钢-玄武岩混杂纤维（共4篇）
钢-玄武岩混杂纤维 篇1
0前言
纤维混凝土 (Fiber Reinforced Concrete, 简称FRC) 是以水泥浆、砂浆或混凝土为基体, 加入纤维组成的复合混凝土材料。而混杂纤维混凝土 (HFRC) 是指在混凝土中加入两种或两种以上不同纤维或不同几何特性的同一品种纤维组成的纤维混凝土。其混杂形式具体可分三种[1]: (1) 不同品质不同几何特性的二种纤维混杂, 如高弹性模量和低弹性模量纤维混杂; (2) 同品种, 不同几何特性纤维混杂, 如同一品种、不同长度纤维混杂; (3) 多元纤维混杂, 也就是多种纤维混杂。总之, 混杂纤维混凝土是将不同品种或不同特性的纤维按一定比例混杂掺入混凝土基体, 使其取长补短, 发挥各自优势, 使混凝土基体性能在多相、多结构、多层次上得到改善。国内外大量试验研究表明:在混凝土中掺入一定量的纤维对混凝土性能有很大的改善, 且掺入混杂纤维优于掺单一纤维[2,3,4,5,6]。
本文基于聚丙烯纤维 (PPF) 和玄武岩纤维[7] (CBF或BF) 各自的特点将聚丙烯纤维和玄武岩纤维加入混凝土中制备玄武岩-聚丙烯混杂纤维混凝土, 并对其基本力学性能进行了试验研究。
1 试验用原材料及试件制作
1.1 原材料
水泥:32.5级矿渣硅酸盐水泥, 其物理力学性能见表1。
细骨料:锦州女儿河中砂, 表观密度2670kg/cm3, 堆积密度1554kg/cm3, 细度模数2.46, 含水率3.1%, 含泥量3.0%。
粗骨料:粒径10~20mm的碎石, 表观密度2665kg/cm3, 堆积密度1450kg/cm3, 含泥量0.3%, 针片状含量14%。
水:自来水。
纤维:玄武岩纤维, 长12mm, 短切连续, 最高使用温度650℃;聚丙烯纤维, 长12mm, 束状, 熔点165℃~173℃。纤维的物理力学性能指标见表2。
1.2 配合比设计及试验方法
1.2.1 配合比设计
根据JGJ55-2011《普通混凝配合比设计规程》配制C30普通混凝土, 水灰比0.5, 砂率0.3, 具体配合比见表3。聚丙烯纤维和玄武岩纤维以0.3%、0.6%、0.9%、1.2%为掺加量, 以单掺和混杂比1:1、1:2、2:1的方式掺入C30混凝土基体, 组成混杂纤维混凝土, 进行抗压、弯曲抗折、抗劈裂强度等试验。
kg/m3
1.2.2 试验方法
按GB/T 50082《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》和GB/T 50081《普通混凝土力学性能试验标准》的相关规定制作试件。抗压强度试件尺寸为100mm×100mm×100mm;劈裂抗拉强度试件尺寸为150mm×150mm×150mm;抗折弯曲试件尺寸为100mm×100mm×400mm。为保证混凝土拌合物的均匀性, 本试验采用强制式搅拌机搅拌, 首先将砂、石干拌30s, 再加入水泥和纤维干拌30s, 最后加水湿拌。将拌好的纤维混凝土装入试模, 放在振动台上振捣成型。24h后拆模养护, 养护室温度 (20±2) ℃, 相对湿度95%以上。养护至28d进行立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度试验。
2 试验内容及结果分析
2.1 试验内容
依据GB/T 50081的相关规定制进行试验。将试件从养护室取出后擦拭干净, 检查外观尺寸后进行试验。
抗压试验:将试件放在试验机的下压板中心, 以试件成型侧面作为承压面, 以0.3~0.5MPa的速度连续均匀地加荷。当试件接近破坏, 即荷载达到最大时, 记录破坏荷载, 按式 (1) 计算抗压强度。
式中:fcu为混凝土立方体抗压强度, MPa;Fcmax为混凝土受压破坏时最大荷载, N;Ac为抗压试验试件承压面积, mm2。
劈裂抗拉试验:将试件放入劈裂抗拉装置中心, 以试件成型侧面作为承压面。开动试验机, 以0.3~0.8MPa的速度连续均匀地加荷。当试件接近破坏时, 调小油门, 当荷载达到最大时, 记录破坏荷载, 按式 (2) 计算劈裂抗拉强度。
式中:fts为混凝土劈裂抗拉强度, MPa;Ftsmax为混凝土劈裂破坏时最大荷载, N;Ats为劈裂试验试件劈裂面积, mm2。
抗折试验:将试件放入弯曲抗折装置中心, 以试件成型侧面作为承压面。开动试验机, 以0.03~0.08MPa的速度连续均匀地加荷。按式 (3) 计算抗折强度。
式中:ft为混凝土抗折强度;MPa;Ftmax为混凝土破坏时最大荷载;N;b抗折试验装置支座间跨度;mm;h为抗折试验试截面高度, mm;l为抗折试验试件截面宽度;mm。其中:b=3h。
