聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土的室內(nèi)試驗(yàn)研究

摘　要:通過對(duì)聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土的室內(nèi)試驗(yàn),研究了不同摻入工藝和微細(xì)摻料對(duì)纖維分散性能的影響,對(duì)比分析了聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土與普通混凝土的性能差異,同時(shí)摻入粉煤灰補(bǔ)償因聚丙烯纖維的粘滯作用而導(dǎo)致混凝土流動(dòng)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(qiáng)混凝土配合比設(shè)計(jì)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(yàn)研究

中圖分類號(hào): TV43 　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(qiáng)度高、適應(yīng)性強(qiáng)、經(jīng)久耐用、價(jià)格低廉、取材方便等優(yōu)點(diǎn),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(jià)格低以及優(yōu)良的加工性等特點(diǎn)[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(yàn)的角度,研究了摻入聚丙烯纖維對(duì)混凝土性質(zhì)的影響規(guī)律。

1 　試驗(yàn)原材料

1. 1 　水　泥

　　本實(shí)驗(yàn)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(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》( GB/ T134622001) 進(jìn)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(shí)業(yè)有限公司粉煤灰分公司生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰,其化學(xué)組成見表3 、質(zhì)量檢驗(yàn)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(shí)驗(yàn)所用的粉煤灰符合Ⅱ級(jí)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(qiáng)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(yàn)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(yàn)選用的是中砂,其物理性能指標(biāo)見表6 。

1. 6 　纖　維

　　試驗(yàn)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(duì)纖維分散性的影響

　　摻入工藝對(duì)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(shí)間均會(huì)影響纖維分布的均勻性。本實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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?yàn)楦砂璺ㄖ欣w維在水泥砂子中被強(qiáng)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(tuán),影響了纖維在砂漿中的均勻分散。本試驗(yàn)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(shí)間,但纖維的分布更均勻,成團(tuán)、成束現(xiàn)象明顯減少。

2. 2 　微細(xì)摻料對(duì)纖維分散性能的影響

　　為了促進(jìn)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(shí)間是難以實(shí)現(xiàn)的,特別是隨著纖維摻入量的增加,成團(tuán)現(xiàn)象明顯,因此實(shí)驗(yàn)研究了微細(xì)摻料對(duì)纖維分散性的影響。本試驗(yàn)選用微細(xì)摻料為Ⅱ級(jí)粉煤灰,試驗(yàn)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(shí),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(qiáng)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(shí),成團(tuán)現(xiàn)象明顯,且28 d 抗壓強(qiáng)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(dòng)性,同時(shí)在骨料和纖維接觸點(diǎn)的球軸承作用,改善了纖維的分散性。

3 　與普通混凝土的對(duì)比研究

3. 1 　試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

　　為了研究聚丙烯纖維增強(qiáng)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(yàn)選用了具有代表性的4組聚丙烯纖維增強(qiáng)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?cè)炷恋呐浜媳?當(dāng)纖維摻量為0. 4 %時(shí),增大總膠料用量、減少骨料含量,來保證混凝土滿足設(shè)計(jì)要求。本試驗(yàn)控制混凝土的出機(jī)坍落度為60～80 mm 。實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了拌和物性能、抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度及抗裂性能試驗(yàn)。

3. 2 　拌和物性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)

　　本文進(jìn)行了聚丙烯纖維混凝土和普通混凝土拌和物的凝結(jié)時(shí)間、坍落度、含氣量、泌水率等性能的對(duì)比實(shí)驗(yàn),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(shí)間提前了1～1. 5h ,終凝時(shí)間也提前。但凝結(jié)時(shí)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?yàn)槔w維分散不均勻,有成團(tuán)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(duì)混凝土的含氣量無影響。④B23 組混凝土泌水率增加,這是因?yàn)槔w維分散不均勻,有成團(tuán)現(xiàn)象導(dǎo)致混凝土密實(shí)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(shí)驗(yàn)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(duì)混凝土的泌水率、含氣量和密實(shí)性影響較大,因此實(shí)現(xiàn)聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土的前提是:在配比設(shè)計(jì)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(yàn)基于這一設(shè)計(jì)理念采用的拌和工藝和雙摻技術(shù)對(duì)促進(jìn)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(dòng)效應(yīng)補(bǔ)償了因聚丙烯纖維的粘滯作用而導(dǎo)致的混凝土流動(dòng)性降低,同時(shí)粉煤灰微珠球狀顆粒在骨料和纖維接觸點(diǎn)的球軸承作用促進(jìn)了纖維的均勻分散。本試驗(yàn)采用粉煤灰超量取代,既保證了混凝土滿足設(shè)計(jì)要求,又節(jié)約了水泥。

