劉開平1 韓定海2 鐘佳墻3 王尉和1

1.長安大學材料科學與工程學院西安市長安路小寨 710064

2.陜西省交通建設集團公司西安市高新區唐延路6號 710075

3.陜西盛泰混凝土工程有限責任公司西安市長安區韋曲街辦西北村710100

 

    水泥混凝土是一種非均質、多缺陷、難塑變的準脆性材料。在混凝土成分中引入增強纖維制成纖維混凝土是改善混凝土韌性、提高混凝土彎拉強度的有效措施之一。目前在混凝土工程中用到多種增強纖維，但是，以水鎂石纖維（FB）和聚丙烯纖維（PP）的混雜纖維作為混凝土的增強材料，目前尚未看到報導。本文以FB／PP混雜纖維作為混凝土的增強材料，研究了混雜纖維對混凝土坍落度、抗壓、彎拉及劈裂抗拉強度的影響。

 

    水泥：陜西秦嶺水泥廠產32.5^＃普通硅酸鹽水泥。

    減水劑：西安航天集團公司生產UNF－MA萘系高效減水劑。

    細集料：洗凈涼干河砂，細度模數3.0。

    粗集料：碎石，粒徑5-31.5mm，連續級配，表觀密度2.68g/cm³，堆積密度1.51g/cm³。

    聚丙烯纖維：西安博賽特纖維網混凝土有限公司提供，白色集束形纖維，比重0.91，抗拉強度560—770MPa，彈性模量0.35×10⁴ MPa，長度12mm—19mm，直徑約100μm。

    水鎂石纖維：陜西水鎂石礦產，密度^[5]為2.44-2.48g/cm³，抗拉強度900—950MPa，彈性模量1.5—2×10⁴ MPa。纖維長度范圍為0.2-5.0mm，直徑范圍0.002-0.016mm.。平均長徑比約為75。

    水：自來水

 

    NYL-2000D型壓力試驗機，60升強制式混凝土攪拌機，10升砂漿攪拌機， 1m² 3KW混凝土振動臺，均為無錫市東方建材設備廠產。

    150×150×150 mm³抗壓及劈裂試模，150×150×550 mm³抗彎試模若干套。

    標準篩，坍落度筒，搗棒，小鏟，木尺，鋼尺，磅秤，量筒，臺秤等。 

 

    實驗按纖維類型、纖維摻量和水灰比3因子設計了正交實驗。取砂率為0.35，每組配比作了3個樣，測試結果取均值。然后對正交試驗結果進行直觀分析，以直觀分析結果作為研究各因素影響變化規律的分析依據。

    按量稱取水泥、砂、石、水、纖維和減水劑，放入強制式混凝土攪拌機攪拌2分鐘，得到新拌混凝土。按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程（JTG式E30－2005）》的方法測定新拌混凝土的坍落度及硬化混凝土不同齡期的抗壓強度、劈裂抗拉強度和彎拉強度。

 

    表1是減水劑用量為水泥量的0.8%、不同水灰比（W／C）時混凝土中添加不同纖維后的坍落度及強度情況。

 

表1  不同纖維增強混凝土試驗結果

Table 1  Test results of concrete reinforced with different fibers

NO	W/C	纖維占混凝土體積fiber vol.	坍落度slumps，mm	7d抗壓 compressive strength，MPa	7d彎拉 Flexural strength，MPa	28d抗壓 compressive strength，MPa	28d彎拉flexural strength，MPa	28d劈裂 splitting tensile strength，MPa
1	0.39	0	125	44	4.46	47.8	4.78	4.16
2	0.39	0.5%FB	8	42.1	3.77	49.51	4.98	4.32
3	0.39	0.3%FB＋0.2% PP	6	39.2	3.94	48.3	6.12	5.05
4	0.31	0	140	45.8	4.57	50.6	5.26	3.81
5	0.31	0.5%FB	2	48.1	4.59	53.76	5.5	4.76
6	0.31	0.3%FB＋0.2PP	6	46.8	5.16	53.31	6.07	5.49

 

    從表1可知，與未加纖維的素混凝土樣相比，添加纖維后，混凝土的坍落度都有較大損失。不論是添加較短的FB纖維（2^＃及5^＃）還是FB／PP混雜纖維（3^＃及6^＃），混凝土的流動性都大幅度下降。

 

