聚丙烯纖維混凝土常規抗壓強度試驗研究

王國飛,姚鵬飛

(中國水利水電第十一工程局有限公司,鄭州 450000)

0 引 言

隨著國家基礎建設的不斷發展,越來越多的混凝土被應用于工程實踐。對此學者們進行了研究,童偉光等[1]對不同形態聚丙烯纖維摻入混凝土的抗沖擊性進行了研究,研究結果表明:摻入長的網狀纖維制成新型混凝土抗沖擊力較普通混凝土明顯增強,其強度與摻入的量成正比。秦澤軒[2]用不同的纖維制成的再生混凝土進行了單軸抗壓與劈裂抗拉實驗,研究結果表明:直聚丙烯纖維較曲聚丙烯纖維能增強混凝土的力學性能,植物纖維前期能使混凝土的結構緊密,隨著時間的流逝,結構會變得越來越松散。譚剛等[3]對聚丙烯纖維摻量和混凝土抗壓強度進行了分析,研究結果表明:聚丙烯纖維摻量在0.6～1.0kg/m3的之間時,聚丙烯纖維混凝土具有較好的抗壓強度。劉福順[4]簡析了聚丙烯纖維對混凝土的影響,研究結果表明:不同等級的混凝土摻入聚丙烯纖維制成聚丙烯纖維混凝土較普通混凝土強度均有顯著提高。李嘉卿[5]對聚丙烯纖維混凝土力學性能展開了研究,研究結果表明:聚丙烯纖維摻入混凝土中能提高混凝土的抗壓能力,聚丙烯纖維均勻分布能提高混凝土的抗折強度。馬士賓[6]等對聚丙烯纖維高性能混凝土抗沖擊性能進行了研究,研究結果表明:聚丙烯纖維能夠增強混凝土的沖擊韌性和抗裂能力。劉文[7]等對聚丙烯纖維混凝土基本力學性能進行了研究,研究結果表明:聚丙烯纖維對混凝土的抗壓強度具有增強增韌的效果。楊彬[8]研究了聚丙烯纖維摻量和長度對混凝土抗壓強度的影響,研究結果表明:摻入固定長度的聚丙烯纖維,聚丙烯纖維混凝土的強度最高。董學超[9]對聚丙烯纖維混凝土抗壓強度進行了研究,研究結果表明:聚丙烯纖維對混凝土抗壓強度有顯著增強,提高了混凝土的韌性。張延年[10]等對聚丙烯纖維增強混凝土拉壓比進行了試驗,研究結果表明:聚丙烯纖維可以顯著改善混凝土脆性,提高抗壓能力,提高混凝土的韌性。

參考以上研究,文章主要聚焦于聚丙烯纖維混凝土的抗壓試驗,分別進行了單軸抗壓試驗、循環加卸載試驗及不同荷載的循環試驗。

1 單軸抗壓作用下混凝土力學性能研究

1.1 抗壓測試

首先制備兩種混凝土的試樣,一種普通混凝土,另一種聚丙烯纖維新型混凝土,普通混凝土按照常規C45抗壓強度的配合比制備,新型混凝土摻入聚丙烯纖維。

按照《混凝土結構設計規范》規定,對試驗的混凝土按照規范要求進行物質配合,其中主要的原料為P.O42.5水泥、粉煤灰、河砂、細石子、水、外加劑。水泥為普通硅酸鹽水泥,河砂為0.5～0.25mm中砂,細石子為5～31.5mm碎石,外加劑為水溶性樹脂減水劑,按照規范要求1m3混凝土的質量配合比為水泥∶粉煤灰∶河砂∶細石∶水∶外加劑= 302∶131∶639∶1186∶188∶4.37。所摻入的聚丙烯纖維長約42mm,通混凝土摻入量為1150g/m3,聚丙烯纖維的物理參數,見表1。

表1 聚丙烯纖維的物理參數

試件的制備采用干拌法,制備好的聚丙烯纖維混凝土試件為150mm×150mm×150mm立方體為試驗試件,試件按要求存放于溫度為20±3℃、相對濕度90%以上的條件下養護≥28d,用標準的方法測試。

單軸抗壓作用下聚丙烯纖維混凝土的力學分析過程,需用到數顯式混凝土抗壓強度試驗機,該試驗機測量范圍為0～2000kN,測量精度±1%。單軸抗壓試驗的方式為:試驗的聚丙烯纖維混凝土上逐步增加應力,加載的應力速率為0.6MPa/s,直到試件破裂損壞。試件取出后,先檢查其形狀,選兩面相對水平,表面平整,傾斜偏差相差≤5mm,量出的棱邊長度精確到1mm,選好試件后,以試件上下面為受壓面,將試件放在試驗機中心開始加壓。

