丁苯乳液對鋼纖維混凝土力學及抗沖擊性能影響

楊 林 李 明

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

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丁苯乳液對鋼纖維混凝土力學及抗沖擊性能影響

楊 林 李 明

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

通過試驗，研究了丁苯乳液改性鋼纖維混凝土的力學性能及抗沖擊性能，并分析了丁苯乳液對鋼纖維混凝土的改性效果，試驗結果表明：丁苯乳液雖然降低了鋼纖維混凝土的抗壓強度，但可顯著提高其抗折強度和抗沖擊性能。

鋼纖維混凝土，丁苯乳液，力學性能，抗沖擊性能

鋼纖維混凝土是應用廣泛的路面鋪筑材料[1]，人們試圖應用鋼纖維抗拉強度高的特點來克服普通混凝土脆性大、韌性低的先天缺陷，但鋼纖維混凝土在實際使用中的表現并不十分理想，產生這種現象的主要原因是：鋼纖維與基體之間結合不緊密，鋼纖維與基體之間的粘結性較差，鋼纖維抗拉強度高的特點無法充分的發揮。隨著復合材料理論研究的不斷深入和高分子材料合成技術的發展，人們發現丁苯乳液是一種優良的混凝土改性劑[2,3]，其內部的表面活性劑會攜帶著高分子丁苯聚合物聚集在混凝土界面處，從而改善混凝土內部界面區結構，并能夠在基體內形成聚合物薄膜，增強基體的粘結性。丁苯乳液的這種性質必然使其成為優良的鋼纖維混凝土改性劑，因此，本文將對丁苯乳液改性鋼纖維混凝土的力學性能及抗沖擊性能進行試驗研究，分析丁苯乳液對鋼纖維混凝土的改性效果。

1 試驗設計

1.1 試驗原材料

試驗用水泥為亞泰水泥廠生產的天鵝牌P.O42.5水泥，各項技術參數均符合規范要求；試驗所用細集料為本地河砂，細度模數為2.75；粗骨料采用5 mm～16 mm級配碎石；鋼纖維為河北衡水某橡塑制品廠生產的剪切型異型鋼纖維，具體技術指標如表1所示；聚合物乳液為山東鼎鼎化工廠提供的水泥專用羧基丁苯乳液，技術參數詳見表2；外加劑為FDN-1高效減水劑，改性有機硅油消泡劑。

表1 鋼纖維技術指標

表2 丁苯乳液技術參數

表3 試驗配合比設計

1.2 試驗配合比設計

以編號FP0為基礎配合比，以丁苯乳液摻量為變量，為排除外加劑摻量對試驗結果的影響，所有配合比中減水劑摻量均為3.0 kg/m3，消泡劑摻量為1.5 kg/m3,配合比設計如表3所示。表3中用水量為外加水質量與丁苯乳液含水量之和(丁苯乳液中含有50%水)，丁苯乳液質量分數指的是占水泥質量百分比。

1.3 試件的制作及養護

抗折強度試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，每組3個試件，共計12個，抗壓強度試件為抗折強度試驗獲得的試件斷頭，抗沖擊試驗試件尺寸為φ150 mm×64 mm的圓餅形試件，每組6個試件，共計24個。丁苯乳液改性鋼纖維混凝土的拌和方法為：將水泥、粗細集料及外加劑干拌1 min后逐漸加入鋼纖維，加入完畢后再干拌1 min，將水與丁苯乳液的混合物倒入后繼續拌和90 s，將拌和物裝入試模后振搗至無氣泡冒出，用塑料薄膜覆蓋在試件表面，1 d后脫模，采用標準養護方式對試件進行養護，養護齡期為28 d。

1.4 試驗方法

1)抗折強度及抗壓強度試驗參照CECS 13—89鋼纖維混凝土試驗方法進行。2)抗沖擊試驗采用美國ACI544委員會推薦的落錘沖擊法[4,5]，本次試驗對落錘沖擊試驗裝置進行了改進，在落錘與傳力球之間加裝固定套筒，套筒高度450 mm，套筒能夠保證落錘下落高度準確及與傳力球的接觸位置固定，試驗裝置如圖1所示。試驗過程中仔細觀察試件表面，當試件表面出現第一條裂縫時的沖擊次數即為初裂次數N1，繼續進行沖擊，直至試件與底座四塊擋板中的三塊接觸時，此時的沖擊次數為終裂次數N2。試驗中沖擊韌度W和出裂后繼續吸收能量ΔW計算方法如式(1)及式(2)所示。