2.2 试验结果
以三个试件测值的算术平均值作为该组试件抗压、劈裂抗拉、抗折强度值, 若其中最大值或最小值与中间值之差大于中间值的15%, 则取中间值作为该组试件的强度值。具体试验结果见表4。
2.3 试验结果分析
(1) 抗压强度试验结果分析
将表4中的抗压强度试验结果绘制散点折线图, 见图1。
由图1可以看出, 单掺纤维与1:1混杂纤维系列相对于素混凝土的抗压强度有不同程度的降低, 但基本都能保持在C30强度附近。单掺玄武岩纤维混凝土在体积掺加率为0.3%、0.6%、0.9%、1.2%时相对素混凝土, 抗压强度降低9%、19%、1%、18%。单掺聚丙烯纤维混凝土在体积掺加率为0.3%、0.6%、0.9%、1.2%时, 相对素混凝土抗压强度降低了8%、7%、17%、24%。1:2混杂纤维与2:1混杂纤维系列在体积掺加率为0.3%时, 相对于素混凝土抗压强度提高5%。1:2混杂纤维系列在体积掺加率为0.6%、0.9%、1.2%时, 相对于素混凝土的抗压强度降低21%、22%、24%。2:1混杂纤维系列在体积掺加率为0.6%、0.9%、1.2%时, 相对于素混凝土的抗压强度降低18%、22%、25%。
由此可见, 在混凝土基体中掺入聚丙烯与玄武岩及其混杂纤维对抗压强度有不同程度的降低。造成抗压强度降低的原因很多, 如水泥强度、水灰比、骨料粒径级配等[8]。以上试验结果表明, 在同一系列纤维混凝中, 随着纤维掺量的增大, 混凝土基体的强度呈下降趋势。同一掺量下, 不同系列的纤维掺加方式对混凝土抗压强度的影响也有很大差异。如在0.3%掺量下, 单掺、1:1混杂纤维对均对基体强度有降低作用, 而1:2、2:1混杂系列纤维对基体强度稍有提高作用。在0.6%与0.9%掺量下, 各个系列对基体强度均有不同程度降低, 其中单掺纤维系列对基体强度降低相对较少, 而混杂系列对基体强度降低较大。在1.2%掺量下, 玄武岩系列纤维1:1系列对基体强度降低相对较少, 而聚丙烯以及其他混杂纤维系列对基体强度降低较大。原因是在不同掺量下, 混杂纤维的混杂效应作用多于基体强度的影响。国内外有研究也表明[9,10]:混杂纤维的混杂效应对混凝土基体会产生“正效应”和“负效应”。正效应使基体强度提高, 负效应则使基体强度降低。
(2) 劈裂抗拉强度试验结果分析
将表4中的劈裂抗拉强度试验结果绘制散点折线图, 见图2。
由图2可以看出, 在混凝土中掺入纤维对基体劈裂抗拉强度影响很大。对单掺玄武岩纤维系列, 掺量为0.3%、0.6%时, 劈裂抗拉强度提高了2.6%、22.9%;掺量为0.9%、1.2%时, 劈裂抗拉强度降低了11.3%、19.8%;劈裂抗拉强度随掺量的增大呈先增大后减少趋势。因此, 对混凝土的劈裂抗拉强度击言, 玄武岩纤维的最佳掺量在0.6%附近。对聚丙烯纤维系列, 掺量为0.3%、0.6%、0.9%时, 劈裂抗拉强度分别提高了15.1%、7.8%、5.6%;劈裂抗拉强度的增长幅度随掺量的增大趋于减小, 其最佳掺量在0.3%附近。对1:1混杂纤维系列, 掺量为0.3%、0.6%、0.9%时, 劈裂抗拉强度分别提高了8.5%、6.3%、8.2%;掺量为1.2%时, 劈裂抗拉强度降低了31.6%;因此, 最佳掺量在0.3%附近。对1:2混杂纤维系列, 掺量为0.3%、0.6%时, 劈裂抗拉强度提高19.6%、4.1%;掺量为0.9%、1.2%时, 劈裂抗拉强度降低了6.2%、15%;因此, 最佳掺量在0.3%附近。对2:1混杂纤维系列, 掺量0.3%时, 劈裂抗拉强度提高12.6%;掺量0.6%、0.9%、1.2%时, 劈裂抗拉强度分别降低了25%、21%、15%;因此, 最佳掺量在0.3%附近。
由上述分析可知, 各系列在掺量为0.3%时, 均对劈裂抗拉强度有提高作用, 其中提高幅度最大的是1:2混杂纤维。各系列在掺量为0.6%时, 单掺纤维系列与1:1、1:2系列均对劈裂抗拉强度有提高作用, 其中最佳的是玄武岩纤维。各系列在掺加量为0.9%时, 聚丙烯与1:1混杂纤维系列对劈裂抗拉强度有提高作用, 其中最佳的是聚丙烯纤维。各系列在掺量为1.2%时, 均对劈裂强度有降低作用。这是因为低掺量的纤维可阻止混凝土基体中裂缝的产生和发展, 纤维均匀分散在混凝土基体中, 并在基体中沿空间任意方向杂乱分布, 这种杂乱分布的纤维在混凝土基体中呈现任意方向的“支撑网络结构”[11,12]。当裂缝的长度超过纤维间距时, 纤维将跨越裂缝起传递荷载作用, 从而使混凝土基体内的应力场均匀和连续, 纤维的“支撑网络结构”可有效减缓裂缝周围的应力集中, 阻止裂缝的发展;当裂缝长度小于纤维间距时, 处于裂缝尖端的纤维与基体结合的粘贴力会阻止、减缓裂缝的继续延伸或迫使其方向改变。而混杂纤维的混杂效应更加完善了这种“纤维的支撑网络结构”, 所以, 混杂纤维系列对混凝土基体劈裂抗强度的改善优于单掺纤维。
