研究淺談使用聚丙烯纖維提高混凝土抗裂性能云 3041

淺談使用聚丙烯纖維提高混凝土抗裂性能云南建工集團(tuán)市政總承包部-周永榮摘 要本文針對(duì)聚丙烯纖維在混凝土中的應(yīng)用技術(shù)問題，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，以闡明聚丙烯纖維改善混凝土物理力學(xué)性能的效果。通過聚丙烯纖維的參量與抗折強(qiáng)度之間的關(guān)系試驗(yàn)研究，闡述了聚丙烯纖維參量對(duì)混凝土的力學(xué)性能指標(biāo)的影響規(guī)律，并通過同水灰比同坍落度條件下的力學(xué)性能與聚丙烯纖維參量的關(guān)系的對(duì)比試驗(yàn)研究，得出了聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土的條件及作用機(jī)理。試驗(yàn)研究表明，聚丙烯纖維能有效改善混凝土的抗折性能，從而提高混凝土抗裂力學(xué)性能，本文主要針對(duì)其中的抗折性能進(jìn)行論述。關(guān)鍵詞：聚丙烯纖維 混凝土 抗折性能 試驗(yàn) 改善 抗裂 抗折引 言混凝土作為十分廣泛的建筑材料發(fā)展到今天，種類繁多，許多力學(xué)性能也有不同程度的改善，但由于混凝土材料本身的空隙及其其它缺陷，使其存在抗拉強(qiáng)度低,延性差，在拉應(yīng)力或沖擊荷載作用下易發(fā)生脆性破壞等缺點(diǎn)，在很大程度上制約了混凝土材料的力學(xué)性能和進(jìn)一步的應(yīng)用和發(fā)展。為了適應(yīng)現(xiàn)代工程對(duì)混凝土性能的要求，必須從根本上改變混凝土的抗裂方面的不足。試驗(yàn)表明，在混凝土中摻入聚丙烯纖維能改良混凝土的抗裂性能。聚丙烯纖維是以丙烯單體在一定條件下聚合而成的結(jié)構(gòu)規(guī)整的結(jié)晶型聚合物，屬于合成纖維的一種，它的商品名是丙綸?；咎匦允?乳白色、無味、無溴、無毒、質(zhì)輕、不吸濕、不溶于水、耐腐蝕、抗拉強(qiáng)度高。在混凝土內(nèi)摻入專用的聚丙烯纖維并經(jīng)攪拌后，由于聚丙烯纖維與水泥基集料有極強(qiáng)的結(jié)合力，可以迅速而輕易地混凝土材料混合，分布均勻，能在混凝土內(nèi)部構(gòu)成一種均勻的亂向支撐體系。在混凝土硬化過程時(shí)，由于水泥漿的化學(xué)收縮，使水泥漿與骨料之間的粘結(jié)面處產(chǎn)生拉應(yīng)力，所以混凝土中存在著大量的極細(xì)小的微裂縫，這些微裂縫在混凝土受力時(shí)極易產(chǎn)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致破壞。在纖維加入到混凝土中后，當(dāng)水泥基體收縮時(shí)，由于纖維這些微細(xì)配筋的作用而消耗了能量，以抑制混凝土開裂的過程，有效地減少混凝土干縮時(shí)所引起的微小裂縫，大大提高了硬化后混凝土的抗裂能力和韌性，對(duì)克服高強(qiáng)混凝土的脆性有較 理想的效果，同時(shí)在混凝土中摻入一定量的聚丙烯纖維還能提高混凝土的抗沖耐磨性能，同時(shí)能改善混凝土的抗裂性能。本文從聚丙烯纖維混凝土的配合比設(shè)計(jì)入手，選擇最佳配合比確保聚丙烯纖維混凝土的強(qiáng)度，并對(duì)聚丙烯纖維的摻量對(duì)混凝土抗折性能的影響進(jìn)行試驗(yàn)比較和分析。1、聚丙烯纖維的發(fā)展概況近年來,國外發(fā)展了應(yīng)用合成纖維混凝土進(jìn)行抗裂防水的新技術(shù)，美國于20世紀(jì)90年代初研制開發(fā)出纖維混凝土，并在隨后幾年中得到了迅速的發(fā)展，其中應(yīng)用最多的是聚丙烯纖維混凝土。在混凝土中摻加聚丙烯纖維,以控制混凝土龜裂，我國也已開始在防水工程中應(yīng)用聚丙烯纖維混凝土，美國希爾兄弟化學(xué)公司的聚丙烯纖維(杜拉纖維)已打入我國市場(chǎng),先后用于公路路面和橋面的修補(bǔ)，聚丙烯纖維易加工，生產(chǎn)和加工能耗低、密度小、單位質(zhì)量纖維體積最大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。作為一種新型的混凝土增強(qiáng)纖維，聚丙烯網(wǎng)狀纖維正成為繼玻璃纖維、鋼纖纖維后纖維混凝土科學(xué)研究和應(yīng)用領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。2、聚丙烯纖維混凝土抗裂性能的試驗(yàn)研究2.1試驗(yàn)原材料1水泥水泥為PI52.5級(jí),實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度為58.5MPa，密度c=3100kg/m3。