超细钢-聚丙烯混杂纤维混凝土力学性能研究.pdf

２０１６年第１２期玻璃钢／复合材料超细钢一聚丙烯混杂纤维混凝土力学性能研究王晨飞，焦俊婷（厦门理工学院土木工程与建筑学院，厦门３６１０２４）摘要：为研究超细钢－聚丙烯纤维对混凝土力学性能的影响，进行了９组超细钢．聚丙烯混杂纤维混凝土试件的立方体抗压强度和劈裂强度试验，分析了超细钢纤维、聚丙烯纤维体积掺量对混凝土力学性能的影响。结果表明：混杂纤维的掺入使混凝土的立方体抗压强度、劈裂强度及拉压比均有提高，混杂纤维混凝土破坏产生明显延性特征；超细钢纤维体积掺量对混凝土力学性能的影响最大，混凝土强度及拉压比随超细钢纤维掺量增加而增大；聚丙烯纤维体积掺量增加对混凝土力学性能的影响并非线性提高，混掺０．１％聚丙烯纤维和１．５％超细钢纤维的混凝土获得最佳力学性能，抗压强度提高１９．４２％，劈裂抗拉强度提高５６．７８％，拉压比提高３０．１６％。关键词：超细钢纤维；聚丙烯纤维；混杂纤维混凝土；力学性能—中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ文章编号：１００３－０９９９（２０１６）１２００１卜０４混凝土是当今应用最广泛的建筑材料，但其抗弯、抗拉、抗冲击及韧性差等弱点限制了材料优势发…挥。长期以来，学者们不断尝试探索改善混凝土性能的方式，混杂纤维增强混凝土逐步成为近年的研究热点４。。赵华等采用单轴拉伸试验对聚乙烯和聚丙烯混杂纤维混凝土进行研究，并根据测试结果建立相应的单轴抗拉本构模型。夏冬桃等＿６对低掺量三元混杂纤维混凝土试件进行轴心受拉试验，研究了纤维组分、长径比、活性掺料等对轴拉性能的影响。李燕飞等对单掺、双掺仿钢纤维、聚丙烯纤维和钢纤维的混凝土试件进行力学性能测试，发现混杂纤维对混凝土强度提高优于单一纤维。张勇等进行了３种混杂纤维混凝土的静态压缩试验，发现钢纤维和聚丙烯纤维混杂为最优纤维类型。刘胜兵等采用正交试验法对ｌ８组混杂纤维混凝土试块的抗压及劈裂性能进行研究，并回归提出相应的计算公式。Ｋａｒｔｈｉｋ等。。对钢．聚丙烯混杂纤维混凝土梁进行了试验研究，发现钢纤维掺量增加可有效增强其抗剪性能。然而，传统钢纤维过大的直径和长度增加了施工难度，制约了钢纤维增强混凝土的优良性能。超细钢纤维可有效改善纤维与混凝土的黏结Ｈ，然而其替代普通钢纤维与聚丙烯纤维混杂后对混凝土性能的改善效果却鲜有报道。本文对聚丙烯一超细钢混杂纤维混凝土试件进行抗压和劈裂试验，研究不同类型纤维体积掺量对混凝土破坏的影响，分析混杂纤维掺量对混凝土力学性能的影响规律，以达到对超细钢．聚丙烯纤维混杂混凝土工程使用提供理论支持的目的。１试验１．１材料试验采用混凝土的基体强度为Ｃ３０。水泥为水泥厂生产的４２．５级普通硅酸盐水泥；粗骨料采用粒径为５～１５ｍｍ的碎石；细骨料采用细度模数为２．７的优质中砂；减水剂采用高效聚羧酸减水剂；纤维采用江苏苏博特提供的润强丝聚丙烯纤维和超细钢纤维，纤维性能参数如表１所示。现场配置混杂纤维混凝土，除纤维混杂掺量外，试件其余组分均和基体混凝土相同，采用的试件混凝土配合比如表２所示。表１纤维性能参数Ｔａｂｌｅ１Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｆｉｂｅｒｓ…／收稿日期：２０１６．