聚丙烯纖維摻和CSG材料力學性能的研究★

穆林鈞 王咸杰 Lim Jeong-Yeul 金光日*

(1.延邊大學工學院，吉林 延吉 133002； 2.K-water Institute, Infrastructure Research Center， Korea)

0 引言

膠凝砂礫石壩[1,2]是采用膠凝砂礫石材料的一種新型筑壩工藝，由于膠凝砂礫石壩[3-5]的水泥用量少，因此膠凝砂礫石壩對壩基的地質條件要求相對較低[6]；經過國內外的長期研究和實踐證明，壩體具有安全可靠，施工簡易，節約能源，經濟合理等優點。但隨著膠凝砂礫石材料在水利工程領域的廣泛應用，針對CSG材料特性提出科學合理的配比設計方法及力學性能的研究是工程界值得關注的問題。

國內外的研究[7，8]表明，膠凝砂礫石材料的力學性能主要受骨料級配、膠凝含量、用水量等因素的影響，由于國內對膠凝砂礫石材料的研究處于早期階段，沒有形成一個系統的力學研究理論且試驗方法尚未完善。大量研究資料[9]表明，摻和纖維可有效提高膠凝砂礫石材料的強度等力學性能。本文選取天然砂礫石為原材料，采取等骨料級配及砂率，不同水泥用量、齡期等分析CSG材料的力學性能，研究CSG材料強度變化規律及影響因素，為膠凝砂礫石材料的進一步應用提供參考理論依據。

1 試驗設計

1.1 原材料

試驗中，水泥采用密度為3.04 g/cm3的42.5號普通硅酸鹽水泥，物理性質指標如表1所示；試驗采用的纖維是聚丙烯纖維，與水泥等親和性好，力學性能如表2所示；試驗所用天然砂礫石料來自砂礫壩，進行篩分試驗后分為骨料和砂料，材料的物理特性如表3所示，骨料顆粒級配曲線如圖1所示；水采用天然自來水。

表1 水泥的物理性質

表2 纖維性能指標

表3 天然砂礫石料物理特性

1.2 試驗方法

本次試驗的試件尺寸為φ150 mm×H300 mm，試驗每個配合比制作試件10個(6個抗壓+4個劈拉)，總共制作30個試件。試件分三層裝入碳素鋼模，每層采用人工振搗擊實成型，試件48 h后脫模，在自然條件下養護，試件之間保持一定的距離，試件養護溫度為(20±2) ℃，灑水養護，保證濕度為(95±1)%。

1.3 配合比設計

選取天然砂石料為原材料，采取等骨料級配及砂率，通過摻和纖維及選用不同水泥量、齡期以正交試驗方法研究材料配合比，通過摻和纖維1%,3%,6%,12%(占水泥用量的百分比)，得到試驗配合比結果如表4所示。

表4 配合比試驗設計

2 試驗結果及分析

2.1 CSG材料抗壓強度試驗

2.1.1試件破壞形態

根據圖2所示以及現場試件加載情況分析可知，膠凝砂礫石材料圓柱體試件的受壓破壞[10]過程為：1)當試件荷載不斷增大時，試件的上下表面處與試驗機上下壓力面處產生相互摩擦力，從而使試件受到約束而不能產生縱向擴張。2)隨著試驗荷載的增大，試件在垂直方向上產生壓應力促使試件產生縱向變形。

2.1.2纖維摻量對抗壓強度影響分析

根據圖3分析可知，當膠凝砂礫石材料中的PP纖維的摻量分別為1%,3%,6%,12%時，在圖3a)中水泥用量為40 kg/m3時，PP纖維摻量為1%,6%,12%的膠凝砂礫石材料的7 d抗壓強度分別摻量為3%時的抗壓強度增加了5%～40%；PP纖維摻量為1%,6%,12%的膠凝砂礫石材料的28 d抗壓強度分別摻量為3%時的抗壓強度增加了15%～40%；在圖3b)中水泥用量為80 kg/cm3時，PP纖維摻量為1%,6%,12%的膠凝砂礫石材料的7 d抗壓強度分別摻量為3%時的抗壓強度增加了20%～37%；PP纖維摻量為1%,3%,12%的膠凝砂礫石材料的28 d抗壓強度分別摻量為6%時的抗壓強度增加了2%～14%；在圖3c)中水泥用量為100 kg/m3時，PP纖維摻量為3%,6%,12%的膠凝砂礫石材料的7 d抗壓強度分別摻量為1%時的抗壓強度增加了20%～91%；PP纖維摻量為3%,6%,12%的膠凝砂礫石材料的28 d抗壓強度分別摻量為1%時的抗壓強度增加了7%～47%。

