混雜纖維增強高性能混凝土強度的試驗

摘　要:目的揭示鋼纖維和聚丙烯纖維混雜后對高性能混凝土強度和抗裂性能的影響. 方法參照國家標準和試驗方法,按不同的纖維摻量設計了16 組纖維增強高性能混凝土試件,進行了大量抗壓強度試驗和劈裂抗拉性能試驗研究. 結果低體積摻量的聚丙烯纖維增強高性能混凝土劈裂抗拉試驗破壞為爆裂式破壞;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度提高10 %～40 % ,使拉壓比增大到1/ 18～1/ 16 ;劈裂抗拉試驗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 %時混雜纖維增強高性能混凝土的復合增強效果最好,高性能混凝土拉壓比為1/ 16. 結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.

關鍵詞:混雜纖維;高性能混凝土;強度;拉壓比

中圖分類號: TU375 　　　文獻標識碼:A

　　高性能混凝土以其較高的強度、良好的抗裂性和工作性能等成為21 世紀混凝土技術發(fā)展的重點和方向,但其最大的弱點仍是因脆性增大而易產生裂縫,而且隨著高性能混凝土強度的提,其破壞形式往往呈無征兆的爆炸性破壞[1 ] . 國內外大量研究表明[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而使混凝土的抗拉強度或韌性得到提高;但單一鋼纖維或聚丙烯纖維的增強作用是有限的,因為隨著纖維摻量的增大,纖維就難以均勻分布于基體混凝土中,當增大到一定程度時,反而起不到增強的效果. 文獻[8 ]中對鋼纖維混凝土的有關設計和施工作了詳細的規(guī)定,增補了有關聚丙烯纖維混凝土設計和施工的內容,但還沒有對混雜纖維增強混凝土作相應的規(guī)定. 在高性能混凝土中同時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,混雜纖維增強高性能混凝土的強度和抗裂性能是混雜纖維增強高性能混凝土研究的前沿問題.

　　筆者對1 組普通高性能混凝土、3 組鋼纖維增強高性能混凝土、3 組聚丙烯增強高性能混凝土以及9 組鋼纖維( < 1 %) 和聚丙烯纖維( <0．2 %) 的混雜纖維增強高性能混凝土進行強度試驗研究,分析了混雜纖維體積摻量對高性能混凝土強度和拉壓比的影響,探討了混雜纖維增強高性能混凝土的增強機理及混雜纖維增強高性能混凝土的破壞形式.

1 　試驗概況

1．1 　材料

　　按文獻[ 9 ]高性能混凝土(HPC) 配合比設計的有關要求,選擇配置基準高性能混凝土C45 的材料:湖北省第一冶金水泥廠生產的普通硅酸鹽水泥42．5 級;湖北陽邏電廠粉煤灰公司生產的Ⅰ級粉煤灰,其性能見表1 ;武漢市武昌預制構件廠提供的粗骨料為黏結強度比較好的石英斑巖石,粒徑為10～15 mm ,細骨料細度模數在2．68 左右;武漢華東化工有限公司生產的萘系高效減水劑FDN ,減水率≥10 %;武漢漢森鋼纖維有限公司生產的SFB - 32 鋼纖維,長徑比57 ,抗拉強度> 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級粉煤灰的基本性能

表2 　杜拉牌聚丙烯纖維的基本性能

1．2 　配合比

　　根據文獻[ 10 ]中介紹的鋼纖維增強HPC 和聚丙烯纖維增強HPC 的工程應用,為分別比較鋼維、聚丙烯纖維以及混雜纖維對HPC 的增強效果,進行了4 個系列的對比試驗:

　　(1) 基準高性能混凝土為C45 (編號C - 1) :配合比設計取水膠比0. 3 ; ,砂率40 %;粉煤灰摻量20 %. 按文獻[ 11 ]中方法計算出1 m3C45 各組成材料的質量分別為: 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HPC(編號為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 ,質量分數分別為0．6 %、0．8 %、1．0 %.