０７．０４基金项目：国家自然科学基金项目（５１４７８４０４）；福建省科技厅青年创新项目（２０１６Ｊ０５１４１）；福建省教育厅Ａ类项目（ＪＡ１４２４１）；厦门理工学院高层次人才项目（ＹＫＪ１３０２９Ｒ）作者简介：王晨飞（１９８１－），男，讲师，博士，主要从事混凝土耐久性方面的研究，ｗｃｆＯ０１＠ｏｕｔｌｏｏｋ．ｔｏｍ。曝磷瓣１２超细钢一聚丙烯混杂纤维混凝土力学性能研究２０１６年１２月表２试验用混凝土试件配合比Ｔａｂｌｅ２Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｉｎｇｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅｓｐｅｃｉｍｅｎｓｅｍｐｌｏｙｅｄｆｏｒｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ试件水泥砂石子水聚丙烯特细钢减水剂编号／ｋｓ・ＩＴＩ一／ｋｓ・ｉｎ一／ｋｓ・ｎｌ一／ｋｇ・ｍ一纤维／％纤维／％／ｋｓ・ＩＴＩ一。１．２试验方法按照设计配合比制作试件，参照《钢纤维混凝土试验方法》及《普通混凝土力学性能试验方法标准》的相关规定，采用尺寸为１５０ｍｍ￣１５０ｍｍ￣１５０ｍｍ的试件研究混杂纤维混凝土的抗压强度及劈裂抗拉强度，试件在标准养护环境中养护２８ｄ后，在２０００ｋＮ的压力试验机上进行试验。２结果与分析２．１破坏过程及形态不同纤维类型的混杂纤维混凝土受压破坏形“”态：素混凝土试件破坏形态为典型的四角锥，试件的上下端因受加载垫板的摩阻约束而横向变形很小，试件中部的水泥石与骨料之间界面受横向拉应力作用产生裂缝，裂缝逐步扩展贯通；纤维的掺加可有效提高试件强度并改变破坏形态，纤维在水泥石“”与骨料界面产生桥联作用，承受横向拉应力，延缓界面裂缝的扩展，单掺超细钢纤维的试件破坏时依然保持完整外形，试件表面只有一条较明显裂缝；由于长径比较大增加了单位体积纤维的数量，单掺聚丙烯纤维的试件表面裂缝更加细密；混杂纤维混凝土试件充分发挥两种纤维的优势，首先由密集分布的聚丙烯纤维在水泥石中承担拉应力，抑制微裂缝的扩展，随着荷载的逐步增加，低弹性模量的聚丙烯纤维由于变形过大而开始拔出或拔断，高弹性模量的超细钢纤维随后参与受力，继续分担横向拉应力，延缓界面裂缝的扩展，由于纤维拔出消耗大量变形能，混杂纤维混凝土的强度和破坏形态发生较大变化，破坏时没有明显的碎块或贯通裂缝，只呈现鱼鳞状表面剥蚀，试件强度提高且裂而不碎。不同纤维类型的混杂纤维混凝土劈裂破坏形态：素混凝土内部的骨料与水泥石界面处早期由于砖干缩形成众多微小裂缝，初始裂缝在受力过程中扩展联通，试件最终在荷载作用下直接劈成两半，表现为明显的脆性破坏；纤维在试件成型过程中抑制水泥石的收缩变形，减少界面初始裂缝数量，在受力过程中减缓裂缝尖端的应力集中，延缓裂缝的产生及扩展，高弹性模量的超细钢纤维在相同拉应变时对混凝土提供显著约束，试件破坏时只在中部产生一条裂缝；低弹性模量的聚丙烯纤维由于长径比大而数量众多，在水泥石中三维杂向分布，限制横向裂缝扩展，破坏时中部裂缝细于单掺超细钢纤维；混杂纤维在劈裂荷载作用下交替发生作用，试件破坏时只产生一条细微裂缝。