啪”地一聲巨響,試塊被壓碎. 混雜纖維增強(qiáng)HPC 試塊的纖維在開裂面上脫黏拔出或纖維在開裂面上逐漸被拉斷而呈斷裂式破壞,如圖1所示.

22  受拉破壞形態(tài)

  鋼纖維增強(qiáng)HPC 和混雜纖維增強(qiáng)HPC 和基準(zhǔn)HPC 一樣存在兩種破壞機(jī)制: Ⅰ為脆性破壞,Ⅱ?yàn)榻朴谘有詳嗔? 如圖2 、圖3 、圖4 和圖5 所示. 劈拉荷載- 位移曲線的第二峰值大都比第一峰值大10 %~30 % ,試塊破壞時(shí)隨著低沉“噗”地一聲,肉眼觀察到試件表面上出現(xiàn)1 條與主拉應(yīng)力垂直的主裂縫,另有幾條與主裂縫平行但上下未貫通的細(xì)小裂縫. 為了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性,在計(jì)算抗拉強(qiáng)度時(shí),取劈拉荷載Pmax = P1 + P2 ×10 %( P1 、P2 分別為第一峰值Ⅰ和第二峰值Ⅱ時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載) ,但聚丙烯纖維增強(qiáng)HPC 中的PF - 3 試塊隨著荷載的增加,最后發(fā)出“砰”地一聲巨響,試塊迅速炸裂為兩半,為爆裂式破壞,如圖6 所示,劈拉荷載- 位移曲線僅有第一峰值,PF - 1 和PF- 2 第二峰值不明顯,劈拉荷載取第一峰值.

23  抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

  試驗(yàn)測(cè)得各個(gè)系列試件的抗壓、抗拉強(qiáng)度以及拉壓比如表4 所示.

24  試驗(yàn)結(jié)果分析

  從復(fù)合材料觀點(diǎn)來看,HPC 材料的組織結(jié)構(gòu)中:粗骨料與砂漿的結(jié)合面為薄弱面,該處產(chǎn)生結(jié)合縫,混凝土的破壞首先從這些結(jié)合縫開始;砂與水泥漿的結(jié)合縫、活性粉煤灰與水泥漿的結(jié)合縫是薄弱面,也產(chǎn)生結(jié)合縫,但其尺寸比砂漿與粗骨料的結(jié)合縫至少小一個(gè)數(shù)量級(jí);一些缺陷如未水化的水泥顆粒和孔隙的尺寸比砂和水泥漿的結(jié)合縫至少小幾個(gè)數(shù)量級(jí). 在高性能混凝土中,摻加不同尺寸和不同強(qiáng)度的纖維可以填充各級(jí)裂縫,能夠改善與提高界面過渡層的性能,從而實(shí)現(xiàn)各種纖維的最佳效能. 試驗(yàn)結(jié)果分析如下:

  (1) 鋼纖維的彈性模量高,從而使HPC 抗拉強(qiáng)度得到提高,使HPC 拉壓比增大,能夠阻滯基體混凝土裂縫的開展. 但不同的體積摻量影響鋼纖維與高性能混凝土的復(fù)合效果. 根據(jù)試驗(yàn),鋼纖維摻量0.8 %時(shí)鋼纖維增強(qiáng)HPC 的拉壓比達(dá)到0.0526 (1/ 19) ,復(fù)合效果較好.

  (2) 聚丙烯纖維的彈性模量低(約為混凝土的1/ 10) 、具有一定的增稠作用和弱界面效應(yīng),都是對(duì)混凝土強(qiáng)度不利的因素. 所以劈裂抗拉試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)PF - 3 試塊只有第一種破壞形式,為爆裂式破壞,脆性非常大.

表4  纖維增強(qiáng)HPC 的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度及拉壓比

  (3) 鋼纖維和聚丙烯纖維混雜使用,在混凝土破壞過程中分別起著不同的作用,聚丙烯纖維由于其數(shù)量多及性能特點(diǎn)主要約束混凝土早期原生裂縫及微觀裂縫,在較低拉應(yīng)力情況下起作用;鋼纖維根數(shù)不多但具有明顯的增強(qiáng),對(duì)宏觀裂縫可以起到顯著的阻滯,綜合兩種不同纖維吸收能量的優(yōu)點(diǎn),對(duì)混凝土內(nèi)部的缺陷產(chǎn)生協(xié)同作用,從而提高混凝土的抗拉強(qiáng)度和拉壓比,試驗(yàn)中混雜纖維增強(qiáng)HPC 的拉壓比均較C - 1 增大;在PF - 3的基礎(chǔ)上加入鋼纖維的混雜纖維混凝土SPF - 3- 1 、SPF - 3 - 2 、SPF - 3 - 3 則降低了增稠作用和減少弱界面效應(yīng),故避免發(fā)生爆裂式破壞,而是發(fā)生帶有一定延性的脆性斷裂破壞.

  (4) 不同體積率的混雜纖維與混凝土中的其他分散粒子所形成的級(jí)配有優(yōu)劣,而混凝土強(qiáng)度本身又具有一定的離散性,因此不同摻量的混雜纖維對(duì)HPC 的復(fù)合增強(qiáng)效果有一定的差異. 根據(jù)試驗(yàn):SPF - 1 - 2 、SPF - 2 - 2 、SPF - 2 - 3 、SPF -3 - 3 復(fù)合增強(qiáng)效果較優(yōu).

3  結(jié) 論

  (1) 聚丙烯纖維摻量較低時(shí)(本試驗(yàn)中體積摻量為0. 055 %) 的高性能混凝土的脆性較大,劈裂抗拉試驗(yàn)時(shí)的破壞為爆裂式破壞,加入鋼纖維后混雜纖維增強(qiáng)高性能混凝土則發(fā)生帶有一定延性的斷裂破壞.

  (2) 在高性能混凝土中摻加不同體積率的鋼纖維和聚丙烯纖維后對(duì)抗壓強(qiáng)度沒有明顯增大趨勢(shì),抗拉強(qiáng)度可增大10 %~40 % ,高性能混凝土的拉壓比由基準(zhǔn)混凝土的1/ 22 增大到1/ 18~1/ 16 ,高性能混凝土的脆性降低,延性增強(qiáng).

  (3) 鋼纖維體積摻量為0. 8 %、聚丙烯纖維體積摻量為0. 11 %時(shí)混雜纖維增強(qiáng)高性能混凝土的混雜效應(yīng)最好,此時(shí)高性能混凝土拉壓比可增大到1/ 16.

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原作者: 夏冬桃 徐禮華 池寅 宋志斌  

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