不同品種增強纖維對混凝土力學性能的影響

劉愛華,王飛龍

(1.西藏民族大學,陜西 咸陽712000;2.陜西工業職業技術學院,陜西 咸陽712000)

普通混凝土作為應用最廣泛的建筑材料,普遍具有抗拉強度低、韌性差的缺點,而混凝土中加入適當比例的纖維后,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,傳統建筑材料與紡織材料相互結合已然成為發展趨勢[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構等方面得到了廣泛的應用,復合材料中纖維已突破了簡單的增強功能[3]。前期研究成果表明,纖維對混凝土力學性能的影響,主要體現在纖維的種類、形狀、摻量及纖維在基體的分布形態[4-7]。

通過試驗研究不同種類、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度、彈性模量高,化學穩定性良好的特點,為此,試驗中以此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,主要材料技術指標見表1。

表1 試驗所用主要材料技術指標

主要試驗儀器:HJW混凝土攪拌機,振動頻率50 Hz磁吸振動臺,ZBSX 92A型搖篩機,YEW-2000壓力試驗機,YA-300型全自動試驗壓力機及電子天平等。

1.2 試驗方案

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種不同比例進行對比實驗,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也明顯高于濕拌法,為此,試驗采用干拌法,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 測試方法

試驗中,1#～9#方案備用試塊按照CECS13-2009《纖維混凝土試驗方法標準》制作,其中,抗壓強度模具試件尺寸為100×100×100 mm,抗折強度模具成型試件尺寸為100×100×400 mm。

2 結果和分析

3種不同類型的混凝土,在養護箱中28 d保養齡期后,測試其抗壓強度、劈裂抗拉強度及彎拉強度,試驗數據如表3所示。

表3 混凝土強度性能指標(28 d)

2.1 摻入纖維對坍落度的影響

作為混凝土的重要技術指標之一,和易性包含流動性、黏聚性和保水性三層含義。其中,混凝土的流動性是指水泥拌合物能產生流動,并具有均勻密實的特征,一般用坍落度來表征[9]。由圖2數據可知,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,但沒有出現離析現象,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 纖維種類對混凝土力學性能的影響

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

圖3 各組試塊劈裂強度增強率變化

2.3 纖維摻量對混凝土力學性能的影響

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 纖維混凝土力學性能的變化

所摻入3種纖維對于混凝土抗壓強度、劈裂強度、彎拉強度等力學性能技術指標均有提高,但纖維摻入量不宜過高,否則不僅增加生產成本且增強效果也不明顯,摻入量為1 kg/m3時效果較好。混凝土的劈裂強度增強效果最為明顯,其原因可能是在混凝土中摻加了增強纖維后,其破壞模式也隨之改變,即當試塊初裂后,水泥基體未完全斷裂前仍繼續承受荷載,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 結語

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

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