不同品種增強(qiáng)纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

劉愛華,王飛龍

(1.西藏民族大學(xué),陜西 咸陽712000;2.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 咸陽712000)

普通混凝土作為應(yīng)用最廣泛的建筑材料,普遍具有抗拉強(qiáng)度低、韌性差的缺點(diǎn),而混凝土中加入適當(dāng)比例的纖維后,基體部分自由水得以聚集,粗集料下沉受阻[1],水泥基體的收縮減少,使得混凝土的物理性能大幅度改善,傳統(tǒng)建筑材料與紡織材料相互結(jié)合已然成為發(fā)展趨勢(shì)[2]。近年來,芳族聚酰胺纖維、玻璃纖維、聚丙烯腈纖維與聚丙烯纖維等,由于其特殊的性能在建筑結(jié)構(gòu)等方面得到了廣泛的應(yīng)用,復(fù)合材料中纖維已突破了簡(jiǎn)單的增強(qiáng)功能[3]。前期研究成果表明,纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響,主要體現(xiàn)在纖維的種類、形狀、摻量及纖維在基體的分布形態(tài)[4-7]。

通過試驗(yàn)研究不同種類、不同摻量纖維混凝土的抗拉抗折性能的影響,探索其最佳工藝配方。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料和儀器

與其他合成纖維相比,芳香族聚酰胺纖維、聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維擁有抗拉強(qiáng)度、彈性模量高,化學(xué)穩(wěn)定性良好的特點(diǎn),為此,試驗(yàn)中以此3種纖維備用。選用陜西秦嶺硅酸鹽水泥,粒徑較小的碎石及聚羧酸系減水劑,主要材料技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 試驗(yàn)所用主要材料技術(shù)指標(biāo)

主要試驗(yàn)儀器:HJW混凝土攪拌機(jī),振動(dòng)頻率50 Hz磁吸振動(dòng)臺(tái),ZBSX 92A型搖篩機(jī),YEW-2000壓力試驗(yàn)機(jī),YA-300型全自動(dòng)試驗(yàn)壓力機(jī)及電子天平等。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 配合比

混凝土的配合比例:水灰比0.54、水泥519 kg/m3、砂613 kg/m3、石子1 102 kg/m3、砂率38%,聚羧酸系減水劑1.30%,3種不同纖維分別摻入1.00、1.20、1.50 kg/m33種不同比例進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),具體摻入量見表2。

表2 纖維摻入量

1.2.2 纖維摻入工藝

纖維混凝土中纖維的摻入一般包括干拌法和濕拌法2種[8]。干拌法較濕拌法更有利于纖維在基體中的均勻分布,制備的混凝土物理綜合性能指標(biāo)也明顯高于濕拌法,為此,試驗(yàn)采用干拌法,其工藝流程如圖1所示。

圖1 混凝土纖維攪拌工藝流程

1.2.3 測(cè)試方法

試驗(yàn)中,1#～9#方案?jìng)溆迷噳K按照CECS13-2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》制作,其中,抗壓強(qiáng)度模具試件尺寸為100×100×100 mm,抗折強(qiáng)度模具成型試件尺寸為100×100×400 mm。

2 結(jié)果和分析

3種不同類型的混凝土,在養(yǎng)護(hù)箱中28 d保養(yǎng)齡期后,測(cè)試其抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度及彎拉強(qiáng)度,試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 混凝土強(qiáng)度性能指標(biāo)(28 d)

2.1 摻入纖維對(duì)坍落度的影響

作為混凝土的重要技術(shù)指標(biāo)之一,和易性包含流動(dòng)性、黏聚性和保水性三層含義。其中,混凝土的流動(dòng)性是指水泥拌合物能產(chǎn)生流動(dòng),并具有均勻密實(shí)的特征,一般用坍落度來表征[9]。由圖2數(shù)據(jù)可知,隨著纖維摻入混凝土中,其坍落度較素混凝土(31.30 mm)有所降低,但沒有出現(xiàn)離析現(xiàn)象,不影響混凝土的工作性能及正常使用。

圖2 混凝土坍落度變化

2.2 纖維種類對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

由試驗(yàn)結(jié)果(表3)可知,摻入3種不同的纖維混凝土,力學(xué)性能有所提高。其中,芳香族聚酰胺纖維混凝土(1#、2#、3#試塊)對(duì)增強(qiáng)作用明顯(圖3、圖4),尤其是纖維對(duì)劈裂強(qiáng)度保期28 d提高更為顯著,抗彎強(qiáng)度及彎拉強(qiáng)度也略高于對(duì)照組。

圖3 各組試塊劈裂強(qiáng)度增強(qiáng)率變化

2.3 纖維摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

由圖4可以看出,摻入1.00、1.20、1.50 kg/m33種比例的芳香族聚酰胺纖維、聚丙烯腈纖維、聚丙烯纖維3種纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度比素混凝土分別提高了8.9%、11.5%、11.5%,0.70%、5.7%、6.0%,0.5%、2.4%、2.4%;3種纖維混凝土的劈裂強(qiáng)度比素混凝土分別提高25.7%、29.5%、31.0%,14.7%、16.3%、17.0%,3.5%、7.1%、7.6%;3種纖維混凝土的彎拉強(qiáng)度比素混凝土分別提高14.6%、15.6%、16.6%,9.0%、9.2%、11.5%,4.9%、7.2%、7.8%。

圖4 纖維混凝土力學(xué)性能的變化

所摻入3種纖維對(duì)于混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度等力學(xué)性能技術(shù)指標(biāo)均有提高,但纖維摻入量不宜過高,否則不僅增加生產(chǎn)成本且增強(qiáng)效果也不明顯,摻入量為1 kg/m3時(shí)效果較好。混凝土的劈裂強(qiáng)度增強(qiáng)效果最為明顯,其原因可能是在混凝土中摻加了增強(qiáng)纖維后,其破壞模式也隨之改變,即當(dāng)試塊初裂后,水泥基體未完全斷裂前仍繼續(xù)承受荷載,而纖維在外力的作用下是逐漸被拉斷或者拔出的,繼而增加自身的韌性。

3 結(jié)語

在素混凝土中加入芳綸聚酰胺等纖維,混凝土的力學(xué)性能綜合指標(biāo)得到了提升。尤其是由于水泥基體中加入纖維,混凝土的劈裂強(qiáng)度最高提升接近30%,從而顯著提高了混凝土的抗?jié)B性和耐久性,提高混凝土使用壽命。

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