數據分析可知：隨著PP纖維摻量的增加，CSG材料的抗壓強度也隨之增加，尤其是在后期材料的抗壓強度增加明顯。

2.2 CSG材料劈裂抗拉強度試驗

2.2.1試件破壞形態

如圖4所示，CSG材料試件的劈裂破壞方式[12]是沿著中心線，劈裂成兩半的形式，但骨料并未遭到破壞。當試件的荷載力不斷增大時，試件沿中心線方向出現裂縫且試件裂縫寬度也不斷增大，當試件的承載能力達到所能承受的抗拉荷載峰值時，試件由于超過峰值而發生破壞。

2.2.2纖維摻量對劈拉強度影響分析

分析圖5，聚丙烯纖維摻量與抗拉強度的變化規律，數據整理分析可知：隨著聚丙烯纖維摻量的增加，CSG材料的劈拉強度也隨之增強。如圖5a)中所示，在水泥用量為40 kg/m3時，聚丙烯纖維摻量為3%,6%,12%的膠凝砂礫石材料的7 d劈拉強度分別摻量為1%時的抗壓強度增加了67%～95%；聚丙烯纖維摻量為1%,3%,12%的膠凝砂礫石材料的28 d劈拉強度分別摻量為6%時的抗壓強度增加了13%～82%。如圖5b)中所示，在水泥用量為80 kg/m3時，聚丙烯纖維摻量為3%,6%,12%的膠凝砂礫石材料的7 d劈拉強度分別摻量為1%時的抗壓強度增加了3%～32%；聚丙烯纖維摻量為1%,6%,12%的膠凝砂礫石材料的28 d劈拉強度分別摻量為3%時的抗壓強度增加了1%～19%。如圖5c)中所示，在水泥用量為100 kg/m3時，聚丙烯纖維摻量為1%,3%,6%的膠凝砂礫石材料的7 d劈拉強度分別摻量為12%時的抗壓強度增加了11%～100%；聚丙烯纖維摻量為1%,3%,12%的膠凝砂礫石材料的28 d劈拉強度分別摻量為6%時的抗壓強度增加了20%～73%。

分析原因在于：PP纖維[11]是一種與水泥有良好的親和力的材料，在CSG材料中摻入PP纖維能有效抑制CSG材料的早期裂縫，從而有效的提高了CSG材料的劈拉強度。

2.3 水泥用量對強度的影響分析

膠凝砂礫石材料的材料特性介于混凝土和堆石料之間，其主要的工程特性之一是膠凝材料用量少[12]，水泥用量是影響CSG材料強度的主要因素。為了進一步研究水泥用量對CSG材料的強度的影響，選取天然砂石料為原材料，采取等骨料級配及砂率，水泥用量從40 kg/m3到100 kg/m3，測試CSG材料的7 d，28 d齡期的強度變化，試驗數據結果如圖6,圖7所示。

由試驗結果可知，水泥用量越多，膠凝砂礫石材料的強度越大。7 d齡期時，在水泥用量從40 kg/m3增加至100 kg/m3，試件抗壓強度從8 MPa增加至19 MPa；28 d齡期時，在水泥用量從40 kg/m3增加至100 kg/m3，試件抗壓強度從10 MPa增加至27 MPa。7 d齡期時，在水泥用量從40 kg/m3增加至100 kg/m3，試件劈拉強度從1 MPa增加至4 MPa；28 d齡期時，在水泥用量從40 kg/m3增加至100 kg/m3，試件抗壓強度從1 MPa增加至3 MPa。且在水泥用量為80 kg/m3，纖維摻量為12%，齡期為28 d時，CSG材料的劈拉強度達到3 MPa。在水利工程中，對于強度要求較低的工程，CSG材料的單位水泥用量不宜小于30 kg/m3，對強度和安全性要求更高的工程，CSG材料的單位水泥用量不宜小于40 kg/m3。

3 結語

1)摻入PP纖維能夠有效提高膠凝砂礫石材料的力學性能。對于抗壓強度而言，CSG材料的早期強度增長率優于后期強度，整體強度均趨于增加；使膠凝砂礫石材料的強度性能更接近于碾壓混凝土，膠凝材料用量越多，膠結作用越強，試件的抗壓強度能力也越強；對于劈拉強度而言，隨著PP纖維摻量的增加，CSG材料的劈拉強度趨于增加，當纖維摻量過高時，CSG材料的劈拉強度有所降低。2)試驗中，膠凝砂礫石材料的強度隨養護齡期的增長而增大；7 d齡期的CSG材料抗壓強度約占18 d齡期抗壓強度的48%～69%，7 d齡期的CSG材料劈拉強度約占18 d齡期抗壓強度的70%～90%；隨著水泥用量的增加，CSG材料的強度明顯大幅增加。3)試驗結果表明：試件采用不同膠凝材料用量、齡期時，PP纖維摻和CSG材料能有效改善原材料的強度，使試件的破壞形態轉化為延性破壞，尤其是摻入12%聚丙烯纖維時，試件的抗壓及劈拉強度達到最大值。

ACKNOWLEDGEMENT: This research was supported by a grant [MOIS-DP-2015-04] through the Disaster and Safety Management Institute funded by Ministry of the Interior and Safety of Korean government.

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