钢纤维橡胶高强混凝土

钢纤维橡胶高强混凝土（精选7篇）

钢纤维橡胶高强混凝土 篇1

聚丙烯纤维能有效控制混凝土由于塑性收缩和塑性沉降产生的裂缝,改善混凝土脆性破坏的特性,提高混凝土的韧性及抗冲击性能,并具有性价比优势和适用范围广、使用效果显著等优点,使其在国内纤维混凝土的工程应用方面发展迅速。将聚丙烯纤维掺入高强混凝土中以提高其高温抗爆裂性能,这在国内外已有一定的研究,并取得了较好的效果[1]。

废旧橡胶是在自然条件下难以分解的高分子弹性材料,将其加工成粉末后等体积部分替代混凝土中的骨料,既能达到废旧橡胶的再生利用,又能明显改善混凝土的抗冲击性,提高混凝土的抗震性能。这种改性混凝土成本低,工艺简单,具有广阔的应用前景。而对再生橡胶粉改性高强混凝土的高温抗裂性能,国内外学者也已开始研究[2,3,4,5]。

将聚丙烯纤维与再生橡胶粉混杂掺入高强混凝土中,既可发挥两者对高强混凝土高温下爆裂性能的改善作用,特别是聚丙烯纤维对掺橡胶粉的混凝土具有较好的改善效果,又能达到废旧橡胶的再生利用以及发挥橡胶混凝土的优势,具有较好的经济效益和绿色环保意义。本研究以C100高强混凝土为基础,掺入40目(420μm)的橡胶粉和体积掺率为0.1%的聚丙烯纤维,制成试件,经高温前后性能的试验,研究聚丙烯纤维和橡胶粉混杂对高强混凝土高温前后性能的影响。

1 试验原材料及配合比

1.1 试验原材料

水泥:广州珠江水泥厂生产的粤秀牌52.5R(PⅡ型)硅酸盐水泥;拌合水:自来水;粗骨料:花岗岩碎石,粒径5~20 mm;细骨料:细度模数2.9的中砂;矿物质超细粉:中山市科建公司生产的磨细水淬矿渣粉(比表面积600 m2/kg)、复合格雷斯公司生产的微硅粉(Si O2质量分数大于92%);高效减水剂:广州新科减水剂公司生产的H-FDN100萘系高效减水剂;橡胶粉:东莞市方达环宇环保科技公司生产的40目(420μm)精细橡胶粉,密度为1.02 g/cm3,黑色,无味;聚丙烯纤维:深圳市维特耐工程材料有限公司的维克聚丙烯纤维,长度为19 mm,长径比为394,密度为0.91 g/cm3,熔融温度165℃。

1.2 原材料配合比

高强混凝土的配合比如表1所示。各组试件配合比中水泥、复合矿粉、水、石子和减水剂的用量均保持不变,分别掺40目的橡胶粉和聚丙烯纤维,橡胶颗粒作为骨料部分等体积替代砂子,按照胶凝材料质量的1%、2%、3%分别掺入混凝土中,聚丙烯纤维(PP纤维)的体积掺率为0.1%。

㎏/m3

2 常温试验与分析

2.1 试件制作

每组材料配合比成型5组100 mm×100 mm×100 mm的三联试模,分别用于3、7、28 d抗压强度试验和耐500℃、800℃的高温试验。成型后试件在自然条件下静置1 d,然后拆模送入养护室养护至龄期。养护室常年温度均保持在(20±2)℃,相对湿度保持在90%以上。养护室养护28 d后取出试件,在自然条件下风干,参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法》测试混凝土立方体抗压强度。

2.2 工作性

各组试样新拌混凝土的坍落度见表2。

由表2可见,比较P0与40-1r、40-2r、40-3r组可见,40-1r和40-2r组混凝土的坍落度比P0大,说明橡胶粉部分等体积替代砂后,由于橡胶粉颗粒细小,在混凝土搅拌过程中如同滚珠,减少了骨料间的摩擦,增强了润滑作用,提高了拌合物的工作性能,而40-3r组的坍落度却比P0小,说明随着橡胶粉掺量的增加,混凝土的工作性能降低。由此可见,橡胶粉的加入可以增加新拌混凝土的坍落度,但在掺量过大时,又会降低其流动性。

比较P0与PP9组可发现,聚丙烯纤维的加入会明显降低混凝土的坍落度,这是因为细长的纤维相互联系,对混凝土起到一定的支撑作用,同时由于纤维的表面积非常大,可吸附一定的胶凝材料,因此降低了混凝土的流动性。

由于加入单一的聚丙烯纤维会降低混凝土的流动性,而掺入适量的橡胶粉则能提高混凝土的流动性,因此,当两者混杂时,其拌合物的工作性能要优于单一的聚丙烯纤维高强混凝土。由此可见,橡胶粉与聚丙烯纤维的混杂,提高了聚丙烯纤维高强混凝土的工作性。

2.3 抗压强度

常温下各组混凝土试块的立方体抗压强度的试验结果见图1。

由图1可见,常温下各组高强混凝土的抗压强度的发展规律基本一致,早期强度发展迅速,3 d强度均超过65%,后期强度增长缓慢。从各组试件28 d抗压强度中可看出,加入橡胶粉或聚丙烯纤维都使高强混凝土的抗压强度降低,但掺量不同,降低程度不同。在橡胶粉高强混凝土组中,40-3r组较40-1r组和40-2r组的抗压强度低,说明橡胶粉高强混凝土的抗压强度随着橡胶粉掺量的增加而降低,此结果与文献[5]一致。PP9组28 d抗压强度较P0组略有下降,而在聚丙烯纤维与橡胶粉混杂的高强混凝土组中,抗压强度同样是随着橡胶粉掺量的增加而降低,其中PP9+40-3r组较PP9+40-1r组和PP9+40-2r组的抗压强度降低较多,说明3%的橡胶粉掺量对抗压强度的影响较大,而1%、2%的橡胶粉与0.1%的聚丙烯纤维混杂对高强混凝土抗压强度的影响可忽略。

3 高温试验与分析

3.1 试验步骤与方法

对于要进行高温试验的立方体试块,经过标准养护28 d后取出,在自然条件下静置晾干7 d,将全部试块平铺放置于高温炉内,在无外压力状态下进行高温明火试验。

高温炉升温曲线采用ISO 834国际标准升温曲线,实际升温曲线与标准曲线相接近,当温度由室温升至500℃或800℃时,立即转为恒温,恒温时间为1 h。由于试验炉恒温条件的限制,实际温度变化曲线如图2和图3所示。停火后,炉内通风冷却,打开炉门,试块在空气中冷却至室温时取出,放置于室内7 d,然后拍照记录试件高温后爆裂表观形态,再测其500℃、800℃高温后残余抗压强度和质量损失量。

3.2 高温后试件表观形态

试块经500℃和800℃高温后,其表观形态均发生了变化(见图4和图5)。

从图4可以看出,试块经过500℃高温后,常温时的深灰色略带黑色已经变淡,试块均出现一定程度的破坏,P0组一个试件出现棱部剥落,而40-2r和40-3r试块出现了部分棱部剥落和表面凹坑。从总体上看,在经历了500℃高温后,高强混凝土试块发生了爆裂,橡胶粉高强混凝土试块伴随着橡胶粉掺量的增加,爆裂情况加剧。而聚丙烯纤维及聚丙烯纤维与橡胶粉混杂的试块均未发生爆裂;通过对只掺橡胶粉的试块、只掺聚丙烯纤维的试块及聚丙烯纤维与橡胶粉混杂的试块的爆裂外观比较可以看出,掺聚丙烯纤维的试块均未发生爆裂,这主要是由于聚丙烯纤维在高温下熔化,并在致密的高强混凝土内部产生了大量的毛细孔,降低了因水汽迁移引起的混凝土内部蒸汽压力,从而减缓了高强混凝土高温爆裂的发生。

由图5可以看出,当温度设定在800℃时,试块的爆裂外观很明显,混凝土的颜色由500℃时的淡灰色变成800℃时的灰白色,800℃高温对P0组素高强混凝土试块均造成了很大的爆裂损害,试块出现了严重的表面和棱部剥落。同样温度下,适量橡胶粉的掺入,对高强混凝土试块的爆裂性能起到一定的改善作用,而掺聚丙烯纤维的PP9组试块及聚丙烯纤维和橡胶粉混杂的PP9+40-1r、PP9+40-2r、PP9+40-3r组试块均未发生爆裂现象,说明聚丙烯纤维的加入有效地改善了高强混凝土和橡胶粉高强混凝土的高温爆裂性能,对进一步提高橡胶粉高强混凝土高温下的抗爆裂性能起到了较好的作用。

3.3 高温后试块质量变化

混凝土试块组高温后的质量损失率结果见表3。其中m1和m2分别为试块组500℃和800℃高温前的平均质量,mt1和mt2分别为试块组500℃和800℃高温后的平均质量,Ns1和Ns2分别是试块组500℃和800℃高温后质量损失率。

从表3可见,橡胶粉高强混凝土组经高温作用后,随着橡胶粉掺量的增加,混凝土的爆裂损失量与爆裂质量损失率增大,说明混凝土的爆裂情况加剧,本试验结果与文献[5]一致。但加入了聚丙烯纤维的橡胶粉高强混凝土在高温作用后,混凝土的爆裂质量损失率降低,特别是800℃高温后降低效果显著,混凝土的爆裂质量损失率明显低于素高强混凝土和橡胶粉高强混凝土。

3.4 高温后混凝土抗压强度

高温后试块抗压强度的变化通过抗压强度剩余率来分析。高温后混凝土抗压强度剩余率为某个温度作用后的立方体抗压强度与28 d的抗压强度的比值,试验结果见图6。从图6可知,500℃高温作用后,第2组和第8组的混凝土抗压强度剩余率高于第1组素高强混凝土的值,说明掺1%橡胶粉的高强混凝土和3%橡胶粉与0.1%聚丙烯纤维混杂的高强混凝土的抗压强度剩余率高于素高强混凝土,而其余组的则低于素高强混凝土。由此可见,在此温度下适量的橡胶粉或聚丙烯纤维与橡胶粉的混杂有利于提高高强混凝土的抗压强度剩余率。800℃高温作用后,素高强混凝土组的抗压强度剩余率均高于其它组,其机理有待进一步探讨,而聚丙烯纤维与橡胶粉混杂的高强混凝土的抗压强度剩余率则略高于相应橡胶粉掺量的橡胶高强混凝土,这是因为在此温度下含聚丙烯纤维的橡胶高强混凝土的表面爆裂情况得到了较好的改善,从而提高了混凝土的抗压强度。

