混雜纖維混凝土抗?jié)B性能試驗研究

黃 杰，劉肖凡，李繼祥

(武漢工業(yè)學院土木工程與建筑學院，湖北武漢430023)

混凝土作為一種多相非均質(zhì)的復(fù)合材料，從微觀結(jié)構(gòu)上來看是多孔結(jié)構(gòu)，在周圍存在內(nèi)外壓力差的情況下，必然引起液體或氣體從其高壓處向低壓處遷移、滲透的現(xiàn)象?；炷恋目?jié)B性與其耐久性有密切的關(guān)系，抗?jié)B性好的混凝土，其密實性高，耐久性也較好。通過對混雜纖維混凝土的抗裂性能試驗研究，初步證實了合理摻量的混雜纖維可以有效地抑制混凝土早齡期的裂縫開展，而混雜纖維的存在是否會對混凝土抗?jié)B性能產(chǎn)生直接影響，對這一問題的研究，筆者認為水壓力法試驗比氯離子滲透試驗更有說服力。因為纖維的摻加并不能通過使混凝土變的更加密實而增強其抗?jié)B性，而是通過抑制在外力作用下混凝土微裂縫的發(fā)展進而增加其抗?jié)B性能。水壓力法試驗由于對混凝土試件施加了比較大的水壓力，就有可能體現(xiàn)出纖維對混凝土裂縫擴展的抑制能力，進而反映出其抗?jié)B性能的提升。本研究決定采用常規(guī)抗?jié)B試驗，即抗?jié)B標號法來研究纖維對混凝土抗?jié)B性能的影響。

1 試驗設(shè)計及試件制作

1.1 試驗原材料

本試驗采用的鋼纖維為武漢某公司生產(chǎn)的鋼板剪切型纖維;聚丙烯采用聚丙烯單絲纖維;水泥采用湖北華新水泥股份有限公司生產(chǎn)的P.C32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，;砂子為中砂;石子為碎石，最大粒徑25 mm;自來水。鋼纖維和聚丙烯規(guī)格和性能如表1和表2所示。

表1 鋼纖維基本材性

表2 聚丙烯纖維基本材性

1.2 試驗配合比設(shè)計

不同纖維混凝土及素混凝土配合比如表3所示。

表3 纖維混凝土的配合比 /kg·m-3

1.3 試驗方案設(shè)計

用于澆筑試件的模具如圖1所示，其尺寸為：上部直徑為18.5 cm，下部直徑為17.5 cm，高度為15 cm的圓臺模具。將攪拌好的混雜纖維混凝土澆注事先涂好油的模具里，如圖2所示。試件澆注后置于振動臺上振搗充分，24 h后脫模。脫模后，用鋼絲刷刷去試件上下表面的水泥漿膜，放入標準養(yǎng)護室進行養(yǎng)護，養(yǎng)護時間為28 d。

圖1 纖維混凝土抗?jié)B試驗?zāi)＞?/p>

圖2 振搗充分后混凝土試件

2 試驗過程以及結(jié)果分析

2.1 抗?jié)B試驗過程分析

本次抗?jié)B試驗的步驟如下。

2.1.1 在開始試驗之前從養(yǎng)護室取出混凝土試件將其表面晾干。首先將試件套放入烘箱里加熱，然后再將試件側(cè)面用熔化的石蠟密封，接著將密封好的混凝土圓臺試件壓入預(yù)先加熱的試件套。最后將試件套連同試件安裝在抗?jié)B儀上進行試驗，如圖3所示。

2.1.2 考慮到本次試驗加壓耗時比較多，就將初始試驗水壓加到0.6 MPa，之后每間隔8 h增加0.1 MPa。隨時觀察試件上端面滲水情況。如果其中6個混凝土試件中有3個試件表面有滲水的情況時，停止加壓，記錄此時的水壓值。

2.1.3 如果發(fā)現(xiàn)在混凝土周邊有水滲出時，應(yīng)停止試驗，重新將其密封。

混凝土的抗?jié)B等級以6個試件中4個試件未滲水時的最大水壓為依據(jù)，按下式計算：

式中：S—混凝土的抗?jié)B等級;

P—6個試件中有4個試件未滲水時的最大水壓(MPa)。

圖3 抗?jié)B試驗機

2.2 抗?jié)B試驗結(jié)果及分析

本文對混雜纖維混凝土進行抗?jié)B試驗研究，當一組試件中出現(xiàn)三個試件滲水時停止試驗，滲水情況如圖4所示。所有試驗結(jié)果列于表4。

圖4 混凝土試件滲水情況

表4 抗?jié)B試驗結(jié)果 /MPa

由圖5可以看出，與基準素混凝土S相比，在混凝土中摻入混雜纖維并沒有降低混凝土的抗?jié)B性能。這說明在混凝土中摻加纖維，只要保證混凝土攪拌工藝合理，充分振搗密實，養(yǎng)護條件充分，就可以有效地降低纖維與混凝土膠凝材料界面間可能存在的初始裂縫的數(shù)量，從而起到保證纖維混凝土的抗?jié)B性能不低于普通混凝土。

