《研究淺談使用聚丙烯纖維提高混凝土抗裂性能云 3041》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《研究淺談使用聚丙烯纖維提高混凝土抗裂性能云 3041（11頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、淺談使用聚丙烯纖維提高混凝土抗裂性能 云南建工集團(tuán)市政總承包部-周永榮 摘 要 本文針對聚丙烯纖維在混凝土中的應(yīng)用技術(shù)問題，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，以闡明聚丙烯纖維改善混凝土物理力學(xué)性能的效果。通過聚丙烯纖維的參量與抗折強(qiáng)度之間的關(guān)系試驗(yàn)研究，闡述了聚丙烯纖維參量對混凝土的力學(xué)性能指標(biāo)的影響規(guī)律，并通過同水灰比同坍落度條件下的力學(xué)性能與聚丙烯纖維參量的關(guān)系的對比試驗(yàn)研究，得出了聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土的條件及作用機(jī)理。試驗(yàn)研究表明，聚丙烯纖維能有效改善混凝土的抗折性能，從而提高混凝土抗裂力學(xué)性能，本文主要針對其中的抗折性能進(jìn)行論述。 關(guān)鍵詞：聚丙烯纖維 混凝土 抗折性能 試驗(yàn) 改善

2、 抗裂 抗折 引 言 混凝土作為十分廣泛的建筑材料發(fā)展到今天，種類繁多，許多力學(xué)性能也有不同程度的改善，但由于混凝土材料本身的空隙及其其它缺陷，使其存在抗拉強(qiáng)度低,延性差，在拉應(yīng)力或沖擊荷載作用下易發(fā)生脆性破壞等缺點(diǎn)，在很大程度上制約了混凝土材料的力學(xué)性能和進(jìn)一步的應(yīng)用和發(fā)展。為了適應(yīng)現(xiàn)代工程對混凝土性能的要求，必須從根本上改變混凝土的抗裂方面的不足。試驗(yàn)表明，在混凝土中摻入聚丙烯纖維能改良混凝土的抗裂性能。 聚丙烯纖維是以丙烯單體在一定條件下聚合而成的結(jié)構(gòu)規(guī)整的結(jié)晶型聚合物，屬于合成纖維的一種，它的商品名是丙綸?；咎匦允?乳白色、無味、無溴、無毒、質(zhì)輕、不吸濕、不溶于水、耐腐蝕、

3、抗拉強(qiáng)度高。在混凝土內(nèi)摻入專用的聚丙烯纖維并經(jīng)攪拌后，由于聚丙烯纖維與水泥基集料有極強(qiáng)的結(jié)合力，可以迅速而輕易地混凝土材料混合，分布均勻，能在混凝土內(nèi)部構(gòu)成一種均勻的亂向支撐體系。在混凝土硬化過程時(shí)，由于水泥漿的化學(xué)收縮，使水泥漿與骨料之間的粘結(jié)面處產(chǎn)生拉應(yīng)力，所以混凝土中存在著大量的極細(xì)小的微裂縫，這些微裂縫在混凝土受力時(shí)極易產(chǎn)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致破壞。在纖維加入到混凝土中后，當(dāng)水泥基體收縮時(shí)，由于纖維這些微細(xì)配筋的作用而消耗了能量，以抑制混凝土開裂的過程，有效地減少混凝土干縮時(shí)所引起的微小裂縫，大大提高了硬化后混凝土的抗裂能力和韌性，對克服高強(qiáng)混凝土的脆性有較 理想的效果，同時(shí)在混凝土中摻入一

4、定量的聚丙烯纖維還能提高混凝土的抗沖耐磨性能，同時(shí)能改善混凝土的抗裂性能。本文從聚丙烯纖維混凝土的配合比設(shè)計(jì)入手，選擇最佳配合比確保聚丙烯纖維混凝土的強(qiáng)度，并對聚丙烯纖維的摻量對混凝土抗折性能的影響進(jìn)行試驗(yàn)比較和分析。 1、聚丙烯纖維的發(fā)展概況 近年來,國外發(fā)展了應(yīng)用合成纖維混凝土進(jìn)行抗裂防水的新技術(shù)，美國于20世紀(jì)90年代初研制開發(fā)出纖維混凝土，并在隨后幾年中得到了迅速的發(fā)展，其中應(yīng)用最多的是聚丙烯纖維混凝土。在混凝土中摻加聚丙烯纖維,以控制混凝土龜裂，我國也已開始在防水工程中應(yīng)用聚丙烯纖維混凝土，美國希爾兄弟化學(xué)公司的聚丙烯纖維(杜拉纖維)已打入我國市場,先后用于公路路面和橋面的修補(bǔ)，