4 结语

(1)单一的聚丙烯纤维加入会降低混凝土的流动性,适量的橡胶粉掺入则能提高混凝土的流动性,而橡胶粉与聚丙烯纤维的混杂,有效地提高了聚丙烯纤维高强混凝土的工作性能。

(2)经500℃和800℃高温作用后,普通高强混凝土和橡胶粉高强混凝土都有爆裂发生,而聚丙烯纤维与橡胶粉混杂的高强混凝土试块外观完整,没发生外观爆裂,说明聚丙烯纤维加入改善了高强混凝土和橡胶粉高强混凝土的高温爆裂性能。

(3)聚丙烯纤维与橡胶粉混杂的高强混凝土在高温作用,特别是800℃高温后,混凝土的爆裂损失率明显低于高强混凝土和单掺橡胶粉的高强混凝土。

(4)500℃高温作用下,掺胶凝材料质量3%橡胶粉与掺混凝土体积率0.1%聚丙烯纤维混杂的高强混凝土,其抗压强度剩余率提高。800℃高温作用后,聚丙烯纤维与橡胶粉混杂高强混凝土的抗压强度剩余率高于相同橡胶粉掺量的橡胶高强混凝土,但均低于素高性能混凝土。

摘要：以C100高强混凝土为基础,外掺以胶结材料质量1%、2%、3%的40目橡胶粉和体积掺量0.1%的聚丙烯纤维,进行高温前后性能试验,对比研究高强混凝土、橡胶粉高强混凝土、聚丙烯纤维高强混凝土及聚丙烯纤维混合橡胶粉高强混凝土高温前后的性能变化。结果表明,常温下橡胶粉的掺入有利于提高聚丙烯纤维高强混凝土的工作性;高温下聚丙烯纤维与橡胶粉混合能有效地改善高强混凝土和橡胶粉高强混凝土的高温抗爆裂性能,提高橡胶粉高强混凝土的剩余抗压强度。

关键词：聚丙烯纤维,橡胶粉,高强混凝土,高温性能,爆裂

参考文献

[1]鞠丽艳,张雄.聚丙烯纤维对高性能混凝土高温性能的影响[J].建筑材料学报,2004,7(1):25-28.

[2]Rafat S,Tarun R N.Properties of concrete containing scrap-tirerubber-an overview[J].Waste Management,2004,24(3):563-569.

[3]Hernandez Olivares F,Barluenga G.Fire performance of recycledrubber-filled high-strength concrete[J].Cement and ConcreteResearch,2004,10(2):109-117.

[4]李丽娟,陈智泽,谢伟锋,等.橡胶改性高强混凝土基本性能的试验研究[J].混凝土,2007(5):60-63.

[5]李丽娟,谢伟锋,陈智泽,等.橡胶粉改性高强混凝土高温前后性能研究[J].混凝土,2007(2):11-15.

钢纤维橡胶高强混凝土 篇2

关键词：钢纤维高强混凝土,配合比,试验研究,正交设计,方差分析

钢纤维高强混凝土(steel fiber reinforced high strength concrete,简称SFRHSC)是目前研究最多、应用最广的纤维增强水泥基复合材料。它具有抗折强度高、弯曲韧性好、抗冲击、耐疲劳、阻裂限缩等优异功能。这些优异功能的充分发挥,不但取决于SFRHSC的组成材料特性,而且还取决于SFRHSC的配合比设计方法。

由于SFRHSC配合比设计与普通混凝土配合比设计有较大差异和更高的要求,一直没有一种大家公认的设计方法,只有一些指导性原则。试验研究表明[1,2],SFRHSC的性能指标与掺加材料之间不是简单的线性关系。在多因素影响下,很难找到混凝土性能随外掺材料性能的不同和掺量的改变而变化的规律。采用正交试验的规格化表格(正交表)安排多因素试验,在理论上和应用中己经被证明是一种科学的方法。其优点是从多种试验条件中,选出有代表性的几个试验,通过这些试验,获得比较多的信息资料,然后对试验结果进行统计分析,从而得到最优或较优的试验方案。论文通过某工程库体实践,利用正交法设计试验方案,解决了泵送CF60(设计强度为C60的钢纤维混凝土)配合比设计这一难题,满足设计对混凝土各项性能指标的要求。

1 试验原材料的选择

1)水泥

选用安徽“海螺牌”P.O 42.5R水泥,其物理性能见表1。

2)粉煤灰

粉煤灰因含有大量的活性SiO2,有“固体减水剂”的美称,其掺入混凝土中具有增强效应、增塑效应、填充效应和削减温峰的作用,是配制大体积高强混凝土不可缺少的掺合料。工程选用厦门产Ⅰ级粉煤灰,其物理性能见表2,其所检项目均符合GB/T1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中F类Ⅰ级粉煤灰性能指标的要求。

3)砂

采用阜新产中粗砂,属Ⅱ区级配范围,细度模数2.6,密度2 600 kg/m3。

4)碎石

采用澄海产花岗岩碎石,10～31.5 mm连续级配。

5)外加剂

通过在现场实验室对新拌混凝土的工作性能和强度进行试验,最终选定外加剂AJF-7,其物理性能见表3、表4。

6)钢纤维

采用上海园湖金属制品有限公司生产的端钩型钢纤维,长35 mm,等效直径0.75 mm,等效长径比46,抗拉强度730～840 MPa,弯折合格。

2 SFRHSC配合比试验正交设计

2.1试验指标的确定

1)钢纤维混凝土的设计强度为C60。

2)混凝土具有良好的可泵性。即坍落度大、和易性好、不泌水、不离析,设计要求坍落度在18 ±1 cm。

2.2 制定因素的确定

在影响SFRHSC性能的各种因素中,水胶比是最重要的因素之一,它不仅影响SFRHSC的强度,对SFRHSC的坍落度影响也很大。掺入适量的活性矿物掺合料可提高SFRHSC的耐久性和改善拌和物的和易性,降低水化热。砂率的大小不仅影响到拌合物的工作性,而且对提高SFRHSC的密实度,增加纤维与基材的粘结力,提高SFRHSC的一系列性能均有影响。根据以上分析,参考相关资料[3,4],同时基于施工现场实验室对该工程大跨壳体混凝土的大量试配试验,选择水胶比、胶凝材料以及砂率作为考察因素,并分别采用了3个试验位级(水平),见表5。

2.3 选用正交试验表

正交试验是利用正交表来安排试验和分析试验数据的方法。选择正交表的原则是备选的正交表的因素数与水平数等于或大于要进行试验考察的因素和水平数,并且使试验次数最少。根据设计的位级数,选用同位级正交表中的3个位级正交表,再根据试验的特点要求,参照正交表选择表格,确定选用L9(34)正交表[5]。利用正交表的均衡分散性和整齐可比性,进行9次试验就可以达到全面考察3个位级的3个因素对配合比的影响。

3 配合比试验程序与试验结果

按照因素顺序上列、位级对号入座、横看试验条件的原则,在正交表中对应位置安排好因素和位级,就形成了配合比试验计划表,见表6。试验中不允许随意更改试验计划,对每组试验应随机进行,准确记录试验结果。

试验采用标准立方体试块150 mm×150 mm×150 mm,根据设计要求,所有试块的钢纤维体积率均取1%。试块浇注完毕24 h后拆模,在实验室条件下标准养护7 d和28 d,然后按照GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》[6]测试7 d和28 d的抗压强度,坍落度试验按GB/T50080—2002《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》[7]进行,试验结果见表6。

4 试验结果分析

4.1 数据的直观分析(极差分析)

将全部试验分成3个组,那么这3组数据间的差异就反映了因子A、B、C的3个水平的差异,为此计算各组数据的平均值,计算结果如表7所示,其中$\overline{{\rm T}}$ij为第j列第i水平的数据的平均值。

这里因子的极差R是指各水平平均值的最大值与最小值之差,极差的大小反映了因子水平改变时对试验结果的影响大小。从表7可以看出,RA>RB>RC>Re,显然,对于混凝土强度,因素的影响顺序为:水胶比A→胶凝材料B→砂率C→空白列e。

4.2 数据的方差分析

方差分析[8]的基本思想是将总的离差平方和分解成各因素及各交互作用的离差平方和,构造F统计量,对各因素是否对试验指标具有显著影响,作F检验。其中,正交表中第j列的偏差平方和的计算公式

$S{}_j={\displaystyle \sum _i\frac{{\rm T}{}_{ij}^2}{n/q}}-\frac{{\rm T}{}^2}{n}$

其中Tij为第j列第i水平的数据和,T为数据总和,n为正交表的行数,q为该列的水平数。

从表9对抗压强度的方差分析可知:因子A(水胶比)在α=0.05水平上显著,而因子B(胶凝材料)和因子C(砂率)是不显著的。由表7对极差分析结果可知:对混凝土强度的影响主要来自水胶比A,胶凝材料和砂率对其有一定的影响,但不明显。因此,方差分析结果与直观分析结果基本上一致。

5 泵送CF60配合比的确定

通过上述对试验结果的直观分析和方差分析,对于混凝土考核指标工作性能,从表5的试验结果可看出,取因素B的水平2可满足混凝土泵送要求,从设计要求和混凝土强度来看,水胶比A取水平2较为合适,水胶比取0.32。根据对显著因子应该取最好的水平,对不显著因子的水平可以任意选取的原则,可取B2C2;对因子C,结合现场砂子和石子的颗粒级配,最终方案确定为A2B2C2(水胶比0.32,砂率0.43,胶凝材料采用水泥440+粉煤灰100)。

用上述确定的试验条件进行配合比试验,以检验其指标是否稳定、可靠,试验结果如表10所示。由表10可知,其指标基本在预期范围内。

6 结 论

a.在选定外加剂类型和掺量的情况下,水胶比是决定混凝土强度的最主要因素,胶凝材料和砂率是影响其工作性能的重要因素,粉煤灰和硅灰能明显改善混凝土的和易性,粉煤灰增加了混凝土的坍落度,而硅灰的加入大大降低了混凝土的坍落度。

b.该文提出的将正交试验设计理论应用到SFRHSC配合比设计中的方法,仅需少量试验即可完成对诸多配合比影响因素不同位级的考察研究,最终得到符合多方面要求的最优配合比设计方案。将数理统计原理应用于SFRHSC试验研究中,对材料研究及工程实践都有着重要的指导意义。

参考文献

[1]许容烈.近代混凝土技术[M].西安:陕西科学技术出版社,1998.