2砂子砂為清潔河砂，細(xì)砂細(xì)度模數(shù)為2.4，級(jí)配良好表觀密度s=2680kg/m3，現(xiàn)場(chǎng)含水率s=5.0%。3碎石碎石用一級(jí)石灰?guī)r軋制，最大粒徑20，表觀密度g=2780kg/m3，現(xiàn)場(chǎng)含水率g=1.0%4水水為符合混凝土拌合用水要求的自來水。5纖維纖維為聚丙烯纖維。聚丙烯技術(shù)參數(shù)(見表1)表1 主要技術(shù)參數(shù)長度規(guī)格/mm單絲當(dāng)量直徑/m抗拉強(qiáng)度/MPa彈性模量/MPa密度/gcm3斷裂延伸率/%630205035035000.910.018302.2混凝土配合比計(jì)算設(shè)計(jì)混凝土為預(yù)應(yīng)力混凝土，設(shè)計(jì)要求混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度為58.5MPa。工程要求的強(qiáng)度保證率為95%，水泥混凝土施工強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差6.0MPa；要求混凝土拌合物的坍落度為3050。（1）計(jì)算配制強(qiáng)度（fcu,0）根據(jù)設(shè)計(jì)要求混凝土強(qiáng)度等級(jí)fcu,k=40MPa，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差=6.0MPa帶入混凝土配制強(qiáng)度計(jì)算式fcu,0fcu,k+1.645 （2-1）經(jīng)計(jì)算得fcu,0=40+1.6456.0=49.87（MPa）（2）計(jì)算水灰比（W/C）混凝土水灰比按下式計(jì)算： W/C=afcefcu,0+abfce （2-2） 表2 回歸系數(shù),選用表（JGJ/T55-2010）集料品種ab碎石0.460.07卵石0.480.33其中: a,b回歸系數(shù)，由于粗骨料為碎石,根據(jù)規(guī)程查表2取a=0.46,取b0.07；經(jīng)計(jì)算得:W/C=0.4658.5/(49.87+0.460.0758.5)=0.52預(yù)應(yīng)力混凝土所處壞境正常，根據(jù)規(guī)程查表知其最大水灰比為0.6，故符合要求，取計(jì)算水灰比0.52（3）確定單位用水量根據(jù)設(shè)計(jì)要求混凝土拌合物的坍落度為3050，碎石最大粒徑為20，根據(jù)規(guī)程查表選取混凝土單位用水量為mw0=195kg/m3(4)計(jì)算單位水泥用量根據(jù)單位水用量及計(jì)算水灰比計(jì)算其單位水泥用量為 (2-3)經(jīng)計(jì)算得mc0=375kg/m3查規(guī)程知符合耐久性要求的最小水泥用量為300kg/m3，所以取按強(qiáng)度計(jì)算的單位水泥用量mc0=375kg/m3.（5）確定砂率(s)合理砂率按表3的確定:表3 混凝土砂率選用表（%）（JGJ/T55-2010)水灰比W/C卵石最大粒徑（）碎石最大粒徑（）1020401620400.402632253124303035293427320.503035293428333338323730350.603338323731363641354033380.70364135403439394438433641根據(jù)水灰比為0.52，粗骨料類型為：碎石，粗骨料粒徑：20(mm),查表3，取合理砂率s=34%；(6)計(jì)算粗、細(xì)集料用量按照體積法將、和s帶入2-4 mc0cmg0g+ms0s+mw0w+0.01=1ms0mg0ms0100%=s (2-4)因?yàn)闉榉且龤饣炷了匀?；聯(lián)立解得砂用量mg0=699 kg/m3；碎石用量ms0=1151kg/m3.（7)混凝土配合比結(jié)論混凝土的基準(zhǔn)配合比為: 水泥:水:砂:石子=375：195：699：11512.3試驗(yàn)方案2.3.1抗折強(qiáng)度試驗(yàn)方法(1)概述水泥混凝土抗折強(qiáng)度是水泥混凝土路面設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。在水泥混凝土路面施工時(shí)，為了保證施工質(zhì)量，也必須按規(guī)定測(cè)定抗折強(qiáng)度。水泥混凝土抗折強(qiáng)度是以150mml50mm550mm的梁形試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下達(dá)到規(guī)定齡期后，在凈跨450mm、雙支點(diǎn)荷載作用下的彎拉破壞，并按規(guī)定的計(jì)算方法得到強(qiáng)度值。