聚乙烯/聚丙烯纖維混凝土耐高溫性能測試研究

冀 光,張杏芝,趙奕安

(1.中發(fā)工程設計有限公司,北京 100032;2.北京欣智恒科技股份有限公司,北京 100080;3.清華大學,北京 100084)

混凝土材料是土木工程領域中使用最為廣泛的材料之一,其性能直接關乎著結構的安全,其中混凝土的抗高溫性能顯得尤為突出[1-4]。因此,不少研究學者對混凝土的抗高溫性進行了研究,如研究受火時間、軸壓比和剪跨比對火災后鋼筋混凝土短柱的受剪承載力等的影響[5]。通過在混凝土中摻加纖維來減少混凝土高溫后的強度損失和爆裂[6]。分析了高溫后混凝土外觀特征,測得了高溫下混凝土的單軸抗壓強度[7]。分析了高溫和彈速對混凝土沖擊力學特性的影響[8]。考慮了粉煤灰摻量、高溫溫度、碳化時間等影響因素,研究了高溫對粉煤灰混凝土抗碳化性能的影響[9]。研究高溫后混凝土近似純剪狀態(tài)下的抗剪性能[10]。探討了不同高溫作用和不同配合比對混凝土抗凍融性能的影響[11]。分析了高溫對混凝土的物理性能和力學性能的影響[12]。分析了高低溫環(huán)境對混凝土導熱性能的影響[13]。研究分析了高溫與凍融循環(huán)耦合作用下聚丙烯纖維混凝土抗凍性能的退化規(guī)律[14]。

從上述研究成果可以看出,不同高溫環(huán)境會對混凝土的力學性能、抗凍性能和保溫性能等都造成明顯的影響。因此,研發(fā)高性能混凝土,提高混凝土的抗高溫性性能顯得十分必要。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗原材料

水泥:杭州東嘯建筑材料有限公司生產的P·O52.5水泥,其化學組成成分由廠家提供,具體的表現(xiàn)為:SiO2占比22.02%、CaO占比59.94%、Al2O3占比5.13%、MgO占比4.16%、Fe2O3占比4.41%、SO3占比4.34%;礦渣:黃石市某礦業(yè)有限責任公司生產的礦渣;石和粗砂:南京某景觀工程技術有限公司生產,其中石粒徑為10～20 mm,粗砂粒徑為0～5 mm;水:實驗室蒸餾水。

對混凝土進行配制,基本混凝土配合比為:水泥135 kg/m3、粗砂183 kg/m3、石382 kg/m3、水灰比為0.45、礦渣28 kg/m3。

為提高混凝土的抗高溫性能,在混凝土中分別摻入由河北某材料有限公司生產的型號為2488的聚乙烯纖維(直徑7.4 μm,密度0.93 g/cm3,抗拉強度為620 MPa)、廊坊某保溫材料有限公司生產的型號為PP-6的聚丙烯纖維(直徑6.7 μm,密度0.87 g/cm3,抗拉強度為650 MPa),聚乙烯纖維和聚丙烯纖維摻入比例均為0.2%、0.4%、0.8%、1.5%、2.0%、3.0%,根據(jù)含量配制單一纖維混凝土試塊。

通過實驗分析混摻纖維對混凝土試塊的抗高溫性能影響,在總纖維含量為2%的條件下,配制混摻纖維混凝土試塊,混摻比例如表1所示。

表1 混摻配合比Tab.1 Mixing ratio

1.2 實驗方法

根據(jù)混凝土制備步驟規(guī)范要求,將成型的混凝土試塊放入標準養(yǎng)護室內進行標準養(yǎng)護,恒溫25 ℃、恒濕98%。為在實驗室內設定高溫環(huán)境,將混凝土試塊放入蘇州某工業(yè)設備有限公司生產的BHW型烘箱中進行烘烤6 h,高溫環(huán)境分別為25 ℃(與養(yǎng)護環(huán)境相同)、50、150、400和600 ℃[8-9]。以混凝土的質量和抗壓強度為評價指標,分析各種類混凝土在高溫下的演變規(guī)律。其中,混凝土的質量由東莞市利拓檢測儀器有限公司生產的LT-FZ05型克重儀進行測量,抗壓強度由上海拓豐儀器科技有限公司生產的TFW-50S型萬能試驗機進行測量;最后通過蘇州沃弗本精密機械有限公司生產的Axio Scope型掃描電鏡分析纖維種類和摻入方式對混凝土的影響。

2 聚乙烯纖維摻量對混凝土性能影響

在混凝土試件中分別摻入0.2%、0.4%、0.8%、1.5%、2%、3%的聚乙烯纖維,分析混凝土在不同溫度25、50、150、400、600 ℃的質量和抗壓強度變化,結果如圖1所示。

