聚丙烯纖維摻和CSG材料力學(xué)性能的研究★

穆林鈞 王咸杰 Lim Jeong-Yeul 金光日*

(1.延邊大學(xué)工學(xué)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(duì)壩基的地質(zhì)條件要求相對(duì)較低[6]；經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外的長(zhǎng)期研究和實(shí)踐證明，壩體具有安全可靠，施工簡(jiǎn)易，節(jié)約能源，經(jīng)濟(jì)合理等優(yōu)點(diǎn)。但隨著膠凝砂礫石材料在水利工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，針對(duì)CSG材料特性提出科學(xué)合理的配比設(shè)計(jì)方法及力學(xué)性能的研究是工程界值得關(guān)注的問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外的研究[7，8]表明，膠凝砂礫石材料的力學(xué)性能主要受骨料級(jí)配、膠凝含量、用水量等因素的影響，由于國(guó)內(nèi)對(duì)膠凝砂礫石材料的研究處于早期階段，沒(méi)有形成一個(gè)系統(tǒng)的力學(xué)研究理論且試驗(yàn)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(qiáng)度等力學(xué)性能。本文選取天然砂礫石為原材料，采取等骨料級(jí)配及砂率，不同水泥用量、齡期等分析CSG材料的力學(xué)性能，研究CSG材料強(qiáng)度變化規(guī)律及影響因素，為膠凝砂礫石材料的進(jìn)一步應(yīng)用提供參考理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

試驗(yàn)中，水泥采用密度為3.04 g/cm3的42.5號(hào)普通硅酸鹽水泥，物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示；試驗(yàn)采用的纖維是聚丙烯纖維，與水泥等親和性好，力學(xué)性能如表2所示；試驗(yàn)所用天然砂礫石料來(lái)自砂礫壩，進(jìn)行篩分試驗(yàn)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(jí)配曲線如圖1所示；水采用天然自來(lái)水。

表1 水泥的物理性質(zhì)

表2 纖維性能指標(biāo)

表3 天然砂礫石料物理特性

1.2 試驗(yàn)方法

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

1.3 配合比設(shè)計(jì)

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

表4 配合比試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 CSG材料抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

2.1.1試件破壞形態(tài)

根據(jù)圖2所示以及現(xiàn)場(chǎng)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(guò)程為：1)當(dāng)試件荷載不斷增大時(shí)，試件的上下表面處與試驗(yàn)機(jī)上下壓力面處產(chǎn)生相互摩擦力，從而使試件受到約束而不能產(chǎn)生縱向擴(kuò)張。2)隨著試驗(yàn)荷載的增大，試件在垂直方向上產(chǎn)生壓應(yīng)力促使試件產(chǎn)生縱向變形。

2.1.2纖維摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度影響分析

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

數(shù)據(jù)分析可知：隨著PP纖維摻量的增加，CSG材料的抗壓強(qiáng)度也隨之增加，尤其是在后期材料的抗壓強(qiáng)度增加明顯。

2.2 CSG材料劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

2.2.1試件破壞形態(tài)

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(dāng)試件的荷載力不斷增大時(shí)，試件沿中心線方向出現(xiàn)裂縫且試件裂縫寬度也不斷增大，當(dāng)試件的承載能力達(dá)到所能承受的抗拉荷載峰值時(shí)，試件由于超過(guò)峰值而發(fā)生破壞。

2.2.2纖維摻量對(duì)劈拉強(qiáng)度影響分析

分析圖5，聚丙烯纖維摻量與抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律，數(shù)據(jù)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(qiáng)度也隨之增強(qiáng)。如圖5a)中所示，在水泥用量為40 kg/m3時(shí)，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(qiáng)度分別摻量為1%時(shí)的抗壓強(qiáng)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(qiáng)度分別摻量為6%時(shí)的抗壓強(qiáng)度增加了13%～82%。如圖5b)中所示，在水泥用量為80 kg/m3時(shí)，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(qiáng)度分別摻量為1%時(shí)的抗壓強(qiáng)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(qiáng)度分別摻量為3%時(shí)的抗壓強(qiáng)度增加了1%～19%。如圖5c)中所示，在水泥用量為100 kg/m3時(shí)，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(qiáng)度分別摻量為12%時(shí)的抗壓強(qiáng)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(qiáng)度分別摻量為6%時(shí)的抗壓強(qiáng)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(qiáng)度。

2.3 水泥用量對(duì)強(qiáng)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(qiáng)度的主要因素。為了進(jìn)一步研究水泥用量對(duì)CSG材料的強(qiáng)度的影響，選取天然砂石料為原材料，采取等骨料級(jí)配及砂率，水泥用量從40 kg/m3到100 kg/m3，測(cè)試CSG材料的7 d，28 d齡期的強(qiáng)度變化，試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖6,圖7所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，水泥用量越多，膠凝砂礫石材料的強(qiáng)度越大。7 d齡期時(shí)，在水泥用量從40 kg/m3增加至100 kg/m3，試件抗壓強(qiáng)度從8 MPa增加至19 MPa；28 d齡期時(shí)，在水泥用量從40 kg/m3增加至100 kg/m3，試件抗壓強(qiáng)度從10 MPa增加至27 MPa。7 d齡期時(shí)，在水泥用量從40 kg/m3增加至100 kg/m3，試件劈拉強(qiáng)度從1 MPa增加至4 MPa；28 d齡期時(shí)，在水泥用量從40 kg/m3增加至100 kg/m3，試件抗壓強(qiáng)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(shí)，CSG材料的劈拉強(qiáng)度達(dá)到3 MPa。在水利工程中，對(duì)于強(qiáng)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(duì)強(qiáng)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(jié)語(yǔ)

1)摻入PP纖維能夠有效提高膠凝砂礫石材料的力學(xué)性能。對(duì)于抗壓強(qiáng)度而言，CSG材料的早期強(qiáng)度增長(zhǎng)率優(yōu)于后期強(qiáng)度，整體強(qiáng)度均趨于增加；使膠凝砂礫石材料的強(qiáng)度性能更接近于碾壓混凝土，膠凝材料用量越多，膠結(jié)作用越強(qiáng)，試件的抗壓強(qiáng)度能力也越強(qiáng)；對(duì)于劈拉強(qiáng)度而言，隨著PP纖維摻量的增加，CSG材料的劈拉強(qiáng)度趨于增加，當(dāng)纖維摻量過(guò)高時(shí)，CSG材料的劈拉強(qiáng)度有所降低。2)試驗(yàn)中，膠凝砂礫石材料的強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而增大；7 d齡期的CSG材料抗壓強(qiáng)度約占18 d齡期抗壓強(qiáng)度的48%～69%，7 d齡期的CSG材料劈拉強(qiáng)度約占18 d齡期抗壓強(qiáng)度的70%～90%；隨著水泥用量的增加，CSG材料的強(qiáng)度明顯大幅增加。3)試驗(yàn)結(jié)果表明：試件采用不同膠凝材料用量、齡期時(shí)，PP纖維摻和CSG材料能有效改善原材料的強(qiáng)度，使試件的破壞形態(tài)轉(zhuǎn)化為延性破壞，尤其是摻入12%聚丙烯纖維時(shí)，試件的抗壓及劈拉強(qiáng)度達(dá)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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