聚丙烯纖維增強混凝土的室內(nèi)試驗研究

摘　要:通過對聚丙烯纖維增強混凝土的室內(nèi)試驗,研究了不同摻入工藝和微細(xì)摻料對纖維分散性能的影響,對比分析了聚丙烯纖維增強混凝土與普通混凝土的性能差異,同時摻入粉煤灰補償因聚丙烯纖維的粘滯作用而導(dǎo)致混凝土流動性的降低,使混凝土具有良好的粘聚性和可塑性,改善混凝土的和易性,從而為聚丙烯纖維增強混凝土配合比設(shè)計提供了新的思路和理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞:聚丙烯纖維;粉煤灰;混凝土; 試驗研究

中圖分類號: TV43 　　　文獻標(biāo)識碼:A

　　水泥基混凝土材料具有施工簡單、制備容易、能耗低、抗壓強度高、適應(yīng)性強、經(jīng)久耐用、價格低廉、取材方便等優(yōu)點,但其自身仍存在一些缺陷,限制了其在工程中的使用范圍[1～3 ] 。聚丙烯(polypropylene fibre) 纖維(以下簡稱PP 纖維) 在合成纖維中具有密度小、不吸水、延伸率大、耐久性好、價格低以及優(yōu)良的加工性等特點[4 ] 。近年來,作為水泥基混凝土的添加料,在建筑領(lǐng)域越來越引起國內(nèi)外許多學(xué)者的關(guān)注。本文從室內(nèi)試驗的角度,研究了摻入聚丙烯纖維對混凝土性質(zhì)的影響規(guī)律。

1 　試驗原材料

1. 1 　水　泥

　　本實驗所用水泥為云南省昆明水泥股份有限公司生產(chǎn)的P. O 42. 5 硅酸鹽水泥,水泥熟料礦物化學(xué)組成見表1 ,依照《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》( GB/ T134622001) 進行了水泥物理力學(xué)性能檢測,檢測結(jié)果見表2 。

1. 2 　粉煤灰

　　粉煤灰采用云南恒威實業(yè)有限公司粉煤灰分公司生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰,其化學(xué)組成見表3 、質(zhì)量檢驗見表4 。由檢測數(shù)據(jù)可知,依據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》( GB1596291) ,本實驗所用的粉煤灰符合Ⅱ級粉煤灰標(biāo)準(zhǔn)。

1. 3 　外加劑

　　外加劑采用昆明西山仟禧混凝土外加劑廠生產(chǎn)的QX2 Ⅱ型高效硫化泵送劑、QX2A 型高效減水劑。摻量為水泥用量的0. 5 %～ 0. 7 % , 減水率為15 %～ 20 % , 28d 抗壓強度比為109 % ,其他指標(biāo)達(dá)到混凝土外加劑國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范( GB807621997) 的要求。

1. 4 　粗骨料

　　本試驗選用的是石灰?guī)r碎石,其物理性能指標(biāo)見表5 。

1. 5 　細(xì)骨料

　　本試驗選用的是中砂,其物理性能指標(biāo)見表6 。

1. 6 　纖　維

　　試驗采用泰安市現(xiàn)代塑料有限公司生產(chǎn)的聚丙烯纖維,聚丙烯纖維長度20 mm ,其物理性能指標(biāo)見表7 。

2 　材料中纖維分散性研究

2. 1 　不同摻入工藝對纖維分散性的影響

　　摻入工藝對改善混凝土拌和物的均勻性有著較大的作用,投料順序、攪拌時間均會影響纖維分布的均勻性。本實驗通過水洗法[5 ,6 ]檢查纖維的分散性,在干拌法[A ] 、濕拌法[B ]的研究分析基礎(chǔ)上,依據(jù)水泥裹砂法和二次投料工藝原理擬定試驗拌和工藝[C] ,其各工藝流程如下。

