纤维增强高性能混凝土（精选10篇）
纤维增强高性能混凝土 篇1
0前言
混凝土是一种多相、多组分、多层次的非匀质材料,具有很强的脆性,且随着混凝土强度的提高, 脆性增大,拉压比呈现明显的降低趋势,破坏形式往往表现为无明显征兆的脆性破坏。 掺入纤维是改善高性能混凝土强度和韧性的有效途径, 将不同纤维混掺使用,可取长补短、协同工作,在不同结构层次上发挥增强或阻裂作用, 达到超叠加的增强效果,充分发挥纤维的尺度和性能效用[1,2]。 国内外关于钢纤维和聚丙烯纤维二元混杂效应的研究成果较多[3,4,5,6,7,8],研究表明 ,虽然钢纤维/杜拉纤维二元混杂较单掺钢纤维对高性能混凝土性能有很大改善,但在一定程度上仍存在自重大、造价偏高、纤维容易结团、现场施工不便等缺点,而纤维结团将极大的限制纤维增强增韧性能的发挥[9]。 塑钢纤维作为一种新型纤维增强材料,兼具可与钢纤维相媲美的增强增韧效果,且质轻。 因此,基于钢纤维/杜拉纤维二元混杂,用塑钢纤维替代部分的钢纤维制备三元混杂纤维增强高性能混凝土,既能充分发挥纤维的增强阻裂作用,又能显著降低大体积纤维混凝土结构的自重与成本,具有较大的理论意义和工程价值[10]。 本文通过将钢纤维、塑钢纤维与杜拉纤维按二元或三元混杂设计了多组配合比,对比分析研究纤维混杂方式以及掺量组合对基体混凝土基本力学性能的影响规律和增强机理。
1试验方案
1.1纤维材性
试验所用钢纤维(SF)为多锚点弓形钢纤维,中部呈扁平型,且带有横向刻痕,可显著提高纤维与基体之间的粘结和锚固能力;塑钢纤维(HF)纤维表面呈波纹形,具有较好的亲水性,易于在基体中均匀分散;聚丙烯单丝纤维(PPF)选用杜拉纤维。 纤维的材料特性见表1。
1.2混凝土配合比
基体混凝土强度C50,水灰比0.31,砂率34%;水泥(C)为42.5级普通硅酸盐水泥;粗骨料(L)选用5~20mm连续级配碎石 ;细骨料 (S)选用优质河砂 , 细度模数2.8;减水剂采用FDN-2型高效减水剂,掺量为胶凝材料总质量的1%~1.5%, 粉煤灰选用Ⅰ级优质粉煤灰,掺量为水泥总质量的10%。 为研究纤维混杂方式及掺量对混凝土强度及韧性的影响,共设计了六种不同的纤维组合,具体见表2。
%
1.3拌合工艺与试验方法
采用强制式搅拌机进行搅拌,搅拌工艺参考文献[11]中搅拌方法并进行了改进,具体搅拌方法为: 先将水泥、细骨料、PPF干拌1~2min,加入SF、HF和90%水搅拌2min,再加入粗骨料搅拌2min,最后加入减水剂和10%水搅拌3min。 试拌表明三种纤维能够较好地分散在基体混凝土中。 试件在1m2的电动振动台上振动成型, 待混凝土表面出浆停止振动。 试件静置1d后脱模并移至标准养护室进行养护, 标养28d后进行试验, 试验前2h将试块从养护室搬出晾干。 按照GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》中立方体抗压强度以及劈裂抗拉强度试验方法测定各组试件的抗压强度和劈拉强度。
2试验结果及分析
2.1抗压强度试验结果
抗压强度根据试块中微裂缝连通并形成破坏面时的受力而确定[12],图1为各组试验结果的折线图。 由图1可见:1与素混凝土相比,掺加纤维后抗压强度均有不同程度提高,但不明显,幅度在10% 左右;2相对于SFPPF二元混杂,纤维三元混杂系列试块的抗压强度略有降低,这是因为混凝土强度主要由基体密实度决定,而密实度取决于水灰比及混凝土搅拌工艺, 加入纤维虽可抑制裂缝的扩展, 但会降低混凝土密实度,故纤维增强作用不明显甚至降低[13];3纤维三元混杂可更显著改善混凝土的韧性,试件破坏时表面裂缝开展路径更多,裂缝细化,延性增强,可见在受压破坏过程中三元混杂纤维能吸收更多的能量, 进一步提高结构的完整性。 不同混凝土试块的受压破坏形态见图2。
2.2劈拉强度试验结果
按照GB/T 50081-2002中劈裂抗拉强度试验方法测定各组试块的劈拉强度,图3为各组配合比劈裂抗拉强度试验结果。从图3可以看出:1SFHFPPF三元混掺系列的劈拉强度并未因钢纤维掺量的减少而降低;2相对于SF系列,纤维三元混杂SFHF PPF系列由于钢纤维与塑钢纤维协同作用 , 其劈拉强度有不同程度的提高;3对比分析SFHFPPF系列各组劈拉强度可知, 当纤维总掺量保持不变时,SF/ HF/PPF三元混杂存在较优混掺比例,当三者比例适当时,纤维将发挥出最佳的混杂增强效应。
由图3试验数据分析可以看出,纤维三元混杂系列表现出很好的增强增韧作用,发挥出理想的混杂效应, 图4为SF/SFPPF/SFHFPPF各系列的劈拉试验的荷载-位移曲线。
由图4可见,SFHFPPF系列峰值荷载后的承载能力明显优于SF系列及SFPPF系列, 其曲线更加饱满, 表明试块破坏过程中吸收了更多的能量,并且SFHFPPF系列均表现出良好的应变硬化现象,可见三元混杂可有效改善基体混凝土的脆性。
2.3劈拉韧度指数
基于图4荷载-位移曲线, 计算得出各系列混凝土的劈拉韧度指数I5、I10、I20, 依次对混凝土的劈拉韧性进行评价,表3为各配比的韧度指数。 由表3可见:1峰值荷载前,SFHFPPF系列各配合比的I5、 I10相比于SF系列以及SFPPF系列基本相同或稍有下降,表明纤维三元混杂对改善基体峰值荷载前的承载能力并不明显; 2基体混凝土开裂后期SFHF PPF系列各配合比的韧度指数I20均明显高于SF系列及SFPPF系列,其中SFHFPPF1组I20高达22.56, 剩余强度R10,20也达到103.8, 可见SF/HF/PPF在裂缝扩展的后期通过性能优势互补能够发挥出很好的混杂效应,对于提高峰值荷载后的承载能力以及变形能力是极其有效的。
2.4拉压比
拉压比即立方体劈裂抗拉强度与抗压强度之比。 拉压比是混凝土脆性的主要标志,混凝土强度越高,拉压比越小,脆性越大,韧性越小[14,15]。 在立方体抗压试验以及劈拉试验结果的基础上,对比分析纤维混杂方式以及掺量对混杂纤维增强混凝土拉压比的影响。 表4为各组试件的拉压比。 由表4数据可知: 1与SFPPF系列相比,SFHFPPF系列拉压比均有不同程度提高, 增幅为8.9%~22.5%, 可见SF/HF/PPF三元混杂较SF/PPF二元混杂具有更好的增韧效果;2对比分析SFHFPPF系列各组拉压比发现,随着钢纤维掺量的增大,拉压比呈上升趋势, 且SF/HF/PPF系列相对于SF系列拉压比同时表现出正负混杂效应,可见适宜的混掺比例可最大限度激发三种纤维的尺度效应及性能效应,其中SFHFPPF-1组混杂效应最优,拉压比提高到1/15.1。
通过以上分析可知,SF/HF/PPF三元混杂较单掺钢纤维或SF/PPF二元混杂表现出更优越的力学性能,能更有效地提高基体混凝土的拉压比,改善其脆性,主要原因如下:
(1)SF/HF/PPF在混凝土基体内部呈三维乱向均匀分布, 能有效限制早期混凝土中由于离析、泌水、 收缩等因素形成的原生裂缝的发生与发展,从根源上减少原生裂缝的数量和尺寸,极大提高混凝土的密实性[16]。 塑钢纤维经特殊的纺丝工艺加工制成,具有较好的亲水性,在基体中的分散能力明显优于钢纤维,故SF/HF/PPF相比于SF/PPF二元混杂能够更有效地对混凝土基体中的各级裂缝进行填充,进一步改善和提高界面过渡层的性能。
(2) 纤维在混凝土中主要起桥接裂缝 , 缓解裂缝尖端应力集中的作用。 根据复合材料理论,将不同尺度、不同性质纤维混杂,纤维即可通过性能优势互补,发挥出优异的混杂效应和尺度效应。 当SF/ HF/PPF三元混杂时,钢纤维、塑钢纤维、杜拉纤维依次发挥增强增韧作用,高弹模的钢纤维主要在裂缝开裂前期发挥增强增韧作用,有效抑制宏观裂缝的扩展;弹模居中的塑钢纤维,由于具有较大的延伸率, 兼具增强增韧以及抑制早期原生裂缝的作用; 数量众多的杜拉纤维主要在低拉应力状态下发挥作用,有效约束早期原生裂缝及微观裂缝的产生与发展,故当纤维与混凝土中各级粒子以及三元纤维之间级配适宜时,就可以协同发挥出优于SF/PPF二元混杂的增强增韧的效果。试验中SFHFPPF系列拉压比均不同程度高于SFPPF组合的拉压比,可见纤维三元混杂能够更大程度地吸收试块破坏过程中的能量,降低基体混凝土的脆性。
(3)根据纤维间距理论,相对于SFHF系列,SFH FPPF系列中掺加的0.11%杜拉纤维, 因弹模很小 , 对基体混凝土的增强作用不明显, 但其数量众多, 极大减小了基体混凝土中纤维的间距,能更有效地对混凝土内部不同尺度的微裂缝、孔隙和缺陷进行填充,纤维阻止裂缝引发以及扩展的能力将成倍的增强,同时,杜拉纤维具有极大的延伸率,在受力变形伸长过程中消耗了大量能量,这对混凝土韧性的提高具有重要作用。
(4)不同于SF/PPF二元混杂的是 ,当钢纤维从基体中拔出后,塑钢纤维先于杜拉纤维发挥增强增韧作用。 试验过程中发现,SF/HF/PPF三元混杂纤维混凝土优良性能的发挥很大程度上取决于塑钢纤维的体积掺量, 这是因为该种纤维弹模相对较大, 且具有较大的断裂延伸率,在自身拉伸变形过程中能发挥出优异的增强增韧效应, 但随着裂缝扩展, 塑钢纤维由于拉伸变形截面变小,当与基体粘结力不足时将发生脱粘,当其掺量过大时,会对混凝土的力学性能产生不利影响,因此,三种纤维的掺量存在较优配合比例问题。试验中SFHFPPF系列的拉压比与塑钢纤维体积掺率基本呈现负相关,试验得出的混杂效应最佳的纤维组合为体积掺量分别为0.7%钢纤维、0.19%塑钢纤维、0.11%杜拉纤维。