(3) 抗折强度试验结果分析
将表4中的抗折强度试验结果绘制散点折线图, 见图3。
由图3可以看出, 纤维对基体混凝土的抗折强度有不同程度的提高。对单掺玄武岩纤维系列, 掺量为0.3%、0.6%、0.9%、1.2%时, 抗折强度分别提高了42%、29%、16%、15%。对单掺聚丙烯纤维系列, 掺量为0.3%、0.6%、0.9%、1.2%时, 抗折强度分别提高了21%、19%、14%、23%。对1:1混杂纤维系列, 掺量为0.3%、0.6%、0.9%、1.2%时, 抗折强度分别提高了20%、24%、11%、52%。对1:2混杂纤维系列, 掺量为0.3%、0.6%、0.9%、1.2%时, 抗折强度分别提高了36%、16%、22%、38%。对2:1混杂纤维系列, 掺量为0.3%、0.6%、0.9%、1.2%时, 抗折强度分别提高了26%、28%、20%、15%。
由上结果可见, 纤维对基体的抗折强度有明显的提高作用。其中, 单掺玄武岩纤维系列随掺量增大对抗折强度的提高率呈降低趋势;单掺聚丙烯纤维系列随掺量的增大对抗折强度提高率总体呈增长趋势;1:1混杂纤维系列随掺量增加抗折强度总体呈增大趋势, 掺量0.9%时, 抗折强度相对较低是试验离散性所致;1:2混杂纤维系列对抗折强度提高率随掺量增大总体呈“先增后减再增”趋势, 这是因为0.3%掺量时是玄武岩纤维对基体起主要作用, 所以抗折强度的提高率相对较大, 随后减少是因为聚丙烯纤维起主要作用, 后来再提高, 是纤维的混杂效应所致;2:1混杂纤维系列抗折强度提高率随掺量增大总体呈减小再增大趋势, 这是因为混杂纤维中, 玄武岩纤维占有率较大, 所以对基体抗折强度的提高率变化情况与玄武岩系列基本相同。
2.4 试件破坏形态分析
(1) 抗压强度试件破坏形态分析
抗压试验在试件被压破坏时, 素混凝土试件与玄武岩纤维系列试件在达到破坏最大荷载后立即减小, 试件表面混凝土脱落严重, 破坏后形态呈锥形, 见图4 (a) 和 (b) 。单掺聚丙烯纤维与混杂纤维系列破坏后的形态都为带裂缝的立方体, 且荷载达到最大值后不会立即减小, 而是持续一段时间才渐渐的减小, 其破坏形态如图4 (c) 、 (d) 、 (e) 、 (f) 所示。
这是因为纤维的掺入约束了混凝内部裂缝的发展, 使混凝土内部应力分布更加均匀, 避免了应力集中而引起的局部脆性破坏。而玄武岩属于高弹模纤维, 比混凝土基体的弹性模量高得多, 在超过其最佳掺量时, 与混凝土基体复合产生的负效应大于或等于正效应, 在宏观表面上表现不出其对混凝土基体的改变, 故试件破坏时表面也有脱落现象。聚丙烯以及混杂纤维对基体混凝土破坏形态有很大的改善, 可使基体混凝土在破坏后基本保持原立方体形状。
(2) 劈裂抗拉强度试件破坏形态分析
试验结果表明:低掺量纤维时对劈裂抗拉强度有不同程度的提高, 高掺量纤维对劈裂抗拉强度有降低作用, 这些从试件的破坏形态上也可以看出。如图5 (a) 、 (b) 、 (c) 为0.3%纤维掺量混凝土最具代表性的破坏形态。由于纤维掺量较低, 对混凝土内部组成部分改变很小, 因此, 破坏形态与素混凝土都基本相同, 破坏后断裂成两半。图5 (d) 、 (e) 、 (f) 为纤维高掺量时最具代表性的破坏形态, 可以看出试件破坏后没有彻底断成两半, 而是被纤维联系在一起的两半, 这说明纤维对混凝土基体有阻裂作用, 劈裂强度没有提高的根本原因是纤维掺量加过大引起混凝土内部成分的变化。
(3) 抗折强度试件破坏形态分析
试验结果表明:各系列纤维对混凝土基体的抗折强度都有不同程度的提高, 这从试件的破坏形态也可明显看出。素混凝土破坏后裂缝贯通整个试件, 见图6 (a) 。而掺入纤维的试件在破坏时, 表面出现裂缝较少, 破坏后基本上都没有断成两半, 见图6 (b) 、 (c) 、 (d) 、 (e) 。其中, 混杂纤维系列试件的破坏形态更优于单掺纤维, 试件破坏时表面基本没出现大的裂缝, 而是出现许多小裂缝或基本没有裂缝;且破坏后荷载不是突然减小, 而是缓慢减小, 这对混凝土基体弯曲变形破坏时的耗能性能有很大改善, 使混凝土在破坏时表现一定的延性。
3 结论
(1) 玄武岩、聚丙烯及其混杂纤维对混凝基体的抗压强度有不同程度的降低, 但强度基本都保持在C30附近。单掺纤维系列对抗压强度降低幅度大于混杂纤维系列。其中, 1:2混杂纤维与2:1混杂纤维系列在体积掺量为0.3%时, 抗压强度提高了5%。说明体积掺量为0.3%时, 1:2和2:1混杂纤维对混凝土基体的抗压强度呈现正效应。