[2]李炳培.三掺混凝土配合比的正交设计[J].混凝土,2004,(4):45-48.

[3]卢道康,秦鸿根,孙伟.钢纤维高强混凝土配合比[J].江南学院学报,2001,16(2):31-35.

[4]赵人达,李方元,周益云.高强混凝土和高强钢纤维混凝土的配制及其性能研究[J].混凝土与水泥制品,2001,(5):41-42.

[5]侯化国,王玉民.正交设计法[M].长春:吉林人民出版社,1985.

[6]GB/T50081—2002,普通混凝土力学性能试验方法标准[S].

[7]GB/T50080—2002,普通混凝土拌和物性能试验方法标准[S].

纤维对泵送高强混凝土的影响 篇3

关键词：高强混凝土,泵送,矿渣,纤维,水胶比

1问题的提出

随着高强混凝土在高层建筑、桥梁工程、港口海洋工程、高架结构、大跨结构、防护工程、地下工程等领域的广泛应用, 泵送混凝土施工工艺伴随着上述工程的需要得到极大的发展和推广, 但在高强混凝土发展的同时也随之出现了一些问题, 早期开裂非常严重。这就提出了本文研究的问题, 如何减少高强混凝土的早期开裂, 提高混凝土的耐久性。近年来, 由于聚丙烯纤维低廉的价格以及使用的方便得到了许多人的关注, 但是由于聚丙烯纤维的增稠效应在泵送混凝土中很少使用, 本文讨论纤维对高强泵送混凝土性能的影响。

2原材料的选择

2.1 粗集料 (碎石)

粗集料筛分结果见表1。

2.2 细集料

细集料筛分结果见表2。

2.3 水泥

本文使用的是拉法基P.O42.5级水泥。此外, 外加剂使用的是高效泵送剂, 掺量为水泥质量的1%, 测得坍落度增加值为13 cm, 掺加普通聚丙烯纤维、矿渣掺合料。

3试验结果

3.1 新拌混凝土的工作性

根据以上材料试验设计如下两组配合比, 并测得坍落度、扩展度见表3, 表4。

由表3, 表4可以看出:1) 水灰比对流动性的影响:水灰比小, 流动性较差, 水灰比大, 流动性较好, 扩展度值大。A1, A2, A3组0 min的坍落度均大于200 mm, 三个数值相差不大, 其中A1组的水灰比为0.31, 所以坍落度和扩展度稍微小于其他两组, 但是相差不大, 也就是说在坍落度达到一定数值时, 水灰比对坍落度的影响很小。2) 单位用水量是影响混凝土流动性的重要因素;A组中的单位用水量为168 kg/m3, 坍落度和扩展度都较大, 并且它们之间的数值相差不大, B组中的单位用水量为180 kg/m3, B组间坍落度和扩展度数值也相近。3) 纤维的加入同时减小了坍落度和扩展度, 由于纤维增强了混凝土的粘聚性, 使混凝土的流动受到了限制, 所以坍落度和扩展度会减小, 显然纤维带给扩展度的影响更大。

3.2 抗压强度

由抗压强度测定值可以看出:水灰比是决定混凝土强度的重要因素;水泥水化时所需要的结合水只占水泥质量的23%左右, 但是在拌制混凝土时, 为了获得必要的流动性, 常需要较多的水。当混凝土硬化后, 多余的水分残留在混凝土中形成水泡, 水分蒸发后形成孔隙, 从而降低了混凝土的密实性, 实质是降低了混凝土抵抗荷载的有效断面积, 而且孔隙处往往产生应力集中, 促使混凝土在较低的应力下发生裂纹扩展以至断裂。所以水灰比小的混凝土在混凝土硬化后形成的孔隙数量相对较少, 强度相对较高。 纤维的加入提高了混凝土的抗压强度, 但是提高幅度不大。在前面分析过, 高强混凝土破坏的最薄弱环节是界面区, 界面区的薄弱一方面是氢氧化钙疏松的排列结构以及不利于强度的排列方式;另一方面就是界面区的微裂缝, 当混凝土受到荷载作用时, 首先是微裂纹的扩展以至破坏, 由于纤维的加入连接了微裂纹, 使其扩展速度减慢, 承受荷载的能力增强, 考虑到纤维的强度不是很高, 所以即使在混凝土中如我们分析的那样增强了混凝土的强度, 这个增强值也不会很大。此外, 混凝土的强度还受到养护条件, 拌合时间, 集料性质等因素的影响。

3.3 劈裂抗拉强度

从表5可以看出纤维的加入明显提高了混凝土的劈裂抗拉强度, 加入了纤维的三组配合比的混凝土要高出相同水灰比没有加纤维的混凝土的劈裂抗拉强度。

3.4 抗压弹性模量

随着水灰比的增大, 抗压弹性模量减小, 并且纤维减小了混凝土的抗压弹性模量。

3.5 混凝土的干缩

从混凝土的干缩测定值可以看出, 对于A组, 14 d前, A1和A3组的收缩比较大, 由于A1组的水泥用量最大, 所以收缩主要是由于水泥的水化引起的。而对于A3组, 它的用水量相对较大, 所以收缩主要是由于水分的蒸发引起的, 由于混凝土的收缩原因很多, 所以分析比较复杂, 并且各个原因引起的收缩不同, 比较混乱。而对于60 d的测量结果表明, 混凝土的继续水化占收缩很大的比重, 并且A1组的28 d～60 d的收缩率增加很快, 而其他两组相对较小。

对于B组, 前28 d的情况和A组很接近, 同样是B1和B3组的收缩较大, 但是在60 d的时候, 收缩却突然变小, 小于28 d的收缩, 主要是由于温度的升高, 混凝土受到热胀冷缩的作用, 收缩变小;另外一个因素就是纤维, 减少了水分的蒸发, 对收缩产生了有利的影响, 这两个方面综合起来, 表现出混凝土60 d的收缩情况。但是对于A组60 d的收缩之所以会很大, 一方面是水分的蒸发, 另一方面是水泥的水化, 虽然温度也同样升高, 但是热胀数值显然是很微小的。

4低掺量聚丙烯纤维在混凝土中的效应分析

4.1 增稠效应 (降低了坍落度)

纤维的增稠效应主要表现在对坍落度的减小, 稠度是指新拌混凝土软硬稀稠程度, 是混凝土的一项重要的工作性指标, 增大新拌混凝土的稠度才能够减少泌水和离析, 但是也减小了混凝土的流动性, 增大了混凝土振动密实排气的难度, 为了保证强度, 应适当增长成型振动的时间。

4.2 阻裂效应 (提高了劈裂抗拉强度和减小了混凝土的收缩)

纤维的阻裂效应表现在增加了劈裂抗拉强度和减小了收缩。聚丙烯纤维的阻裂效应是指对混凝土早期塑性开裂的抑制作用, 也是聚丙烯纤维最为主要的效应。纤维阻止混凝土发生不规则、无取向性的塑性开裂的能力与混凝土中纤维的间距有关, 对于不同品种的纤维, 这种能力则体现在纤维的细度上。宏观上理解聚丙烯纤维的阻裂效应, 可以看成是纤维对塑性期混凝土的增强作用, 这种增强效应的有效性主要和纤维在混凝土中的分散程度有关, 即纤维越细, 纤维间距越小, 增强作用越有效。

实际上, 纤维的阻裂效应不仅表现在能阻止塑性裂缝的产生, 还能有效抑制混凝土内部由于失水、水化热、泌水、收缩、自干燥等引起的微裂缝的产生, 聚丙烯纤维的阻裂效应实际是通过使硬化的混凝土具有更好的整体性, 达到了改善混凝土的内在品质和性能。但是面临的问题是纤维的阻裂效应对混凝土的有益处很难通过室内的试验加以评价。

5结语

1) 通过对原材料的严格控制和检验, 掺加矿物掺合料, 选用优质的P.O42.5R水泥可以配制出适合泵送工艺的高强混凝土。

2) 聚丙烯纤维在高强混凝土中可以起到增稠效应、阻裂效应, 增加了混凝土的抗拉强度, 降低混凝土的弹性模量, 减少混凝土的收缩, 可以减少高强混凝土的早期开裂问题, 并且由于聚丙烯纤维的价格比较低, 代替部分的钢纤维可以取得一定的经济效益。但是, 由于聚丙烯纤维的增稠效应减小了混凝土的流动性, 所以当使用泵送施工时, 应结合泵送高度考虑适当增大泵送剂的用量来提高混凝土的流动性。

3) 矿渣的加入根据理论的分析改善了混凝土界面区的性质, 使混凝土的强度得到提高, 在减少了水泥用量的同时, 减小了水化初期的水化热, 并且由于水泥用量的减少, 改善了收缩和开裂。尤其需要指出的是, 水泥的用量对收缩产生了很大的影响, 在水灰比适宜的情况下要尽可能的减少水泥用量, 同时增大矿物掺合料的掺量。

4) 根据本文中的A1和B1组的配合比可用于C70的混凝土;根据本文中的A2, A3, B2, B3组的配合比可以用于C60混凝土。

参考文献

[1]冯乃谦.高性能混凝土[M].北京:中国建筑工业出版社, 1996:13-14.

[2]徐至钧.纤维混凝土技术及应用[M].北京:中国建筑工业出版社, 2003:18.

[3]刘数华, 方坤河, 曾力, 等.混凝土抗裂评价指标综述[J].公路, 2004 (4) :105-107.

[4]王银国.泵送混凝土现浇板早期裂缝分析[J].温州大学学报, 2004, 17 (4) :69-71.