3结论
(1)SF/HF/PPF三元混杂相对于SF/PPF二元混杂对基体混凝土抗压强度影响不明显,较素混凝土增幅均在10%左右,但可显著减少试块表面裂缝数量以及宽度。
(2) SF/HF/PPF三元混杂可显著提高混凝土的劈拉强度,相对于素混凝土,劈拉强度增幅在30%~ 55% ,且较SFPPF最大也提高了17%。
(3)SF/HF/PPF三元混杂较SF/PPF以及PF/HF二元混杂能更显著地提高混凝土的拉压比,显著改善基体混凝土的脆性,增大韧性。
(4)钢纤维体积掺量为0.7%、塑钢纤维体积掺量为0.19%、 杜拉纤维体积掺量为0.11%时混杂纤维增强高性能混凝土的拉压比提高到了1/15.1,是本次试验纤维混杂效应最好的。
纤维增强高性能混凝土 篇2
混杂纤维混凝土高温性能研究
摘要：根据近年来对纤维混凝土高温性能的试验研究,分析了纤维对混凝土高温性能的影响,探讨了纤维混凝土在高温下的`力学性能及合理的纤维掺量,以期为今后混杂纤维混凝土的高温性能研究及其应用起到指导作用.作 者：王丹芳 施养杭 WANG Dan-fang SHI Yang-hang 作者单位：华侨大学土木工程学院,福建,泉州,36期 刊：安全与环境工程 Journal：SAFETY AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING年，卷(期)：,17(2)分类号：X93 TU502 TU528.572关键词：聚丙烯纤维 钢纤维 混杂纤维混凝土 高温爆裂 力学性能 耐火性能
纤维增强高性能混凝土 篇3
摘要：采用SHPB试验装置结合低温恒温循环系统，研究钢纤维混凝土的低温动力学性能。制作了不同掺量的钢纤维混凝土试件，分别在常温和低温环境中对试件进行冲击性能试验，绘制各应变率下的应力应变曲线。结果表明：钢纤维的掺入对混凝土的低温动力学性能有显著改善，当钢纤维掺量由0%增至1%时，动强度提高约20%。钢纤维掺量达到2%时，改善幅度下降，动强度变化不明显，钢纤维的最佳掺量为1.5%。
关键词：钢纤维；SHPB；低温；应变
中图分类号：TU502 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）23-0010-03
目前钢纤维混凝土材料已广泛应用于各类建筑工程和防护工程。在我国北方高寒地区，分布着许多机场工程、飞机洞库，这些结构中的钢纤维混凝土材料，除了要承受设计静荷载、爆炸冲击动荷载外，往往还要承受由于温度急剧变化带来的温度附加荷载，这些温度附加荷载在设计时并没有考虑。但是，钢纤维混凝土材料构件在温度荷载和冲击动荷载作用下，结构抗力和强度会明显降低，材料出现损伤，甚至破坏，影响使用寿命，给高寒地区防护工程带来严重的不利影响。目前，有关温度对混凝土及纤维混凝土材料力学性能影响规律方面的研究文献资料较少，特别是在低温和动载共同作用下混凝土及纤维混凝土材料的力学性能及其损伤机理研究更少。因此，开展低温下素混凝土和钢纤维混凝土的动力学性能以及损伤研究，对军事工程中混凝土和钢纤维混凝土结构的设计以及使用寿命的估计极为重要，具有重要的学术和工程应用价值。
山根昭、门佛尔等学者认为混凝土抗压强度在低温下有提高，且温度越低，强度的提高越大，静弹性模量也是随温度下降而提高，但其增长率比抗压强度小；抗拉强度在低温状态下也有提高。目前，国内大多数混凝土材料SHPB试验是在室温情况下进行的，低温下的钢纤维混凝动态力学性能研究和本构模型研究相对较少。本次试验主要模拟寒区钢纤维混凝土结构在低温环境下的动力学性能变化，测试不同掺量的钢纤维试件在-40℃情况下的动力学性能变化。传统的混凝土材料SHPB试验研究大多使用电阻应变片进行测量，实践中发现当透射波较小时，在透射杆上贴半导体应变片所测试验结果更为精确，且有利于后续的数据处理。因此本试验中透射杆应变片为半导体应变片。另外为了使试件在试验过程中始终处于稳定的低温状态，在试验装置中增加了低温恒温装置系统以保持试件的温度。
1 试验材料及试件制作
1.1 试验原材料
1.1.1 试验用钢纤维选用山东路邦金属纤维科技有限公司生产的铣削型钢纤维，纤维直径D=0.2mm，长度L=10～15mm。
1.1.2 水泥采用徐州中联水泥厂生产的标号为32.5的复合硅酸盐水泥。
1.1.3 细骨料为洗净河沙，细度模数2.6。
1.1.4 粗骨料为洗净连续粒级碎石，最大粒径12mm。
1.1.5 减水剂使用山东同盛建材有限公司生产的聚羧酸高效减水剂。
1.2 试件制作
1.2.1 素混凝土试件制作。本试验素混凝土设计强度为C30。根据《水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG-E30-2005）中混凝土配比要求和方法，经试配后确定本试验所用混凝土配合比如表1所示。
1.2.2 钢纤维混凝土试件制作。本试验钢纤维混凝土配比是在素混凝土基体强度上进行设计。参照有关资料规范：每增加0.5%钢纤维，1m3混凝土增加水8kg，砂率增加3%，其他材料在水灰比不变的条件下做相应的变化。试验结合以上方法对钢纤维混凝土的配比进行调整，共设计了3种含量钢纤维混凝土试件。配比如表2所示。
试件制作主要依据《钢纤维混凝土试验方法》，制作时，混凝土先用搅拌机预拌除纤维外的其他材料，然后逐渐投入钢纤维，当全部投完后再搅拌1分钟，将拌和物倒入Φ74mm×34mm的标准圆柱形试模，并在振动台上振实后放入标准养护箱内养护28d。试件养护完成后经磨平机磨平，以保证两端面不平行度和不垂直度均小于0.02mm。
2 试验装置及试验方案
本试验使用空军勤务学院材料动力学实验室直径为74mm的SHPB实验系统。进行低温试验时采用自制低温恒温循环系统，主要分为低温恒温液浴循环装置和低温保温装置两部分。
本试验将四种不同含量的钢纤维混凝土试件（体积比分别为0%、1%、1.5%、2.0%）放入低温交变试验箱，降温至-40℃并保持24h后，取出试件进行低温动力学试验研究。试验方案设计如表3所示。
3 试验结果及数据分析
本试验在低温状态（-40℃），对素混凝土以及3种不同掺量的钢纤维混凝土在3个应变率等级下，各进行3组SHPB冲击试验。试验数据如表4所示。
在表4数据可以看到，低温环境下，钢纤维掺量从0%提高到1%时，峰值应力没有明显变化，且当气压为0.6MPa，应变率提高至80s-1时，钢纤维混凝土较素混凝的动强度反而略有下降，这可能是由于，低掺量的钢纤维取代水泥基材后，增加了混凝土的空隙率，试件整体性能受到损失，钢纤维的增强效果尚不足以弥补这一损失，试件的动强度下降。
当钢纤维体积率增长至1.5%时，试件峰值应力在不同应变率下分别增至78.43MPa、85.91MPa、87.36MPa，相对素混凝土动强度提高了19.52%、18.96%、17.04%。可见，在（0～1.5%）范围内，钢纤维掺量与动强度提高呈正相关，动强度随纤维掺量的提高而上升，且上升幅度明显。因此，为提高混凝土的动强度而掺入适量的钢纤维十分必要、有效。
图1 -40℃钢纤维混凝土动应力-动应变曲线
钢纤维体积率为2.0%的试件相对钢纤维体积率为1.5%的试件动强度增加很少，出现上述情况是因为当钢纤维含量增大到一定程度后，在混凝土搅拌工程中，钢纤维容易结团。而钢纤维长度增大，这种现象更加明显，会造成混凝土基体的孔隙率增多，导致钢纤维与混凝土基体之间的界面粘结力下降。如果继续提高钢纤维的掺量可能会导致试件的动强度下降。因此，钢纤维混凝土的增强作用，除了取决于钢纤维体积率外，还取决于钢纤维成型工艺、基体间的界面粘结系数等因素。片面地加大钢纤维掺量，不能充分发挥钢纤维的增强效果。根据上述结论，结合经济效益因素，在工程中可以选择1.5%作为钢纤维混凝土的最佳掺量。
通过试验和数据处理，得到其应力-应变曲线如图1所示。由图1可以看出，在-40℃的环境下钢纤维混凝土材料是应变率敏感材料，对于各掺量的钢纤维试件来说，其动弹性模量和峰值应力均随应变率的增大而呈增大趋势。平均应变率的变化主要由气压变化引起。以钢纤维含量1%为例，气压由0.3提高到0.4，平均应变率提高31%，而此时峰值应力随之提高4MPa。而气压提高0.6后，平均应变率提高20.3%，增幅减缓，但峰值应力仍提高了7MPa，这说明低温环境中，应力应变两者关系不是线性的，在接近应力峰值区域，应变率提高，应力变化加速。
4 结语
（1）钢纤维的加入对混凝土的动态力学性能有较大的提升。钢纤维掺量增加，混凝土的峰值应力和动弹模量也随之提高。钢纤维掺量在0%～1%区间时，混凝土应力峰值增长幅度明显，动强度提高了约20%。
（2）当钢纤维的掺量增长至1.5%时，峰值应力提高20%，动强度显著改善；继续提高钢纤维的掺量至2.0%时，混凝土的动强度虽然有所增强，但比较1.5%掺量时，增强效果不明显。在工程中可以选择1.5%作为钢纤维混凝土的最佳掺量。
参考文献
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[2] 谢剑，王传星，李会杰.超低温混凝土降温回温曲线的试验研究[J].低温建筑技术，2010，3：1-3.