２．２力学性能试验测得的基体混凝土的立方体抗压强度为３７．５８ＭＰａ，劈裂强度为２．３６ＭＰａ，９组试件抗压强度、劈裂强度及拉压比试验结果如表３所示。由表３可以看出，混凝土基体中掺入纤维后，混凝土的力学性能有了显著提高。相比于普通混凝土，单一掺加０．１％聚丙烯纤维的ＨＢＦ１组，抗压强度提高了９．８７％，劈裂强度提高了２７．５２％；单一掺加１％超细钢纤维的ＨＢＦ５组，抗压强度提高了９．１１％，劈裂强度提高了１８．６９％；混掺０．１％聚丙烯纤维和１．５％超细钢纤维的ＨＢＦ８组，抗压强度提高了７．９７％，劈裂强度提高了３７．５１％。拉压比为劈裂抗拉强度与立方体抗压强度之比，是钢混凝土脆性的重要指标，未掺加纤维的普通混凝土拉压比为０．０６３，纤维的掺人提高了混凝土的拉压比，改善了试件的脆性。相比于普通混凝土，单一掺加０．１％聚丙烯纤维的ＨＢＦ１组，抗压比提高了１５．７％；单一掺加１％超细钢纤维的ＨＢＦ５组，拉压比提高了８．４４％；混掺０．１％聚丙烯纤维和１．５％超细钢纤维的ＨＢＦ８组，抗压比提高了２６．９６％。表３试件力学性能测试结果Ｔａｂｌｅ３Ｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｏｆｓｐｅｃｉｍｅｎｓｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，聚丙烯超细钢立方体抗压强度劈裂抗拉强度：纤维掺纤维掺测量值提高幅度测量值提高幅度拉压比…量／％量／％／ＭＰａ／％／ＭＰａ／％ＨＢＦｌＨＢＦ２ＨＢＦ３ＨＢＦ４ＨＢＦ５ＨＢＦ６ＨＢＦｖ７ＨＢＦ８２７．５２３７．２４４２．５５６．７８１８．６９２９．１８２９．７９３７．５１２２２２２２２２２０ｏ。ｏ叭叭¨¨ｏ吣ＯＯＯ００Ｏ０ＯＯ２２２２２２２２２加加加加加加加加加８８８８８８８８８５５５５５５５５５６６６６６６６６６舛舛舛舛舛舛Ⅶ¨ⅥｗＨＨＨＨＨＨＨＨＨ２０１６年第ｌ２期玻璃钢／复合材料１３２．３影响因素分析２．３．１超细钢纤维掺量影响从图１可以看出，聚丙烯纤维掺量固定为０．１％，随着超细钢纤维掺量的增加，混杂纤维混凝土的立方体抗压强度、劈裂强度及拉压比逐渐增大，钢纤维掺量从０增加至１．５％，试件立方体抗压强度依次增长９．８７％～１９．４２％，劈裂强度依次增长２７．５２％～５６．７８％，拉压比依次增长１５．７％一３０．８６％。试件受压时，混凝土内部组分受压收缩，同时垂直于受压方向组分颗粒密度增大，重叠电子云产生斥力，使试件在横向拉应力作用下产生膨胀，超细钢纤维可有效克服常规钢纤维搅拌易结团的缺点，同时边壁效应较弱，能与骨料界面更好相交，高弹性模量使超细钢纤维在拉伸作用下保持与水泥石界面的黏结，有效地阻止了平行于界面的初裂缝的产生和发展，从而提高了混凝土的力学性能。４６４５４４蠢４３翟４２辗４ｌ４ｏ３９耋龋絮Ｉｉ■圈ｌｉ＿ｌ１００５ｌ纤维体积掺量（ａ）掺量对抗压强度影响Ｏｏ５１纤维体积掺量／％（ｂ）掺量对劈裂强度影响Ｊ／／一一●，—／—一，ｒ０Ｏ２Ｏ４０６ｎ８１ｌ２ｌ４１６纤维体积掺量／％（ｅ）掺量对拉压比影响图１超细钢纤维体积掺量对试件力学性能影响Ｆｉｇ．