(a)質量變化

從圖1(a)可知,聚乙烯纖維的最佳摻量為2%。此外,隨著環(huán)境溫度的增加,混凝土的質量則會出現(xiàn)大幅度的下降。這因為當環(huán)境溫度逐漸增加時,混凝土內部孔隙會出現(xiàn)破壞,進而混凝土的質量迅速減少[10]。

從圖1(b)可知,隨著聚乙烯纖維的摻量逐漸增加時,混凝土的抗壓強度會出現(xiàn)先增加而后逐漸下降的趨勢,其最佳摻量為2%。隨著環(huán)境溫度的增加,混凝土的抗壓強度則會出現(xiàn)大幅度的下降。這是因為當環(huán)境溫度逐漸增加時,混凝土內部孔隙會出現(xiàn)破壞,進而混凝土的抗壓強度迅速減少[11-13]。

3 聚丙烯纖維摻量對混凝土性能影響

在混凝土試件中分別摻入0.2%、0.4%、0.8%、1.5%、2.0%、3.0%的聚丙烯纖維,分析混凝土在不同溫度25、50、150、400、600 ℃的質量和抗壓強度變化,結果如圖2所示。

(a)質量變化

從圖2(a)可知,隨著聚丙烯纖維的摻量逐漸增加時,混凝土的質量會出現(xiàn)先增加而后逐漸下降的趨勢,其最佳摻量為2%。對比聚乙烯纖維的影響,可以得出聚丙烯纖維對混凝土的性能改進要好,這一點可以從2種纖維的基本性質觀察出。隨著環(huán)境溫度的增加,混凝土的質量則會出現(xiàn)大幅度的下降,這主要原因與聚乙烯纖維混凝土類似。

從圖2(b)可知,隨著聚丙烯纖維的摻量逐漸增加時,混凝土的抗壓強度會出現(xiàn)先增加而后逐漸下降的趨勢,其最佳摻量為2%。聚丙烯纖維的拉伸強度要高于聚乙烯纖維,因此,聚丙烯纖維對混凝土性能的提升要好于聚乙烯纖維。隨著環(huán)境溫度的增加,混凝土的抗壓強度則會出現(xiàn)大幅度的下降,這主要的原因與聚乙烯纖維混凝土類似[14-16]

4 混摻纖維摻量對混凝土性能影響

配制5組不同混摻纖維比例的混凝土試塊,分析混凝土在不同溫度25、50、150、400、600 ℃的質量和抗壓強度變化,結果如圖3所示。

(a)質量變化

從圖3(a)可知,在纖維總摻量為2%的情況下,隨著聚丙烯纖維摻量比例的增加,即聚乙烯纖維摻量比例逐漸減小,混摻纖維混凝土的質量會出現(xiàn)先增加而后逐漸下降的趨勢。最佳混摻纖維比例為聚乙烯纖維摻量為0.5%、聚丙烯纖維摻量為1.5%,即A4組混凝土試塊。這是因為當環(huán)境溫度逐漸增加時,混凝土內部孔隙會出現(xiàn)破壞,進而混凝土的質量迅速減少[17-18]。

從圖3(b)可知,在纖維總摻量為2%的情況下,隨著聚丙烯纖維摻量比例的增加,即聚乙烯纖維摻量比例逐漸減小,混摻纖維混凝土的抗壓強度會出現(xiàn)先增加而后逐漸下降的趨勢。最佳混摻纖維比例為聚乙烯纖維摻量為0.5%、聚丙烯纖維摻量為1.5%,即A4組混凝土試塊。隨著環(huán)境溫度的增加,混摻纖維混凝土的抗壓強度則會出現(xiàn)大幅度的下降。

5 結語

(1)當環(huán)境溫度逐漸增加時,混凝土內部孔隙會出現(xiàn)破壞,進而混凝土的質量和抗壓強度迅速減少,并且呈非線性下降趨勢。可見環(huán)境溫度對混凝土的影響非常大;

(2)隨著纖維的摻量逐漸增加時,混凝土的質量和抗壓強度會出現(xiàn)先增加而后逐漸下降的趨勢;對于聚乙烯纖維其最佳摻量為2%,對于聚丙烯纖維其最佳摻量也為2%。在摻量比例相同的情況下,聚丙烯纖維對混凝土抗高溫性能的提升要優(yōu)于聚乙烯纖維;

(3)在混凝土中混摻纖維時,2種纖維的直徑不相同,能夠達到互補的效果,因而在總摻量相同的情況下,混摻纖維混凝土的抗高溫性能高于單摻纖維混凝土。其最佳摻量:聚乙烯纖維為0.5%、聚丙烯纖維為1.5%。