聚丙烯纤维增强混凝土的室内试验研究

摘　要:通过对聚丙烯纤维增强混凝土的室内试验,研究了不同掺入工艺和微细掺料对纤维分散性能的影响,对比分析了聚丙烯纤维增强混凝土与普通混凝土的性能差异,同时掺入粉煤灰补偿因聚丙烯纤维的粘滞作用而导致混凝土流动性的降低,使混凝土具有良好的粘聚性和可塑性,改善混凝土的和易性,从而为聚丙烯纤维增强混凝土配合比设计提供了新的思路和理论依据。

关键词:聚丙烯纤维;粉煤灰;混凝土; 试验研究

中图分类号: TV43 　　　文献标识码:A

　　水泥基混凝土材料具有施工简单、制备容易、能耗低、抗压强度高、适应性强、经久耐用、价格低廉、取材方便等优点,但其自身仍存在一些缺陷,限制了其在工程中的使用范围[1～3 ] 。聚丙烯(polypropylene fibre) 纤维(以下简称PP 纤维) 在合成纤维中具有密度小、不吸水、延伸率大、耐久性好、价格低以及优良的加工性等特点[4 ] 。近年来,作为水泥基混凝土的添加料,在建筑领域越来越引起国内外许多学者的关注。本文从室内试验的角度,研究了掺入聚丙烯纤维对混凝土性质的影响规律。

1 　试验原材料

1. 1 　水　泥

　　本实验所用水泥为云南省昆明水泥股份有限公司生产的P. O 42. 5 硅酸盐水泥,水泥熟料矿物化学组成见表1 ,依照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》( GB/ T134622001) 进行了水泥物理力学性能检测,检测结果见表2 。

1. 2 　粉煤灰

　　粉煤灰采用云南恒威实业有限公司粉煤灰分公司生产的Ⅱ级粉煤灰,其化学组成见表3 、质量检验见表4 。由检测数据可知,依据中华人民共和国国家标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》( GB1596291) ,本实验所用的粉煤灰符合Ⅱ级粉煤灰标准。

1. 3 　外加剂

　　外加剂采用昆明西山仟禧混凝土外加剂厂生产的QX2 Ⅱ型高效硫化泵送剂、QX2A 型高效减水剂。掺量为水泥用量的0. 5 %～ 0. 7 % , 减水率为15 %～ 20 % , 28d 抗压强度比为109 % ,其他指标达到混凝土外加剂国家标准规范( GB807621997) 的要求。

1. 4 　粗骨料

　　本试验选用的是石灰岩碎石,其物理性能指标见表5 。

1. 5 　细骨料

　　本试验选用的是中砂,其物理性能指标见表6 。

1. 6 　纤　维

　　试验采用泰安市现代塑料有限公司生产的聚丙烯纤维,聚丙烯纤维长度20 mm ,其物理性能指标见表7 。

2 　材料中纤维分散性研究

2. 1 　不同掺入工艺对纤维分散性的影响

　　掺入工艺对改善混凝土拌和物的均匀性有着较大的作用,投料顺序、搅拌时间均会影响纤维分布的均匀性。本实验通过水洗法[5 ,6 ]检查纤维的分散性,在干拌法[A ] 、湿拌法[B ]的研究分析基础上,依据水泥裹砂法和二次投料工艺原理拟定试验拌和工艺[C] ,其各工艺流程如下。

　　(1) 干拌法[A] :先将纤维、砂、石搅拌均匀后,再将胶材、减水剂一起搅拌均匀,最后加入水搅拌成形。

　　(2) 湿拌法[B] :先将砂石和胶材搅拌均匀后,再加入水一起搅拌均匀后,最后加入纤维搅拌成形。

　　(3) 试验拌和工艺[ C] : ①将纤维与砂拌和; ②加入约1/ 3的水拌和; ③加入胶材和减水剂拌和; ④加入碎石拌和均匀后加入剩余的水,拌和至均匀后入模; ⑤振捣。不同掺入工艺纤维分散系数见表8 ,其结果表明:干拌法要比湿拌法有利于纤维在水泥基体中分散,这是因为干拌法中纤维在水泥砂子中被强烈分散,从而分散性好;而湿拌法中纤维吸水润湿,后为水泥浆包裹,因而易结团,影响了纤维在砂浆中的均匀分散。本试验拌和工艺和干拌法比较,虽然比干拌法增加了搅拌步骤和时间,但纤维的分布更均匀,成团、成束现象明显减少。

2. 2 　微细掺料对纤维分散性能的影响

　　为了促进纤维的均匀分散,其拌和工艺很重要,但要把纤维分散成单丝状态,仅仅依靠搅拌工艺、延长搅拌时间是难以实现的,特别是随着纤维掺入量的增加,成团现象明显,因此实验研究了微细掺料对纤维分散性的影响。本试验选用微细掺料为Ⅱ级粉煤灰,试验结果见表9 。

