混杂纤维增强高性能混凝土强度的试验

摘　要:目的揭示钢纤维和聚丙烯纤维混杂后对高性能混凝土强度和抗裂性能的影响. 方法参照国家标准和试验方法,按不同的纤维掺量设计了16 组纤维增强高性能混凝土试件,进行了大量抗压强度试验和劈裂抗拉性能试验研究. 结果低体积掺量的聚丙烯纤维增强高性能混凝土劈裂抗拉试验破坏为爆裂式破坏;在高性能混凝土中掺加适量的钢纤维和聚丙烯纤维可使抗拉强度提高10 %～40 % ,使拉压比增大到1/ 18～1/ 16 ;劈裂抗拉试验破坏为带有一定延性的破坏;钢纤维体积掺量为018 %、聚丙烯纤维体积掺量为0111 %时混杂纤维增强高性能混凝土的复合增强效果最好,高性能混凝土拉压比为1/ 16. 结论适量掺加钢纤维和聚丙烯纤维可使高性能混凝土的拉压比增大,提高高性能混凝土的抗裂性能.

关键词:混杂纤维;高性能混凝土;强度;拉压比

中图分类号: TU375 　　　文献标识码:A

　　高性能混凝土以其较高的强度、良好的抗裂性和工作性能等成为21 世纪混凝土技术发展的重点和方向,但其最大的弱点仍是因脆性增大而易产生裂缝,而且随着高性能混凝土强度的提,其破坏形式往往呈无征兆的爆炸性破坏[1 ] . 国内外大量研究表明[1 - 7 ] :掺加适量的高弹性模量的纤维可明显提高混凝土的强度,而掺加适量的低弹性模量、高延伸率的的纤维可明显提高混凝土的韧性. 因此在混凝土中掺入钢纤维或聚丙烯纤维后,由于纤维在混凝土中的阻裂效应而使混凝土的抗拉强度或韧性得到提高;但单一钢纤维或聚丙烯纤维的增强作用是有限的,因为随着纤维掺量的增大,纤维就难以均匀分布于基体混凝土中,当增大到一定程度时,反而起不到增强的效果. 文献[8 ]中对钢纤维混凝土的有关设计和施工作了详细的规定,增补了有关聚丙烯纤维混凝土设计和施工的内容,但还没有对混杂纤维增强混凝土作相应的规定. 在高性能混凝土中同时掺加低掺量的钢纤维(体积掺量< 1 %) 和聚丙烯纤维(体积掺量< 0．2 %) 后,混杂纤维增强高性能混凝土的强度和抗裂性能是混杂纤维增强高性能混凝土研究的前沿问题.

　　笔者对1 组普通高性能混凝土、3 组钢纤维增强高性能混凝土、3 组聚丙烯增强高性能混凝土以及9 组钢纤维( < 1 %) 和聚丙烯纤维( <0．2 %) 的混杂纤维增强高性能混凝土进行强度试验研究,分析了混杂纤维体积掺量对高性能混凝土强度和拉压比的影响,探讨了混杂纤维增强高性能混凝土的增强机理及混杂纤维增强高性能混凝土的破坏形式.

1 　试验概况

1．1 　材料

　　按文献[ 9 ]高性能混凝土(HPC) 配合比设计的有关要求,选择配置基准高性能混凝土C45 的材料:湖北省第一冶金水泥厂生产的普通硅酸盐水泥42．5 级;湖北阳逻电厂粉煤灰公司生产的Ⅰ级粉煤灰,其性能见表1 ;武汉市武昌预制构件厂提供的粗骨料为黏结强度比较好的石英斑岩石,粒径为10～15 mm ,细骨料细度模数在2．68 左右;武汉华东化工有限公司生产的萘系高效减水剂FDN ,减水率≥10 %;武汉汉森钢纤维有限公司生产的SFB - 32 钢纤维,长径比57 ,抗拉强度> 600 MPa ;香港恒律发展有限公司提供的美国杜拉牌聚丙烯纤维,其基本性能见表2.

表1 　Ⅰ级粉煤灰的基本性能

表2 　杜拉牌聚丙烯纤维的基本性能

1．2 　配合比

　　根据文献[ 10 ]中介绍的钢纤维增强HPC 和聚丙烯纤维增强HPC 的工程应用,为分别比较钢维、聚丙烯纤维以及混杂纤维对HPC 的增强效果,进行了4 个系列的对比试验:

　　(1) 基准高性能混凝土为C45 (编号C - 1) :配合比设计取水胶比0. 3 ; ,砂率40 %;粉煤灰掺量20 %. 按文献[ 11 ]中方法计算出1 m3C45 各组成材料的质量分别为: 水泥431 kg ,砂子727 kg ,石头918 kg ,用水量160 kg ,粉煤灰96 kg ,减水剂1 kg.