[3] 张英富，廖碧海，杨涛.纤维加强沥青混凝土低温抗裂性能试验研究及数值模拟[J].华中科技大学学报，2010，27（3）：31-34.
[4] 孟益平.钢纤维增强混凝土冲击压缩的实验技术、本构关系、损伤机理和数值模拟[D].中国科学技术大学，2005：1-8.
纤维增强高性能混凝土 篇4
改革开放三十年来,我国对创建“环境友好型、资源节约型”国家的力度不断加大,节能材料也更加受到人们的欢迎[1]。目前,在建筑中墙体材料用量占所有建筑材料的70%以上,是消耗原料较多、能源较大的制品。随着我国墙体材料改革与建筑节能政策的推行,节能型建筑材料的开发和应用受到广泛的重视,国家加大了发展节能、利废、保温、轻体、隔热等新型材料的力度。泡沫混凝土制品作为一种多孔新型轻质材料,具有良好的保温、隔音、隔热以及低成本等性能,在建筑领域中的应用越来越广泛。然而,泡沫混凝土存在着料浆稳定性差、强度低、收缩大、易开裂、韧性较差等问题,这些问题限制了它的广泛应用。大量研究表明,在混凝土中掺入纤维材料能够有效提高混凝土的抗拉强度,抑制混凝土的早期塑性开裂,有效控制裂缝的扩展,改善砂浆和混凝土的抗渗、防水及抗冻等耐久性能。
连续玄武岩纤维(CBF)是用火山爆发出的玄武岩矿石破碎后经1450~1500℃的高温熔融拉丝而成。玄武岩纤维有极高的使用温度,高断裂强度,高弹性模量等优异的物理力学及化学性能。玄武岩纤维还具有极低的热传导系数,极低的吸湿性,高吸音系数,高比体积电阻,同时还抗紫外线,具有吸波功能,防辐射、防电磁,燃烧无熔滴、燃烧烟密度低,无环境污染等特性[2]。以CBF为增强材料可制成各种性能优异的复合材料,能广泛应用于消防、环保、航空航天、军工、车船制造、工程塑料、建筑等军工及民用领域,故CBF被誉为21世纪的新材料[3]。在水泥基材料中,玄武岩纤维的加入能增强其物理力学性能[4]。
本研究即采用玄武岩纤维来改进泡沫混凝土的性能,考察玄武岩纤维对泡沫混凝土各项力学性能及导热性能等的影响。
1 试验
1.1 原材料
(1)水泥:采用P·O42.5级水泥,密度为3.15kg/m3,各项性能指标均符合现行国家标准。
(2)粉煤灰:采用四川某电厂生产的Ⅱ级粉煤灰,其特性见表1。
(3)发泡剂:采用实验室自制的蛋白质发泡剂,发泡倍数为21.6,稳泡时间16.2h。
(4)玄武岩纤维(FB):上海某公司生产的短切玄武岩纤维,其有关性能见表2。
1.2 泡沫混凝土的制备
泡沫混凝土的制备采用泡浆分开混合法[5],主要步骤有:混合砂浆制备、泡沫制备、泡浆混合搅拌、加入纤维搅拌、浇筑成型。试验用泡沫混凝土配合比见表3。
1.3 泡沫混凝土性能测试
(1)表观密度、吸水率均选用尺寸为100mm×100mm×100mm的试件,依照GB/T 11970—1997《加气混凝土体积密度、含水率和吸水率试验方法》及GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测定。
(2)抗压抗折强度采用40mm×40mm×160mm成型试件,测定7d强度。
(3)导热系数采用HPP-18针式热物性瞬态自动测量仪进行测试。
2 结果与分析
玄武岩纤维泡沫混凝土养护7d的各项性能见表4。
2.1 不同掺量玄武岩纤维对泡沫混凝土早期强度的影响
以未掺纤维的A0组为基准,不同玄武岩纤维掺量为单因素变量,固定纤维长度为6mm。泡沫混凝土抗压、抗折强度值与玄武岩纤维掺量的关系如图1所示。
由图1可见,泡沫混凝土的抗压强度和抗折强度均随着玄武岩纤维掺量的增加而增加。与未掺纤维的空白试验组相比,纤维掺量分别为0.8kg/m3、1.0kg/m3、1.2kg/m3时,泡沫混凝土的抗压强度分别提高了1.12%、3.93%、13.48%;抗折强度分别提高了7.04%、14.79%、23.24%。由此可见,玄武岩纤维的掺入可以有效提高泡沫混凝土的早期抗压、抗折强度,且对抗折强度增长更加显著。
2.2 玄武岩纤维掺量相同、长度不同试件强度对比长度不同纤维试样的抗压强度如图2所示。
从图2看出,固定纤维掺量为1.0kg/m3时,随着纤维长度的增加,泡沫混凝土的抗压强度和抗折强度都有所增加。与纤维长度为6mm的试样相比,纤维长度分别为9mm、12mm、15mm的泡沫混凝土抗压强度分别增长6.75%、11.62%、14.32%;抗折强度分别增长14.11%、24.54%、29.44%,这主要是由于玄武岩纤维长径比增加的缘故。纤维的长度越长,对宏观裂缝的连接作用也越好,这是因为随着纤维长度的增加,与基体接触的更广,由此深入基体的长度也越长,当来自外界的应力作用于基体时,玄武岩纤维通过良好的延伸率容易吸收外界的能量,阻止基材中裂纹的扩展。
2.3 泡沫混凝土的吸水率
泡沫混凝土的吸水通过两种模式来进行[6]:一种为毛细孔渗透,另一种为连通孔渗透。毛细孔即水泥水化硬化最初阶段生成的互相连接的毛细孔隙。连通孔的成因,一是在泡沫混凝土凝结过程中,液膜在重力和表面排液及料浆挤压双重作用下产生不均扩散,导致封闭的泡沫孔产生缺陷,凝结后表现为不完整的孔;二是在泡沫混凝土水灰比较大的情况下,由泌水产生的泌水通道而形成的孔隙。
本试验所得试块吸水后表面平整,孔在表面的分布较均匀。通过破坏后对试件内部进行观察可以看出,内部孔径小,分布均,无大孔,且相互连通的孔较少。故可以认为,本试验泡沫混凝土性能较好,其吸水主要是通过毛细孔渗透来实现的。
绝干密度与吸水率的关系如图3所示。从图3中可以看出,绝干密度在875~930kg/m3范围内变化时,吸水率随着绝干密度的增大而降低。当绝干密度值由875.3kg/m3增至930kg/m3即增大6.25%时,吸水率降低了14.60%。可见,绝干密度的变化对吸水率影响明显。吸水率随着绝干密度变化的原因是由于绝干密度增大,泡沫混凝土的孔隙率会变大。同时,凝结前泡沫混凝土料浆对液膜的包裹层变薄,即在凝结过程中产生连通孔的几率提高了,吸水率也就随之升高了。由于泡沫本身在凝结过程中会离析一部分的水分,在一定程度上造成水灰比的增大,且容重越低,影响程度越大,泡沫混凝土的毛细孔渗透相对上升。
在室温水溶液中,玄武岩纤维24h的吸水率为0.02%,说明玄武岩纤维的吸湿能力很低,与无碱玻璃纤维(吸水性为1.7%)相比,玄武岩纤维的防水能力为后者的85倍[7]。从图中还可看出,绝干密度为915kg/m3左右的试样(A5、A6、A1),自身的容重相差很小,但吸水率仍然遵循上述规律。即玄武岩纤维掺入后对泡沫混凝土的吸水率没有产生明显的影响,仍然是随绝干密度的升高,吸水率降低。究其原因是由于玄武岩纤维具有良好的化学稳定性,即抵抗水、酸、碱等介质侵蚀的能力较强。因此,其良好的防水性能对泡沫混凝土的吸水率影响不大。
2.4 泡沫混凝土的导热系数
泡沫混凝土的导热系数测定采用HPP-18针式热物性瞬态自动测量仪,该测量仪器的原理是依据长直恒功率热源作用在大块均匀材料中,温升在垂直热源方向上的一维圆柱面传热。
纤维掺量和纤维长度不同的泡沫混凝土的导热系数如图4(a)和图4(b)所示。
从图4(a)中可以看出,加入玄武岩纤维后,泡沫混凝土的导热系数比未加纤维时均有一定的提高,最小提高幅度为7.15%,最大为14.56%。但随着掺量的增加成逐渐下降的趋势。这是由于无机非金属材料中传热主要是通过振动方式来实现的,当加入玄武岩纤维后,泡沫混凝土内的孔隙率有所减小,即内部结构更加致密,振动传热更加容易,所以,其导热系数也更大。
在图4(b)中,改变纤维的长度时,导热系数有下降的趋势,但变化并不显著。通过计算,导热系数最大值与最小值之间相差很小,仅为4.97%。可认为,在加入玄武岩纤维的情况下,改变纤维长度对泡沫混凝土内部孔隙率的改善很小。
3 结论
(1)玄武岩纤维对泡沫混凝土具有显著的增强效果。本试验表明,抗压强度和抗折强度均随着玄武纤维掺量的增加而增加。当纤维掺量相同时,泡沫混混凝土的抗压强度和抗折强度均随着纤维长度的增加而增加。
(2)泡沫混凝土的吸水率随着自身容重的降低而上升,与玄武岩纤维加入的多少和加入的规格没有明显的相关性。
(3)加入玄武岩纤维后,泡沫混凝土的导热系数与未加纤维时相比均有一定升高,其中,纤维掺量的变化对泡沫混凝土的导热系数影响较大。