(2) 玄武岩、聚丙烯及其混杂纤维对混凝基体的劈裂抗拉强度有大幅度改善。单掺玄武岩纤维系列, 掺量为0.3%、0.6%时, 劈裂抗拉强度分别提高了2.6%、22.9%。单掺聚丙烯纤维系列, 掺量为0.3%、0.6%、0.9%时, 劈裂抗拉强度分别提高了15.1%、7.8%、5.6%。1:1混杂纤维系列, 掺量为0.3%、0.6%、0.9%时, 劈裂抗拉强度分别提高8.5%、6.3%、8.2%。1:2混杂纤维系列, 掺量为0.3%、0.6%时, 劈裂抗拉强度分别提高19.6%、4.1%。2:1混杂纤维系列, 掺量0.3%时, 劈裂抗拉强度提高了12.6%。
(3) 玄武岩、聚丙烯及其混杂纤维对混凝基体的抗折强度有明显的提高。单掺玄武岩纤维系列, 掺量为0.3%、0.6%、0.9%、1.2%时, 劈裂抗拉强度分别提高了42%、29%、16%、15%。单掺聚丙烯纤维系列, 掺量为0.3%、0.6%、0.9%、1.2%时, 劈裂抗拉强度分别提高了21%、19%、14%、23%。1:1混杂纤维系列, 掺量为0.3%、0.6%、0.9%、1.2%时, 劈裂抗拉强度分别了提高20%、24%、11%、52%。1:2混杂纤维系列, 掺量为0.3%、0.6%、0.9%、1.2%时, 劈裂抗拉强度分别提高了36%、16%、22%、38%。2:1混杂纤维系列, 掺量为0.3%、0.6%、0.9%、1.2%时, 劈裂抗拉强度分别提高了26%、28%、20%、15%。
(4) 掺入纤维的混凝土试件破坏后形态比素混凝土试件破坏后完整, 其中, 混杂纤维系列比单掺纤维系列更为完整。混杂纤维混凝土系列在受压破坏后能保持原有立方体形态, 在劈裂后不会断成两半, 弯曲后不产生过大裂缝。
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钢-玄武岩混杂纤维 篇2
20世纪初期, 人们开始了单一纤维混凝土疲劳性能的研究。其中钢纤维自身强度高、分散性好, 聚丙烯纤维自身化学性质稳定、质轻且分散性好, 所以这两种纤维在众多纤维材料中脱颖而出。但随着技术的发展, 人们逐渐意识到单一纤维其对混凝土的增强增韧作用较为局限, 并且纤维本身也会存在一些缺点, 不可避免地对混凝土的力学性能造成一定影响。于是有学者开始考虑将多种材料的纤维同时与混凝土混合, 让不同材料的纤维发挥各自的性能优势, 相互补充, 从而更好地提高混凝土的性能。由于混杂纤维起源较晚, 发展时间短, 所以关于混杂纤维混凝土的性能特点以及混杂纤维的作用机理的了解还是比较局限。同时, 混杂纤维对混凝土疲劳性能的研究很少, 关于混杂纤维提高混凝土疲劳性能的作用机理知之甚微。目前已有的关于碳纤维和聚丙烯混凝土疲劳性能的相关研究报告中, 也得出了一系列关于纤维增强混凝土疲劳性能的结论, 但在关于不同纤维掺量、掺杂比和混杂纤维混凝土应力水平及疲劳寿命间的具体关系等方面的仍未得出具有较强理论性的结论。
1 试验概况
1.1 试验相关简介
本论文试验按照《钢纤维混凝土试验方法》 (CECS38:89) 等现行法规规范进行科学试验。试验试件在标准条件下养护28d之后开始弯曲疲劳性能研究。
根据混凝土结构相关知识, 对试件的疲劳试验进行理论分析, 常用的有正态分布理论和威布尔分布理论。按照正态分布理论, 只有当对数安全寿命趋近于无穷大时, 可靠度才等于100%。因此, 正态分布理论只适用于中、短寿命区的情况。
1.2 试件设计
实验中采用的梁的尺寸为1200mm×180mm×280mm, 共3根。素混凝土的配制材料为普通硅酸盐水泥52.5级, I级粉煤灰, 石英斑岩石, 萘系高效减水剂FDN。采用的钢纤维是武汉汉森钢纤维有限公司生产的SFB-32钢纤维, 长径比57, 抗拉强度>600MPa;采用的聚丙烯纤维是香港恒律发展有限公司提供的美国杜拉牌聚丙烯纤维。
1.3 实验方案
实验选取采用四点弯曲疲劳实验, 支座位置及加载位置如图1所示。用疲劳试验机按正弦波形式对试件施加荷载。在梁的侧面跨中位置、底部跨中位置以及距底部跨中200mm处贴上应变片;在梁的顶部跨中位置以及底部距跨中200mm的放置位移计, 以方便观察梁受荷载后各个部位的应力、应变及挠度。测出疲劳寿命, 并且通过读取应变仪和位移计的数据计算指定位置的全过程应力、应变曲线和梁跨中挠度, 建立弹性模量E与荷载循环次数n的关系。通过细致的观察了解混凝土梁的裂缝及断裂情况。试验设3组, 每组1根梁, 以不同的钢纤维和聚丙烯纤维的配比加以区分。通过对3组试验试件的抗疲劳性能的比较, 得出最终结论。每组实验试件均一1次浇筑成型, 在标准条件下养护到28d规定龄期后分别进行弯曲疲劳试验。