　　(2) 钢纤维增强HPC(编号为SF 系列) :1 m3HPC45 中,钢纤维掺量SF - 1 为50 kg、SF - 2 为64 kg、SF - 3 为78 kg ,质量分数分别为0．6 %、0．8 %、1．0 %.

　　(3) 聚丙烯纤维增强HPC(编号为PF 系列) :1 m3 HPC45 中, 聚丙烯纤维掺量PF - 1 为0．5 kg、PF - 2 为1．0 kg、PF - 3 为1．5 kg ,质量分数分别为01055 %、0．11 %、0．165 %.

　　(4) 钢纤维和聚丙烯纤维混杂增强HPC (编号为SPF 系列) :由于掺加低掺量的纤维后,HPC原有组分体积变化非常小,现场配置混杂纤维增强HPC 时除纤维外的基本组分均与C - 1 相同,适当调整减水剂FDN 的用量,以控制坍落度在180 mm左右. 各系列纤维增强HPC 中钢纤维和聚丙烯纤维的掺量见表3.

1．3 　试验方法

　　纤维混凝土试块的制作和养护、以及抗压强度测试方法参照文献[8 ]的有关规定. 纤维混凝土抗拉强度通过劈裂抗拉试验来测定,试验采用INSTRON8501 电液伺服万能试验机,控制模式采用等应变控制,这样可以获得稳定的劈拉荷载- 位移曲线,夹式引伸仪安装在试件的中部,量测标距为50 mm ,荷载和位移值分别由荷载传感器和夹式引伸仪同步量测,由计算机控制和记录并输出荷载位移曲线.

表3 　各系列HPC 中的混杂纤维掺量

2 　试验结果

2．1 　受压破坏形态

　　未加纤维的C - 1 试块,随着荷载的增加,最后听到“啪”地一声巨响,试块被压碎. 混杂纤维增强HPC 试块的纤维在开裂面上脱黏拔出或纤维在开裂面上逐渐被拉断而呈断裂式破坏,如图1所示.

2．2 　受拉破坏形态

　　钢纤维增强HPC 和混杂纤维增强HPC 和基准HPC 一样存在两种破坏机制: Ⅰ为脆性破坏,Ⅱ为近似于延性断裂. 如图2 、图3 、图4 和图5 所示. 劈拉荷载- 位移曲线的第二峰值大都比第一峰值大10 %～30 % ,试块破坏时随着低沉“噗”地一声,肉眼观察到试件表面上出现1 条与主拉应力垂直的主裂缝,另有几条与主裂缝平行但上下未贯通的细小裂缝. 为了试验数据的有效性,在计算抗拉强度时,取劈拉荷载Pmax = P1 + P2 ×10 %( P1 、P2 分别为第一峰值Ⅰ和第二峰值Ⅱ时对应的荷载) ,但聚丙烯纤维增强HPC 中的PF - 3 试块随着荷载的增加,最后发出“砰”地一声巨响,试块迅速炸裂为两半,为爆裂式破坏,如图6 所示,劈拉荷载- 位移曲线仅有第一峰值,PF - 1 和PF- 2 第二峰值不明显,劈拉荷载取第一峰值.

2．3 　抗压强度和抗拉强度试验结果

　　试验测得各个系列试件的抗压、抗拉强度以及拉压比如表4 所示.

2．4 　试验结果分析

　　从复合材料观点来看,HPC 材料的组织结构中:粗骨料与砂浆的结合面为薄弱面,该处产生结合缝,混凝土的破坏首先从这些结合缝开始;砂与水泥浆的结合缝、活性粉煤灰与水泥浆的结合缝是薄弱面,也产生结合缝,但其尺寸比砂浆与粗骨料的结合缝至少小一个数量级;一些缺陷如未水化的水泥颗粒和孔隙的尺寸比砂和水泥浆的结合缝至少小几个数量级. 在高性能混凝土中,掺加不同尺寸和不同强度的纤维可以填充各级裂缝,能够改善与提高界面过渡层的性能,从而实现各种纤维的最佳效能. 试验结果分析如下:

　　(1) 钢纤维的弹性模量高,从而使HPC 抗拉强度得到提高,使HPC 拉压比增大,能够阻滞基体混凝土裂缝的开展. 但不同的体积掺量影响钢纤维与高性能混凝土的复合效果. 根据试验,钢纤维掺量0．8 %时钢纤维增强HPC 的拉压比达到0．0526 (1/ 19) ,复合效果较好.