钢纤维橡胶高强混凝土 篇4

1.1 再生混凝土

再生混凝土是指将废弃的混凝土块经过破碎、清洗、分级后,按一定比例与级配混合,部分或全部代替砂石等天然集料(主要是粗集料),再加入水泥、水等配制而成的新混凝土。近年来,由于城市住宅更新和市政动迁规模的不断加大,大量旧建筑物被拆毁,或由于地震破坏产生的城市建筑垃圾量越来越大。以前,建筑垃圾只是作为回填材料简单使用,或者干脆运往垃圾场堆放,前者从一定程度上讲尚未合理利用回收资源,后者则侵占了大量农田,导致严重的环境破坏。如何合理处理这些建筑垃圾已经引起了政府部门和公众的普遍关注。

日本、丹麦等资源相对匮乏的国家早在20世纪70年代就对废弃混凝土进行了再生利用,1997年日本政府就制定了《再生骨料和再生骨料混凝土使用规范》,并相继在日本各地建立了以处理混凝土废弃物为主的再生加工厂,生产再生水泥和再生骨料。根据日本建设省的统计,1995年度日本全国混凝土的利用率为65%,2000年废弃混凝土块的再利用率就已达到90%。

1.2 钢纤维混凝土

钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入乱向分布的短钢纤维所形成的一种新型多相复合材料。乱向分布的钢纤维能够有效地阻碍混凝土内部微裂缝的扩展及宏观裂缝的形成,显著地改善混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳性能,具有较好的延性。

我国研究和应用钢纤维混凝土开始于20世纪70年代,而近20年来,发展异常迅速。进入20世纪80年代以后,这一领域试验研究有了迅速的进展,赵国藩从断裂力学理论出发,道出与复合材料理论相一致的乱向分布钢纤维混凝土抗拉强度公式,并分析了钢纤维混凝土的增强机理和破坏形态。章文纲、程铁生进行了单轴压荷载下钢纤维混凝土梁抗剪性能试验研究。徐蕴贤等人在推广钢纤维混凝土应用于铁路路轨枕木、桥面铺装和工程加固修复的同时,开展了材料基本强度和抗冲击、抗磨等性能试验研究。为了更好地推动钢纤维混凝土的研究与应用的发展,在中国土木工程学会下专门设立了现为混凝土委员会,积极组织开展国内外学术交流。在赵国藩主持下,委员会组织了共八届全国性纤维水泥与现为混凝土学术会议,极大地推动了钢纤维混凝土在我国科研工作发展。

1.3 橡胶混凝土

自20世纪90年代起,美、英等发达国家为了解决日益增长的废旧橡胶轮胎的处理问题,将废旧轮胎磨碎制得橡胶粉,然后与水泥混凝土混合,制成“橡胶水泥混凝土”。它的性能介于普通混凝土和沥青混凝土之间,并集合了橡胶和水泥混凝土的特点。

目前,对于橡胶再生混凝土,国内外相关的研究报道极少。我国对再生混凝土的研究和应用均晚于工业发达国家,且对于建筑废弃物的处理办法主要是运往露天堆放或填埋,即使是回收也只是作为建筑物或道路的基础材料等低级利用,这样不仅占用大量土地,造成环境污染,而且还会导致资源的严重浪费。研究表明用再生骨料很容易配制出抗压强度25~50MPa的混凝土,我国合宁高速公路采用再生骨料混凝土浇筑混凝土路面,其质量均达到优良;上海市建筑科学研究院莘庄科技发展园区内建成的生态建筑示范楼,其再生材料使用率达到60%,应用结果表明该建筑具有超低能耗和很好经济指标。

2 钢纤维橡胶再生混凝土研究现状

钢纤维橡胶再生混凝土是将再生骨料、钢纤维、橡胶三者按一定的比例掺入或取代普通混凝土中的集料。大量研究表明,钢纤维高强混凝土的劈裂抗拉强度和抗折强度显著增大,并且随着纤维掺量的增加,混凝土的拉压比明显提高。若将钢纤维掺入到橡胶高强混凝土中,将能发挥钢纤维对混凝土的阻裂、增强、增韧作用,改善由于橡胶粉的掺入所导致的高强混凝土力学性能下降的问题,使再生橡胶高强混凝土这种新型的绿色环保建筑材料能够得到进一步的开发与应用。

国内外对橡胶混凝土的研究主要集中在力学性能方面。李悦[1]研究了掺加废橡胶微粒的再生混凝土的物理力学性能,试验结果表明,新拌橡胶集料再生骨料混凝土的坍落度随着橡胶掺量的增加呈增大趋势,且新拌橡胶集料再生混凝土的流动性要好于普通再生骨料混凝土;当橡胶颗粒掺量相同时,橡胶再生混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度与橡胶集料混凝土比较接近,但两者都比再生混凝土降低很多,且随着橡胶掺量的增加,降低幅值就越大;但是橡胶再生骨料混凝土的韧性得到提高。莫晓东[2]将乳化沥青与粗骨料搅拌,形成沥青薄膜,添加再生钢纤维橡胶颗粒或再生橡胶颗粒,制成混凝土试件。通过改变试件再生骨料取代率研究其轴心抗压性能。结果表明,沥青改性再生混凝土、钢纤维橡胶沥青改性再生混凝土的轴心抗压强度都随着再生骨料取代率的增加而增大,但橡胶沥青改性再生混凝土的轴心抗压强度变化不大。曾海斌、吴炎海[3]等,以再生骨料取代率和废旧橡胶掺量两个参数为控制变量制作再生混凝土试块,对废旧钢纤维橡胶再生混凝土抗拉、抗压性能进行研究,结果表明,钢纤维橡胶颗粒对再生混凝土抗压强度有降低作用,但混凝土抗裂性能却能得到显著提高。取代率达到60%时,废旧钢纤维橡胶再生混凝土抗压性能优于废旧橡胶再生混凝土。龙秀海[4],研究结果表明,橡胶颗粒、钢纤维橡胶颗粒以及再生粗骨料的加入降低了混凝土的流动度;随着橡胶颗粒掺量的增加,再生混凝土抗压强度基本上呈线性下降趋势;随着钢纤维橡胶颗粒掺量的增加,再生混凝土抗压强度呈下降趋势。华北水利水电大学陈爱玖[5,6]等对再生混凝土基本性能作了较深入的研究,特别针对钢纤维橡胶再生混凝土,采用正交试验法分析再生粗骨料掺量、骨料强化方式、橡胶颗粒掺量、钢纤维掺量对其劈拉、抗裂、抗压性能的影响规律,试验结果表明,橡胶颗粒对性能影响最大,钢纤维次之,再生骨料掺量及骨料强化方式对性能影响不大。同时,通过正交试验方式得到:当再生粗骨料掺量为20%,钢纤维掺量为0.6%,橡胶掺量为20%,骨料采用机械强化方式时,能够使混凝土得到最佳的性能。

3 结论与展望

(1)目前国内对钢纤维橡胶再生混凝土的研究还处于起步阶段,力学性能、耐久性能是该材料研究的重点。根据工程实践应用情况来看,钢纤维橡胶再生混凝土的其他性能,亦可对其产生较大的影响。

(2)钢纤维橡胶再生混凝土技术是一种可暂时解决建筑垃圾、废旧汽车轮胎处理问题的技术,但是,在钢纤维橡胶再生混凝土达到使用寿命后将会再次称为建筑垃圾,此时,钢纤维橡胶再生混凝土该如何处理才能不对生态环境造成二次污染,这是一个应该及早展开研究讨论的问题。

参考文献

[1]李悦.废橡胶粉改性混凝土的研究[C]//第九届全国水泥和混凝土化学及应用技术年会.2005.

[2]莫晓东,等.钢纤维橡胶沥青改性再生混凝土抗压性能试验研究[J].混凝土,2010(3):102-104.

[3]曾海斌,吴炎海,龙秀海.废旧钢纤维橡胶再生混凝土抗拉心跟那个试验研究[J].广东土木与建筑,2014(3):36-39.

[4]龙秀海,吴炎海.废旧橡胶再生混凝土抗压性能试验研究[J].福建建筑,2011,03:90-92.

[5]唐德胜,陈爱玖,等.正交法分析钢纤维橡胶再生混凝土的劈拉、抗折强度[J].混凝土,2014,03:4-6转10.

钢纤维橡胶高强混凝土 篇5

过去20年,路面结构的浇筑主要使用普通混凝土,但近5年来,随着经济的发展,公路交通量和汽车载重不断增加,原有路面已无法满足交通运输需求,混凝土路面破损严重,大量进入维修阶段,而维修养护周期通常需要7d以上。因此,提高混凝土早期承载能力,增强混凝土韧性,缩短养护周期,是优化路面混凝土结构的一个重要方向。大量研究表明[1,2,3,4,5,6,7]:钢纤维能增强混凝土抗拉强度、抗折强度以及韧性,改善混凝土耐疲劳及抗冲击性能;废旧橡胶粉价格低廉,不仅能提高混凝土的韧性、抗裂性能,还具有良好的隔热、隔声、减震性能。将钢纤维和橡胶粉复合加入到混凝土中,发挥两种材料的性能优势,同时掺入修补剂,提高混凝土基体强度,降低橡胶粉对抗压强度的不利影响,可使路面混凝土整体性能得到大幅提高。橡胶粉价格低于钢纤维,使得钢纤维橡胶混凝土在具备优越性的同时,拥有更低的造价,具有更强的实用性。

本试验以修补剂、钢纤维、橡胶粉作为混凝土外掺材料,设计三因素三水平正交试验,分析修补剂掺量、钢纤维体积率、橡胶粉掺量对路面混凝土抗压强度和抗折强度的影响。

1 试验概述

根据JTG/T F30—2014《公路水泥混凝土路面施工技术细则》进行原材料的选择。

1.1 试验材料

水泥:P·O 42.5级水泥,各项技术指标见表1。

矿粉:S95级粒化高炉矿渣粉,性能指标见表2。

骨料:中粗砂和5~25mm级配碎石。

减水剂:聚羧酸高效减水剂,减水率28%,硫酸钠含量0.30%,氯离子含量0.03%。

%

修补剂:SBTJK-24混凝土快速修补剂,建议掺量5%~18%。

钢纤维:武汉某公司产CS04-08/32-600波纹剪切钢纤维,抗拉强度750MPa。

橡胶粉:40目废旧橡胶粉末。

1.2 正交配合比设计

文献[8]和文献[9]的研究表明:粉煤灰会降低混凝土早期强度,因此,本试验没有掺入粉煤灰。根据JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》的要求设计试验配合比,水泥∶矿粉∶砂∶碎石∶水∶减水剂=285∶95∶785∶1083∶152∶1.52。