摘要：以普通硅酸盐水泥为结合剂,粉煤灰作掺合料,蛋白类发泡剂和玄武岩纤维,制备了粉煤灰-水泥基泡沫混凝土,探讨了纤维的不同长度、不同掺量对表观密度为900kg/m3的泡沫混凝土早期的性能的影响。结果表明,玄武岩纤维能提高泡沫混凝土早期的抗压强度和抗折强度;吸水性能取决于泡沫混凝土的绝干密度;加入玄武岩纤维对泡沫混凝土的导热系数有一定的增加,其中,纤维掺量的变化对泡沫混凝土的导热系数影响较大。
关键词：玄武岩纤维,泡沫混凝土,抗压抗折强度,导热系数
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纤维增强高性能混凝土 篇5
纤维增强混凝土简称纤维混凝土,是在素混凝土基体中掺入均匀分散的短纤维而组成的`一种复合材料.其主要工作机理是利用均匀分散的短纤维来改善混凝土的脆性.在受力过程中,发挥纤维抗拉强度高、混凝土抗压强度高的各自优势,从而显著提高纤维混凝土材料的各项技术性能,使其具有优良的抗拉、抗弯、抗疲劳、抗冲击性能以及耐一磨耗、韧性高等特点.本文研究了聚丙烯纤维对桥面铺装混凝土的改性作用与机理.
作 者：韦志鹏 段振东 虞凌超 作者单位：韦志鹏(浙江登峰交通集团有限公司,浙江,杭州,311201)段振东(杭州市萧山区交通规划设计研究院,浙江,杭州,310000)
纤维增强高性能混凝土 篇6
进入20世纪80年代以来,由于科学技术的迅猛发展,人们对水泥基复合材料提出了越来越高的要求。纤维增强水泥(Fiber reinforced cement,FRC)是以水泥净浆或砂浆为基体,以纤维为增强体所组成的复合材料。纤维在其中起着阻止水泥基体中微裂缝扩展和跨越裂缝承受拉应力的作用,因而使复合材料的抗拉与抗折强度以及断裂能较未增强的水泥基体有明显的提高,而且更能明显增强其抗侵彻和抗爆破的能力。
国内外近几年才开始对高性能混凝土(High perfor-mance concrete,HPC)热性能方面进行研究[1,2,3,4]。文献[5]指出钢纤维与聚丙烯纤维复掺能显著改善高温后HPC的剩余力学性能;文献[6,7,8] 指出掺聚丙烯纤维的HPC在温度低于400℃时强度降低幅度较小,温度高于400℃时强度显著降低,聚丙烯纤维能显著改善高强混凝土的抗爆裂性能;文献[9]指出了湿含量对混凝土高温后力学性能的影响。
活性粉末混凝土(Reactive powder concrete,RPC)是一种超高强、低脆性、耐久性优异的新型水泥基复合材料[10],热养护时强度为200MPa左右,400℃高温养护可达800MPa。国内外学者从材料性能、掺量、配合比、养护制度、胶结体系等方面做了很多研究工作,但其在高温条件下的力学性能和机理却少见报道。本实验研究了不同掺量的钢纤维、聚丙烯纤维和PVA纤维以及纤维复掺在热养护和高温养护(400℃)条件下对RPC力学性能的影响。
1 实验
1.1 试验原料
水泥:P.O42.5R普通硅酸盐水泥,平均粒径为13.8μm;石英砂:粒径范围为80～600μm,平均粒径为250μm,其ω(SiO2)≥99%;硅灰(Silica fume,SF):挪威埃肯硅灰,灰白色球状粉末,ω(SiO2)≈92%,平均粒径为0.2μm,比表面积1.8×104m2/kg;超细粉煤灰(Ultra-pulverized fly ash,UPFA ):四川省江油电厂分选的Ⅲ级粉煤灰,经振动球磨80min制得,平均粒径6.34μm;原状粉煤灰(Fly ash,FA):四川省江油电厂分选的Ⅲ级粉煤灰,经筛分得到,粒径为80～45μm;高效减水剂(KS-JS50):四川柯帅外加剂有限公司生产的KJ-JS聚羧酸型高效减水剂,固含量为50%,减水率大于30%;钢纤维:天津市贝瑞克丝钢纤维厂提供;高模复合纤维(PVA纤维):上海博宁工程纤维材料有限公司提供;聚丙烯纤维(Polypropylene fiber):泰安同伴工程塑料有限公司提供。纤维的物理性能见表1。
1.2 试验方法
将称好的水泥、硅灰、UPFA和FA倒入砂浆搅拌锅中干拌1min,加入石英砂搅拌1min,再加入一半纤维搅拌2min,然后将用一半水溶解的高效减水剂倒入搅拌锅慢搅2min,之后将另一半纤维加入搅拌2min,再加入另外一半水搅拌2min,最后快搅4min。搅拌后注入40mm×40mm×160mm的三联胶砂试模中,振动成型。标准养护24h后拆模,编号后分别养护,测7天强度。养护分为热水养护和高温养护。
(1)热水养护:
在90℃热水中养护3天,自然冷却后放在室内至测试龄期;
(2)高温养护:
在90℃热水中养护3天后将热养护的试块直接放入预热100℃的高温炉以1℃/min的速率加热至相应温度,保温6h后自然冷却,取出放至测试龄期。
对经过热水养护和高温养护到达龄期的试件按GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO)法》进行抗折、抗压强度测定。试验配比如表2所示。
注:(1)S为钢纤维,p为聚丙烯纤维,P为PVA纤维,各代码后的数字为纤维的体积掺量,4 中S的体积掺量为3%; (2)配比中FA作为骨料,水胶比为Water/(Cement+UPFA+SF)
2 结果及讨论
2.1 纤维种类和掺量对RPC强度的影响
2.1.1 不同纤维单掺对RPC强度的影响
图1反映了不同掺量的不同纤维在90℃和200℃养护时的RPC强度值。纤维的加入能跨越裂缝承受拉应力,有效阻止水泥基体中微裂缝的扩展。随纤维掺量的增加,RPC的抗压和抗折强度逐渐增大。对于钢纤维,高温养护使水泥的水化产物与钢纤维的粘结强度增加,200℃养护时的RPC抗压和抗折强度始终高于90℃养护时的(对于抗折强度,当钢纤维的体积掺量小于0.3%时200℃养护时的强度低于90℃养护时的,可能是由于误差原因所致)。对于PP纤维,由于其熔点为160～180℃,200℃养护时使PP纤维熔解,填充于基体内部的孔隙,增加体系密实度,导致抗压强度增大。当PP纤维的体积掺量为1.5%时,抗压强度达242.6MPa。而PVA纤维由于尺寸较小,填充基体内较大的孔隙,使密实度增加,强度提高,但增长幅度较小。同时由于配制RPC时采用较低的水灰比(0.16),硬化体系自由水含量很少,甚至不含自由水,在200℃养护时基本不会因水分挥发导致孔隙增大和产生收缩裂缝,避免了普通高强混凝土因湿含量较大,高温养护使自由水分蒸发产生的收缩裂缝对其强度的影响。
2.1.2 纤维复掺对RPC强度的影响
图2为配比4(见表2)中不同纤维复掺即A、B、C、D、E与S3.0、P1.0、p1.0单掺时的抗压抗折强度的比较。由图2可知,在90℃和200℃养护时,钢纤维和PP纤维复掺有利于提高混凝土的强度,而且随PP纤维掺量的减少,抗折和抗压强度逐渐降低。因为随PP纤维的减少,熔解后可以填充孔隙的聚合物的量减少,孔隙率增加,所以强度降低。400℃养护时,虽然强度较200℃养护时的降低,但仍高于90℃养护时的,与文献[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]的试验结果相反。
2.2 水灰比对纤维增强RPC高温强度的影响
图3为不同水灰比在不同温度条件下养护的强度值。在相同温度条件下,随水灰比降低,水化凝胶孔数量减少,强度提高。当水灰比为0.16时由于水灰比相对较大,生成的C-S-H凝胶量相对较多。当温度由200℃升高到400℃时,C-S-H凝胶大量失水,水分蒸发导致体积结构疏松,强度由265MPa降低到226.8MPa。当水灰比减小到0.14和0.12时,体系湿含量较低,生成的C-S-H凝胶较少,高温失水较少,对密实度影响较小,生成硬硅钙石对强度的贡献大于孔隙增加导致的强度减少,在400℃养护时强度反而提高,达到333.4MPa。
2.3 纤维增强混凝土的应力应变分析