圖5 各組試件抗?jié)B等級對比

以G1J1、G1J2、G1J3 三組試件為例(見圖6)，在混凝土中加入0.1%—0.3%的聚丙烯纖維與0.5%的鋼纖維混雜，纖維混凝土的抗?jié)B等級分別為11，14，22。與 G1JI相比，G1J2，G1J3的抗?jié)B等級分別提高了27.3%和100%。由此可見，在同等鋼纖維體積摻量下，隨著聚丙烯纖維摻入量的增加，纖維混凝土抗?jié)B性能有明顯的提高。說明在鋼纖維體積摻量一定的情況下，聚丙烯纖維對混凝土的抗?jié)B性能有著非常顯著的影響。以G1J1、G2J1、G3J1三組試件為例(見圖7)，在混凝土中摻入0.5%—0.15%的鋼纖維與0.1%的聚丙烯纖維混雜，混凝土抗?jié)B等級分別為 11，15，15，與 G1JI相比，G2J1，G3J1 的抗?jié)B等級分別提高了36.4%和36.4%。由此可見在同等聚丙烯纖維體積摻量下，隨著鋼纖維摻入量的增加，在一定的范圍內(nèi)纖維混凝土抗?jié)B性能有一定程度的提高，但是對于混凝土抗?jié)B等級提高的幅度并不明顯。說明鋼纖維對混凝土抗?jié)B性能的貢獻沒有聚丙烯纖維顯著。

圖6 G1J1、G1J2、G1J3三組試件抗?jié)B等級對比

圖7 G1J1、G2J1、G3J1三組試件抗?jié)B等級對比

從表面上來說，鋼纖維比聚丙烯纖維對混凝土的粘結(jié)效果要好，可以有效避免了混凝土早期裂縫，但是鋼纖維與混凝土粘結(jié)就更可能會形成較多的初始缺陷，而且隨著鋼纖維摻量的增多，這種初始缺陷也會變得更加明顯，從而在一定的體積摻量的范圍內(nèi)，鋼纖維摻入對混凝土抗?jié)B等級的提高遠不如聚丙烯。聚丙烯纖維與鋼纖維的混合形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，會對混凝土集料組分起到承托的作用，一定程度上阻止了骨料的下沉，相對均勻的集料組分使得混凝土試件的整體性能表現(xiàn)得更為均勻，減少了薄弱環(huán)節(jié)的出現(xiàn)。纖維在水泥漿基體中呈三維亂向分布，水泥水化過程中纖維擠壓毛細管，甚至將其阻塞，從而減少了水分通過基體的有效通道。這些都可以解釋纖維的正混雜效應(yīng)。

由圖5還可以看出，過低的纖維混雜摻量(0.5%鋼纖維，0.1%聚丙烯纖維)或者過高的纖維混雜摻量(1.5%鋼纖維，0.3%聚丙烯纖維)，對提升混凝土抗?jié)B性能的功效幾乎為零。

纖維摻量過高時，纖維間發(fā)生重疊干擾的幾率增加，纖維相對光滑的表面并不具有粘結(jié)能力，相互重疊的界面處不可避免地形成間隙，使得混凝土基體的密實性變差，進而影響其抗?jié)B性能。由此纖維表現(xiàn)出來的是負混雜效應(yīng)。

綜合以上分析，混雜纖維對混凝土基體抗?jié)B性能的影響，即有有利的一面，也有有害的一面。不同體積摻量的纖維混雜對混凝土基體抗?jié)B性能的影響是正混雜效應(yīng)與負混雜效應(yīng)博弈的過程，因此要合理控制混雜纖維的體積摻量。推薦體積摻量為0.5%鋼纖維與0.3%聚丙烯纖維混雜混凝土抗性性能為佳。

3 結(jié)束語

本章主要研究了混雜纖維混凝土的抗?jié)B性能。通過試驗發(fā)現(xiàn)，聚丙烯纖維的摻量對混凝土抗?jié)B性能影響較為明顯，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，混雜纖維混凝土的抗?jié)B性能逐漸提高。鋼纖維對混凝土抗?jié)B性能也有一定影響，表現(xiàn)為隨著綱纖維摻量的增加，混雜纖維混凝土的抗?jié)B性能有所提高，但較素混凝土提高等級不顯著?；祀s纖維對混凝土基體抗?jié)B性能的影響是正混雜效應(yīng)與負混雜效應(yīng)博弈的過程，應(yīng)合理控制混雜纖維的體積摻量。推薦體積摻量為0.5%鋼纖維與0.3%聚丙烯纖維混雜混凝土抗性性能為佳。

［1］ 鄧宗才.高性能合成纖維混凝土［M］.北京：科學出版社，2003.

［2］ 朱纓.纖維增強混凝土結(jié)構(gòu)防裂和抗?jié)B的研究［J］.混凝土，2003(11)：31-32.

［3］ 李光偉.聚丙烯纖維對混凝土抗裂性能的影響［J］.水電站設(shè)計.2002(2)：98-101.

［4］ 趙國藩，彭少民，黃承逵.鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999.

［5］ 姜亞林，張浩.聚丙烯纖維混凝土的抗?jié)B性能.江蘇建材［J］.2006(2).17-18.