　　表9 中A 组为不掺粉煤灰;B 与C 组为等量取代;D 组为超量取代,超量系数为1. 3 。结果表明:当纤维掺量在0. 2 %以下时,混凝土拌和物和易性与基准混凝土差异不明显,其28 d抗压强度因粉煤灰取代水泥有所下降;当纤维掺量在0. 2 %以上时,成团现象明显,且28 d 抗压强度损失较大,通过粉煤灰超量取代,增大胶料用量,上述现象明显改善,这以粉煤灰的特性有关。粉煤灰的微珠球状颗粒,增大了混凝土的流动性,同时在骨料和纤维接触点的球轴承作用,改善了纤维的分散性。

3 　与普通混凝土的对比研究

3. 1 　试验配合比设计

　　为了研究聚丙烯纤维增强混凝土与普通混凝土拌和物性能、力学性能及抗裂性能间的差异,试验选用了具有代表性的4组聚丙烯纤维增强混凝土和两组普通混凝土,其混凝土配合比见表10 。纤维掺量在0. 2 %以下,不改变原混凝土的配合比;当纤维掺量为0. 4 %时,增大总胶料用量、减少骨料含量,来保证混凝土满足设计要求。本试验控制混凝土的出机坍落度为60～80 mm 。实验室进行了拌和物性能、抗压强度、劈拉强度及抗裂性能试验。

3. 2 　拌和物性能对比实验

　　本文进行了聚丙烯纤维混凝土和普通混凝土拌和物的凝结时间、坍落度、含气量、泌水率等性能的对比实验,结果见表11。

　　结果表明: ①掺入聚丙烯纤维后,混凝土的初凝时间提前了1～1. 5h ,终凝时间也提前。但凝结时间与纤维掺量之间无明显的规律变化; ②掺入聚丙烯纤维后,混凝土的坍落度损失有所下降。③B23 组混凝土含气量明显增大,这是因为纤维分散不均匀,有成团现象导致。其余几组混凝土的含气量无明显的变化。即聚丙烯纤维分散均匀后,对混凝土的含气量无影响。④B23 组混凝土泌水率增加,这是因为纤维分散不均匀,有成团现象导致混凝土密实性降低,从而水分从孔隙中释放出来,其余几组混凝土性能实验发现,纤维的掺入减少了混凝土的表面的析水,使得泌水率下降,而且泌水现象推迟出现,提早结束。即聚丙烯纤维分散均匀后,可以减少混凝土的泌水性,提高混凝土的保水性。

　　由此可见纤维是否分散均匀,对混凝土的泌水率、含气量和密实性影响较大,因此实现聚丙烯纤维增强混凝土的前提是:在配比设计和拌和工艺中如何使掺入的纤维均匀地分散成单丝状态。本试验基于这一设计理念采用的拌和工艺和双掺技术对促进纤维的均匀分散效果是显著的,特别是粉煤灰中微珠球状颗粒的滚动效应补偿了因聚丙烯纤维的粘滞作用而导致的混凝土流动性降低,同时粉煤灰微珠球状颗粒在骨料和纤维接触点的球轴承作用促进了纤维的均匀分散。本试验采用粉煤灰超量取代,既保证了混凝土满足设计要求,又节约了水泥。

3. 3 　力学性能的对比实验

　　本文按照国家标准GBJ81285 普通混凝土力学性能实验方法,制作混凝土试件尺寸为150 mm ×150 mm ×150 mm ,在标准条件养护,在液压机上分别测其7 d、28 d 抗压强度、劈拉强度(见表12) ,并以此进行对比分析。

3. 3. 1 　聚丙烯纤维对混凝土抗压强度的影响

　　表12 试验结果分析: ①由A21 和A22 组数据比较,粉煤灰的掺入使得混凝土的7d 抗压强度下降了7 %;A22 、B22 比较,纤维的掺入使得混凝土的7d 抗压强度上升了12 % 。因此掺入适量的聚丙烯纤维可以弥补粉煤灰混凝土早期强度低这一缺陷。②从B21 和A21 比较发现,前者28 d 抗压强度比后者分别增长了8 %、3 %;对B23 和A21 进行比较,前者7d 的抗压强度和后者持平,而28 d 抗压强度却下降7 % ,其原因是聚丙烯纤维为低弹性模量纤维,对混凝土抗压强度贡献不大,少量纤维加入混凝土后,可以改善混凝土的微观结构,减少混凝土的初始裂缝提高混凝土的抗压强度,当纤维量继续增大时带来混凝土内部空气含量的增加,导致混凝土材料的密实性降低,抗压强度随之降低。因此,只要聚丙烯纤维均匀分散在基体中就可以稍稍提高混凝土的抗压强度。③用B24 和B23 比较:前者7 d 抗压强度比后者上升了1 % ,前者28d 抗压强度比后者上升了5 %。其原因为B24 中粉煤灰的增量系数为1. 3 ,粉煤灰的增加促进了纤维在基体中的分散,也改善了混凝土的微观结构,提高混凝土材料的密实性。这样混凝土的抗压强度随之增大。因此当纤维体积掺量较大的时候,可以通过增大粉煤灰的量来减少纤维混凝土抗压强度的下降幅度。