图4为不同掺量的不同纤维在90℃和200℃养护时RPC的应力-应变曲线。纤维增强混凝土的断裂曲线分为3个部分。(1)初裂阶段:从开始施加应力至基体产生裂缝阶段;(2)纤维增强阶段:初裂后将应力传递到纤维上,使应力继续增加,纤维被逐渐拔出;(3)应力降低阶段:裂缝继续产生,纤维继续被拔出,直至断裂。图4中OA、AC、CE 和OB、BD、DF分别为钢纤维体积掺量为3%在200℃和90℃养护时的初裂阶段、纤维增强阶段、应力降低阶段。由图4可知,虽然在200℃养护的RPC基体的断裂强度(OA段11.6MPa)低于90℃养护时的(OB段25.4MPa),但由于高温条件下,水化C-S-H部分失水转化成硬硅钙石[11],提高了基体和纤维的粘结强度,并未出现应力增加速度减小的阶段。但高温养护使基体脆性增加,最终导致200℃养护C点的应力峰值(44.9MPa)低于90℃养护时D点的应力峰值(51.1MPa)。聚合物纤维由于在高温下熔解,与RPC基体融于一体,使其应力-应变曲线的变化趋势与热养护时基本一致,随基体强度的降低而降低。
图5为1%PP 纤维与3%钢纤维复掺在不同温度下的应力-应变曲线,由图5可知,PP纤维与钢纤维复掺在200℃养护时具有较好的韧性和较高的抗折强度,400℃养护时由于C-S-H凝胶大量失水,水分蒸发导致基体孔隙增加,密实度降低,虽然抗折强度达到了40.8MPa,但纤维的抗裂增韧效果显著降低,达到峰值后,应力变化速度加快。
2.4 纤维增强混凝土的SEM分析
图6(a)和(b)为钢纤维(3%)在90℃和200℃养护时的SEM照片。
由图6(a)和(b)可知,钢纤维在90℃养护后拔出时纤维表面黏附的RPC基体材料较少,不能将纤维完全覆盖;而200℃养护时,由于粘结强度的提高,使拔出的纤维表面粘结了一定量的RPC基体材料。图6(c)和(d)为PVA纤维(1.5%)在90℃和200℃养护时的SEM照片。图6(e)和(f)为PP纤维(1.5%)在90℃和200℃养护时的SEM照片,从图6中可以看出,在90℃养护时,2种聚合物纤维均保持着原来的单丝束状,混凝土断裂后表面黏附极少量基体材料;而在200℃高温养护时,聚合物纤维熔解,在基体内部形成三维网络结构,覆盖在基体材料的表面,或者融入基体,从而增加混凝土的强度和密实度,提高混凝土的力学性能。
3 结论
(1)纤维能跨越裂缝承受拉应力,有效阻止水泥基体微裂缝的扩展,作用效果随纤维掺量的增加而增加,不同纤维在不同养护温度下对RPC的作用机理不同,除高温条件下生成硬硅钙石增加强度外,钢纤维强度随粘结强度的提高而提高,而聚合物纤维则通过填充基体内的孔隙提高强度。
(2)钢纤维有利于提高RPC强度,对抗折强度的贡献大于对抗压强度的贡献,当其体积掺量为3%时,90℃和200℃养护时的抗压和抗折强度分别为51.1MPa、44.9MPa和178.9MPa、210.2MPa;PP纤维和PVA纤维在90℃和200℃养护时对抗折强度的贡献不大;当体积掺量小于1%时,抗折强度有所降低,但高温熔解后在基体内形成网络结构,填充孔隙,使抗压强度提高;当200℃养护、PP纤维体积掺量为1.5%时,强度达242.6MPa。
(3)钢纤维和聚合物纤维复掺在200℃养护既有利于抗压强度的提高,也有利于抗折强度的提高。当体积掺量为3%的钢纤维和体积掺量为1.5%的PP纤维复掺时,水胶比为0.12,400℃养护时抗压强度进一步提高,达333.4MPa。
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纤维增强高性能混凝土 篇7
为了探究玄武岩纤维、木质素纤维以及聚酯纤维增强沥青混凝土路用性能的效果, 本研究设计了7种沥青混合料进行室内路用性能试验, 比较其力学性能、水稳定性、高温稳定性、低温性能及疲劳性能, 对比分析不同纤维对沥青混合料路用性能的影响, 为深入研究纤维沥青混凝土增强机理以及工程应用提供参考。
1 试验材料
1.1 混合料类型
目前, 聚酯纤维是密级配沥青混合料中常用的加筋纤维, 木质素是SMA沥青混合料中常用的稳定剂纤维;因此本试验采用AC-13C及SMA-13两种级配, 级配组成见表1。沥青采用PG分级为PG-76-22的改性沥青, 各项指标均符合规范要求。同时, 根据已有纤维增强沥青混凝土的研究, 纤维的用量一般在0.2%~0.4%。因此, 本研究以AC-13、SMA-13级配为基础添加不同掺量组合的纤维, 设计了7种沥青混合料见表2。
表2中, GBFR为浙江金石公司生产的玄武岩纤维;SMG与SGM的区别在于SMG是直接将0.1%木质素和0.2%GBFR混合后, 加入集料拌合, SGM是先将0.2%GBFR加入集料拌合均匀后, 再加入0.1%木质素纤维拌合。
1.2 各种沥青混合料的最佳油石比
根据《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》 (JTG E20—2011) , 每种沥青混合料采用估计沥青用量为中值, 以0.5%间隔变化沥青用量, 成型5种不同油石比的马歇尔试件, 分别在规定的试验温度及试验时间内测定其稳定度和流值, 同时测定其体积参数, 计算空隙率、饱和度及矿料间隙率, 最后确定各种沥青混合料的最佳油石比。7种混合料的最佳油石比见表3。
2 纤维增强沥青混凝土性能比较
2.1 高温性能试验
作为一种粘弹性材料, 沥青路面在高温天气条件以及车辆荷载的重复作用下, 沥青混合料容易产生车辙、推移、拥包等永久性变形类路面病害[8,9]。在室内评价沥青混合料的高温稳定性或累积变形发展规律, 可采用单轴压缩、三轴压缩、弯曲蠕变、直剪试验以及车辙试验等进行研究。本文通过车辙试验和60℃动态蠕变试验, 对7种沥青混合料的高温稳定性进行评价。
2.1.1 车辙试验
依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》 (JTG E20—2011) 的试验方法进行车辙试验, 试验结果见图1:
由图1可以看出:SMA-13沥青混合料的动稳定度均大于AC-13C的动稳定度, 这说明以集料的嵌挤作用为主的SMA混合料, 更能适应高温路面环境。掺加纤维后, 各类混合料的动稳定度均有所增大, 且AC-13C中GBFR>聚酯纤维, SMA-13中GBFR>GBFR与木质素混合>木质素, 说明玄武岩纤维在提高沥青混合料高温性能方面效果更显著。
2.1.2 动态蠕变试验
蠕变试验可分为静态蠕变与动态蠕变试验, 重复荷载试验与动力试验都属于动载蠕变试验。有研究报告[10]指出, 重复荷载蠕变试验比单轴静态压缩蠕变更能反映沥青混合料的特性。本研究采用AMPT沥青混合料性能试验机进行动态蠕变试验中的重复荷载试验[11,12]来评价混合料的高温性能, 试验结果见图2。
由图2可知, 各种混合料在初始阶段 (迁移期) 的累积应变变化趋势基本一致, 第二阶段 (稳定期) 的应变增长率排序为:不加纤维>聚酯纤维>GBFR, 木质素>GBFR与木质素混合>GBFR, GBFR混合料的稳定期终点荷载累积作用数大幅超过其他类型, 变形速度较缓慢。动态蠕变试验的结果进一步说明玄武岩纤维能明显地增强沥青混凝土高温性能。
2.2 低温性能试验
对各类型沥青混合料进行-10℃低温小梁弯曲试验, 采用破坏应变以及断裂能指标来评价沥青混合料的低温抗裂性能。测量各种混合料的抗拉强度和跨中变形情况, 通过应变能密度函数, 计算沥青混合料破坏前所储存能量, 其中分别为应力、应变分量。当沥青混合料断裂时, 应力-应变关系曲线下的面积即为混合料破坏前所存储的能量, 见图3。
测试结果见图4。由图4可知, 各种混合料的低温弯曲破坏应变均大于2 800με, 满足规范要求。加入纤维可以增强混合料低温抗裂性能, GBFR增强效果最为显著, 表现为小梁弯拉应变和应变能密度明显增大。在SMA路面结构中掺入GBFR, 可以提高储存破裂能量, 增强低温抗裂性能, 增强效果明显优于木质素、木质素与GBFR混合纤维。
2.3 水稳性能试验
依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价沥青混合料耐水损害能力, 试验结果见表4:
由表4可以看出:GBFR对于密级配沥青混合料水稳定性的改善幅度比聚酯纤维大, 前者的残留稳定度以及劈裂强度比均大于后者。GBFR作为SMA沥青混合料的纤维稳定剂, 其改善混合料的水稳定性效果与木质素纤维稳定剂效果相当。
2.4 力学性能试验