5、聚丙烯纖維易加工，生產(chǎn)和加工能耗低、密度小、單位質(zhì)量纖維體積最大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。作為一種新型的混凝土增強(qiáng)纖維，聚丙烯網(wǎng)狀纖維正成為繼玻璃纖維、鋼纖纖維后纖維混凝土科學(xué)研究和應(yīng)用領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。 2、聚丙烯纖維混凝土抗裂性能的試驗(yàn)研究 2.1試驗(yàn)原材料 1水泥 水泥為PI52.5級,實(shí)測抗壓強(qiáng)度為58.5MPa，密度ρc=3100kg/m3。 2砂子 砂為清潔河砂，細(xì)砂細(xì)度模數(shù)為2.4，級配良好表觀密度ρs=2680kg/m3，現(xiàn)場含水率ωs=5.0%。 3碎石 碎石用一級石灰?guī)r軋制，最大粒徑20㎜，表觀密度ρg=2780kg/m3，現(xiàn)場含水率ωg=1.0%

6、4水 水為符合混凝土拌合用水要求的自來水。 5纖維 纖維為聚丙烯纖維。 聚丙烯技術(shù)參數(shù)(見表1) 表1 主要技術(shù)參數(shù) 長度規(guī)格/mm 單絲當(dāng)量直徑/μm 抗拉強(qiáng)度/MPa 彈性模量/MPa 密度/gcm3 斷裂延伸率/% 6～30 20～50 ≥350 ≥3500 0.910.01 8～30 2.2混凝土配合比計(jì)算 設(shè)計(jì)混凝土為預(yù)應(yīng)力混凝土，設(shè)計(jì)要求混凝土強(qiáng)度等級為C40，實(shí)測抗壓強(qiáng)度為58.5MPa。工程要求的強(qiáng)度保證率為95%，水泥混凝土施工強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差6.0MPa；要求混凝土拌合物的坍落度為30～50㎜。 （1）計(jì)算配制強(qiáng)度（fcu,0） 根據(jù)

7、設(shè)計(jì)要求混凝土強(qiáng)度等級fcu,k=40MPa，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差σ=6.0MPa帶入混凝土配制強(qiáng)度計(jì)算式 fcu,0≥fcu,k+1.645σ （2-1） 經(jīng)計(jì)算得fcu,0=40+1.6456.0=49.87（MPa） （2）計(jì)算水灰比（W/C） 混凝土水灰比按下式計(jì)算： W/C=αafcefcu,0+αaαbfce （2-2） 表2 回歸系數(shù),選用表（JGJ/T55-2010） 集料品種 αa αb 碎石 0.46 0.07 卵石

8、0.48 0.33 其中: αa,αb──回歸系數(shù)，由于粗骨料為碎石,根據(jù)規(guī)程查表2取αa=0.46,取αb＝0.07；經(jīng)計(jì)算得:W/C=0.4658.5/(49.87+0.460.0758.5)=0.52 預(yù)應(yīng)力混凝土所處壞境正常，根據(jù)規(guī)程查表知其最大水灰比為0.6，故符合要求，取計(jì)算水灰比0.52 （3）確定單位用水量 根據(jù)設(shè)計(jì)要求混凝土拌合物的坍落度為30～50㎜，碎石最大粒徑為20㎜，根據(jù)規(guī)程查表選取混凝土單位用水量為mw0=195kg/m3 (4)計(jì)算單位水泥用量 根據(jù)單位水用量及計(jì)算水灰比計(jì)算其單位水泥用量為

9、 (2-3) 經(jīng)計(jì)算得mc0=375kg/m3查規(guī)程知符合耐久性要求的最小水泥用量為300kg/m3，所以取按強(qiáng)度計(jì)算的單位水泥用量mc0=375kg/m3. （5）確定砂率(βs) 合理砂率按表3的確定: 表3 混凝土砂率選用表（%）（JGJ/T55-2010) 水灰比W/C 卵石最大粒徑（㎜） 碎石最大粒徑（㎜） 10 20 40 16 20 40 0.40 26～32 25～31 24～30 30～35 29～34 27～32 0.50 30～35 29～34 28～33 33～38 32