　　(1) 干拌法[A] :先將纖維、砂、石攪拌均勻后,再將膠材、減水劑一起攪拌均勻,最后加入水?dāng)嚢璩尚巍?/P>

　　(2) 濕拌法[B] :先將砂石和膠材攪拌均勻后,再加入水一起攪拌均勻后,最后加入纖維攪拌成形。

　　(3) 試驗拌和工藝[ C] : ①將纖維與砂拌和; ②加入約1/ 3的水拌和; ③加入膠材和減水劑拌和; ④加入碎石拌和均勻后加入剩余的水,拌和至均勻后入模; ⑤振搗。不同摻入工藝?yán)w維分散系數(shù)見表8 ,其結(jié)果表明:干拌法要比濕拌法有利于纖維在水泥基體中分散,這是因為干拌法中纖維在水泥砂子中被強烈分散,從而分散性好;而濕拌法中纖維吸水潤濕,后為水泥漿包裹,因而易結(jié)團,影響了纖維在砂漿中的均勻分散。本試驗拌和工藝和干拌法比較,雖然比干拌法增加了攪拌步驟和時間,但纖維的分布更均勻,成團、成束現(xiàn)象明顯減少。

2. 2 　微細(xì)摻料對纖維分散性能的影響

　　為了促進纖維的均勻分散,其拌和工藝很重要,但要把纖維分散成單絲狀態(tài),僅僅依靠攪拌工藝、延長攪拌時間是難以實現(xiàn)的,特別是隨著纖維摻入量的增加,成團現(xiàn)象明顯,因此實驗研究了微細(xì)摻料對纖維分散性的影響。本試驗選用微細(xì)摻料為Ⅱ級粉煤灰,試驗結(jié)果見表9 。

　　表9 中A 組為不摻粉煤灰;B 與C 組為等量取代;D 組為超量取代,超量系數(shù)為1. 3 。結(jié)果表明:當(dāng)纖維摻量在0. 2 %以下時,混凝土拌和物和易性與基準(zhǔn)混凝土差異不明顯,其28 d抗壓強度因粉煤灰取代水泥有所下降;當(dāng)纖維摻量在0. 2 %以上時,成團現(xiàn)象明顯,且28 d 抗壓強度損失較大,通過粉煤灰超量取代,增大膠料用量,上述現(xiàn)象明顯改善,這以粉煤灰的特性有關(guān)。粉煤灰的微珠球狀顆粒,增大了混凝土的流動性,同時在骨料和纖維接觸點的球軸承作用,改善了纖維的分散性。

3 　與普通混凝土的對比研究

3. 1 　試驗配合比設(shè)計

　　為了研究聚丙烯纖維增強混凝土與普通混凝土拌和物性能、力學(xué)性能及抗裂性能間的差異,試驗選用了具有代表性的4組聚丙烯纖維增強混凝土和兩組普通混凝土,其混凝土配合比見表10 。纖維摻量在0. 2 %以下,不改變原混凝土的配合比;當(dāng)纖維摻量為0. 4 %時,增大總膠料用量、減少骨料含量,來保證混凝土滿足設(shè)計要求。本試驗控制混凝土的出機坍落度為60～80 mm 。實驗室進行了拌和物性能、抗壓強度、劈拉強度及抗裂性能試驗。

3. 2 　拌和物性能對比實驗

　　本文進行了聚丙烯纖維混凝土和普通混凝土拌和物的凝結(jié)時間、坍落度、含氣量、泌水率等性能的對比實驗,結(jié)果見表11。

　　結(jié)果表明: ①摻入聚丙烯纖維后,混凝土的初凝時間提前了1～1. 5h ,終凝時間也提前。但凝結(jié)時間與纖維摻量之間無明顯的規(guī)律變化; ②摻入聚丙烯纖維后,混凝土的坍落度損失有所下降。③B23 組混凝土含氣量明顯增大,這是因為纖維分散不均勻,有成團現(xiàn)象導(dǎo)致。其余幾組混凝土的含氣量無明顯的變化。即聚丙烯纖維分散均勻后,對混凝土的含氣量無影響。④B23 組混凝土泌水率增加,這是因為纖維分散不均勻,有成團現(xiàn)象導(dǎo)致混凝土密實性降低,從而水分從孔隙中釋放出來,其余幾組混凝土性能實驗發(fā)現(xiàn),纖維的摻入減少了混凝土的表面的析水,使得泌水率下降,而且泌水現(xiàn)象推遲出現(xiàn),提早結(jié)束。即聚丙烯纖維分散均勻后,可以減少混凝土的泌水性,提高混凝土的保水性。