根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》, 在UTM下进行三分点小梁劈裂试验, 加载试验温度为15℃, 加载速率为50 mm/min。研究过程中除采用常规的抗弯拉强度、最大弯拉应变以及弯曲劲度模量来分析常温弯曲试验结果以外, 还用临界弯曲应变能密度评价混合料在破坏之前储存能量的大小, 并采用粘韧性指数来评价混合料的粘韧性, 试验结果见表5。
由表5可以看出:掺入GBFR的密级配沥青混合料以及SMA沥青混合料, 其抗拉强度和破坏拉伸应变均有较大提升, 力学性能优于掺加木质素与聚酯纤维的混合料。同时, 在掺加GBFR后, 混合料粘韧性指数较大, 表明其应力达到最大值后, 还能在较大的应变范围内保持较大值, 因而具有较好的粘韧性。
3 结论
本文研究表明, 玄武岩纤维增强沥青混凝土的高温稳定性、低温抗裂性尤为显著。与聚酯纤维和木质素纤维相比, 其车辙试验的动稳定度大且60℃动态蠕变试验的稳定期终点荷载作用次数大, 变形速率缓慢, 累积变形小。低温弯曲试验玄武岩纤维混凝土小梁出现裂缝时间晚, 裂缝发展慢, 弯拉应变、应变能密度大。在沥青混合料中加入玄武岩纤维, 浸水和冻融循环后的强度有所提升, 残留稳定度和残留强度比均有所提高, 表现出较好的水稳定性。在力学性能试验中, 既可以提高抗拉强度又可以增大弯拉应变, 粘韧性指数较大, 表现出较好的力学性能。
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纤维增强高性能混凝土 篇8
1 GRC的组成材料及配合比设计
1.1 GRC的组成材料
1)耐碱玻璃纤维:
耐碱玻璃纤维是在玻璃纤维的化学组成中加入氧化锆(ZrO2)、氧化钛(TiO2)等元素,从而提高玻璃纤维的耐碱蚀能力。因此玻璃纤维应具有高抗拉强度、高弹性模量、耐腐蚀(主要是耐碱)、与水泥粘结性能良好的优点,此外玻璃纤维要有一定的长径比(50～150)。耐碱玻璃纤维的性质[4]见表1。
2)低碱水泥:
GRC所用水泥主要是低碱水泥,其中低碱硫铝酸盐水泥是目前在GRC中应用最多的一种水泥。该水泥的主要原料是石灰石、矾土、石膏。经配料粉磨成生料后在1 280 ℃～1 350 ℃的温度之间煅烧成以硫铝酸钙(C4A3S)为主要矿物成分的熟料,最后掺以石膏磨细而成。
低碱硫铝酸盐水泥中不含C3S,水化后产生的Ca(OH)2比硅酸盐水泥要少得多,因此碱性较低。而C4A3S是一种水化速度较快、早期强度较高的矿物,水化反应不仅不产生Ca(OH)2,而且消耗体系中由C2S水化产生的Ca(OH)2,使混凝土的碱度进一步降低,且水化反应产生的化学收缩很小,可以在一定程度上抵消混凝土干缩对强度的不利影响。
3)其他材料:
其他的材料大致与素混凝土相同,只是为了增加玻璃纤维的均匀性而对集料的最大粒径有一定限制,含砂率也较素混凝土高,在混合料中加入硅灰和粉煤灰有助于增加玻璃纤维流动和均匀分布,对GRC的后期强度也有所提高。
1.2 GRC的配合比设计
玻璃纤维与混凝土材料复合存在的化学相容性,制约了GRC的应用,对于GRC中玻璃纤维的防腐,添加活性混合料是最常应用的手段,这不仅可避免纤维腐蚀,还可以加强水泥石与纤维的界面结合以及混凝土的耐久性。已有研究[5]表明:当粉煤灰的掺量达到30%～40%时,可以保证耐碱玻璃纤维在混凝土中的防腐要求,但是这样高的粉煤灰掺量,应用传统的混凝土配合比设计理论根本无法满足混凝土对早期强度的设计要求。
一般认为应用最紧密堆积配合比设计方法,可以保证集料处在最紧密堆积的状态下,减少了水泥用量,解决了因粉煤灰用量过大引起的混凝土早期强度降低的问题。
传统设计方法是以水泥浆为设计中心,当水灰比(W/C)固定,改变水泥浆量时,所有材料用量均改变;而最紧密堆积法是以骨料为主骨架,随着水泥浆量增加(n值提高),集料用量减少,但砂和集料用量比例不变,维持集料紧密比例。当固定水泥浆量,改变水胶比时,水泥浆产生“质”的变化,低水胶比仍对应低水灰比的结果,这与传统的混凝土完全一致,而唯一不变的仍是集料的砂与石子紧密比例。此结果与传统配比法不一样,显示“最紧密堆积”以大量坚硬的集料为骨架,因此,产品安全性会优于以水泥浆为主构件的传统配比设计法。
2 GRC的性能及其影响因素
2.1 GRC的性能
1)GRC的增强机理和力学性能。GRC中纤维的增强机理可归结为两种,即纤维间距机理和复合材料混合机理[6]。纤维混凝土断裂时,裂缝扩展过程中可以遇到下列物理效应:a.裂缝尖端遇到纤维时会引起纤维与基体结合的解离,从而减缓裂缝尖端的应力集中,甚至终止纤维裂缝的扩展;b.引起纤维的断裂;c.使纤维从基体中拔出。2)GRC的物理性能。GRC的混合料和易性随纤维长径比和掺量的增加而变差,合理的搅拌工艺和振动时间是使纤维均匀分布的有效途径,GRC的初凝、终凝时间与素混凝土大致相同,掺加玻璃纤维将减少拌合料的坍落度和流动性,用坍落度很难正确表示GRC的流动性,GRC的膨胀性比素混凝土大。GRC的主要物理性能[6]如表2所示。
2.2 GRC性能的影响因素
1)纤维含量(体积率)。如使用短切纤维,体积率在10%以内时,随着体积率的增加,混凝土的抗弯强度及抗冲击强度都增加;体积率超过10%,强度增加不明显甚至不增加。2)成型方法。从实际应用效果看,一般制品以喷射—抽吸法成型的效果较好。主要由于纤维以两个方向喷射,增强效果好,加上真空吸水,使混凝土的基体更为致密,强度也更高。
3 GRC的施工技术与工程应用
GRC施工技术的关键是如何使玻璃纤维均匀的分布在混凝土中,混凝土的搅拌时间应合理控制,如搅拌时间过长,部分脆性的玻璃纤维将被折断;如搅拌时间过短,则不能保证混合料的均匀性和纤维分布的均匀性
GRC的优点首先在于可限制新拌和硬化混凝土中裂缝的宽度以及使之具有高抗冲性、高阻断延伸率以及高的抗拉和抗弯强度,因此有广泛的使用性[7]。但因其耐久性有待进一步的研究,故仅用于非承重构件和制品
GRC在水利水电工程中表现出其优势。GRC在水利水电工程中有良好的发展前景:1)渠道防渗。渠道防渗使GRC技术的前景是广阔的。2)可大量用于水工混凝土的加固、修补。3)工程斜坡及边坡的支护。4)地下工程中使用GRC。5)交通工程中应用。水利水电工程离不开公路交通。基于最紧密堆积理论制备GRC具有抗折性能好、耐磨性好、收缩小等特点[9]。
4结语
过去十几年的研究与应用表明,玻璃纤维混凝土是一种高性能的新型建筑材料,其应用量正逐年上升,但是其在我国的发展和应用相对落后,应用范围窄,使用量小,要使其进一步发展,特别是在我国得到推广应用,需从以下4个方面努力:1)加强理论研究,完善设计理论;2)提高玻纤质量,降低生产成本;3)改善耐久性能,积极推广应用;4)改进生产工艺,培训专业队伍。
摘要：通过对玻璃纤维增强混凝土的组成材料、配合比设计、性能及其影响因素、施工技术及其工程应用等方面的论述,提出了玻璃纤维增强混凝土在实际应用中尚需进一步解决的问题,从而推广GRC的应用。
关键词：玻璃纤维,增强混凝土,性能,工程应用
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纤维增强高性能混凝土 篇9
平顶山市是豫西南地区最大的能源型工业城市,煤炭储量丰富,素有中原煤仓之称。在煤炭开采过程中会伴生大量的煤矸石,这些煤矸石已成为存量和占用场地最多的固体废弃物,对环境造成了严重的污染。用煤矸石作骨料来拌制混凝土,可以大量减少天然集料的使用,是合理利用煤矸石的有效途径,必将对当地社会、经济、环境的协调发展起到有力的促进作用。
水泥混凝土路面在公路和城市道路中已得到广泛应用,但水泥混凝土路面存在脆性大、易开裂等缺点,将纤维掺入混凝土,可以起到阻裂、增强和增韧作用[1]。聚丙烯纤维质轻、价低、强度高、耐久性好,能有效改善混凝土的抗裂、抗渗性能[2]。本试验采用平顶山地区自燃煤矸石作为粗骨料,掺入不同量的聚丙烯纤维配制混凝土,进行了混凝土抗折强度、抗渗性、抗冻性、耐磨性等方面的研究,并进行了微观结构分析,探讨了聚丙烯纤维的增强机理及对煤矸石轻骨料混凝土路用性能的影响。
1 试验方案
1.1 试验原材料
煤矸石采用平顶山地区的自燃煤矸石,通过X射线衍射分析试验,确定其矿物组成主要有石英、高岭石、方解石,试验结果见图1。试验用煤矸石主要化学组成为Si O2,试验测定煤矸石的堆积密度为1179kg/m3,吸水率为3.5%。煤矸石经人工破碎、掺配后,其公称粒径范围为5~20mm,颗粒级配符合相关要求。