本试验为研究不同掺量下修补剂、钢纤维和橡胶粉对路面混凝土抗压、抗折强度的影响,按三因素三水平L9(34)正交表,共设计了9组钢纤维橡胶混凝土和一组普通路面混凝土。正交因素水平分别为修补剂掺量(A):5%、10%、15%;钢纤维体积率(B):0.25%、0.5%、0.75%、橡胶粉掺量(C):5%、7%、9%,三种材料均按百分比进行外掺。

1.3 试验方法

根据CECS 13:2009《纤维混凝土试验方法标准》的相关规定,采用万能压力试验机对各组混凝土试件分别进行3d、28d抗压、抗折强度试验,抗压强度试件尺寸为150mm×150mm×150mm,抗折强度试件尺寸为150mm×150mm×550mm,3d强度试件采用覆盖式自然养护,28d强度试件为标准养护。

2 试验结果与分析

2.1 强度试验结果

试验测得的9组正交组和1组普通混凝土强度试验结果,见表3。

2.2 复合因素分析

直观分析法较简便,对试验结果做少量计算,通过极差大小的综合比较,即平均效果值的最大与最小值之差,判断得出最优条件,直观分析结果见表4。但直观分析不能估计试验过程中及试验结果测定中必然存在的误差大小,因此无法得知分析精度。方差分析可将因素水平变化所引起试验结果间的差异与误差的波动区分开,如因素水平变化所引起试验结果的波动超过误差范围,则此因素水平对试验结果的影响显著。文献[10]指出,由于正交试验误差的自由度fe通常较小,F检验只有当fe较大时检验的灵敏度才较高。因此,在正交试验中,如fe≤5,则增加一级进行评定[8],方差分析结果见表5。

从表4及表5可知,各因素对路面混凝土3d抗压强度影响的主次顺序为:A>C>B,其优选配比为A3B2C1,即修补剂掺量15%、钢纤维体积率0.5%、橡胶粉掺量5%;对于28d抗压强度,因素影响的主次顺序为:A>C>B,其优选掺量为A3B3C1,即修补剂掺量15%、钢纤维体积率0.75%、橡胶粉掺量5%;对于3d抗折强度,因素影响的主次顺序为:A>B>C,其优选掺量为A3B2C3,即修补剂掺量15%、钢纤维体积率0.5%、橡胶粉掺量9%;对于28d抗折强度,因素影响的主次顺序为:A>B>C,其优选掺量为A3B2C1,即修补剂掺量15%、钢纤维体积率0.5%、橡胶粉掺量5%。

2.3 单一因素分析

根据表4数据绘得图1~图3,结合表5分析各单一因素对钢纤维橡胶路面混凝土抗折及抗压强度的影响趋势。

2.3.1 修补剂的影响

由图1可见,修补剂在5%~15%掺量范围内,随着掺量的不断增加,混凝土3d、28d抗压及抗折强度增大,并具有一定的相关性。修补剂对不同龄期混凝土抗压、抗折强度的影响均高度显著。修补剂掺量从5%提高到15%,3d抗压强度提高62.1%,28d抗压强度提高55.6%,3d抗折强度提高68.6%,28d抗折强度提高27.6%。此结果可能是由于随着修补剂掺量的提高,早强成分和聚羧酸粉剂含量增加。无机盐组分与液相中的Ca(OH)2反应,生成的次生石膏要比水泥球磨过程中加入的石膏更容易和C3A反应生成钙矾石。整个液相体系中的Ca2+浓度下降,硅酸根离子浓度相对增加,使C3S包覆层内外离子的浓度差增大,渗透压增加,致使包覆膜破裂,大大加速了C3S矿物的早期水化速度,从而提高了混凝土早期强度。聚羧酸粉剂通过其成分内分子结构的主链和支链,来达到对水泥浆体的分散及稳定,解除混凝土内部因范德瓦尔思力作用形成的絮状结构,被结构包围的游离水分子得到释放,使得混凝土的水化反应更加充分,从而提高了混凝土整体强度[11]。

2.3.2钢纤维的影响

根据图2可知,钢纤维体积率在0.25%~0.75%范围内,混凝土28d抗压强度先减后增,钢纤维体积率为0.5%时,28d抗压强度最低;而混凝土3d抗压强度、3d抗折强度、28d抗折强度均呈现先增后减的趋势,钢纤维体积率为0.5%时,对应强度最高,相对于普通混凝土分别提高了76.2%、144.3%、78.4%。这是由于混凝土内部存在着许多微裂缝,当混凝土开始受力时,水泥基体承担外力,荷载继续增加,超过基体所能承受的拉力时,荷载将通过水泥浆体和钢纤维的黏结力传递给钢纤维,这时钢纤维承担了部分应力,提高了混凝土的承载力,同时钢纤维也改变了裂缝尖端的应力集中,延缓了裂缝的扩展和新裂缝的形成。但混凝土抗压强度取决于其本身的密实度,而随着钢纤维体积率的进一步增加,比表面积增大,混凝土内部缺乏足够的浆体包裹,造成混凝土密实度降低,抗压强度下降。同时,体积率过大,也使钢纤维结团的可能性增大,钢纤维分布的均匀性受到影响。因此,随着钢纤维体积率从0.25%提升到0.5%,混凝土的抗折强度和3d抗压强度提高,体积率从0.5%提高到0.75%时,抗折强度和3d抗压强度反而降低。

2.3.3橡胶粉的影响

由图3可见,橡胶粉掺量在5%~9%的范围内,混凝土抗压强度随着橡胶粉掺量的增加而降低。3d、28d抗折强度变化趋势为先减少后增加,橡胶掺量7%时,抗折强度最低。这是因为橡胶的弹性模量远远小于混凝土的弹性模量,在发生变形时,橡胶粉所承受的力远小于基体内其他材料,在基体材料和橡胶微粒间的薄弱界面容易产生应力集中。同时,由于橡胶材料的憎水性,使得橡胶和混凝土基体之间黏结性差,在受荷载作用时更易产生破坏。且橡胶粉的掺加会引入空气,提高混凝土的含气量。因此,随着橡胶粉掺量的增大,混凝土抗压强度降低。橡胶粉具有双重性,一方面,橡胶微粒与混凝土基体间会形成黏结薄弱界面,致使混凝土抗折强度降低。另一方面,橡胶的弹性特性对混凝土内部微观裂缝的形成和发展起到了一定阻碍作用,延缓了裂缝的扩展,橡胶微粒能填充集料间的空隙,提高基体密实度,从而对混凝土抗折强度可能有一定提高。只有当对裂缝的延缓作用和提高基体密实度影响大于黏结薄弱影响时,整体抗折强度才会得到一定提升。但当混凝土基体强度提高后,裂缝形成和扩展所需的应力提高,橡胶对裂缝延缓作用的影响也相应降低。

2.4 最优方案选取

由于路面混凝土的设计依据以抗弯拉性能为主,综合分析试验结果和经济性,最终确定钢纤维橡胶路面混凝土最优掺量为A3B2C1,即修补剂掺量15%,钢纤维体积率0.5%,橡胶掺量5%。

将最优组和普通路面混凝土的强度试验数据进行比较(表6)可知,最优组混凝土相对于对照组混凝土的3d抗压强度提高94.2%,28d抗压强度提高18.9%,3d抗折强度提高170.8%,28d抗折强度提高39.7%。

3 结论

(1)影响钢纤维橡胶混凝土抗压强度因素的主次顺序为:修补剂>橡胶粉>钢纤维,钢纤维对混凝土抗压强度无显著影响,橡胶粉则影响较为显著。

(2)影响钢纤维橡胶混凝土抗折强度因素的主次顺序为:修补剂>钢纤维>橡胶粉,钢纤维和橡胶粉对混凝土28d抗折强度影响高度显著,但橡胶粉对混凝土3d抗折强度无显著影响。

(3)修补剂掺量在5%~15%,钢纤维体积率在0.25%~0.75%,40目橡胶粉掺量在5%~9%范围内,钢纤维橡胶路面混凝土的最优掺量为修补剂15%,钢纤维体积率0.5%,橡胶掺量5%;相对于普通路面混凝土3d抗压强度提高94.2%,28d抗压强度提高18.9%,3d抗折强度提高170.8%,28d抗折强度提高39.7%,大幅增强了混凝土的早期强度和韧性。

参考文献

[1]朱江,张东升,李旭东.钢纤维改性橡胶混凝土的研究应用与展望[C].第十三届全国现代结构工程学术研讨会,2013.

[2]张红州,李峰,李丽娟,等.纤维混凝土的研究与应用现状[J].建筑石膏与胶凝材料,2003(6):12-15.

[3]李宏波,邹媛媛,王勃.路用纤维橡胶粉混凝土力学性能试验研究[J].混凝土,2012(7):60-63.

[4]王涛,洪锦祥,缪吕文,等.橡胶混凝土的试验研究[J].混凝土,2009(1):67-69.

[5]覃峰,包惠明.橡胶粉水泥混凝土性能试验的研究[J].混凝土,2007(9):69-72.

[6]黄琼念,覃峰,杨胜坚,等.橡胶粉水泥混凝土路用性能及机理分析研究[J].人民长江,2009(16):58-62.

[7]韩卓.外掺橡胶改性路用水泥混凝土试验研究[D].武汉:华中科技大学,2010.

[8]赵蕴林,吴磊,杨霞.粉煤灰对混凝土早期强度影响初探[J].四川理工学院学报:自然科学版,2008,21(2):118-119,122.

[9]朱凯.大掺量粉煤灰对重交通路面混凝土性能的影响研究[J].混凝土,2011(4):125-129.

[10]何为,薛卫东,唐斌.优化试验设计方法及数据分析[M].北京:化学工业出版社,2012.

[11]巫辉,郭惠玲,雷家珩,等.聚羧酸系高效减水剂的合成及其作用机理研究[J].武汉理工大学学报,2006,28(9):18-20.