(2)試驗(yàn)儀具1試驗(yàn)機(jī)：50300KN抗折試驗(yàn)機(jī)或萬能試驗(yàn)機(jī)；2抗折試驗(yàn)裝置：即三分點(diǎn)處雙點(diǎn)加荷和三點(diǎn)自由支承式混凝土抗折強(qiáng)度與抗折彈性模量試驗(yàn)裝置，如下圖3。圖1抗折試驗(yàn)裝置圖(3)試驗(yàn)方法1、試驗(yàn)前先檢查試件，如試件中部1/3長度內(nèi)有蜂窩(大于7mm2mm)，該試件應(yīng)即作廢。2、在試件中部量出其寬度和高度，精確至lmm。圖23抗折試驗(yàn)裝置圖（單位；mm）3、調(diào)整兩個(gè)可移動(dòng)支座，使其與試驗(yàn)機(jī)下壓頭中 1、2、6-一個(gè)鋼球；3、5-兩個(gè)鋼球；4-試件心距離為225mm，并旋緊兩支座將試件妥放在支座 7-活動(dòng)支座； 8-機(jī)臺(tái)；9-活動(dòng)船形墊板上，試件成型時(shí)的側(cè)面朝上，幾何對(duì)中后，緩緩加一初荷載，約lkN，而后以0.50.7MPa/s 的加荷速度，均勻而連續(xù)地加荷(低標(biāo)號(hào)時(shí)用較低速度)；當(dāng)試件接近破壞而開始迅速變形，應(yīng)停止調(diào)整試驗(yàn)機(jī)油門，直至試件破壞，記下最大荷載。(4)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算1、當(dāng)斷面發(fā)生在兩個(gè)加荷點(diǎn)之間時(shí)，抗折強(qiáng)度 (以MPa 計(jì))按式(2-6)計(jì)算： （2-6）式中：F極限荷載(N)；L支座間距離，L450mm；b試件寬度(mm)；h試件高度(mm)。2、以3 個(gè)試件測(cè)值的算術(shù)平均值作為該組試件的抗折強(qiáng)度值。3 個(gè)測(cè)值中的最大值或最小值中如有一個(gè)與中間值的差值超過中間值的15，則把最大值或最小值一并舍除，取中間值為該組試件的抗折強(qiáng)度。如有兩個(gè)測(cè)值與中間值的差均超過中間值的15，則該組試件的試驗(yàn)結(jié)果無效。3、如斷面位于加荷點(diǎn)外側(cè)，則該試件之結(jié)果無效；如有兩根試件之結(jié)果無效，則該組結(jié)果作廢。注：斷面位置在試件斷塊短邊一側(cè)的底面中軸線上量得。2.3.2抗折強(qiáng)度試件制作試件150mml50mm550mm的梁形試件，做兩組實(shí)驗(yàn)分別是不加纖維的B組，和加不同體積摻量聚丙烯纖維的C組。B組為對(duì)照組，C組為實(shí)驗(yàn)組。每組試件做三個(gè)共18個(gè)。其實(shí)驗(yàn)方案如表4、表5：表4 B組配合比設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表組別單位水泥用量（Kg/m）單位水用量（Kg/m）細(xì)集料用量（Kg/m）粗集料用量（Kg/m）B13751956991151B23451946891132B34191967111171表5 C組配合比設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表組別聚丙烯纖維體積參量（%）聚丙烯纖維混凝土配合比（Kg/m）水灰比砂率（%）水泥水砂石子C12.537519570011510.5234C23.537519670011510.5234C34.537519470011510.5234根據(jù)GB/T50081-2002普通混凝土力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，將試塊放在溫度為（205）環(huán)境中靜置24h之后編號(hào)拆模，然后立即放在溫度（202）、濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)。一直養(yǎng)護(hù)到要求的齡期再進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)。2.3.3.混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)當(dāng)試件達(dá)到設(shè)計(jì)的養(yǎng)護(hù)齡期后，從養(yǎng)護(hù)室中取出，將試件擦干凈，通過測(cè)量尺寸、檢查外觀等方法，確定本實(shí)驗(yàn)試件均合格，畫線并分組擺放如圖4。圖23、試驗(yàn)結(jié)果分析3.2聚丙烯纖維對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響分析根據(jù)GB/T50081-2002普通混凝土力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)得不加聚丙烯纖維和各摻量聚丙烯纖維混凝土的抗折強(qiáng)度值見表6。