图1 煤矸石的XRD图谱
聚丙烯纤维为南京某公司产,其主要技术指标见表1。
水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥,其各项指标均符合标准要求,实测28d抗压强度为49.5MPa,28d抗折强度为8.7MPa。
表1 聚丙烯纤维主要性能指标
细骨料为平顶山本地河砂,细度模数为2.6,属中砂,颗粒级配符合要求。
外加剂采用聚羧酸高性能减水剂,减水率为20%。
试验用水为自来水。
1.2 试验用配合比
水泥用量为390kg/m3,用水量为214kg/m3,砂用量为810kg/m3,煤矸石粗骨料用量为948kg/m3,聚羧酸减水剂掺量为1%,聚丙烯纤维的掺量分别为0、0.4kg/m3、0.8kg/m3、1.2kg/m3、1.6kg/m3。
以上述配合比进行聚丙烯纤维煤矸石混凝土的路用性能试验。
2 纤维增强机理
聚丙烯纤维密度低、柔性好,为了研究聚丙烯纤维在混凝土中的增强作用,试验采用扫描电子显微镜(SEM)对聚丙烯纤维水泥砂浆的微观结构进行分析。制作尺寸为40mm×40mm×160mm的标准试件,进行抗折强度和抗压强度试验,利用扫描电镜分析水泥砂浆试件的断面形貌和聚丙烯纤维的表面特征,试验结果见图2。
图2 水泥砂浆的SEM图
图2(a)为水泥砂浆试件抗压破坏后的形貌。由图2(a)可以看出,聚丙烯纤维均匀分散在砂浆中,形成一种乱向分布的网状结构体系,并且与砂浆有很好的黏结性。图2(b)为水泥砂浆试件抗折断裂后的形貌,由图2(b)可以看出,聚丙烯纤维是被拉长断裂的,没有拔出现象,说明聚丙烯纤维具有较好的抗拉韧性,且与砂浆之间的结合比较紧密;纤维表面附着有明显的水化产物,提高了与水泥砂浆之间的结合力[3],增加了拔出纤维所需要的能量。
SEM图像表明,聚丙烯纤维掺入混凝土后形成了一种三维乱向分布的支撑网,使得混凝土硬化初期形成的微裂纹在发展过程中受到纤维的阻挡,有效减少了早期干缩微裂缝及离析裂纹的产生和发展,抑制了连通裂缝的出现[4],提高了混凝土的断裂韧性;纤维与水泥砂浆之间有着较强的机械咬合力和界面黏结力,明显提高了混凝土的抗拉强度和抗折强度;大量纤维均匀分布在混凝土中,减少了内部孔隙的数量,改善了孔隙结构,提高了混凝土的抗渗性和抗冻性。
3 混凝土性能研究
3.1 抗折强度
成型尺寸为100mm×100mm×400mm的试件,采用三分点加荷试验,尺寸换算系数为0.85,抗折强度试验结果见图3。
图3 抗折强度试验结果
由图3可见,煤矸石混凝土的抗折强度随聚丙烯纤维掺量的增加呈先增大后下降的趋势。纤维掺量为0.4kg/m3的混凝土与不掺纤维的基准混凝土相比,7d抗折强度增加了4.8%,28d抗折强度增加了2.1%;纤维掺量为0.8kg/m3的混凝土与基准混凝土相比,7d抗折强度增加了7.1%,28d抗折强度增加了10.4%;纤维掺量为1.2kg/m3的混凝土,其28d抗折强度比基准混凝土增加了6.3%,但7d抗折强度已低于基准混凝土;纤维掺量为1.6kg/m3的混凝土,其7d、28d抗折强度均低于基准混凝土。
以上试验结果表明,聚丙烯纤维在一定掺量范围内对煤矸石混凝土28d抗折强度的提高有较明显的效果,主要原因是纤维与基体之间有着较强的黏结力,在混凝土断裂时纤维吸收了部分能量,有效阻止了混凝土裂缝的产生和发展[5],提高了混凝土的抗折强度。但聚丙烯纤维掺量超过一定量时,纤维的分散性下降,降低了混凝土的均匀性和密实性,影响了混凝土的力学性能。
3.2 抗渗性
抗渗性试验按JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》中的水泥混凝土抗渗性试验方法进行,试件采用上口直径为175mm、下口直径为185mm、高150mm的圆台体,试件成型后标准养护28d再进行试验。试验水压从0.1MPa开始,每隔8h增加水压0.1MPa,当6个试件中有3个试件端面出现渗水时,记下此时的水压力,停止试验。混凝土抗渗等级以每组6个试件中4个未出现渗水时的最大水压力表示,抗渗等级计算公式为:
式中:
S———混凝土抗渗等级;
H———第三个试件顶面开始渗水时的水压力,MPa。
混凝土抗渗试验结果列于表2。
表2 抗渗试验结果
由表2可见,掺聚丙烯纤维混凝土的抗渗等级高于不掺纤维的基准混凝土,且随着纤维掺量的增加,混凝土的抗渗性能提高。这主要是由于聚丙烯纤维大量分散于混凝土中,改善了混凝土的孔隙结构,阻止了混凝土表面的泌水与集料的离析,有效抑制了混凝土早期干缩裂缝及离析裂纹的产生和发展,降低了混凝土的孔隙率,减少了混凝土收缩裂缝特别是连通裂缝的产生[6],提高了混凝土的抗渗能力。
3.3 抗冻性
抗冻性试验按JTG E30—2005中规定的快冻法进行,采用尺寸为100mm×100mm×400mm的棱柱体试件,在28d龄期的前4d浸泡于(20±2)℃的饱和石灰水中,浸泡4d后进行冻融试验,试件中心的冻融温度控制在(-18±2)℃和(5±2)℃。每隔25次冻融循环对试件进行一次横向基频的测试并称重,当冻融至300次循环,或质量损失达到5%,或相对动弹性模量下降至60%以下时停止试验。
相对动弹性模量计算公式为:
式中:
P———经n次冻融循环后试件的相对动弹性模量,%;
fn———冻融n次循环后试件的横向基频,Hz;
f0———试验前试件的横向基频,Hz。
质量损失率计算公式为:
式中:
Wn———n次冻融循环后的试件质量损失率,%;
m0———冻融试验前的试件质量,kg;
mn———n次冻融循环后的试件质量,kg。
混凝土抗冻性试验结果见图4。
图4 抗冻性试验结果
由图4(a)可见,经过300次冻融循环后,不掺聚丙烯纤维的基准混凝土质量损失率为2.0%,掺聚丙烯纤维混凝土的质量损失率为1.1%~1.5%,而且随着纤维掺量的增加,混凝土的质量损失逐渐减小。由图4(b)可见,经过300次冻融循环后,不掺纤维的基准混凝土相对动弹性模量下降85.6%,掺纤维混凝土相对动弹性模量最小的下降86.9%,掺纤维混凝土的相对动弹性模量要大于不掺纤维混凝土,而且纤维掺量越多,混凝土的相对动弹性模量越大。这说明聚丙烯纤维掺入后,煤矸石混凝土的抗冻能力得到提高。纤维的掺入有效地抑制了混凝土的冻胀开裂,并且在混凝土成型过程中阻碍了内部空气的溢出,增加了混凝土的含气量,降低了结冰产生的静水压力[7],提高了混凝土的抗冻性能。
3.4 耐磨性
根据JTG E30—2005,采用尺寸为150mm×150mm×150mm立方体试件,养护到27d龄期取出,擦干表面水分,放到空气中自然干燥12h,再放入(60±5)℃烘箱中,烘12h至恒重。刷净表面浮尘后,将试件放在耐磨试验机的水平转盘上,在200N的负荷下磨30转,取下试件刷净表面粉尘称重,作为试件的初始质量,然后在200N的负荷下磨60转,取下试件刷净表面粉尘称重,作为试件磨损后的质量。混凝土的耐磨性以试件单位面积的磨损量来表示,计算公式为:
式中:
G0———单位面积的磨损量,kg/m2;
m1———试件的初始质量,kg;
m2———试件磨损后的质量,kg;
0.0125———试件磨损面积,m2。
混凝土耐磨性试验结果见图5。
图5 耐磨性试验结果
由图5可见,掺入聚丙烯纤维后,煤矸石混凝土单位面积的磨损量明显降低,混凝土的耐磨性得到提高。与基准混凝土相比,混凝土单位面积磨损量在纤维掺量为0.4kg/m3、0.8kg/m3、1.2kg/m3时分别降低了15.0%、39.6%、26.1%,即使纤维掺量达到1.6kg/m3时,混凝土的单位面积磨损量也低于基准混凝土。聚丙烯纤维掺入混凝土后,能减少混凝土表面裂缝,增加混凝土表面的密实性,提高了混凝土的耐磨性能。在一定范围内,纤维掺量越多,混凝土的耐磨性越好,这与混凝土28d抗折强度试验结果是一致的。
4 结论
(1)在一定掺量范围内,聚丙烯纤维可明显提高煤矸石轻骨料混凝土的28d抗折强度,纤维掺量为0.8kg/m3时,混凝土抗折强度最高。
(2)聚丙烯纤维的掺入,能够有效改善煤矸石轻骨料混凝土的抗渗性和抗冻性。随着纤维掺量的增加,混凝土的抗渗、抗冻能力明显提高。