钢纤维橡胶高强混凝土 篇6

随着混凝土强度的提高, 其脆性更加明显, 在轴压作用下应变软化性能微乎其微, 呈突然性的爆裂破坏。加入纤维以后, 可明显提高混凝土的韧性和抗开裂性能。纤维混凝土优异的性能, 使其对防护工程及军事工程具有重大意义。

聚乙烯醇纤维 (PVA) 是一种高强高弹模合成纤维, 具有良好的亲水性, 纤维表面能够吸附少量自由水, 与水泥基体的粘结强度很高。由于PVA纤维本身具有较高的强度和弹性模量, 它不但能够有效地抑制混凝土早期的塑性裂缝, 而且可以提高混凝土的韧性及抗冲击性能, 同时可改善混凝土的抗渗性、抗冻性、抗碳化性能、耐磨性能, 从而提高混凝土的耐久性[1~2]。

目前, 关于钢纤维及其它合成纤维混凝土的研究较多, 关于PVA纤维混凝土, 特别是高强PVA纤维混凝土研究较少。本文对基体强度为110MPa以上的混凝土, 掺入不同体积掺量的PVA纤维, 配制出了PVA纤维高强混凝土 (PFRHSC) , 并对其进行了抗压强度、轴心抗压强度、抗拉强度、弹性模量、抗弯强度及弯曲韧性等力学性能试验, 以期配制出强度高、韧性好、抗冲击性能好的PFRHSC, 为今后用于防护工程等一些重大、特殊结构中提供依据。

1 试验概况

1.1 原材料

水泥:P·Ⅱ52.5R硅酸盐水泥, 3d、28d实测抗压强度分别为41MPa、53.2MPa, 3d、28d实测抗折强度分别为6.23MPa、7.63MPa。

掺合料:Ⅰ级粉煤灰;S95矿渣;Si O2含量为97%, 比表面积为2×104m2/kg的硅灰。

粗集料:5~20mm非活性洁净碎石, 连续级配, 压碎指标值8.1%, 针片状颗粒含量7.6%, 表观密度2740kg/m3。

细集料:洁净中粗河砂, 最大粒径5mm, 细度模数2.3, 含泥量<1%, 表观密度2650kg/m3。

外加剂:聚羧酸高效减水剂, 掺量按胶结材料用量的固定比例掺入。

PVA纤维:日本某公司产RECS100×12型的PVA纤维, 长12mm, 直径0.1mm, 密度1.3g/cm3, 抗拉强度1100MPa, 极限延伸率10%, 弹性模量25GPa。

1.2 配合比设计

试验采用表观密度法进行配合比设计, 混凝土的设计表观密度为2500kg/m3。为尽量提高混凝土强度, 在确定配合比时, 首先将水灰比确定到最小值, 再根据胶结材料总量不超过650kg/m3的原则确定单位用水量。PFRHSC0的配比胶结材料用量为600kg/m3, 考虑加入PVA纤维会降低混凝土拌合物的流动性, PVA纤维混凝土配合比胶结材料用量增大到650kg/m3, 其它材料掺量配比不变, PVA纤维的体积率分别为0.5%、1.0%和1.5%, 具体配合比见表1。表中PFRHSC0为不掺PVA纤维的基体混凝土;PFRHSC0.5为掺入体积率0.5%的PVA纤维混凝土, 其他以此类推。

1.3 试验方法

混凝土试件的成型及养护均在实验室完成。混凝土混合料在60L卧式强制式搅拌机中搅拌, 采用裹砂法混凝土搅拌工艺[3], PFRHSC0在振动台上振动60s成型, PFRHSC0.5、PFRHSC1.0、PFRHSC1.5在振动台上振动90s成型。混凝土的成型养护以及混凝土的各项性能的试验参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》[4]进行。

参照CECS 13:89《钢纤维混凝土试验方法》[5]进行试件的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、轴心抗压强度、静力弹性模量和抗弯强度等力学性能测试。弯曲韧性试验按照美国ASTM规范[6]要求, 用三分点加载梁进行试验, 梁跨度为300mm。试验在Instron1343伺服系统机上进行, 按照恒位移控制方法加载。为了提高梁挠度测试的精度, 在挠度记录中不包括在支座处的沉降、加载点的位移及钢板与试件间的缝隙及钢板的弹性变形等。梁挠度的测定采用日本YOKE方法, 将夹式引伸仪置于试件的中性轴测定梁的挠度。该装置还能消除梁扭转变形引起的附加变形。位移速率为0.10μm/s。计算机自动采集数据, 得到荷载-挠度全曲线。

立方体抗压、劈裂抗拉强度试件尺寸为100mm×100mm×100mm;轴心抗压强度、弹性模量的试件尺寸为100mm×100mm×300mm;弯曲韧性试件尺寸为100mm×100mm×400mm。试件的龄期均为28d。

2 试验结果分析

2.1 试验结果

PVA纤维高强混凝土力学性能试验结果见表2。

2.2 PVA纤维对立方体抗压强度、轴心抗压强度及弹性模量的影响

图1为PVA纤维掺量对试件抗压强度的影响, 由表3和图1可看出:

(1) 随着PVA纤维体积率的增加, PFRHSC的立方体抗压强度和轴心抗压强度均有所降低。当PVA纤维体积率由0.5%增大到1.5%时, 立方体抗压强度较基体混凝土降低了约5.24%~13.28%, 轴心抗压强度较基体混凝土降低了约3.22%~9.26%。试验结果表明, PVA纤维对该基体混凝土的立方体抗压强度和轴心抗压强度并无增强作用, 随着纤维体积率的增长, PFRHSC轴心抗压强度几乎呈线性降低, 立方体抗压强度也逐渐降低。由于合成纤维与混凝土基体弹模比较低, 且高掺量纤维的加入易使PFRHSC内部的缺陷增多, 所以PFRHSC的抗压强度有所降低。这与文献[7]中对聚乙烯纤维混凝土试验得出的结论是一致的。

(2) PFRHSC的轴压比较基体混凝土的轴压比略有增加, 说明PVA纤维掺量对高强混凝土的立方体抗压强度比轴心抗压强度的影响要大。

(3) 随着PVA纤维体积掺量的增加, PFRHSC的弹性模量略有增加。

2.3 PVA纤维对劈裂抗拉强度的影响

由表2可以看出, 随着PVA纤维体积率的增大, PFRHSC的劈裂抗拉强度和拉压比均显著提高。当PVA纤维掺量由0.5%增加到1.5%时, PFRHSC的劈裂抗拉强度几乎呈线性增大, 比基体混凝土提高了14.69%~35.23%, PFRHSC的拉压比由1/14.2增加到1/11.0, 相对于基体混凝土1/17.2的拉压比, PFRHSC1.5的拉压比提高了56.36%, 是基体混凝土拉压比的1.56倍, PFRHSC的脆性明显降低, 延性显著增加。

在拉伸荷载作用下, PFRHSC试件受力之初应变很小, 主要是混凝土在承受荷载, PVA纤维的拉应力也很小, 随着应变的增大, PVA纤维承担的应力越大。由于PVA纤维的抗拉强度 (1100MPa) 远远大于混凝土, PVA纤维可阻止混凝土进一步变形, 混凝土基体达到极限应变的时间推迟, 也即导致初始裂缝出现时间推迟。基体开裂后, 裂缝间的应力重新分布, 原来由混凝土基体承受的应力向PVA纤维转移, 跨越裂缝的纤维将荷载传递到裂缝的两侧表面, 使裂缝处的材料仍能继续承受荷载, 裂缝扩展速度得到延缓, 并呈稳定扩展状态。跨越裂缝的PVA纤维越多, 则裂缝稳定扩展持续时间越长, 最终达到的峰值拉应力也越高, 即PFRHSC的劈裂抗拉强度越大。由于基体混凝土强度较大, 当裂缝出现时纤维承受的应力也较大, 又由于PVA纤维较细, 单根PVA纤维所能承受的荷载较低, 粗集料之间分布的纤维数量有限, 所以PVA纤维高强混凝土的劈裂抗拉强度增长有限。

从破坏结果看, PFRHSC劈裂结果最后由于PVA纤维断裂而破坏, 因此, 进一步提高纤维掺量即增大出现裂缝部位纤维数量, 增大纤维直径即提高单位纤维的承载能力是提高PFRHSC劈裂抗拉强度的关键。

2.4 PVA纤维对抗弯强度和弯曲韧性的影响

2.4.1 PVA纤维对抗弯强度的影响

PVA纤维高强混凝土梁的抗弯强度见表3。由表3可知, PVA纤维对混凝土的抗弯拉强度有明显的增强效果。PVA纤维提高了混凝土的初裂抗弯强度和极限抗弯强度, 相对于基体混凝土, PFRHSC0.5的抗弯强度和初裂强度分别增长了35.12%和35.23%;PFRHSC1.0的抗弯强度和初裂强度分别增长了27.67%和34.47%;PFRHSC1.5的抗弯强度和初裂强度分别增长了26.78%和33.54%。随着PVA纤维体积掺量的增大, 纤维混凝土的初裂强度和抗弯强度先是增大, 体积掺量到一定程度 (1.5%) 以后, PFRHSC的抗弯强度及初裂强度略有降低。

2.4.2 PVA纤维对弯曲韧性的影响

按照美国材料协会标准ASTM C 1018-98方法[6]计算弯曲韧性指标In和剩余强度因子R。其中n=5, 10, 20;R5, 10=20 (I10-I5) , R10, 20=10 (I20-I10) 。该标准推荐素混凝土的韧性指数I=1, 剩余强度因子R趋于0, 理想弹塑性材料的剩余强度因子R=100。PFRHSC梁的弯曲韧性指数见表4, PFRHSC梁的荷载-挠度曲线如图2所示。

由于基体混凝土强度、弹性模量较大, 脆性也相当大, 小掺量的纤维混凝土弯曲破坏几乎和基体混凝土一样, 对于纤维体积掺量为0.5%时, 即将达到极限荷载时, 纤维混凝土梁迅速断裂, 荷载挠度曲线不易得到下降段。随着PVA纤维掺量的增大, 混凝土的抗弯韧性指数有明显提高。PVA纤维体积掺量为1%、1.5%时, I5分别是基体混凝土的4.17和4.49倍 (基体混凝土的韧性指数为1) , I10分别是基体混凝土的7.63和8.42倍, I20分别是基体混凝土的13.85和14.85倍;剩余强度因子R5, 10分别达69.14、78.60, R10, 20分别达62.19、64.28。由以上数据可以看出, PFRHSC1.5的各项韧性指数都优于其它的体积掺量, I5、I10、I20比PFRHSC1.0的分别高7.55%、10.33%和7.2%, 但PFRHSC1.5剩余强度因子R5, 10、R10, 20均小于理想弹塑性材料的剩余强度因子。因此, 进一步增大纤维掺量和改善纤维性能可进一步增大混凝土梁的抗弯韧性。