10、～37 30～35 0.60 33～38 32～37 31～36 36～41 35～40 33～38 0.70 36～41 35～40 34～39 39～44 38～43 36～41 根據(jù)水灰比為0.52，粗骨料類型為：碎石，粗骨料粒徑：20(mm),查表3，取合理砂率βs=34%； (6)計(jì)算粗、細(xì)集料用量 按照體積法將、和βs帶入2-4 mc0ρc＋mg0ρg+ms0ρs+mw0ρw+0.01α=1ms0mg0＋ms0100%=βs

11、 (2-4) 因?yàn)闉榉且龤饣炷了驭寥?； 聯(lián)立解得砂用量mg0=699 kg/m3；碎石用量ms0=1151kg/m3. （7)混凝土配合比結(jié)論 混凝土的基準(zhǔn)配合比為: 水泥:水:砂:石子=375：195：699：1151 2.3試驗(yàn)方案 2.3.1抗折強(qiáng)度試驗(yàn)方法 (1)概述 水泥混凝土抗折強(qiáng)度是水泥混凝土路面設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。在水泥混凝土路面施工時(shí)，為了保證施工質(zhì)量，也必須按規(guī)定測定抗折強(qiáng)度。 水泥混凝土抗折強(qiáng)度是以150mml50mm550mm的梁形試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下達(dá)到規(guī)定齡期后，在凈跨450mm、雙支點(diǎn)荷載作用下的彎拉破壞，并按

12、規(guī)定的計(jì)算方法得到強(qiáng)度值。 (2)試驗(yàn)儀具 1．試驗(yàn)機(jī)：50～300KN抗折試驗(yàn)機(jī)或萬能試驗(yàn)機(jī)； 2．抗折試驗(yàn)裝置：即三分點(diǎn)處雙點(diǎn)加荷和三點(diǎn)自由支承式混凝土抗折強(qiáng)度與抗折彈性模量試驗(yàn)裝置，如下圖3。 圖1抗折試驗(yàn)裝置圖 (3)試驗(yàn)方法 1、試驗(yàn)前先檢查試件，如試件中部1/3長度內(nèi)有 蜂窩(大于ф7mm2mm)，該試件應(yīng)即作廢。 2、在試件中部量出其寬度和高度，精確至lmm。圖2—3抗折試驗(yàn)裝置圖（單位；mm） 3、調(diào)整兩個(gè)可移動(dòng)支座，使其與試驗(yàn)機(jī)下壓頭中 1、2、6-一個(gè)鋼球；3、5-兩個(gè)鋼球；4-試件心距離為225mm，并旋緊兩支座．將試件妥放在支座 7-活動(dòng)支座；

13、 8-機(jī)臺；9-活動(dòng)船形墊板上，試件成型時(shí)的側(cè)面朝上，幾何對中后，緩緩加一初荷載，約lkN，而后以0.5～0.7MPa/s 的加荷速度，均勻而連續(xù)地加荷(低標(biāo)號時(shí)用較低速度)；當(dāng)試件接近破壞而開始迅速變形，應(yīng)停止調(diào)整試驗(yàn)機(jī)油門，直至試件破壞，記下最大荷載。 (4)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算 1、當(dāng)斷面發(fā)生在兩個(gè)加荷點(diǎn)之間時(shí)，抗折強(qiáng)度 (以MPa 計(jì))按式(2-6)計(jì)算： （2-6） 式中：F—極限荷載(N)； L—支座間距離，L＝450mm； b—試件寬度(mm)；