　　由此可見纖維是否分散均勻,對混凝土的泌水率、含氣量和密實性影響較大,因此實現(xiàn)聚丙烯纖維增強混凝土的前提是:在配比設(shè)計和拌和工藝中如何使摻入的纖維均勻地分散成單絲狀態(tài)。本試驗基于這一設(shè)計理念采用的拌和工藝和雙摻技術(shù)對促進纖維的均勻分散效果是顯著的,特別是粉煤灰中微珠球狀顆粒的滾動效應(yīng)補償了因聚丙烯纖維的粘滯作用而導(dǎo)致的混凝土流動性降低,同時粉煤灰微珠球狀顆粒在骨料和纖維接觸點的球軸承作用促進了纖維的均勻分散。本試驗采用粉煤灰超量取代,既保證了混凝土滿足設(shè)計要求,又節(jié)約了水泥。

3. 3 　力學(xué)性能的對比實驗

　　本文按照國家標(biāo)準(zhǔn)GBJ81285 普通混凝土力學(xué)性能實驗方法,制作混凝土試件尺寸為150 mm ×150 mm ×150 mm ,在標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護,在液壓機上分別測其7 d、28 d 抗壓強度、劈拉強度(見表12) ,并以此進行對比分析。

3. 3. 1 　聚丙烯纖維對混凝土抗壓強度的影響

　　表12 試驗結(jié)果分析: ①由A21 和A22 組數(shù)據(jù)比較,粉煤灰的摻入使得混凝土的7d 抗壓強度下降了7 %;A22 、B22 比較,纖維的摻入使得混凝土的7d 抗壓強度上升了12 % 。因此摻入適量的聚丙烯纖維可以彌補粉煤灰混凝土早期強度低這一缺陷。②從B21 和A21 比較發(fā)現(xiàn),前者28 d 抗壓強度比后者分別增長了8 %、3 %;對B23 和A21 進行比較,前者7d 的抗壓強度和后者持平,而28 d 抗壓強度卻下降7 % ,其原因是聚丙烯纖維為低彈性模量纖維,對混凝土抗壓強度貢獻不大,少量纖維加入混凝土后,可以改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu),減少混凝土的初始裂縫提高混凝土的抗壓強度,當(dāng)纖維量繼續(xù)增大時帶來混凝土內(nèi)部空氣含量的增加,導(dǎo)致混凝土材料的密實性降低,抗壓強度隨之降低。因此,只要聚丙烯纖維均勻分散在基體中就可以稍稍提高混凝土的抗壓強度。③用B24 和B23 比較:前者7 d 抗壓強度比后者上升了1 % ,前者28d 抗壓強度比后者上升了5 %。其原因為B24 中粉煤灰的增量系數(shù)為1. 3 ,粉煤灰的增加促進了纖維在基體中的分散,也改善了混凝土的微觀結(jié)構(gòu),提高混凝土材料的密實性。這樣混凝土的抗壓強度隨之增大。因此當(dāng)纖維體積摻量較大的時候,可以通過增大粉煤灰的量來減少纖維混凝土抗壓強度的下降幅度。

從上分析可得:

　　(1) 對于聚丙烯纖維混凝土,要使其抗壓強度和基準(zhǔn)混凝土的抗壓強度沒有明顯的差異,就必須改善纖維與基體的界面,提高纖維與混凝土基體粘結(jié)能力;促進纖維在基體的分散能力,保證它的摻入不會對混凝土的密實度產(chǎn)生影響。

　　(2) 通過增加粉煤灰來促進纖維均勻分散在基體中,這時聚丙烯纖維混凝土的抗壓強度可稍稍提高,但不能用聚丙烯纖維來增強混凝土的抗壓強度。其抗壓強度只與水泥強度、水灰比有關(guān),與纖維參數(shù)無關(guān)。即聚丙烯纖維混凝土抗壓強度可近似的等于基體混凝土抗壓強度。聚丙烯纖維對混凝土的抗壓強度貢獻不大,李勇等人[7 ]周明耀等人[8 ] 的實驗也表明聚丙烯纖維對混凝土的影響不明顯。

3. 3. 2 　聚丙烯纖維對混凝土抗拉強度的影響

本實驗采用劈拉強度來進行混凝土的抗拉強度實驗。表12 試驗結(jié)果表明:

　　(1) 摻加了粉煤灰的A22 組混凝土的7 d、28 d 劈拉強度分別比A21 組基準(zhǔn)混凝土下降了10 %、5 %;B22 組纖維的摻入使得混凝土的7 d、28 d 劈拉強度分別比A22 組基準(zhǔn)混凝土上升了12 %、4 % 。表明聚丙烯纖維的摻入可以改善因摻加粉煤灰導(dǎo)致混凝土抗拉強度下降的不利影響。

　　(2) 混凝土的劈拉強度有隨著聚丙烯纖維的摻量不斷提高的趨勢。A22 、B22 和B24 組數(shù)據(jù)在本實驗條件下線形回歸得:

σc =σm + 2. 5 V f ( r = 0. 99)

　　式中:σc 為聚丙烯纖維混凝土的抗拉強度;σm 為基體混凝土的抗拉強度;V f 為纖維的體積摻量。這表明在基體相同和纖維長徑比相同的情況下,聚丙烯纖維混凝土劈拉強度隨纖維摻量增大而增大,說明聚丙烯纖維的加入可以改善混凝土的抗裂性能。

　　試驗現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn):聚丙烯纖維混凝土試件破壞時絕大部分僅出現(xiàn)裂縫,個別試件完全劈裂。聚丙烯纖維混凝土試件接近破壞時存在一個荷載無法提高,變形繼續(xù)發(fā)展的階段。聚丙烯纖維混凝土實踐開裂破壞后機器立即卸載,實踐表面的裂縫寬度會立即縮小。這表明聚丙烯纖維增大了混凝土的延性,具有良好的徐變能力。

3. 4 　收縮開裂的對比實驗

　　本試驗采用平板法進行混凝土收縮開裂實驗,其結(jié)果見表13 。

　　由表13 可知:B21 組和A21 組相比較,纖維的摻入使得混凝土的大、中裂縫顯著減少,而小裂縫和細(xì)裂縫增多,裂縫總權(quán)值減少,從而減少了裂縫源的數(shù)量、裂縫的尺度。因此在混凝土中摻入聚丙烯纖維可顯著的減少混凝土的收縮開裂。其原因為:由于剛澆注完的混凝土因含水率大,在燈光和風(fēng)扇的作用下,表面水分大量蒸發(fā),因而產(chǎn)生表層收縮,但受到內(nèi)層混凝土的限制而使表層引起拉應(yīng)力,由于處于塑性狀態(tài)與初期硬化階段的混凝土強度較低,所以產(chǎn)生大量無規(guī)則的裂縫,而當(dāng)摻入聚丙烯纖維后,由于纖維直徑非常的細(xì),在混凝土中形成均勻的三維網(wǎng)格,可承受因基材收縮的內(nèi)應(yīng)力,從而抑制裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展。

4 　結(jié)　語

本文通過進行聚丙烯纖維增強混凝土與普通混凝土的對比分析研究,得出如下結(jié)論:

　　(1) 聚丙烯纖維增強混凝土使混凝土的坍落度損失有所下降,同時,通過在其中摻入粉煤灰改善了混凝土的和易性,促進了纖維的均勻分散,對保證施工質(zhì)量有利。

　　(2) 從混凝土抗壓強度看,摻聚丙烯纖維與不摻聚丙烯纖維混凝土的早期抗壓強度基本相同,聚丙烯纖維混凝土的抗壓強度與纖維參數(shù)無關(guān),只與水泥強度、水灰比有關(guān)。

　　(3) 從混凝土抗拉強度看,摻聚丙烯纖維比不摻聚丙烯纖維混凝土的早期抗拉強度要高,有利于抵抗由于混凝土早期收縮而引起的裂縫出現(xiàn)。在基體強度、纖維長徑比相同的情況下,聚丙烯纖維混凝土的抗拉強度隨纖維的摻量遞增,即:聚丙烯纖維的抗拉強度與基體的強度、纖維參數(shù)有關(guān)。

　?、犬?dāng)纖維摻量低于0. 2 %時候,可以不改變原混凝土的配合比設(shè)計;當(dāng)聚丙烯纖維的體積摻量大于0. 2 %時候,必須摻入微細(xì)摻料(如粉煤灰) 、減水劑以及增大膠材量來促進纖維在基體中的分散,改善聚丙烯纖維混凝土的密實性,因此需要調(diào)整混凝土的配合比設(shè)計。□

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