试验发现, 基体混凝土梁一出现裂缝马上就破坏, 是典型的脆性破坏现象。PVA纤维高强混凝土破坏模式由素混凝土的突然脆性破坏变为具有较好韧性的延性破坏。增韧机理与劈裂抗拉破坏的机理相同, 由图2可以看出, PVA纤维体积掺量较小时 (0.5%) , 由于该基体混凝土的弹模、刚度及脆性较大, 混凝土梁荷载位移曲线的下降段不易得到;再增大纤维掺量 (如1.0%) , 混凝土梁在混凝土出现裂缝内力重分布还不均匀时, 裂缝间PVA纤维承受荷载较大的部分会在瞬间被拉断, 使混凝土梁的荷载-挠度曲线出现挠度瞬时增大的“跳跃”现象;随着内力重新均匀分布完毕, 梁的跨中挠度随加载时间的增加稳定增大, PFRHSC梁的裂缝也呈稳定扩展状态, 直到裂缝部位纤维被完全破坏。随着纤维掺量的增大, 跨越裂缝的纤维越多, 内力重分布时单位纤维承受的应力也越小, 混凝土梁加载过程中这种表现在荷载-挠度曲线上挠度瞬间增大的“跳跃”现象越来越不明显。

大掺量的PVA纤维改善了基体混凝土的脆性和变形能力, 使基材出现裂缝后仍可继续承受一定的荷载。随着纤维体积掺量的增大, 弯曲荷载-挠度曲线随着纤维体积掺量的增大而趋于丰满, 在荷载-挠度曲线的下降段由陡直渐趋平缓而能够继续承受较大的荷载, 呈现出更大的持荷变形能力, 使高强纤维混凝土的破坏形态由脆性破坏转变为韧性破坏。

3 结论

(1) PVA纤维对高强混凝土的抗压强度没有增强作用, 反而降低基体混凝土的立方体和轴心抗压强度, 随着纤维体积掺量增大, PVA纤维混凝土立方体抗压强度和轴心抗压强度几乎呈线性降低;掺入PVA纤维后混凝土的弹性模量略有增加。

(2) PVA纤维能提高基体混凝土的劈裂抗拉强度, 纤维体积掺量增加到1.5%时, PFRHSC1.5的劈裂抗拉强度增加了35.23%, PFRHSC1.5拉压比由PFRHSC0的1/17.2增加到1/11.0。

(3) PVA纤维对混凝土的抗弯强度有明显增强效果, 纤维体积掺量增加到0.5%时, 混凝土的抗弯强度增加了35.12%, 纤维体积掺量增加到1.0%、1.5%时, 混凝土的抗弯强度分别增加了27.63%、26.73%。

(4) PVA纤维能显著改善超高强混凝土的脆性, 提高混凝土的抗弯韧性。纤维体积掺量增加到1.5%时, 韧性指数I5、I10、I20分别是基体混凝土的4.49、8.42、14.85倍, 剩余强度因子达R5, 10、R10, 20分别达78.60、64.28, 表现出较好的韧性。

参考文献

[1]沈荣熹, 崔琪, 李清海.新型纤维增强水泥基复合材料[M].北京:中国建材工业出版社, 2004.

[2]邓宗才.高性能合成纤维混凝土[M].北京:科学出版社, 2003.

[3]王卫中, 冯忠绪.二次搅拌工艺对混凝土性能影响的试验研究[J].混凝土, 2006, (4) :40-42.

[4]中华人民共和国建设部、国家质量监督检验检疫总局.GB/T50081-2002, 《普通混凝土力学性能试验方法标准[》S].北京:中国建筑工业出版社, 2002.

[5]中国工程建设标准化协会标准.《普通混凝土力学性能试验方法标准》CECS 13:89[S].北京:中国计划出版社, 1989.

[6]ASTM C1018-97, Standard test method for flexural toughness andfirst crack strength of fiber reinforced concrete (Using Beam WithThird-Point Loading) , Book of ASTM Standard.1998.

钢纤维橡胶高强混凝土 篇7

随着混凝土强度的提高,其脆性更加明显,在轴压作用下应变软化性能微乎其微,呈突然性的爆裂破坏。加入纤维可以明显提高混凝土的韧性和抗开裂性能,正是纤维混凝土(FRC)优异的性能,使得FRC对地下结构工程、防护工程以及军事工程有了很大的意义[1~3]。

钢纤维是一种高强高弹模金属纤维,掺入混凝土后能明显改善高强超高强混凝土的脆性和韧性。聚乙烯醇纤维(PVA)是一种高强高弹模的合成纤维,具有良好的亲水性,纤维表面能够吸附少量自由水,与水泥基体的粘结强度很高。由于PVA纤维本身具备较高的强度和弹性模量,它不但能够有效地抑制混凝土的早期塑性裂缝,而且可以提高混凝土的韧性及抗冲击性能。目前,对钢纤维高强混凝土研究的文献较多,对钢纤维超高强混凝土与聚乙烯醇纤维高强混凝土的研究较少[4~6]。

本文对基体强度为110MPa以上的混凝土,分别掺入不同体积掺量的钢纤维、PVA纤维配制出钢纤维超高强混凝土(SFRVHSC)和PVA纤维高强混凝土(PFRHSC),并对此两种纤维混凝土进行了抗压强度、轴心抗压强度、抗拉强度、弹性模量、抗弯强度及弯曲韧性等力学性能试验,以此期望配制出强度高、韧性及抗冲击性能好的纤维增强高强或超高强混凝土,用于对裂缝要求严格的地下结构工程、防灾减灾工程、防护工程等一些特殊结构中。

1 试验概况

1.1 试验用原材料

采用常规原材料及通用的工艺方法配制超高强混凝土,对原材料不作特殊的要求。选取原材料的基本原则是水泥货源较充足,骨料分布广且丰富,以便于推广应用。

水泥:P·Ⅱ52.5R硅酸盐水泥,3d、28d实测抗压强度分别为41MPa、53.2MPa,3d、28d实测抗折强度分别为6.23MPa、7.63MPa。

掺合料:Ⅰ级粉煤灰;S95矿粉;Si O2含量为97%、比表面积为2×104m2/kg的硅灰。

粗集料:5~20mm非活性机碎石,级配连续,压碎指标8.1%,针片状颗粒含量7.6%,表观密度2740kg/m3。

细集料:中粗河砂,最大粒径5mm,细度模数2.3,含泥量<1%,表观密度2650kg/m3。

外加剂:聚羧酸高效减水剂,按胶结材料用量的固定比例掺入。

纤维:上海产ZP305端钩型钢纤维;日本产RECS100×12型PVA纤维。纤维的性能指标见表1和表2。

1.2 配合比设计

本试验采用表观密度法进行配合比设计,混凝土的设计表观密度为2500kg/m3。为尽量提高混凝土强度,在确定配合比时,首先将水灰比确定到最小值,再根据胶结材料总量不超过650kg/m3的原则确定单位用水量。基体混凝土的胶结材料用量为600kg/m3,考虑加入钢纤维和PVA会降低混凝土拌合物的流动性,纤维混凝土配合比胶结材料用量增大到650kg/m3,钢纤维的体积掺量为1%、2%和3%三种。考虑到PVA纤维的亲水性,其体积掺量定为0.5%、1%、1.5%。

具体配合比见表3。材料编号含义:HSC为基体混凝土;SFRVHSC1为体积率(Vf)1%的钢纤维混凝土;PFRHSC0.5为体积率(Vf)0.5%的PVA纤维混凝土,其他以此类推。

2 试验结果与分析

混凝土成型及养护均在实验室完成。混凝土混合料在60L卧式强制式搅拌机中搅拌,采用二次搅拌工艺[7],基体混凝土在振动台上振动60s成型,各纤维混凝土在振动台上振动90s成型。混凝土成型养护及各项性能的试验均参照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》[8]进行。

各试件的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、轴心抗压强度、静力弹性模量和抗弯强度等力学性能测试均参照CECS 13:89《钢纤维混凝土试验方法》[9]进行。

立方体抗压、劈裂抗拉强度试件尺寸为100mm×100mm×100mm,轴心抗压强度、弹性模量及弯曲韧性试件尺寸为100mm×100mm×400mm。各种混凝土各项力学性能试验结果见表4。

2.1 两种纤维混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度及弹性模量

由表4数据和图1、图2可以看出,随着纤维体积掺量的增大,钢纤维超高强混凝土立方体抗压强度和轴心抗压强度随着钢纤维体积掺量的增大几乎呈线性增长;PVA纤维高强混凝土的立方体抗压强度和轴心抗压强度随着PVA纤维体积掺量的增大而降低。当钢纤维体积掺量由1%增大到3%时,立方体抗压强度和轴心抗压强度分别较基体混凝土提高3.49%~12.14%、8.44%~15.22%;PVA纤维体积掺量由0.5%增大到1.5%时,立方体抗压强度和轴心抗压强度分别较基体混凝土降低5.24%~13.28%、3.22%~9.26%。以上数据说明,钢纤维对高强混凝土的抗压性能有增强作用,PVA纤维的掺入反而降低高强混凝土的立方体抗压强度和轴心抗压强度。

从表4数据还可看出,两种纤维混凝土的轴压比均比基体混凝土略有增大(除PFRHSC1.0的轴压比与基体混凝土相同外),其它掺量纤维混凝土的轴压比在0.88上下的小范围内波动,可近似认为轴压比不随纤维体积掺量变化而变化。另外,随着纤维体积掺量的增加,两种纤维混凝土的弹性模量值均略有增加,但增加幅度较小。

纤维的加入使混凝土在受压过程中的横向膨胀受到约束,从而推迟了破坏进程,对提高抗压性能有利;但纤维加入后,增多了界面薄弱层,且纤维体积率越大,界面薄弱层越多,特别是具有亲水性的PVA纤维。当纤维的增强作用大于界面薄弱层的消弱作用时,表现为随纤维掺量的增加纤维混凝土强度也随之增加,如本试验中的钢纤维超高强混凝土;当纤维的约束增强作用低于界面薄弱层的消弱作用时,表现为随纤维掺量的增加纤维混凝土的强度随之降低,如本文中的PVA纤维高强混凝土。

2.2 纤维混凝土的劈裂抗拉强度

从表4和图4可以看出,两种纤维混凝土的劈裂抗拉强度均随着纤维体积率的增大而增大,钢纤维混凝土增长的幅度更显著些。当钢纤维掺量由1%增加到3%时,SFRVHSC劈裂抗拉强度比基体混凝土提高71.21%~140.63%,SFRVHSC的拉压比由1/10.4增加到1/8,相对于基体混凝土1/17.2的拉压比,SFRVHSC3的拉压比提高了1倍,脆性明显降低,延性显著增加。