2 试验步骤
2.1 浇筑混凝土梁
按照不同的钢纤维和聚丙烯纤维的配比浇筑混凝土, 在标准养护条件下养护28d。
2.2 检查试件
在试验前一天取出试件, 检查试件表面, 不得有超过试验规范的孔洞存在。用记号笔标出支撑点、加载点以及贴应变片的位置, 置于标准试验条件下晾干。
2.3 贴应变片
打磨试件, 清理过后用酒精清洗, 用AB胶找平, 做好贴应变片的前期准备。然后用502将应变片均匀贴好, 并在上面覆盖一层白乳胶以起到保护应变片的作用, 待胶水凝结后接好细线。
2.4 按照四点弯曲疲劳试验方案放置混凝土梁
接好应变仪并且将位移计放置妥当, 试件必须放稳对中后再开动试验机。
2.5 对试件连续、均匀地加载循环荷载
在一切正常情况下观察并记录数据。
3 试验现象
试件按照试验设计要求放稳对中后, 缓慢开动试验机, 当压头刚好接触试件时停止, 再次检测试件是否放置平稳。上述工作准备就绪之后, 预加荷载, 使位移计显示正常之后, 按照指定频率开动机器, 对试件进行加载。位移计的指针左右摆动, 随着时间的增长, 摆幅中心在渐渐的增大。同时应变仪上显示的数值也在一定的范围内变化, 最大值慢慢的增大。前7h试件表面没有明显的变化, 7h之后, 试件底面即最大拉应力面开始出现微小裂纹, 且慢慢增大。试验进行到第8h, 试件出现断裂, 发出明显的断裂声, 试验结束。
4 材料弯曲疲劳性能试验结果与分析
本次混杂纤维混凝土弯曲疲劳试验过程中, 每隔1h停止试验来记录各仪器读数。由于弯曲疲劳荷载的频率固定, 故荷载循环次数n与加载时间t成正比, 故试件测点挠度随循环次数n及应变随循环次数n的变化曲线均可用挠度随加载时间的变化曲线及应变随加载时间的变化曲线来代替且二者反应的变化规律相同。
现以1号试件和3号试件为例, 给出3个挠度测点数据及7个应变测点数据随加载时间变化曲线如图2~图5所示。
5结语
由图2可以看出, 随着循环加载次数n的增加, 混杂纤维混凝土试件各测点的挠度值呈波动增加的趋势。并且3个测点中中间测点的挠度值在开始挠度较小时, 由于与左右两测点的水平间距较小 (200mm) 导致与左右两测点的挠度值相差不大;随着加载时间的增加, 试件内部由于产生疲劳损伤以及微裂缝等导致试件整体的抗弯强度下降, 在循环荷载大小不变时导致各测点的挠度值逐渐增大。并且由数据可以看出时间中部即测点2对应的位置挠度值增加较快, 导致其与左右两测点的挠度值相差更为明显。此外, 对称分布的1、3测点同一次的挠度测量结果相差较小, 说明了测点位置选择及测量结果的准确性。
从1号试件和3号试件各测点挠度随加载时间变化曲线可以看出, 在加载时间小于试件的疲劳寿命时, 整体上各点挠度值均呈增加趋势, 但并不是一直稳定增加而是增加一段时间后便稳定下来几乎不变, 稳定一段时间后再显著增加然后再稳定不变。即存在多次的应变硬化阶段。经分析可知, 在循环荷载加载过程中, 随着加载次数的增加, 试件内部应力较大的部位由于疲劳破坏导致骨料与水泥之间、纤维与骨料之间、纤维与水泥之间等连接薄弱位置出现破碎或者裂缝, 导致试件整体上的抗弯强度下降, 故挠度值逐渐增加。一段时间后由于试件内部骨料和纤维位置的调整和进一步的相互作用, 使得试件整体的抗弯强度达到新的平衡并逐渐稳定, 表现为这一阶段的测点挠度值不随加载时间的增加而变化。当新的平衡不足以继续抵抗荷载时便又出现挠度值增加直至下一阶段的稳定平衡或者破坏。
与普通混凝土试件对比可以看出, 由于混杂纤维混凝土内部纤维广泛的分布及与水泥之间较为牢固的粘结作用, 使得混杂纤维混凝土材料的疲劳寿命与普通混凝土相比显著增加, 且混杂纤维混凝土的疲劳破坏过程更加平稳, 应变变化趋势更为稳定, 不会出现像普通混凝土材料那样挠度或者应变突然发生急剧变化。即混杂纤维混凝土由于纤维的存在, 延缓了材料内部微裂缝的出现和贯通, 增强了材料的整体性, 使得材料的疲劳寿命大大幅度提高。
参考文献
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钢-玄武岩混杂纤维 篇3
关键词：轻骨料混凝土,混杂纤维,劈裂抗拉强度
0 引言
工程领域困扰轻骨料混凝土运用的技术难题是轻骨料密度小于水泥砂浆的密度, 未掺入纤维轻骨料混凝土在振捣过程中易出现骨料上浮现象, 导致较多的骨料集中于上层拌合物, 而下层拌合物的骨料含量较少, 从而产生离析现象。掺入的钢纤维与聚丙烯纤维可以形成能够抑制轻骨料上浮的网架, 从而提高轻骨料混凝土的连续性及均质性, 使轻骨料混凝土的力学性能得以改善。本文通过试验研究混杂纤维对轻骨料力学性能改善的程度。