2.2 測試結果分析

分別對兩種混凝土試件進行抗壓實驗后對比分析,摻入了聚丙烯纖維的混凝土改良效果非常明顯,其強度性能和變形性能較普通混凝土提升明顯。分別取聚丙烯纖維混凝土試塊和普通混凝土試塊,在相同的單軸抗壓強度條件下進行試驗,單軸抗壓應力—應變曲線圖,見圖1。

圖1 單軸抗壓應力—應變曲線圖

由應力—應變曲線得知,單軸壓力試驗過程分為5個階段:

1)應變率從0～0.04(第1階段),此階段兩種混凝土試塊被壓縮,試塊里原有的細小孔隙被擠壓消失,孔隙消失,壓力直接作用在試塊上。在0～10MPa的壓力下,普通混凝土應變率較聚丙烯纖維混凝土略大,當在10～15MPa的壓力時,兩種混凝土應變基本相同,故在此壓力下,兩種曲線基本變化接近。

2)應變率從0.04～0.05(第2階段),在逐漸加載壓力下,混凝土表面出現凹痕,并有細小裂縫出現,普通混凝土應變率快速變大,到達40MPa的壓力時與聚丙烯纖維混凝土應變相同,應變率為0.045,而聚丙烯纖維混凝土的應變率較普通混凝土增長緩慢,曲線較普通混凝土平滑,由此可知聚丙烯纖維混凝土抗壓強度在此階段高于普通混凝土。

3)應變率從0.05～0.06(第3階段),隨著壓力逐漸增大,混凝土表面出現較大的不規則裂痕。其應變率急劇增大,當壓力達到45MPa時,普通混凝土的應變率為0.06,強度達到峰值,而聚丙烯纖維混凝土則還可承受更大的壓力,直到46.5MPa時,聚丙烯纖維混凝土承受的壓力達到最大,其應變率為0.57。由此表明在此階段相同的壓力下聚丙烯纖維混凝土性能有顯著增強。

4)應變率從0.06～0.11(第4階段),在此階段普通混凝土試塊開始破碎,裂縫急劇增大,較小的塊體開始剝離主體,導致其強度也迅速下降。另一方面,在相同的應變條件下,聚丙烯纖維混凝土能承受的壓力則更大,被破壞的程度較小,主體結構較完整,因此表明在此階段聚丙烯纖維混凝土抗壓性能比普通混凝土有明顯增強。

5)應變率從0.11～0.15(第5階段),普通混凝土試塊已嚴重變形,部分大的塊體從主體脫落,而聚丙烯纖維混凝土試塊僅存在一些較大的裂紋,主體結構基本完好。

綜上所述,從應力-應變曲線和試塊的加壓試驗分析,當壓力逐步增加時,兩種混凝土試塊應變基本接近,當壓力達到最大時,普通混凝土破損嚴重,強度急劇降低,而聚丙烯纖維混凝土在壓力峰值時,應變緩慢,試塊主體基本保持完整,抗壓性能明顯高于普通混凝土。

3 循環加卸載作用下混凝土力學性能研究

3.1 實驗部署

混凝土是由多種材料混合組成,普通混凝土在較大的壓力作用下,會破碎損壞,強度下降。而聚丙烯纖維混凝土在相同的壓力下,抗壓性能顯著增強。當進行循環加卸載作用時,混凝土的力學性能會產生大的改變。

以聚丙烯纖維混凝土試塊進行循環加卸載試驗,應力以0.5MPa/s速度緩慢加壓到18.34MPa后,再以0.5MPa/s速度卸載,經過循環5次,循環加卸載示意圖,如圖2,加卸載試驗后的聚丙烯纖維混凝土試塊沒有明顯變化,主體保持完整。

圖2 循環加卸載示意圖

3.2 實驗結果分析

不同荷載的應變圖,見圖3。如圖3(a)所示,在加載閥值為單軸抗壓強度25%(11.25MPa)時,經過循環5次,普通混凝土的應變率依次為2.53%、2.55%、2.56%、2.57%、2.572%,聚丙烯纖維混凝土的應變率依次為2.5%、2.51%、2.52%、2.522%、2.525% 。普通混凝土較聚丙烯纖維混凝土應變較大,其應變差值依次為0.03%、0.04%、0.04%、0.048%、0.047%。由此表明此階段聚丙烯纖維混凝土較普通混凝土抗壓性能增強。