　　(2) 聚丙烯纤维的弹性模量低(约为混凝土的1/ 10) 、具有一定的增稠作用和弱界面效应,都是对混凝土强度不利的因素. 所以劈裂抗拉试验时发现PF - 3 试块只有第一种破坏形式,为爆裂式破坏,脆性非常大.

表4 　纤维增强HPC 的抗压强度和抗拉强度及拉压比

　　(3) 钢纤维和聚丙烯纤维混杂使用,在混凝土破坏过程中分别起着不同的作用,聚丙烯纤维由于其数量多及性能特点主要约束混凝土早期原生裂缝及微观裂缝,在较低拉应力情况下起作用;钢纤维根数不多但具有明显的增强,对宏观裂缝可以起到显著的阻滞,综合两种不同纤维吸收能量的优点,对混凝土内部的缺陷产生协同作用,从而提高混凝土的抗拉强度和拉压比,试验中混杂纤维增强HPC 的拉压比均较C - 1 增大;在PF - 3的基础上加入钢纤维的混杂纤维混凝土SPF - 3- 1 、SPF - 3 - 2 、SPF - 3 - 3 则降低了增稠作用和减少弱界面效应,故避免发生爆裂式破坏,而是发生带有一定延性的脆性断裂破坏.

　　(4) 不同体积率的混杂纤维与混凝土中的其他分散粒子所形成的级配有优劣,而混凝土强度本身又具有一定的离散性,因此不同掺量的混杂纤维对HPC 的复合增强效果有一定的差异. 根据试验:SPF - 1 - 2 、SPF - 2 - 2 、SPF - 2 - 3 、SPF -3 - 3 复合增强效果较优.

3 　结　论

　　(1) 聚丙烯纤维掺量较低时(本试验中体积掺量为0. 055 %) 的高性能混凝土的脆性较大,劈裂抗拉试验时的破坏为爆裂式破坏,加入钢纤维后混杂纤维增强高性能混凝土则发生带有一定延性的断裂破坏.

　　(2) 在高性能混凝土中掺加不同体积率的钢纤维和聚丙烯纤维后对抗压强度没有明显增大趋势,抗拉强度可增大10 %～40 % ,高性能混凝土的拉压比由基准混凝土的1/ 22 增大到1/ 18～1/ 16 ,高性能混凝土的脆性降低,延性增强.

　　(3) 钢纤维体积掺量为0. 8 %、聚丙烯纤维体积掺量为0. 11 %时混杂纤维增强高性能混凝土的混杂效应最好,此时高性能混凝土拉压比可增大到1/ 16.

参考文献:

　　[1] 　姚武,马一平,谈幕华. 聚丙烯纤维水泥基复合材料物理力学性能研究[J ] . 建筑材料学报,2000 (3) :235 - 239.

　　[2] 　丁一宁,杨楠. 纤维高性能混凝土的工作性能与韧性的试验研究[J ] . 沈阳建筑大学学报:自然科学版,2006 (1) :125 - 128.

　　[3] 　Banthia N ,Gupta R. Hybrid fiber reinforced concrete(HyFRC) : fiber synergy in high strength matrices[J] . Materials and Structures ,2004 ,37 (274) :707 -716.

　　[4] 　Singh S P ,Mohammadi Y,Kaushik S K. Flexural fa2tigue analysis of steel fibrous concrete containingmixed fibers [ J ] . ACI MATERIALS JOURNAL ,2005 ,102 (6) :438 - 444.

　　[5] 　Sahmaran M , Yurtseven A , Yaman I O. Workabilityof hybrid fiber reinforced self - compacting concrete[J] . Byilding and Environment ,2005 ,40 (12) : 1672- 1677.

　　[6] 　Nihal A ,ZCanna G, Ergin A. evaluation of ratio be2tween splitting tensile strength and compressivestrength for concretes up to 120 MPa and its applica2tion in strength citerion [ J ] . Aci Materials Journal ,2006 (1/ 2) :18 - 24.

　　[7] 　Konig G. High strength concrete[J ] . Darmstadt Con2crete ,1991 (6) :95 - 115.

　　[8] 　中国工程建设标准化协会标准,CECS 38 :2004 纤维混凝土结构技术规程[ S] . 北京:中国计划出版社,2004.

　　[9] 　冯乃谦. 高性能混凝土结构[M] . 北京:机械工业出版社,2003.

　　[10] 　龚益,徐至钧. 纤维混凝土与纤维砂浆施工应用指南[M] . 北京:中国建材工业出版社,2005.

　　[11 ]曹文达. 新编建筑工程材料手册[M] . 北京:中国电力出版社,2005.