3. 3 　力學(xué)性能的對(duì)比實(shí)驗(yàn)

　　本文按照國家標(biāo)準(zhǔn)GBJ81285 普通混凝土力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)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(hù),在液壓機(jī)上分別測其7 d、28 d 抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度(見表12) ,并以此進(jìn)行對(duì)比分析。

3. 3. 1 　聚丙烯纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

　　表12 試驗(yàn)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(qiáng)度下降了7 %;A22 、B22 比較,纖維的摻入使得混凝土的7d 抗壓強(qiáng)度上升了12 % 。因此摻入適量的聚丙烯纖維可以彌補(bǔ)粉煤灰混凝土早期強(qiáng)度低這一缺陷。②從B21 和A21 比較發(fā)現(xiàn),前者28 d 抗壓強(qiáng)度比后者分別增長了8 %、3 %;對(duì)B23 和A21 進(jìn)行比較,前者7d 的抗壓強(qiáng)度和后者持平,而28 d 抗壓強(qiáng)度卻下降7 % ,其原因是聚丙烯纖維為低彈性模量纖維,對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)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(qiáng)度,當(dāng)纖維量繼續(xù)增大時(shí)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(shí)性降低,抗壓強(qiáng)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(qiáng)度。③用B24 和B23 比較:前者7 d 抗壓強(qiáng)度比后者上升了1 % ,前者28d 抗壓強(qiáng)度比后者上升了5 %。其原因?yàn)锽24 中粉煤灰的增量系數(shù)為1. 3 ,粉煤灰的增加促進(jìn)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(shí)性。這樣混凝土的抗壓強(qiáng)度隨之增大。因此當(dāng)纖維體積摻量較大的時(shí)候,可以通過增大粉煤灰的量來減少纖維混凝土抗壓強(qiáng)度的下降幅度。

從上分析可得:

　　(1) 對(duì)于聚丙烯纖維混凝土,要使其抗壓強(qiáng)度和基準(zhǔn)混凝土的抗壓強(qiáng)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(jìn)纖維在基體的分散能力,保證它的摻入不會(huì)對(duì)混凝土的密實(shí)度產(chǎn)生影響。

　　(2) 通過增加粉煤灰來促進(jìn)纖維均勻分散在基體中,這時(shí)聚丙烯纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度可稍稍提高,但不能用聚丙烯纖維來增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度。其抗壓強(qiáng)度只與水泥強(qiáng)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(qiáng)度可近似的等于基體混凝土抗壓強(qiáng)度。聚丙烯纖維對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)不大,李勇等人[7 ]周明耀等人[8 ] 的實(shí)驗(yàn)也表明聚丙烯纖維對(duì)混凝土的影響不明顯。

3. 3. 2 　聚丙烯纖維對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度的影響

本實(shí)驗(yàn)采用劈拉強(qiáng)度來進(jìn)行混凝土的抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。表12 試驗(yàn)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度下降的不利影響。

　　(2) 混凝土的劈拉強(qiáng)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)度;σm 為基體混凝土的抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(yàn)現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn):聚丙烯纖維混凝土試件破壞時(shí)絕大部分僅出現(xiàn)裂縫,個(gè)別試件完全劈裂。聚丙烯纖維混凝土試件接近破壞時(shí)存在一個(gè)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(shí)踐開裂破壞后機(jī)器立即卸載,實(shí)踐表面的裂縫寬度會(huì)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(duì)比實(shí)驗(yàn)

　　本試驗(yàn)采用平板法進(jìn)行混凝土收縮開裂實(shí)驗(yàn),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?yàn)?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(qiáng)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(jìn)行聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土與普通混凝土的對(duì)比分析研究,得出如下結(jié)論:

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

　　(2) 從混凝土抗壓強(qiáng)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(qiáng)度基本相同,聚丙烯纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度與纖維參數(shù)無關(guān),只與水泥強(qiáng)度、水灰比有關(guān)。

　　(3) 從混凝土抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度、纖維長徑比相同的情況下,聚丙烯纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度隨纖維的摻量遞增,即:聚丙烯纖維的抗拉強(qiáng)度與基體的強(qiáng)度、纖維參數(shù)有關(guān)。

　　⑷當(dāng)纖維摻量低于0. 2 %時(shí)候,可以不改變?cè)炷恋呐浜媳仍O(shè)計(jì);當(dāng)聚丙烯纖維的體積摻量大于0. 2 %時(shí)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(jìn)纖維在基體中的分散,改善聚丙烯纖維混凝土的密實(shí)性,因此需要調(diào)整混凝土的配合比設(shè)計(jì)?！?/p>

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