(a)25%極限荷載循環

如圖3(b)所示,在加載閥值為單軸抗壓強度50%(22.5MPa)時,經過循環5次,普通混凝土的應變率依次為3.18%、3.24%、3.26%、3.28%、3.3%,聚丙烯纖維混凝土的應變率依次為3.02%、3.1%、3.15%、3.17%、3.19% 。普通混凝土較聚丙烯纖維混凝土應變較大,其應變差值依次為0.16%、0.14%、0.11%、0.11%、0.11%。由此表明此階段聚丙烯纖維混凝土較普通混凝土抗壓性能增強。

如圖3(c)所示,在加載閥值為單軸抗壓強度75%(33.75MPa)時,經過循環5次,普通混凝土的應變率依次為3.9%、4.2%、4.4%、4.6%、4.8%,聚丙烯纖維混凝土的應變率依次為3.6%、3.75%、3.9%、4.05%、4.2% 。普通混凝土較聚丙烯纖維混凝土應變較大,其應變差值依次為0.3%、0.45%、0.5%、0.55%、0.6%。由此表明此階段聚丙烯纖維混凝土較普通混凝土抗壓性能明顯增強。

如圖3(d)所示,在加載閥值為單軸抗壓強度100%(45MPa)時,經過循環5次,普通混凝土的應變率依次為4.5%、4.8%、4.9%、4.9%、4.9%,聚丙烯纖維混凝土的應變率依次為4.1%、4.3%、4.45%、4.45%、4.45%。普通混凝土較聚丙烯纖維混凝土應變較大,其應變差值依次為0.4%、0.5%、0.45%、0.45%、0.45%。由此表明此階段聚丙烯纖維混凝土較普通混凝土抗壓性能增強顯著。

在25%、50%、75%、100%的極限壓力荷載下,普通混凝土第1次加載的應變率依次為2.53%、3.18%、3.9%、4.5%,聚丙烯纖維混凝土第1次加載的應變率依次為2.5%、3.02%、3.6%、4.1%,其應變差值依次為0.03%、0.16%、0.3%、0.4%,依次進行第2、3、4、5次循環加載,普通混凝土應變均大于聚丙烯纖維混凝土,由此可知,在相同的極限壓力荷載下,聚丙烯纖維混凝土變形始終小于普通混凝土試件,且在每次循環加載下,聚丙烯纖維混凝土試件對應的應變也均小于普通混凝土試件,其抗壓性能較普通混凝土明顯增強。

經過試驗可知,在極限荷載為25%、50%的強度時,普通混凝土和聚丙烯纖維混凝土的應變均較小,在加卸載后均可恢復的彈性階段,由此可知,兩種混凝土在此荷載作用下性能差別不大。在極限荷載為75%、100%的強度時,普通混凝土和聚丙烯纖維混凝土的應變率均明顯增大,相較于普通混凝土,聚丙烯纖維混凝土應變比較平緩,其抗壓性能明顯優于普通混凝土。

4 結 論

文章對普通混凝土和聚丙烯纖維混凝土,分別進行了單軸抗壓試驗、循環加卸載試驗和不同荷載的循環試驗,可得如下結論:

1)在單軸抗壓試驗中,混凝土逐步加壓達到45MPa時,普通混凝土的強度達到峰值。在加壓達到46.5MPa時,聚丙烯纖維混凝土強度達到峰值,而后普通混凝土強度已明顯下降,其應變急劇增大,聚丙烯纖維混凝土應變則緩慢增大,應變曲線較普通混凝土平滑,表明聚丙烯纖維混凝土抗壓性能明顯優于普通混凝土。

2)在循環加卸載試驗中,應力達到18.34MPa后再卸載,經過5次循環,聚丙烯纖維混凝土試塊沒有明顯變化,由此表明,聚丙烯纖維混凝土抗壓、阻裂性能效果顯著。

3)在單軸抗壓強度25%、50%、75%、100%的5次循環荷載下,普通混凝土較聚丙烯纖維混凝土試塊應變較大。由此表明,在不同強度的循環荷載下,聚丙烯纖維混凝土較普通混凝土抗壓性能有顯著提高。

4)在相同的荷載下,普通混凝土的應變均高于聚丙烯纖維混凝土,由此表明,聚丙烯纖維混凝土抗壓性能明顯優于普通混凝土。