混雜纖維混凝土拌合物工作性能試驗(yàn)研究

孫 麗，宋麗莎，邢 通，曹晨杰，李曉克

(華北水利水電學(xué)院土木與交通學(xué)院，河南鄭州450045)

在混凝土中加入抗拉強(qiáng)度高、韌性好、短而細(xì)的纖維可改善混凝土的性能.研究表明，高彈性模量纖維可以提高混凝土的抗拉強(qiáng)度和韌性，但其價(jià)格較高，而低價(jià)、低彈模、高延性的纖維雖對(duì)強(qiáng)度貢獻(xiàn)不大，卻在解決混凝土早期塑性開裂，減少混凝土干燥收縮變形等方面具有獨(dú)特作用［1］.因而采用不同性能的纖維進(jìn)行混雜增強(qiáng)，使其在不同的混凝土結(jié)構(gòu)層次、性能層次上充分發(fā)揮各種纖維的尺度和性能效應(yīng)，達(dá)到逐級(jí)阻裂和強(qiáng)化的功能，由此誕生了新型混凝土——混雜纖維混凝土.

目前關(guān)于混雜纖維混凝土力學(xué)性能已有相應(yīng)研究，但對(duì)混雜纖維混凝土工作性能的研究鮮有報(bào)道［2］.筆者通過混雜纖維混凝土拌合物的坍落度試驗(yàn)，分析鋼纖維和聚丙烯纖維混雜對(duì)混雜纖維混凝土拌合物工作性能的影響.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

原材料采用強(qiáng)度等級(jí)42.5和52.5的普通硅酸鹽水泥，連續(xù)級(jí)配碎石(粒徑5～20 mm，通過篩分試驗(yàn)確定5～10 mm和10～20 mm粒徑的石子級(jí)配為3.5∶6.5)，細(xì)度模數(shù)為3.3 的天然河砂，聚羧酸系高效減水劑，鋼板剪切直型鋼纖維.原材料的性能指標(biāo)見表1—4.

表1 水泥的物理力學(xué)性能

表2 砂、碎石的物理力學(xué)性能

表3 鋼纖維特性參數(shù)

表4 聚丙烯纖維性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法及拌合工序

試驗(yàn)按現(xiàn)行《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 13∶2009)和《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080—2002)進(jìn)行［3－4］.

為使混雜纖維在基體混凝土中分散均勻，采用臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)進(jìn)行拌合，先將石料倒入攪拌機(jī)內(nèi)，一邊分散加入鋼纖維，一邊進(jìn)行攪拌，接著加入砂、聚丙烯纖維，同時(shí)倒入50%水量的水，攪拌2 min，將減水劑倒入25%水量的水中拌合均勻，然后加入水泥和拌合好的減水劑水溶液，最后均勻加入剩余的25%的水，攪拌2 min.

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

對(duì)CF40，CF50，CF60混凝土首先按普通混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，將水灰比和砂率作為3種強(qiáng)度等級(jí)混雜纖維混凝土的基準(zhǔn)水灰比mw/mc和砂率βs.根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的普通混凝土坍落度，通過試拌確定減水劑摻量分別為水泥質(zhì)量的 0.9%，1.0%，1.0%.鋼纖維體積分?jǐn)?shù) ρf取 0.0%，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%.聚丙烯纖維摻量 mpf取0.6，0.9，1.2 kg/m3.采用三元疊加方法進(jìn)行混雜纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)［5］，考慮了鋼纖維包裹水泥漿的厚度(1 mm).試驗(yàn)參數(shù)組合見表5.

表5 試驗(yàn)參數(shù)變化組合

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鋼纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)混雜纖維混凝土拌合物工作性能的影響

圖1—3分別給出了在聚丙烯纖維摻量為0.9 kg/m3時(shí)，不同鋼纖維體積分?jǐn)?shù)下CF40，CF50，CF60混雜纖維混凝土拌合物坍落度筒提起后的坍落度情況.可見所有混凝土拌合物均具有良好的黏聚性和保水性.

圖3 CF60混雜纖維混凝土隨鋼纖維體積分?jǐn)?shù)變化的坍落度情況

普通混凝土按坍落度為140～160 mm進(jìn)行配合比設(shè)計(jì).圖4為聚丙烯纖維摻量為0.9 kg/m3時(shí)，混雜纖維混凝土拌合物坍落度隨鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律.