1 原材料与试验方法
原材料:
水泥:本试验采用华新水泥 (宜昌) 有限公司生产的PO42.5普通硅酸盐水泥;
细骨料:普通中砂<5mm, 级配合格;
粗骨料:采用宜昌宝珠陶粒开发有限责任公司生产的高强页岩陶粒, 粒径5-25mm级配合格, 高强页岩陶粒的性能指标如表1所示。
聚丙烯纤维由上海臣启化工科技有限公司生产, 其性能指标如表2所示。
钢纤维由河北纤维橡胶制品有限公司生产, 其物理力学性能指标如表3所示。
拌合水:普通自来水。
2 试验配合比及方法
2.1 实验配合比
参照目前实际工程中对高强混凝土的需求越来越多, 所以本试验所设计的轻骨料混凝土强度等级为LC30。轻骨料混凝土配合比按照《轻骨料混凝土技术规程》 (JGJ51-2002) 中的松散体积法进行初步设计, 并以计算所得配合比为基准配合比进行多次试配调整, 最终确定实际采用的配合比如表4所示。
2.2 实验方法
劈拉试验在液压压力试验机上进行。试验时, 从养护地点取出试件, 将其安放在试验机下压板的中心, 试件的承压面与成型时的顶面垂直。开动试验机, 当上压板与试件接近时调整球座, 使接触均衡。然后以每秒0.5MPa的速度连续而均匀地加荷, 直至试件在中部出现裂隙而断裂破坏, 记录破坏荷载如表5。
3 实验结果分析
为了直观反映纤维掺入对轻骨料混凝土立方体劈裂抗拉强度的改善程度, 表1-5中以未掺纤维的轻骨料混凝土立方体劈裂抗拉强度为基准, 计算得出不同纤维掺量轻骨料混凝土的相对强度比值。得到试验数据后通过方差分析对钢-聚丙烯混杂纤维轻骨料混凝土立方体试块劈裂抗拉强度试验中的钢纤维的外形、钢纤维的体积率、聚丙烯纤维的体积掺量、聚丙烯纤维的长径比对试块劈裂抗拉强度比的影响, 试验结论如下。
3.1 钢纤维外形的影响
可以看出钢纤维与劈裂抗拉强度比的关系。从表1-5中可知, 对于钢-聚丙烯混杂纤维轻骨料混凝土, 掺入波纹型钢纤维后劈拉强度比平均提高约23%, 掺入端钩型的钢纤维后平均劈拉强度比提高了约30%。钢纤维不同体积掺量的强度提高如图1所示。
3.2 聚丙烯纤维长径比的影响
图2给出了聚丙烯纤维长径比对混杂纤维轻骨料混凝土劈裂抗拉强度的影响直方图。在本文试验的聚丙烯纤维的长径比范围内, 混杂纤维轻骨料混凝土劈裂抗拉强度的劈裂抗拉强度比的波动范围为2%, 在试验误差范围内。因此, 在进行混杂纤维轻骨料混凝土劈裂抗拉强度设计时, 在常见聚丙烯长径比范围内可基本不考虑长径比的影响。
3.3 钢纤维体积率的影响
钢纤维体积率对混杂纤维轻骨料混凝土劈拉强度的影响。从表5可以看出, 随着钢纤维体积率的增大, 混杂纤维轻骨料混凝土的劈拉强度近似呈线性关系增长, 当钢纤维体积率从0.5%增大到1.5%时, 劈拉强度提高了7% (如图3所示) 。
3.4 聚丙烯纤维体积掺量的影响
聚丙烯纤维体积掺量对混杂纤维轻骨料混凝土劈拉强度的影响试验结果表明, 轻骨料混凝土中掺入0.9kg/m3的聚丙烯纤维时对劈拉强度的增强效果最好。但随着聚丙烯纤维体积率的增加, 增强效果下降, 当聚丙烯纤维体积率从0.9kg/m3增大到1.2kg/m3, 混杂纤维高性能混凝土劈拉强度平均下降了5% (如图4所示) 。
3.5 钢纤维体积率与聚丙烯纤维体积掺量交互作用影响
钢纤维体积率与聚丙烯纤维体积掺量交互作用对立方体劈裂抗拉强度通过表1-5说明不存在显著影响, 影响范围在6%附近。
4 混杂纤维轻骨料混凝土劈裂抗拉强度公式
本节已分析混杂纤维轻骨料混凝土劈裂抗拉强度与钢纤维的外形、钢纤维的体积率、聚丙纤维的体积掺量、聚丙烯纤维的长径比之间如何影响。通过实验数据的分析给出混杂纤维轻骨料混凝土劈裂抗拉强度的建议公式, 如下公式所示:
其中:λ1=1.03, λ2=32.5, λ3=0.211, λ4=-0.64
ft, s-混杂纤维轻骨料混凝土立方体劈裂抗拉强度;ft, k-轻骨料混凝土劈裂抗拉强度;ρs-钢纤维的体积率;ρf-钢纤维外形特征值;ρl-聚丙烯纤维的体积掺量
5 结论
实验结果表明影响钢-聚丙烯混杂纤维轻骨料混凝土劈裂抗拉性能的各个因素中, 钢纤维的外形最为显著可以达到30%, 钢纤维的体积率及聚丙烯纤维的体积掺量的影响比较有限在7%左右, 聚丙烯纤维的长径比及交互作用的影响在试验误差之内可认为没有影响。
参考文献
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[6]张云国, 吴智敏.自密实轻骨料混凝土性能研究[D].大连:大连理工大学, 2009:9.