W=N1mgh

(1)

ΔW=(N2-N1)mgh

(2)

其中，m為落錘質量，4.5 kg；g為重力加速度，取9.8 m/s2；h為落錘下降高度，0.450 m。

2 試驗結果與分析

2.1 抗折及抗壓強度試驗結果

抗折強度試驗結果如圖2所示，由試驗結果可知，FP5，FP10，FP15的抗折強度較FP0分別提高了6.7%，11.4%，15.4%。以上分析說明，丁苯乳液加入后鋼纖維混凝土的抗折強度提高明顯，其根本原因在于丁苯乳液能夠增強基體的粘結性，使得鋼纖維的增韌阻裂作用得到進一步的發揮，從而提高抗折強度。

抗壓強度試驗結果如圖3所示，鋼纖維混凝土的抗壓強度隨著丁苯乳液摻量的加大而逐漸降低，FP5，FP10，FP15的抗壓強度較FP0分別降低了5.9%，9.7%，12.1%。為解釋這一現象，我們可將丁苯乳液改性鋼纖維混凝土簡單的看作是由基材、鋼纖維、硬化后的丁苯膠體組成的三相復合材料，其抗壓強度取決于三者對于壓力的協同抵抗作用，而丁苯膠體的彈性模量遠低于另外兩種材料[6]，在承受壓力時會產生較大的變形量，使協同作用遭到破壞，從而降低了鋼纖維混凝土的抗壓強度。

2.2 沖擊試驗結果

表4中為落錘沖擊試驗結果，結果顯示，FP5，FP10，FP15的沖擊韌度較FP0分別提高了20.0%，32.2%，56.5%；FP5，FP10，FP15初裂后繼續吸收能量較FP0分別提高了43.6%，95.8%，139.3%。由以上分析可知：丁苯乳液加入后，鋼纖維混凝土的沖擊韌度和初裂后繼續吸收能量都有較大幅度的提高，丁苯乳液顯著提高了鋼纖維混凝土的抗沖擊性能，丁苯乳液摻量越大，鋼纖維混凝土的抗沖擊性能越強。

表4 落錘沖擊試驗結果

3 結語

雖然丁苯乳液的加入一定程度上降低了鋼纖維混凝土的抗壓強度，但丁苯乳液通過增強基體與鋼纖維之間的粘結性顯著提高了鋼纖維混凝土的抗折強度；丁苯乳液的加入極大的提高了鋼纖維混凝土沖擊韌度和初裂后繼續吸收能量，增強了鋼纖維混凝土抵抗沖擊作用的能力，對保證路面的結構安全具有積極的意義。

[1] 馮平喜.鋼纖維增強路面混凝土的應用與發展[J].山西建筑,2003，29(4):104-105.

[2] 熊劍平.聚合物改性水泥混凝土路用性能研究[D].西安：長安大學,2005.

[3] 梁乃興,曹源文,姚紅云.聚合物改性水泥混凝土路用性能研究[J].公路交通科技,2005(3):21-23.

[4] 張平中,黃新華,李文華.鋼—聚丙烯混雜纖維混凝土抗沖擊強度研究[J].山西建筑,2007，33(33):178-179.

[5] 郝景文,梁世春.常用纖維混凝土抗沖擊性能分析[J].山西建筑,2003，29(1):108-109.

[6] 姚樹義.纖維增韌聚合物水泥混凝土的性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學,2011.

Effect of styrene-butadiene latex on the mechanical properties and impact resistance of steel fiber reinforced concrete

Yang Lin Li Ming

(SchoolofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

According to the tests, the paper researches the mechanical properties and shock resistance of styrene-butadiene latex, analyzes the modified effect of the styrene-butadiene latex on the steel fiber concrete, and proves that the latex can lower the compressive strength of the steel fiber concrete and improve the rupture strength and impact resistance performance.

steel fiber concrete, styrene-butadiene latex, dynamic performance, impact resistance performance

1009-6825(2016)26-0129-02

2016-07-01

楊 林(1970- )，男，博士，副教授； 李 明(1988- )，男，在讀碩士

TU528.572

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