    另外，與素混凝土樣相比，添加纖維后混凝土28d的抗壓、彎拉及劈裂抗拉強度一般均有提高。

    在單一FB纖維增強的情況下，在水灰比為0.39時（2^#），纖維混凝土比素混凝土樣（1^#）28 d抗壓、彎拉及劈裂抗拉強度分別提高3.6%、4.2%和3.8%；而在水灰比為0.31時（5^#）、纖維混凝土比素混凝土樣（4^#）28d抗壓、彎拉及劈裂抗拉強度分別提高6.2%、4.6%和24.9%。說明單一FB纖維增強混凝土時在低水灰比情況下的增強效果要優于高水灰比時。

 

    混雜纖維混凝土的彎拉強度及劈裂抗拉強度提高顯著。在混雜纖維用量為0.3%FB＋0.2%PP、水灰比為0.39（3^＃）時，較素混凝土樣（1^＃）28d彎拉及劈裂抗拉強度分別提高28%和21.4%。在水灰比為0.31（6^＃）時，較素混凝土樣（4^＃）28d彎拉及劈裂抗拉強度分別提高15.4%和44.1%。

 

    隨混凝土水灰比的減少，纖維混凝土的強度一般上升。FB／PP混雜纖維增強混凝土隨水灰比的減少28d彎拉強度增加幅度降低，但28d劈裂抗拉強度增加幅度卻大幅度上升。

    從表1還可以看出，與單一的FB纖維相比，在混凝土中添加FB纖維的情況下再添加PP纖維對混凝土彎拉強度及劈裂強度的增強作用較大。

    因為FB纖維價格低廉，且能明顯改善水泥基復合材料力學性能^[4]，因此0.5%的纖維摻量具有可行性。在此基礎上調整FB與PP的纖維比例，以最大限度地提高混凝土的性能。

    為了探索FB與PP纖維的合理比例搭配，在纖維總體積用量為0.5%，W/C=0.46，減水劑用量為水泥量的0.8%的情況下進行了試驗。試驗結果見圖1,，圖2和圖3。圖中橫坐標表示PP/FB纖維的體積用量比例。

 

    圖1是PP/FB纖維不同配比時對混凝土坍落度的影響。從圖1可以看出，隨PP纖維用量增加，混凝土坍落度急劇下降。說明PP纖維對混凝土的流動性有較大影響。

    圖2是PP/FB纖維不同配比時對混凝土7d和28d抗壓強度的影響。從圖2可以看出，隨PP纖維比例增加，不論是混凝土的7d抗壓強度還是28d抗壓強度均呈遞減趨勢。在PP/FB纖維配比為0：0.5%的情況下，混凝土的抗壓強度最高。說明FB纖維對混凝土抗壓強度的增強效果要優于PP纖維。

    從圖3還可以看出， PP／FB混雜纖維混凝土的28d彎拉強度既高于單一FB纖維混凝土的強度，也高于單一PP纖維混凝土的強度。在纖維總用量為0.5%的情況下，PP纖維與FB纖維的最佳體積用量配比約為PP：FB=0.2%：0.3%。

    （1）添加PP/FB混雜纖維后，混凝土的坍落度有較大降低。

    （2）FB／PP混雜纖維可以明顯提高混凝土的彎拉強度及劈裂抗拉強度，且優于單一纖維增強的效果。在總纖維用量為0.5%的情況下，隨PP纖維比例增加，混凝土的坍落度及抗壓強度降低，但劈裂抗拉強度直線上升。混凝土的彎拉強度先上升，后下降。彎拉強度最大值出現在PP：FB＝0.2%:0.3%左右。

    (3) 隨混凝土水灰比的降低，單一FB纖維對混凝土強度的增強效果一般呈加強趨勢，但FB／PP混雜纖維隨水灰比的降低對混凝土彎拉強度增強效果降低，而對混凝土的劈裂抗拉強度的增強效果加強。

 

[1] DENG Z, ZhANG P, XUE H, et al. Flexural toughness of cellulose and hybrid fiber reinforced concrete beams[J], Journal of Beijing University of Technology, 2008,34(8) :852-855.

[2] ALY T, SANJAYAN J, COLLINS F, Effect of polypropylene fibers on shrinkage and cracking of concretes[J], Materials and Structures, 2008,41(10):1741-1753.

[3] POON C. SHUI Z, LAM L,Compressive behavior of fiber reinforced high-performance concrete subjected to elevated temperatures[J], Cement and Concrete Research,2004,34 (12):2215-2222.

[4] LIU K，CHENG H, ZHOU J, Investigation of Brucite Fiber Reinforced Concrete[J],Cement and Concrete Research[J], 2004,34(11):1981-1986.

[5] DONG F, WAN P, FENG Q, et al. The surface groups and active site of fibrous mineral materials[J], Journal Wuhan University of Technology, Materials Science Edition, 2004, 19 ( 3): 94-97.

 

 

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)