随着PVA纤维掺量由0.5%增加到1.5%,PVA纤维高强混凝土的劈裂抗拉强度几乎呈线性增长,分别比基体混凝土提高14.69%~35.23%,拉压比由1/14.2增加到1/11.0,相对于基体混凝土1/17.2的拉压比,PFRHSC1.5的拉压比提高了56.36%。

在拉伸荷载作用下,纤维混凝土试件受力之初应变很小,主要是混凝土在承受荷载,纤维承受的的拉应力也很小。随着应变的增大,纤维承担应力变大,由于纤维的抗拉强度(钢纤维>1150MPa,PVA纤维为1100MPa)远远大于混凝土,阻止了混凝土的进一步变形,使混凝土基体达到极限应变的时间推迟,亦即初始裂缝出现时间推迟。基体开裂后,裂缝间的应力重分布,原来由混凝土基体承受的应力向纤维转移,跨越裂缝的纤维将荷载传递到裂缝的两侧表面,使裂缝处的材料仍能继续承受荷载,裂缝扩展速度得到延缓;跨越裂缝的纤维越多,则裂缝稳定扩展的持续时间越长,最终达到的峰值拉应力也越高,即纤维混凝土的劈裂抗拉强度越大。

由以上结果可以分析出,由于钢纤维抗拉强度较大,纤维直径也较大,SFRVHSC劈裂抗拉结果最后由于钢纤维拔出而破坏,本试验选用的端钩型钢纤维能增大纤维与基体混凝土的粘结,所以能很好地提高混凝土的抗拉强度。由于基体混凝土强度较大,当裂缝出现时纤维承受的应力也较大,由于PVA纤维较细,单根PVA纤维所能承受的荷载较低,粗集料之间分布的纤维数量有限,试件由于PVA纤维被拉断而产生破坏,所以,PVA纤维高强混凝土的劈裂抗拉强度较基准混凝土增长有限。

2.3 纤维混凝土的抗弯强度和弯曲韧性(1)纤维混凝土的抗弯强度

混凝土梁的抗弯强度试验结果见表5。由表5和图6可见,两种纤维对混凝土的初裂强度和抗弯拉强度均有明显的增强效果。钢纤维超高强混凝土的初裂抗弯强度和极限抗弯强度随着纤维体积掺量的增大而提高,钢纤维体积掺量由1%增大到3%时,钢纤维混凝土的抗弯强度比基体混凝土增长12.57%~102.33%;SFRVHSC1.5的抗弯强度达基体混凝土的2倍;PFRHSC0.5的抗弯强度和初裂强度分别增长35.12%和35.23%;PFRHSC1的抗弯强度和初裂强度分别增长27.67%和34.47%;PFRHSC1.5的抗弯强度和初裂强度分别增长26.78%和33.54%。由图3可见,随PVA纤维体积掺量的增大,纤维混凝土的初裂强度和抗弯强度先增大,体积掺量到一定程度(0.5%)后,PFRHSC的抗弯强度及初裂强度略有降低。抗弯强度与纤维体积掺量的关系如图6所示。

(2)纤维混凝土的弯曲韧性

按美国材料协会标准ASTM C 1018-98方法[10]计算弯曲韧性指标In和剩余强度因子R。其中n=5、10、20;R5,10=20(I10-I5),R10,20=10(I20-I10),该标准建议,素混凝土的弯曲韧性指数I=1,剩余强度因子R趋于0,对理想弹塑性材料R=100。超高强钢纤维混凝土28d时的初裂强度、极限强度及弯曲韧性指数见表6,部分荷载-挠度曲线如图7所示。

由表6可知,掺入钢纤维、PVA纤维后,混凝土的抗弯韧性指数有明显提高,且各韧性指数均随钢纤维体积掺量的增加而增大。体积掺量为1%、2%、3%的纤维混凝土,韧性指数I5分别是基体高强混凝土的4.77、5.05、5.15倍(基体混凝土的韧性指数为1),I10分别是基体混凝土的9.47、10.71、11.23倍,I20分别是基体混凝土的19.02、22.11、24.06倍。纤维混凝土的剩余强度指标也随着纤维体积掺量的增加而增大,剩余强度因子R5,10分别达93.94、113.26、121.5,R10,20分别达95.46、114.02、128.31。

对于PVA纤维,体积掺量为0.5%,即将达到极限荷载时,试验梁迅速断裂,荷载-挠度曲线不易得到下降段。随着PVA纤维掺量的增大,混凝土的抗弯韧性指数有明显提高,由表5可见,PVA纤维体积掺量为1%、1.5%时,I5分别是基体混凝土的4.17、4.49倍,I10分别是基体混凝土的7.63、8.42倍,I20分别是基体混凝土的13.85、14.85倍;剩余强度因子R5,10分别达69.14、78.60,R10,20分别达62.19、64.28。

对理想弹塑性材料来说,R=100,低于该值则说明材料具有相对较低的塑性性能;素混凝土的I值为1,R值趋近于0。由以上数据可知,体积掺量1%钢纤维混凝土的韧性指数和剩余强度因子几乎达到了理想弹塑性材料的指标,体积掺量为2%、3%钢纤维混凝土的韧性指数和剩余强度因子均超过理想弹塑性的指标,表现出良好的塑性性能和韧性。PFRHSC1.5的各项韧性指数都优于其它的体积掺量,I5、I10、I20比PFRHSC1.0的分别高7.55%、10.33%、7.2%,但PFRHSC1.5的剩余强度因子R5,10、R10,20均小于理想弹塑性材料的剩余强度因子100。

试验发现,基体超高强混凝土梁一出现裂缝马上就破坏,是典型的脆性破坏特征;纤维超高强混凝土破坏模式由素混凝土的突然脆性破坏变为具有较好韧性的延性破坏。增韧机理与劈裂抗拉破坏的机理相同。由图5可以看出,纤维体积掺量较小时(如钢纤维体积掺量为1%、2%;PVA体积掺量为0.5%时),混凝土梁在混凝土出现裂缝内力重分布还不均匀时,裂缝间钢纤维承受荷载较大的部分会在瞬间被拔出、PVA纤维会在瞬间被拔断,使混凝土梁的荷载-挠度曲线出现挠度瞬时增大的“跳跃”现象;随着内力重新均匀分布完毕,梁的跨中挠度随加载时间的增加稳定增大,纤维超高强混凝土梁的裂缝也呈稳定扩展状态,直到钢纤维被完全拔出、PVA全部被拉断。随着纤维体积率的增大,跨越裂缝的纤维变多,内力重分布时单位钢纤维承受的应力变小,混凝土梁加载过程中这种表现为荷载-挠度曲线上挠度瞬间增大的“跳跃”现象越来越不明显。

两种纤维均改善了超高强混凝土的脆性和变形能力,使基材出现裂缝后,仍可继续承受一定的荷载。随着纤维掺量的增大,弯曲荷载-挠度曲线随着纤维体积掺量的增大而趋于丰满,达到峰值荷载的变形能力也不断增加,在荷载-挠度曲线的下降段由陡直渐趋平缓,呈现出更大的持荷变形能力,使超高强纤维混凝土的破坏形态由脆性破坏转变为韧性破坏。

由图7可以看出,三种掺量的钢纤维超高强混凝土与坐标轴包围的面积均大于PVA纤维超高强混凝土。因此,钢纤维在提高超高强混凝土的弯曲韧性和吸收破坏能量方面优于PVA纤维混凝土。但PVA纤维的耐腐蚀性使其在易发生腐蚀、化工场所等特殊的环境中具有明显的优势。

3 结论

(1)在28d抗压强度为114.5MPa的超高强混凝土中掺加钢纤维、聚乙烯醇纤维,配制出了28d抗压强度为128.4MPa的钢纤维超高强混凝土和108.5MPa的PVA纤维超高强混凝土。

(2)钢纤维在一定程度上能提高基体混凝土的抗压强度,随着纤维体积率的增大,混凝土的抗压强度逐渐提高;PVA纤维会降低混凝土的抗压强度,且随纤维体积掺量的增大抗压强度逐渐降低。

(3)两种纤维都能明显提高基体混凝土的劈裂抗拉强度和抗折强度,钢纤维体积掺量增加到3%时,劈裂抗拉强度增加140.3%,抗折强度增加102.33%;PVA纤维体积掺量增加到1.5%时,劈裂抗拉强度增加35.23%,拉压比由基体混凝土的117.2增加到1/11.0。

(4)两种纤维均能改善超高强混凝土的脆性,提高混凝土的抗弯韧性。钢纤维的增韧效果优于PVA纤维,钢纤维体积掺量增加到2%以上时,韧性指数和剩余强度因子都超过了理想弹塑性材料的指标,表现出良好的韧性。钢纤维超高强混凝土的延性和变形能力显著增大,表现为随着钢纤维体积率的增加弯曲荷载-挠度曲线趋于丰满。PVA纤维本身的耐腐蚀性使其在腐蚀环境中有良好的抗拉增韧效果。

参考文献

[1]赵国藩,彭少明,黄承逵.钢纤维混凝土结构[M].北京,中国建筑工业出版社,1999.

[2]沈荣熹,崔琪,李清海.新型纤维增强水泥基复合材料[M].北京:中国建材工业出版社,2004.

[3]张育宁.高强与特高强纤维混凝土的制备及其抗爆应用研究[C].中国人民解放军理工大学博士学位论文,2006.

[4]焦楚杰,孙伟,高培正,蒋金洋.钢纤维高强混凝土力学性能研究[J].混凝土与水泥制品,2005(3):35-38.

[5]陈景,蒋林华.钢纤维增强高性能混凝土力学性能研究[J].混凝土与水泥制品,2006(1):37-39.

[6]邓宗才.高性能合成纤维混凝土[M].北京:科学出版社,2003.

[7]王卫中,冯忠绪.二次搅拌工艺对混凝土性能影响的试验研究[J].混凝土,2006(4):40-42.

[8]中华人民共和国建设部、国家质量监督检验检疫总局.GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.

[9]中国工程建设标准化协会标准.CECS 13:89《钢纤维混凝土试验方法》[S].北京:中国计划出版社,1989.