(3)掺入聚丙烯纤维可以增强煤矸石轻骨料混凝土的耐磨性能,纤维掺量为0.8kg/m3时混凝土的耐磨性最好,即使掺量达到1.6kg/m3时的耐磨性也优于不掺纤维的混凝土。
(4)聚丙烯纤维可有效抑制混凝土早期裂缝的产生和发展,减少连通裂缝的出现,提高煤矸石轻骨料混凝土的抗折强度和耐久性,获得更好的路用性能。
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纤维增强高性能混凝土 篇10
沥青混凝土是沥青和集料的混合物, 与土木工程上应用的其他材料相比具有一定的敏感性。入侵的水分软化路基并削弱基层材料强度, 导致路面结构承载力的破坏;而交通荷载的反复作用使得路面出现疲劳开裂。从根本上说, 石油精炼厂的沥青生产属于次级过程, 无法与产生税收的燃料和其他产品相竞争。因此, 在石油加工中, 优化沥青性能的生产活动不是上策。当成品沥青难以满足气候、交通和路面结构要求时, 道路科技工作者不断尝试各种方法来改善沥青路面的使用性能。沥青的改性开始受到关注, 纤维和聚合物便是两种重要的改性剂, 其中聚合物改性沥青最为普遍。目前, 有很多种类的材料已经作为增强材料得到了应用, 纤维和聚合物就是其中重要的两种[1,2]。然而, 针对沥青改性的诸多材料之中, 纤维因其优良的改善效果受到了广泛关注。本文回顾了纤维增强技术在路面工程中的应用和研究现状, 并初步分析了纤维增强对沥青混凝土路用性能的改善作用。
1 纤维增强在路面工程上的应用
纤维的使用可以追溯到中国4000年前, 将纤维和粘土混合而成的拱门及2000年前万里长城的修建。而现代纤维增强的发展开始于20世纪60年代初期。Zube进行了最早的纤维增强沥青混合料方面的研究, 该研究评估了为阻止反射裂缝产生而置于沥青加铺层底面的各种铁丝网的性能, 认为各种铁丝网阻止了反射裂缝和纵向裂缝的产生, 同时, 应用铁丝网可以减薄沥青加铺层的厚度且能保持相同的性能。在60多年前的美国南卡罗来纳州, 粗织的棉层平摊在沥青层间改善路表层品质。棉花织物与沥青粘结一起, 成为良好的防水毡, 阻碍水分由路表裂缝渗入侵蚀路基。1976年, 美国新泽西州的一块试验场地证实了这种筑路材料经一年使用后效果优良, 继而被引入至佐治亚州、路易斯安那州和德克萨斯州。
Serfass和Samanos等人验证了石棉、岩棉、玻璃棉和木质素纤维掺入到沥青混合料中的使用效果, 分别进行了沥青混合料回弹模量、低温直接拉伸、车辙和疲劳等方面的试验。有三项研究在法国南斯的试验跑道上进行[1]。在第一项研究中, 经13t的轴载作用了110万次后, 发现与未掺纤维或掺合成橡胶的沥青混合料相比, 纤维沥青混合料均呈现出最大的空隙率, 该结论符合纤维沥青混合料具有更优的排水性能。在第二项研究中, 在使用纤维改性沥青的具有疲劳病害的加铺层上经200万次的轴载作用后, 发现路表宏观结构良好, 未出现更多的裂缝。研究人员据此认为纤维可以用于沥青加铺层上的筑路材料, 且使纤维沥青混合料沥青路面表现出优良的抗滑性能和耐疲劳性能。在第三项研究中, 将纤维沥青混合料加铺在已有疲劳破坏的路面上, 经120万次轴载作用后, 发现未出现疲劳破坏或车辙的现象, 而普通沥青混合料却与此相反。该结论与第二项研究是一致的。掺入纤维后, 沥青混合料中的沥青用量虽有所增加, 但有效提高了沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、抗疲劳和老化性。
断裂力学的方法曾被用于评估纤维阻裂的效果[2,3]。Jenq等人将聚酯纤维和聚丙烯纤维掺入到沥青混合料中, 测试混合料的弹性模量、断裂能和抗拉强度。结果表明, 断裂能提高了50%~100%, 但弹性模量和抗拉强度变化不大。Simpson等人在肯塔基州萨默塞特市进行了一项关于改性沥青混合料的研究。聚丙烯、聚酯纤维和聚合物被用来改性沥青胶结料, 并对改性后的沥青混合料进行了评估, 与一种未改性的沥青混合料进行对比。试验项目包括马歇尔稳定度、间接拉伸强度 (IDT) 、水损害敏感性、冻融作用敏感性、弹性模量和重复荷载变形。结果发现, 掺入聚丙烯纤维的沥青混合料具有较高的拉伸强度和抗开裂性能。进行试验的纤维改性混合料未能改善沥青混合料的水稳定性。IDT的结果表明普通沥青混合料和聚丙烯纤维沥青混合料不会出现热裂解的问题, 而含有聚酯纤维和聚合物的混合料则可能出现。常温下的弹性模量试验表明聚丙烯纤维改性混合料效果最佳, 而高温下的弹性模量试验表明所有纤维沥青混合料的模量值均较对比样有所增加。重复荷载变形试验表明仅聚丙烯改性沥青混合料的抗车辙能力有所降低。总体说来, 纤维在混合料中的分布是否均匀是混合料性能能否提高的一个关键因素。
2 纤维对柔性路面的增强作用
增强是将具有某些特性的材料与掺入到其它缺乏这些特性的材料中进行复合而获取所需的效果。纤维增强体现在两个方面:一是在沥青混凝土或水泥混凝土板中的随机乱向分布的纤维的增强;二是定向分布的人工合成纤维的增强。值得注意的是, 前者的研究较后者少, 主要包括纤维性能, 纤维直径、长度、表面纹理等方面的优化及纤维增强机理的探究。容易看出, 如果纤维过长, 将会出现所谓的“聚团”问题, 即纤维难以同沥青混合均匀;同样, 如果纤维过短, 就不会产生增强效果, 仅仅是充当昂贵的填料而已。
根本而言, 增强纤维的主要功能是给予复合材料额外的抗拉强度, 这会增加在沥青混合料疲劳和断裂过程中可被吸收的应变能。一些纤维相对于沥青混合料而言具有较高的抗拉强度, 因此能够提高沥青混合料的粘结力和抗拉强度及相关物理性能。试验研究显示纤维在减少沥青混合料中的析漏方面较聚合物有更优的表现, 将纤维掺入到沥青中不仅可以提高复合材料的强度和疲劳特性, 也可以因其与沥青有着良好的粘附性和自身优良的力学性能而在一定程度上提高沥青的韧性。
另外, 纤维可以有效阻止裂缝的产生和扩展。经过细分的纤维还可以提供较大的比表面积, 如同填料一样。纤维可以增加沥青用量, 在施工过程中能与集料裹附得更加紧密。从这一点上讲, 纤维沥青混合料的最佳沥青用量较普通沥青混合料有微量的增加, 类似于将很细的集料加入到混合料中。因此, 纤维可以起到稳定沥青的作用, 以防止析漏出现, 这也是纤维广泛用于SMA和OGFC结构中的原因。掺入纤维后, 沥青混合料的最佳沥青用量同纤维的吸油率和比表面积有关, 随纤维的掺量和种类而变。总之, 纤维改变了沥青的粘弹性, 增加了沥青混合料的动态模量和蠕变柔量, 提高了沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性, 并有效减少了沥青路面的反射裂缝。
由于缺乏对纤维增强机理的认识及优化纤维性能 (包括纤维直径、长度、表面纹理等) 的方法, 纤维在沥青混合料中的增强效果鲜有报道[1,2,3]。但纤维沥青混凝土材料 (FRAC) 的建模已有了一定程度的发展。比如不同纤维的性能已经可以利用来自复合材料科学的“滑移理论”进行预测。基于每种纤维的固有性质, 可通过下面的公式得到λ。
式中:df, Lf, Ef, εf分别指纤维的直径, 长度, 杨氏模量和断裂应变;指的是纤维与玛蹄脂间的界面剪应力。在纤维种类确定的情况下, 随着λ值增加, 值将减少。
此外, 通过“等效横截面”理论, 可以得到另一个指标。该指标通过特定的参数 (包括纤维与玛蹄脂的杨氏模量比、纤维的数量、横断面等) 能够容易地计算出来。所列参数取值越大, FRAC的力学性能越好。
3 结语
本文回顾了国内外关于纤维在柔性路面上FRAC材料应用的历史及研究现状, 并初步探讨了纤维对柔性路面的改善机理。结果表明, 将纤维掺入到沥青中可以稳定沥青, 改善沥青的粘弹性, 增加沥青混合料的动态模量和蠕变柔量, 提高其高温稳定性、低温抗裂性、抗冻融性和水稳定性, 有效阻止沥青路面的反射裂缝的产生和扩展, 并改善沥青混合料的疲劳特性和耐久性, 从而延长路面的使用寿命。此外, 根据国内外的研究现状, 采用复合材料科学原理对FRAC的力学特性进行建模分析是一个新的研究领域, 建议借助光学显微镜或扫描电子显微镜对纤维的分布进行观察, 以便从细观或微观的角度研究纤维对沥青混合料的增强效果。
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