表6 混凝土的抗折強(qiáng)度值組別試件高（）極限破壞荷載（KN）強(qiáng)度（MPa）平均抗折強(qiáng)度（MPa）斷面情況B1-115239.515.35.2正常B1-215141.975.6正常B1-315235.884.8正常B2-115240.955.45.7正常B2-215342.935.7正常B2-315345.036.0正常B3-115148.306.45.7正常B3-215237.845.0正常B3-315342.435.6正常C1-115144.495.95.8正常C1-215338.495.1正常C1-315548.666.5正常C2-115345.676.16.3異常C2-215249.696.6正常C2-315246.606.2正常C3-115147.176.36.6正常C3-215248.186.4正常C3-315254.187.2正常試件制作日期：4月18 測(cè)值日期：5月7本試驗(yàn)以摻聚丙烯纖維摻與不摻聚丙烯纖維，以及摻不同體積的聚丙烯為變量，通過測(cè)其抗折強(qiáng)度值，來分析聚丙烯纖維對(duì)混凝土的抗裂性能的影響。當(dāng)試件在受壓力機(jī)荷載作用時(shí)，普通混凝土試件達(dá)到破壞強(qiáng)度時(shí)完全斷開，而加入纖維的混凝土試件，在達(dá)到破壞強(qiáng)度時(shí)，樣品仍保持為一體，說明混凝土內(nèi)加入聚丙烯纖維后，混凝土的韌性、抗裂性能大大增強(qiáng)了。其對(duì)比圖片如圖7（圖中左邊為不加纖維的試件，右邊是加纖維的試件）。綜上所述，在混凝土中摻入聚丙烯纖維后能顯著提高混凝土抗折強(qiáng)度。之所以聚丙烯纖維能提高混凝土抗折強(qiáng)度，原因就在于混凝土內(nèi)部存在不同尺度。由于混凝土脆性及自收縮等造成內(nèi)部存在不同尺度的微裂縫，在結(jié)構(gòu)形成過程中，聚丙烯纖維阻止了這些裂縫的引發(fā)，從而減少了裂縫源的數(shù)量，并使裂縫尺度變小，這就降低了裂縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子，緩和了裂縫尖端受力集中程度，在受力過程中，又抑制了裂縫的引發(fā)與擴(kuò)展。這樣就可以充分發(fā)揮混凝土高抗折強(qiáng)度效應(yīng)，這就是聚丙烯纖維能大幅度提高混凝土抗折強(qiáng)度的原因。圖3通過試驗(yàn)可以看出，不同摻量的聚丙烯纖維混凝土的抗折強(qiáng)度不同，其變化規(guī)律如圖4所示。圖4圖4為不同體積摻量的聚丙烯纖維與混凝土抗折強(qiáng)度的關(guān)系，其中B2組是不加纖維的基準(zhǔn)組，B1是同比減少配合比組成的組，而B3是同比增加配合比組成的組，從這三組來比較可以看出相同強(qiáng)度條件下，適當(dāng)增加配合比的組成可以小幅改變其抗折強(qiáng)度。C組為加聚丙烯纖維的試驗(yàn)組，從C組跟B組對(duì)比可以看出，加入聚丙烯纖維后其抗折強(qiáng)度有所提高，但是加入體積摻量為2.5%時(shí)提升很小，加入體積摻量為4.5%提升很大，所以在體積摻量為2.5%到4.5%這個(gè)區(qū)間隨著纖維體積摻量的增加其抗折強(qiáng)度值成線性增長。且4.5%的纖維體積率是最佳的體積率，C3組對(duì)應(yīng)的配合比也是最佳配合比。從圖4可以看出聚丙烯纖維的摻入可以提高混凝土的抗折強(qiáng)度，而且其抗折強(qiáng)度值隨著聚丙烯纖維體積摻量的增加而線性增加。4、結(jié)論本文通過對(duì)聚丙烯纖維混凝土的抗折試驗(yàn)研究得出以下結(jié)論:1、聚丙烯纖維的摻入可以提高混凝土的抗折強(qiáng)度。而且其強(qiáng)度的增長值是隨摻入的體積增加而增加的。同時(shí)存在一個(gè)最佳值，抗折強(qiáng)度的聚丙烯纖維摻入最佳體積率是4.5%。2、通過對(duì)聚丙烯纖維混凝土抗折性能的實(shí)驗(yàn)研究，證明了聚丙烯纖維是增強(qiáng)抗折性能的良好材料，聚丙烯纖維對(duì)水泥混凝土抗折性能有著顯著的提高，在混凝土中加入聚丙烯纖維是提高混凝土抗折性能的有效途徑。3、聚丙烯纖維可以顯著改善混凝土的抗折性能，從而提高混凝土抗裂力學(xué)性能。實(shí)際工程中可在混凝土構(gòu)件中適當(dāng)加入聚丙烯纖維來增強(qiáng)混凝土的抗裂性能。參考文獻(xiàn)1唐明，傅柏權(quán)，張戚聚丙烯纖維混凝土早期塑性開裂特征及分形評(píng)價(jià)沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(07)2張建峰，羅平，周世華纖維對(duì)混凝土早期塑性開裂的影響 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