　　(3) 聚丙烯纖維增強HPC(編號為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 ,質量分數分別為01055 %、0．11 %、0．165 %.

　　(4) 鋼纖維和聚丙烯纖維混雜增強HPC (編號為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,現場配置混雜纖維增強HPC 時除纖維外的基本組分均與C - 1 相同,適當調整減水劑FDN 的用量,以控制坍落度在180 mm左右. 各系列纖維增強HPC 中鋼纖維和聚丙烯纖維的摻量見表3.

1．3 　試驗方法

　　纖維混凝土試塊的制作和養(yǎng)護、以及抗壓強度測試方法參照文獻[8 ]的有關規(guī)定. 纖維混凝土抗拉強度通過劈裂抗拉試驗來測定,試驗采用INSTRON8501 電液伺服萬能試驗機,控制模式采用等應變控制,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,量測標距為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,由計算機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 　試驗結果

2．1 　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.

2．2 　受拉破壞形態(tài)

　　鋼纖維增強HPC 和混雜纖維增強HPC 和基準HPC 一樣存在兩種破壞機制: Ⅰ為脆性破壞,Ⅱ為近似于延性斷裂. 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 % ,試塊破壞時隨著低沉“噗”地一聲,肉眼觀察到試件表面上出現1 條與主拉應力垂直的主裂縫,另有幾條與主裂縫平行但上下未貫通的細小裂縫. 為了試驗數據的有效性,在計算抗拉強度時,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時對應的荷載) ,但聚丙烯纖維增強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.

2．3 　抗壓強度和抗拉強度試驗結果

　　試驗測得各個系列試件的抗壓、抗拉強度以及拉壓比如表4 所示.

2．4 　試驗結果分析

　　從復合材料觀點來看,HPC 材料的組織結構中:粗骨料與砂漿的結合面為薄弱面,該處產生結合縫,混凝土的破壞首先從這些結合縫開始;砂與水泥漿的結合縫、活性粉煤灰與水泥漿的結合縫是薄弱面,也產生結合縫,但其尺寸比砂漿與粗骨料的結合縫至少小一個數量級;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合縫至少小幾個數量級. 在高性能混凝土中,摻加不同尺寸和不同強度的纖維可以填充各級裂縫,能夠改善與提高界面過渡層的性能,從而實現各種纖維的最佳效能. 試驗結果分析如下:

　　(1) 鋼纖維的彈性模量高,從而使HPC 抗拉強度得到提高,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合效果. 根據試驗,鋼纖維摻量0．8 %時鋼纖維增強HPC 的拉壓比達到0．0526 (1/ 19) ,復合效果較好.

　　(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,都是對混凝土強度不利的因素. 所以劈裂抗拉試驗時發(fā)現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HPC 的抗壓強度和抗拉強度及拉壓比

　　(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量多及性能特點主要約束混凝土早期原生裂縫及微觀裂縫,在較低拉應力情況下起作用;鋼纖維根數不多但具有明顯的增強,對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,對混凝土內部的缺陷產生協(xié)同作用,從而提高混凝土的抗拉強度和拉壓比,試驗中混雜纖維增強HPC 的拉壓比均較C - 1 增大;在PF - 3的基礎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,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配有優(yōu)劣,而混凝土強度本身又具有一定的離散性,因此不同摻量的混雜纖維對HPC 的復合增強效果有一定的差異. 根據試驗:SPF - 1 - 2 、SPF - 2 - 2 、SPF - 2 - 3 、SPF -3 - 3 復合增強效果較優(yōu).

3 　結　論

　　(1) 聚丙烯纖維摻量較低時(本試驗中體積摻量為0. 055 %) 的高性能混凝土的脆性較大,劈裂抗拉試驗時的破壞為爆裂式破壞,加入鋼纖維后混雜纖維增強高性能混凝土則發(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抗壓強度沒有明顯增大趨勢,抗拉強度可增大10 %～40 % ,高性能混凝土的拉壓比由基準混凝土的1/ 22 增大到1/ 18～1/ 16 ,高性能混凝土的脆性降低,延性增強.

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

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