从上分析可得:

　　(1) 对于聚丙烯纤维混凝土,要使其抗压强度和基准混凝土的抗压强度没有明显的差异,就必须改善纤维与基体的界面,提高纤维与混凝土基体粘结能力;促进纤维在基体的分散能力,保证它的掺入不会对混凝土的密实度产生影响。

　　(2) 通过增加粉煤灰来促进纤维均匀分散在基体中,这时聚丙烯纤维混凝土的抗压强度可稍稍提高,但不能用聚丙烯纤维来增强混凝土的抗压强度。其抗压强度只与水泥强度、水灰比有关,与纤维参数无关。即聚丙烯纤维混凝土抗压强度可近似的等于基体混凝土抗压强度。聚丙烯纤维对混凝土的抗压强度贡献不大,李勇等人[7 ]周明耀等人[8 ] 的实验也表明聚丙烯纤维对混凝土的影响不明显。

3. 3. 2 　聚丙烯纤维对混凝土抗拉强度的影响

本实验采用劈拉强度来进行混凝土的抗拉强度实验。表12 试验结果表明:

　　(1) 掺加了粉煤灰的A22 组混凝土的7 d、28 d 劈拉强度分别比A21 组基准混凝土下降了10 %、5 %;B22 组纤维的掺入使得混凝土的7 d、28 d 劈拉强度分别比A22 组基准混凝土上升了12 %、4 % 。表明聚丙烯纤维的掺入可以改善因掺加粉煤灰导致混凝土抗拉强度下降的不利影响。

　　(2) 混凝土的劈拉强度有随着聚丙烯纤维的掺量不断提高的趋势。A22 、B22 和B24 组数据在本实验条件下线形回归得:

σc =σm + 2. 5 V f ( r = 0. 99)

　　式中:σc 为聚丙烯纤维混凝土的抗拉强度;σm 为基体混凝土的抗拉强度;V f 为纤维的体积掺量。这表明在基体相同和纤维长径比相同的情况下,聚丙烯纤维混凝土劈拉强度随纤维掺量增大而增大,说明聚丙烯纤维的加入可以改善混凝土的抗裂性能。

　　试验现象中发现:聚丙烯纤维混凝土试件破坏时绝大部分仅出现裂缝,个别试件完全劈裂。聚丙烯纤维混凝土试件接近破坏时存在一个荷载无法提高,变形继续发展的阶段。聚丙烯纤维混凝土实践开裂破坏后机器立即卸载,实践表面的裂缝宽度会立即缩小。这表明聚丙烯纤维增大了混凝土的延性,具有良好的徐变能力。

3. 4 　收缩开裂的对比实验

　　本试验采用平板法进行混凝土收缩开裂实验,其结果见表13 。

　　由表13 可知:B21 组和A21 组相比较,纤维的掺入使得混凝土的大、中裂缝显著减少,而小裂缝和细裂缝增多,裂缝总权值减少,从而减少了裂缝源的数量、裂缝的尺度。因此在混凝土中掺入聚丙烯纤维可显著的减少混凝土的收缩开裂。其原因为:由于刚浇注完的混凝土因含水率大,在灯光和风扇的作用下,表面水分大量蒸发,因而产生表层收缩,但受到内层混凝土的限制而使表层引起拉应力,由于处于塑性状态与初期硬化阶段的混凝土强度较低,所以产生大量无规则的裂缝,而当掺入聚丙烯纤维后,由于纤维直径非常的细,在混凝土中形成均匀的三维网格,可承受因基材收缩的内应力,从而抑制裂缝的产生与发展。

4 　结　语

本文通过进行聚丙烯纤维增强混凝土与普通混凝土的对比分析研究,得出如下结论:

　　(1) 聚丙烯纤维增强混凝土使混凝土的坍落度损失有所下降,同时,通过在其中掺入粉煤灰改善了混凝土的和易性,促进了纤维的均匀分散,对保证施工质量有利。

　　(2) 从混凝土抗压强度看,掺聚丙烯纤维与不掺聚丙烯纤维混凝土的早期抗压强度基本相同,聚丙烯纤维混凝土的抗压强度与纤维参数无关,只与水泥强度、水灰比有关。

　　(3) 从混凝土抗拉强度看,掺聚丙烯纤维比不掺聚丙烯纤维混凝土的早期抗拉强度要高,有利于抵抗由于混凝土早期收缩而引起的裂缝出现。在基体强度、纤维长径比相同的情况下,聚丙烯纤维混凝土的抗拉强度随纤维的掺量递增,即:聚丙烯纤维的抗拉强度与基体的强度、纤维参数有关。

　　⑷当纤维掺量低于0. 2 %时候,可以不改变原混凝土的配合比设计;当聚丙烯纤维的体积掺量大于0. 2 %时候,必须掺入微细掺料(如粉煤灰) 、减水剂以及增大胶材量来促进纤维在基体中的分散,改善聚丙烯纤维混凝土的密实性,因此需要调整混凝土的配合比设计。□

参考文献:

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