不同彈性模量纖維對粉煤灰 RPC力學性能影響

劉曉麗 楊兆鵬 畢巧巍

不同彈性模量纖維對粉煤灰 RPC力學性能影響

劉曉麗 楊兆鵬 畢巧巍

選用不同彈性模量的纖維包括鋼纖維、耐堿玻璃纖維以及聚丙烯纖維分別摻入粉煤灰活性粉末混凝土中,對力學性能的變化情況進行了試驗分析與研究,試驗結果表明：高彈性模量的鋼纖維摻入到RPC中可以獲得更好的力學性能。

粉煤灰RPC,彈性模量,纖維,力學性能

1 概述

活性粉末混凝土[1](Reactive Powder Concrete,簡稱RPC)是20世紀 90年代初由法國科學家研制而成的超高性能混凝土,具有優異的耐久性能和超高的力學性能。與高強混凝土(簡稱HSC)相比,RPC的顯著特點是抗壓強度和抗拉強度更高、韌性大。RPC的強度可以高達200MPa(簡稱RPC200),甚至800MPa (簡稱RPC800)。RPC200的抗壓強度是HSC的2倍～4倍;抗折強度為30MPa～60MPa,是HSC的4倍～6倍,摻入纖維后折壓比可達 1/4左右,斷裂韌性可與金屬相媲美[2,3]。

目前,RPC在國外已經用于實際工程[4],比如加拿大建成一座跨長 70m的單跨人行混凝土桁架橋,大大減輕了自重,提高了在高濕度環境、頻繁受除冰鹽腐蝕與抗凍融循環作用下的耐久性能。相比之下,國內對RPC也開展了相關的研究工作,但是在摻入各種纖維后 RPC的力學性能研究得較少。為了制備符合我國國情的 RPC,在活性粉末混凝土中摻入了一定量的粉煤灰。本文就粉煤灰 RPC在鋼纖維、玻璃纖維以及聚丙烯纖維作用下的力學性能進行了初步的探索,并和對應的普通RPC進行比較。

2 力學性能的試驗研究

2.1 試驗材料

水泥：大連小野田有限公司生產的華日牌 52.5R普通硅酸鹽水泥。硅灰：上海天愷硅粉材料有限公司生產的硅粉,二氧化硅的含量為 82.22%。粉煤灰：大連華能電廠生產的Ⅰ級粉煤灰。細砂：采用標準砂,細度模數為 1.8。減水劑：大連西卡建筑材料有限公司生產的西卡高效減水劑。耐堿玻璃纖維：襄樊匯爾杰玻璃纖維有限責任公司生產的,彈性模量 80 GPa。聚丙烯纖維：四川卓越新材料科技有限責任公司提供,彈性模量 2.2 GPa。鋼纖維：大連收獲金屬纖維有限公司生產的冷拉鋼絲纖維,直徑為0.24mm,長度為13mm,表面鍍銅,抗拉強度 2 800 MPa,彈性模量為200GPa。

2.2 試驗材料配合比及成型工藝

試驗材料的配合比對于普通RPC而言,參考文獻[5][6]并通過試配取為水泥∶硅粉∶石英粉∶砂子∶水為 1∶0.25∶0.37∶1.1∶0.25,并摻加2.0%的西卡減水劑。對于粉煤灰RPC而言,參考文獻[7][8]并試配其配合比取為水泥∶硅粉∶粉煤灰∶砂∶水 =1∶0.25∶0.3∶1.18∶0.25,同時摻加1.2%的減水劑。

成型工藝：先將骨料、膠凝材料和纖維加入攪拌機內攪拌3m in使纖維分散均勻,然后加入一半用水量攪拌 3m in,再加入剩余用水量攪拌4min～6m in,當纖維摻量逐漸增加時,攪拌時間需適當延長。

2.3 試件

力學性能試驗按照普通混凝土力學性能實驗方法標準GB/T 50081-2002進行,試件采用 40×40×160的三聯試件,人工澆搗成型,24 h后拆模,放入水中常溫養護 28 d然后取出進行試驗。

2.4 試驗結果及分析

試驗結果如表 1所示。

表1 不同纖維體積率下RPC試件的強度及折壓比

1)當鋼纖維摻量較低時(不超過 1%),從圖 1,圖 2可以看 出,粉煤灰 RPC抗壓強度提高幅度不明顯,僅僅提高近 10%,而抗折強度提高幅度較高達到 100%。普通 RPC抗壓強度提高不明顯,抗折強度提高較多,達到 40%。當鋼纖維的摻量進一步提高時,二者的力學性能也得到進一步改善。從圖中可以看出,普通、粉煤灰兩種RPC鋼纖維的最佳摻量都是 2%,比不摻鋼纖維抗壓強度分別提高 45%和 55%,抗折強度提高 110%和 200%,此時對應折壓比分別為 1/3.47和 1/4.86。