钢-玄武岩混杂纤维 篇4
水泥混凝土是当今工程应用中的主要建筑材料,而混凝土开裂现象始终是混凝土结构建筑的一大难题[1,2,3,4]。 混凝土在1d之内的早期收缩,是开裂现象的关键[5]。 控制早期开裂是混凝土施工中保证混凝土结构安全性和耐久性的重要环节。 引起混凝土早期开裂的收缩一般有塑性收缩、化学收缩、干燥收缩和自收缩,其中起主导作用的是干燥收缩[6,7],即当混凝土停止养护, 在湿度低于100%的空气中失水而引起的体积收缩。 研究表明,在混凝土中掺入纤维是一种能够有效抗裂的手段,而钢-聚丙烯混杂纤维混凝土具有更为优越的抗裂性能[8,9,10,11,12,13,14]。 在早期干燥收缩阶段,纤维所起到的增韧阻裂作用,对于减少混凝土裂缝、提高混凝土耐久性至关重要。
本试验着重研究钢-聚丙烯混杂纤维混凝土在早期干燥收缩阶段的阻裂效果。 由于混凝土为水泥砂浆基体,砂浆基体的干燥收缩导致了混凝土的收缩,故可通过研究混杂纤维水泥砂浆的抗裂效果来分析混杂纤维混凝土的限裂效能。
1 试验设计
1.1 原材料
水泥:P·C 32.5 级复合硅酸盐水泥。
砂:河砂,细度模数为2.58 的优质中砂,其含水率为5%。
纤维:钢纤维和聚丙烯纤维,其形貌见图1,基本性能指标见表1。
依照CECS 38:2004 《纤维混凝土结构技术规程》[15]要求,评价纤维限裂效能所采用砂浆的水灰比为0.50,灰砂比为1∶1.5。
1.2 试件制作
按照CECS 38:2004 要求, 纤维混凝土开裂试验模具如图2 所示。 试验选取四种混杂掺量,分别为钢纤维0.5%、 聚丙烯纤维0.05%; 单掺钢纤维1%;单掺聚丙稀纤维0.1%;钢纤维1%、聚丙烯纤维0.1% ;另外加上一组素混凝土作为对比组,共五组试件,每组同配比同纤维掺量试件制作2 个,试验结果取平均值。
1.3 试验过程与评价方法
试件浇筑时,沿模具内侧边缘向试模中心方向顺时针螺旋式浇注拌合均匀的砂浆,使拌合料能自然流满充实试模。 之后,将试模置于振动台上低速振捣约15s,用平直的木条迅速刮平试件表面,再用聚乙烯薄膜覆盖。 试验环境温度采用温湿度计控制,保持空气湿度(60±5)%, 温度(20±2)℃。 试件浇筑2h后揭去薄膜,打开加速干燥用的电风扇,调整风速及位置, 控制0.5m/s的风速平行吹向试件表面,此后对裂缝开展情况进行持续观察并记录。 试件浇筑24h后,用带光源读数显微镜读取裂缝宽度值,用钢尺测量裂缝长度并记录,本试验所用显微镜最大为40 倍放大值。 若裂缝宽度大于0.1mm,读取3 个数值并取其平均值; 若缝宽在0.1mm以下,读取一个数值。 试验装置及观测方法见图3。
按公式(1)计算裂缝总面积:
式中:A为试件裂缝的名义总面积,用作对比的素混凝土基体裂缝面积值记为Am,mm2; ωi,max为第i条裂缝名义最大宽度,mm;li为第i条裂缝的长度,mm。
定义 η 为裂缝降低系数:
纤维对砂浆基体的限裂效能,按表2 划分的等级进行评定。
2 试验结果与讨论
2.1 平板干燥收缩试验结果
表3 为五组平板试件平板法干燥收缩试验结果,图4 是砂浆基体和典型纤维砂浆平板干燥收缩试验表面整体图。 试验结果表明,一定体积掺量的混杂纤维能有效抑制砂浆早期干燥收缩裂缝的产生和扩展。 掺入体积掺量0.5%的钢纤维和0.05%的聚丙稀纤维后,相比于素砂浆基体,裂缝面积减少了47.2%,限裂效能达到三级。 当纤维掺量达到钢纤维1%、聚丙烯0.1%后,裂缝面积减少了75.9%,限裂效能达到一级。 聚丙烯纤维的掺入明显使得混凝土塑性收缩裂缝宽度降低,且变裂缝形态为多发型细微裂缝。 在试验过程中观察到,加入纤维的混凝土出现第一条裂缝的时间向后延迟。 可见混杂纤维显著减少了裂缝的数量、长度、宽度及面积,具有良好的阻裂效果。
2.2 纤维掺量对裂缝总面积的影响