14、h—試件高度(mm)。 2、以3 個(gè)試件測值的算術(shù)平均值作為該組試件的抗折強(qiáng)度值。3 個(gè)測值中的最大值或最小值中如有一個(gè)與中間值的差值超過中間值的15％，則把最大值或最小值一并舍除，取中間值為該組試件的抗折強(qiáng)度。如有兩個(gè)測值與中間值的差均超過中間值的15％，則該組試件的試驗(yàn)結(jié)果無效。 3、如斷面位于加荷點(diǎn)外側(cè)，則該試件之結(jié)果無效；如有兩根試件之結(jié)果無效，則該組結(jié)果作廢。 注：斷面位置在試件斷塊短邊一側(cè)的底面中軸線上量得。 2.3.2抗折強(qiáng)度試件制作 試件150mml50mm550mm的梁形試件，做兩組實(shí)驗(yàn)分別是不加纖維的B組，和加不同體積摻量聚丙烯纖維的C組。B組為對照組，C組為實(shí)驗(yàn)

15、組。每組試件做三個(gè)共18個(gè)。其實(shí)驗(yàn)方案如表4、表5： 表4 B組配合比設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表 組別 單位水泥用量（Kg/m） 單位水用量（Kg/m） 細(xì)集料用量（Kg/m） 粗集料用量（Kg/m） B1 375 195 699 1151 B2 345 194 689 1132 B3 419 196 711 1171 表5 C組配合比設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表 組別 聚丙烯纖維體積參量（%） 聚丙烯纖維混凝土配合比（Kg/m） 水灰比 砂率（%） 水泥 水 砂 石子 C1 2.5 375 195 700 1151 0.52 34 C2 3.5

16、 375 196 700 1151 0.52 34 C3 4.5 375 194 700 1151 0.52 34 根據(jù)GB/T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，將試塊放在溫度為（205）℃環(huán)境中靜置24h之后編號拆模，然后立即放在溫度（202）℃、濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)。一直養(yǎng)護(hù)到要求的齡期再進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)。 2.3.3.混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn) 當(dāng)試件達(dá)到設(shè)計(jì)的養(yǎng)護(hù)齡期后，從養(yǎng)護(hù)室中取出，將試件擦干凈，通過測量尺寸、檢查外觀等方法，確定本實(shí)驗(yàn)試件均合格，畫線并分組擺放如圖4。 圖2 3、試驗(yàn)結(jié)果分析 3.2聚丙烯

17、纖維對混凝土抗折強(qiáng)度的影響分析 根據(jù)GB/T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定進(jìn)行抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，測得不加聚丙烯纖維和各摻量聚丙烯纖維混凝土的抗折強(qiáng)度值見表6。 表6 混凝土的抗折強(qiáng)度值 組別 試件高（㎝） 極限破壞荷載（KN） 強(qiáng)度（MPa） 平均抗折強(qiáng)度（MPa） 斷面情況 B1-1 152 39.51 5.3 5.2 正常 B1-2 151 41.97 5.6 正常 B1-3 152 35.88 4.8 正常 B2-1 152 40.95 5.4 5.7 正常 B2-2 153 42.93 5.7

18、 正常 B2-3 153 45.03 6.0 正常 B3-1 151 48.30 6.4 5.7 正常 B3-2 152 37.84 5.0 正常 B3-3 153 42.43 5.6 正常 C1-1 151 44.49 5.9 5.8 正常 C1-2 153 38.49 5.1 正常 C1-3 155 48.66 6.5 正常 C2-1 153 45.67 6.1 6.3 異常 C2-2 152 49.69 6.6 正常 C2-3 152 46.60 6.2 正常 C3-1 151

19、 47.17 6.3 6.6 正常 C3-2 152 48.18 6.4 正常 C3-3 152 54.18 7.2 正常 試件制作日期：4月18 測值日期：5月7 本試驗(yàn)以摻聚丙烯纖維摻與不摻聚丙烯纖維，以及摻不同體積的聚丙烯為變量，通過測其抗折強(qiáng)度值，來分析聚丙烯纖維對混凝土的抗裂性能的影響。當(dāng)試件在受壓力機(jī)荷載作用時(shí)，普通混凝土試件達(dá)到破壞強(qiáng)度時(shí)完全斷開，而加入纖維的混凝土試件，在達(dá)到破壞