１ＥｆｆｅｃｔｓｏｆＵＬＳＦｖｏｌｕｍｅｒａｔｉｏｎｏｎ—ｃｏｎｃｒｅｔｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｍｐｅ￣ｉｅｓ２．３．２聚丙烯纤维掺量影响从图２可以看出，钢纤维掺量固定为１％，随着聚丙烯纤维掺量的增加，混杂纤维混凝土的立方体抗压强度、劈裂强度及拉压比呈现先增大后减小的趋势，聚丙烯纤维掺量增加至０．１％时，试件的强度及拉压比达到峰值，相应抗压强度增加１４．８７％，劈裂抗拉强度增加４２．５％，拉压比增加２３．８１％。适量聚丙烯纤维在试件硬化初期可有效抑制水泥石干缩，减小试件初始缺陷，但大掺量纤维由于分散性问题会增加界面，同时由于聚丙烯纤维的泊松比较大，纤维界面在荷载作用下急剧减小，失去与水泥石基体的黏结，从而降低承载力。０００５１纤维体积掺量，％（ａ）掺量对抗压强度影响ｏｎ０５ｎ１ｎｌ５纤维体积掺量（ｂ）掺量对劈裂强度影响／’＼／＼／＼／／ＯＯＵｏ４０（）６０．０８ＯｌＯｌ２Ｏ１４Ｏｌ６纤维体积掺量／％（ｅ）掺量对拉压比影响图２聚丙烯纤维体积掺量对试件力学性能影响Ｆｉｇ．２ＥｆｆｅｃｔｓｏｆＰＰＦｖｏｌｕｍｅｒａｔｉｏｎｏｎ—ｃｏｎｃｒｅｔｅｍｅｃｈａｎｉｃＭｐｒｏｐｅ￣ｉｅｓ３总结（１）混杂纤维的掺入可明显改善混凝土受力破吲２０１ｌ６－ＮｍＩ２黼龃辐善雠暾臻躲１４超细钢一聚丙烯混杂纤维混凝土力学性能研究２０１６年１２月坏形态，普通混凝土的受压破坏和劈裂受拉破坏均表现出脆性特征，混杂纤维混凝土发生延性破坏，试件表面只产生微小裂缝；（２）混杂纤维可普遍提高普通混凝土力学性能，其中混掺０．１％聚丙烯纤维和１．５％超细钢纤维为最优掺量，使基体混凝土的抗压强度提高１９．４２％，劈裂抗拉强度提高５６．７８％，拉压比提高３０．１６％；（３）超细钢纤维对基体混凝土的力学性能影响最大，随纤维掺量的增加，试件的力学性能逐渐提高；聚丙烯纤维在试件中的最优体积掺量为０．１％，随着纤维掺量的增加，试件力学性能逐渐减小。参考文献［１］汪智勇，张文生，叶家元．高强水泥基材料研究进展［Ｊ］．硅酸—盐通报，２００９，２８（４）：７６２７７０．［２］王艳，赵凯月，宋战平，等．钢－聚丙烯混杂纤维混凝土研究进—展［Ｊ］．硅酸盐通报，２０１５，３４（７）：１８８６１８９０．［３］刘肖凡，梅国栋，李继祥．钢一聚丙烯混杂纤维水泥基复合材料干燥收缩抗裂性能研究［Ｊ］．混凝土与水泥制品，２０１６（２）：５ｌ一５４．［４］徐礼华，陈平，黄乐，等．钢一聚丙烯混杂纤维混凝土与变形钢—筋黏结性能试验研究［Ｊ］．土木工程学报，２０１５，４８（４）：１５２２．ｆ５］赵华，何锐，彭挺，等．混杂合成纤维混凝土单轴抗拉力学特性—与本构关系［Ｊ］．硅酸盐通报，２０１５，３４（３）：７７１７７５．［６］夏冬桃，周博儒，刘向坤，等．低掺量三元混杂纤维混凝土轴拉—性能试验［Ｊ］．华中科技大学学报，２０１３（１１）：４１４５．［７］李燕飞，杨建辉，丁鹏，等．混杂纤维混凝土力学性能研究［Ｊ］．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