图5 为不同纤维掺量下裂缝总面积的分布规律图,图中Vsf代表钢纤维体积掺量,Vpf代表聚丙烯纤维体积掺量。 由图5 可知,无论是掺入单一纤维还是混杂纤维, 裂缝的总面积都大大减小。 由图5(a)可知,钢纤维体积率的增加,对裂缝总面积的减少并无显著影响。 因为单掺0.1%聚丙烯纤维的A3 组试件裂缝总面积已降至1299.1mm2( 裂缝降低系数为69.4%,限裂效能二级),接近本次试验中限裂效能最优的A4 组(裂缝降低系数为75.9%, 限裂效能一级)。 由图5(b)可以发现,当聚丙烯纤维体积率从0增至0.1%的过程中, 裂缝总面积呈现明显的降低趋势, 可见聚丙烯纤维的掺量决定了平板干燥收缩裂缝总面积的大小, 聚丙烯纤维掺量越高, 裂缝总面积越小。
2.3 纤维掺量对裂缝数量的影响
图6 为不同纤维掺量下裂缝数量的变化趋势图。分析图6(a)未发现裂缝条数随钢纤维体积变化的规律;分析图6(b)则可以发现,若排除A4 组, 裂缝条数基本随聚丙烯纤维掺量的增加而显著减少,其中裂缝数量最少的是单掺聚丙烯纤维0.1%的A3 组,共14 条。 若再掺入1.0%体积率的钢纤维(A4组), 裂缝条数反而增至26 条,接近A1 组(钢纤维0.05%,聚丙烯纤维0.5%)的29 条。 由此可见,聚丙烯纤维的增加能有效减少单位面积内的裂缝条数,而钢纤维掺量的提高则对单位面积内裂缝条数的减少并无明显积极作用,甚至有负面影响。
2.4 纤维掺量对单条裂缝平均面积的影响
干燥收缩试验中,单条裂缝平均面积体现了裂缝开裂程度的大小, 也能反映纤维阻裂效能的高低。 图7 为不同纤维掺量下裂缝平均面积的变化趋势图。 由图7 (a)可以看出,单条裂缝平均面积随钢纤维体积掺量的增加呈现出清晰明确的减小趋势,可见钢纤维掺量的增加,使得砂浆基体表面单条裂缝平均面积减小。 分析图7(b)未能发现裂缝条数随聚丙烯纤维体积变化的规律。
3 纤维阻裂机理细观分析
图8 为混杂纤维平板收缩试件裂缝表面放大图,从图8 可以看出,裂缝处有白色细丝(即聚丙烯纤维)被拉出。 在裂缝宽度较小的部位,未被拉断的聚丙烯纤维桥接裂缝,被裂缝两侧绷直。 由此可以断定,在裂缝将要产生之时,聚丙烯纤维吸收了一定的断裂能,在一定程度上阻止了裂缝的产生。 因此,当足够体积掺量的聚丙烯纤维分散于砂浆基体中时,能有效抑制裂缝的产生和裂缝的数量,从砂浆基体干燥收缩的最初阶段阻止裂缝的产生。
在裂缝宽度较大处,聚丙烯纤维被拉断或拉长至超出弹性范围,但可观测到钢纤维桥接裂缝。 由于钢纤维的高弹性模量及良好的锚固性能,可在混凝土微观范围内起到类似“加筋”的作用,对裂缝产生区域起到了结构性加强,有力地阻止了裂缝长度的延展及宽度的扩大。 因此,将钢纤维掺入到砂浆基体中能有效抑制单条裂缝平均面积的扩大,钢纤维掺量越高,抑制效果越强。
综上所述,相比于不掺纤维或单掺一种纤维的情况, 钢-聚丙烯混杂纤维水泥基复合材料对早期干燥收缩具有优越的阻裂效果,两种纤维所起的作用有所不同,在一定程度上实现了相互协作、优势互补的混杂效应。 若想从裂缝数量、长度、宽度及面积上起到全面有效的阻裂作用,掺加混杂纤维是一种优良方案。
4 结语
(1)混杂纤维对于水泥基复合材料具有良好的抗裂效果。 聚丙烯纤维体积掺量的提高能有效降低单位水泥基复合材料表面干燥收缩裂缝数量,并减小裂缝总面积;钢纤维体积掺量的增加,则能显著减小单条裂缝的平均面积。
(2)钢纤维和聚丙烯纤维混杂能产生优势互补的协同效应,可对水泥基复合材料的早期干燥收缩产生全面综合性的阻裂效果,即混杂效应。 这种效应可为实际工程中高强混凝土及建筑结构关键部位混凝土的开裂问题,提供一种有效的解决途径。
摘要：按照钢纤维0、0.5%、1.0%的体积掺量和聚丙烯纤维0、0.05%、0.1%的体积掺量进行了砂浆平板收缩抗裂试验。研究表明,当体积掺量为钢纤维0.5%、聚丙烯纤维0.05%,限裂效能为三级;当体积掺量为钢纤维1.0%、聚丙烯纤维0.1%,限裂效能最优达到一级。综合分析表明,钢-聚丙烯混杂纤维在水泥基复合材料中能产生协同阻裂效应,在基体干燥收缩过程中有显著的综合阻裂效果。