20、強(qiáng)度時(shí)，樣品仍保持為一體，說明混凝土內(nèi)加入聚丙烯纖維后，混凝土的韌性、抗裂性能大大增強(qiáng)了。其對比圖片如圖7（圖中左邊為不加纖維的試件，右邊是加纖維的試件）。綜上所述，在混凝土中摻入聚丙烯纖維后能顯著提高混凝土抗折強(qiáng)度。之所以聚丙烯纖維能提高混凝土抗折強(qiáng)度，原因就在于混凝土內(nèi)部存在不同尺度。由于混凝土脆性及自收縮等造成內(nèi)部存在不同尺度的微裂縫，在結(jié)構(gòu)形成過程中，聚丙烯纖維阻止了這些裂縫的引發(fā)，從而減少了裂縫源的數(shù)量，并使裂縫尺度變小，這就降低了裂縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子，緩和了裂縫尖端受力集中程度，在受力過程中，又抑制了裂縫的引發(fā)與擴(kuò)展。這樣就可以充分發(fā)揮混凝土高抗折強(qiáng)度效應(yīng)，這就是聚丙烯纖維能大幅

21、度提高混凝土抗折強(qiáng)度的原因。 圖3 通過試驗(yàn)可以看出，不同摻量的聚丙烯纖維混凝土的抗折強(qiáng)度不同，其變化規(guī)律如圖4所示。 圖4 圖4為不同體積摻量的聚丙烯纖維與混凝土抗折強(qiáng)度的關(guān)系，其中B2組是不加纖維的基準(zhǔn)組，B1是同比減少配合比組成的組，而B3是同比增加配合比組成的組，從這三組來比較可以看出相同強(qiáng)度條件下，適當(dāng)增加配合比的組成可以小幅改變其抗折強(qiáng)度。C組為加聚丙烯纖維的試驗(yàn)組，從C組跟B組對比可以看出，加入聚丙烯纖維后其抗折強(qiáng)度有所提高，但是加入體積摻量為2.5%時(shí)提升很小，加入體積摻量為4.5%提升很大，所以在體積摻量為2.5%到4.5%這個(gè)區(qū)間隨著纖維體積摻量的增加其抗折

22、強(qiáng)度值成線性增長。且4.5%的纖維體積率是最佳的體積率，C3組對應(yīng)的配合比也是最佳配合比。從圖4可以看出聚丙烯纖維的摻入可以提高混凝土的抗折強(qiáng)度，而且其抗折強(qiáng)度值隨著聚丙烯纖維體積摻量的增加而線性增加。 4、結(jié)論 本文通過對聚丙烯纖維混凝土的抗折試驗(yàn)研究得出以下結(jié)論: 1、聚丙烯纖維的摻入可以提高混凝土的抗折強(qiáng)度。而且其強(qiáng)度的增長值是隨摻入的體積增加而增加的。同時(shí)存在一個(gè)最佳值，抗折強(qiáng)度的聚丙烯纖維摻入最佳體積率是4.5%。 2、通過對聚丙烯纖維混凝土抗折性能的實(shí)驗(yàn)研究，證明了聚丙烯纖維是增強(qiáng)抗折性能的良好材料，聚丙烯纖維對水泥混凝土抗折性能有著顯著的提高，在混凝土中加入聚丙烯纖維是提

23、高混凝土抗折性能的有效途徑。 3、聚丙烯纖維可以顯著改善混凝土的抗折性能，從而提高混凝土抗裂力學(xué)性能。實(shí)際工程中可在混凝土構(gòu)件中適當(dāng)加入聚丙烯纖維來增強(qiáng)混凝土的抗裂性能。 參考文獻(xiàn) ［1］唐明，傅柏權(quán)，張戚．聚丙烯纖維混凝土早期塑性開裂特征及分形評價(jià)．沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(07) ［2］張建峰，羅平，周世華．纖維對混凝土早期塑性開裂的影響． 混凝土，2010(7):76－78 ［3］張立寒，孫大權(quán)，楊群編著《道路工程材料》（第五版）2010 ［4］《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG_E42-2005) ［5］纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程_CECS38_2004_介紹 ［6］《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB／T 50081-2011 ［7］普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程JGJ55-2011 ［8］公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程. JTG_E30-2005_ ［9］李國玉.淺談聚丙烯纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)及抗裂性能研究 ［10］牛建剛，李博瀟，張縝.纖維增強(qiáng)輕骨料混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究 ［11］成全喜,江書杰,孫錦鏢.聚丙烯纖維混凝土抗裂性能試驗(yàn)研究[J].天津城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報(bào),2003,9(4):261-264