兩種 RPC比較,從圖 1和圖 3、圖 2和圖 4可以看出,當鋼纖維摻量較低(不超過1%)時,粉煤灰RPC比普通RPC的提高優勢并不明顯;當鋼纖維摻量增加到 2%時,粉煤灰RPC抗折強度比普通RPC降低幅度達20%,但抗壓強度比普通RPC高將近10%。

由此可知：高彈性模量的鋼纖維無論在普通RPC還是粉煤灰RPC中,都能形成工作性能良好的空間骨架,明顯提高RPC的抗壓、抗折強度,改善RPC的力學性能。其缺點是造價較高,使RPC的自重增加。

2)當摻入聚丙烯纖維后,由圖 1～圖 4可以看出,普通 RPC的力學性能改善并不明顯,抗壓、抗折強度提高的最高幅度僅僅達到7%;但粉煤灰RPC抗折強度提高較為明顯,提高幅度達到 40%,但是抗壓強度提高很少,僅僅不到3%。普通RPC與粉煤灰RPC的最佳摻量都是 0.25%,對應折壓比分別為1/5.42和 1/6.76。

3)當摻入耐堿玻璃纖維后,從圖 1～圖 4可以看出,普通 RPC的力學性能并沒有得到改善,相反還略有降低,但降低幅度不明顯。而粉煤灰RPC抗壓強度和抗折強度都得到一定程度提高,抗壓強度最高提高 10%,抗折強度最高提高 60%。從表 1可以看出：普通RPC與粉煤灰RPC的最佳摻量是0.4%,對應折壓比1/4.88和1/7.22,此時粉煤灰RPC對應的抗折強度提高 40%。

從以上結果可以看出：低彈性模量的聚丙烯纖維、中等彈性模量的耐堿玻璃纖維由于其剛度較小,所以相比鋼纖維而言,它在活性粉末混凝土中的空間作用并不很強,不能形成有效的空間骨架,所以對 RPC的力學性能改善不明顯。從表 1還可以看出,當不摻任何一種纖維時,粉煤灰 RPC的抗折強度較低,比普通RPC低40%多,但抗壓強度和普通RPC基本相當,說明用粉煤灰代替石英粉使活性粉末混凝土的脆性有所增大。

3 結語

1)對于摻入每種纖維而言,普通RPC和粉煤灰RPC二者比較來看,力學性能差異不大,說明用粉煤灰代替石英粉是可行的,不但可以提高經濟效益,而且可以提高社會效益,可以充分高效利用工廠廢棄物粉煤灰。2)對于三種纖維改善RPC的力學性能而言,高彈性模量的鋼纖維改善效果最為理想,不但抗壓、抗折強度最高,而且折壓比也最低;而低彈性模量的聚丙烯纖維和中等彈性模量的耐堿玻璃纖維對兩種RPC的力學性能也有所改善,但是改善效果不明顯。然而由于鋼纖維的耐腐性較差、造價高以及自重大等缺點,在某些環境中可以用適當摻量的耐堿玻璃纖維和聚丙烯纖維代替鋼纖維。

[1] Pierre Richard.Marcel Cheyrezy Composition of Re-active Power Concrete[J].Cement and Concrete Research,1995,25(7)：150-151.

[2] 畢巧巍,楊兆鵬.活性粉末混凝土的研究與應用概述[J].山西建筑,2008,34(17)：5-6.

[3] 陳 健,劉紅彬,賈玉丹,等.活性粉末混凝土的研究與應用[J].工業建筑,2005(35)：663-667.

[4] 陳 兵,李 悅.活性粉末混凝土的發展與應用[J].混凝土,2000(8)：34-36.

[5] 何 峰,黃政宇.200～300MPa活性粉末混凝土(RPC)的配制技術研究[J].混凝土與水泥制品,2000(4)：3-6.

[6] 閆光杰,閻貴平,安明喆,等.200MPa級活性粉末混凝土試驗研究[J].鐵道學報,2004,26(2)：116-119.

[7] 謝友均,劉寶舉.摻超細粉煤灰活性粉末混凝土的研究[J].建筑材料學報,2001(3)：280-283.

[8] 覃維組.活性粉末混凝土的研究[J].石油工程建設,2002, 28(3)：1-3.

Impacts of different elasticmodulus fiber on the mechanical property of fly ash RPC

LIU Xiao-li YANG Zhao-peng BIQiao-wei

Selecting differentelastic modulus fiber including steel fiber,alkali-resistantglassfiber,polyp ropylene fiber,then respectivelymixing them with fly ash Reactive PowderConcrete(RPC),it carries on experimentalanalysis and research on themechanical properties change condition.The test resultshows that：high elasticmodulus fibermixing RPC can obtain better mechanical property.

fly ash RPC,elastic modulus,fiber,mechanical property

TU528.41

A

1009-6825(2011)09-0115-02

2010-11-25

劉曉麗(1966-),女,工程師,西安市臨潼區建設和住房保障局,陜西西安 710600

楊兆鵬(1982-),男,工程師,大連北糧有限公司,遼寧大連 116024

畢巧巍(1966-),女,副教授,大連交通大學土木與安全工程學院,遼寧大連 116028