圖4 混凝土拌合物坍落度隨鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律(mpf=0.9 kg/m3)

由圖4可見，CF40和CF50新拌混雜纖維混凝土的坍落度隨鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增大而降低.說明隨著鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增大，鋼纖維根數(shù)增加，使鋼纖維之間形成了較好的“棚架”拉結(jié)［4］，導(dǎo)致鋼纖維對(duì)混凝土拌合物流動(dòng)性的約束作用增強(qiáng)，表現(xiàn)為混凝土拌合物坍落度的降低.CF40混雜纖維混凝土在鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí)，由于纖維摻量較大，出現(xiàn)一些纖維結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，包裹鋼纖維的水泥漿量不能充分發(fā)揮包裹作用，多余的水泥漿增大了拌合物的流動(dòng)性，因而坍落度有所增加.而對(duì)于CF50混雜纖維混凝土，在鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，坍落度突然增大.其原因是鋼纖維的加入考慮了包裹水泥漿厚度，在水灰比不變的情況下，增大了水和水泥用量，因而水泥漿量增大，導(dǎo)致拌合物的流動(dòng)性增大，坍落度相對(duì)單摻聚丙烯纖維的混凝土有所增大.對(duì)于CF60混雜纖維混凝土拌合物的坍落度，在聚丙烯纖維摻量不變的情況下，隨鋼纖維體積分?jǐn)?shù)增大呈現(xiàn)出先降后增再降的變化規(guī)律.隨著鋼纖維摻量的增加，考慮到鋼纖維包裹的水泥漿量增多，相對(duì)多余的水泥漿量增大了拌合物的流動(dòng)性，坍落度變大.隨著鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的繼續(xù)增加，使得同體積混凝土中鋼纖維的根數(shù)增多，鋼纖維之間相互搭接的程度增加，導(dǎo)致纖維混凝土坍落度降低.另外，對(duì)于鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為2.0%的混雜纖維混凝土，出現(xiàn)一些纖維結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，也會(huì)造成坍落度的降低.

2.2 聚丙烯纖維摻量對(duì)混雜纖維混凝土拌合物工作性能的影響

圖5—7分別給出了在鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，不同聚丙烯纖維摻量下，CF40，CF50，CF60混雜纖維混凝土拌合物坍落度筒提起后的坍落度情況.

圖7 CF60混雜纖維混凝土的坍落度情況

圖8給出了鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，混雜纖維混凝土拌合物坍落度隨聚丙烯纖維摻量的變化情況.由圖可見，在鋼纖維體積分?jǐn)?shù)不變時(shí)，隨著聚丙烯纖維摻量的增大，CF40，CF50，CF60新拌混雜纖維混凝土坍落度降低.這是由于聚丙烯纖維的直徑很小，隨著摻量的增加，比表面積隨之增大，其表面吸附的自由水也更多，從而使得集料和水泥顆粒表面的水膜變薄，增大了流動(dòng)阻力，導(dǎo)致混雜纖維混凝土的流動(dòng)性下降，另一方面也使混凝土黏聚性提高，沒有出現(xiàn)離析或者泌水現(xiàn)象.

圖8 混凝土拌合物坍落度隨聚丙烯纖維摻量的變化規(guī)律(ρf=1.0%)

3 結(jié)語

在聚丙烯纖維摻量不變時(shí)，CF40，CF50混雜纖維混凝土拌合物的坍落度基本呈現(xiàn)出隨鋼纖維體積分?jǐn)?shù)增大而降低的變化規(guī)律，CF60混雜纖維混凝土拌合物的坍落度呈現(xiàn)出隨鋼纖維體積分?jǐn)?shù)增大先降后增再降的變化規(guī)律.表明了混雜纖維混凝土拌合物的工作性能同時(shí)受到基體混凝土、鋼纖維和鋼纖維包裹的水泥漿量的影響.

在鋼纖維體積分?jǐn)?shù)不變時(shí)，隨著聚丙烯纖維摻量的增大，CF40，CF50，CF60新拌混雜纖維混凝土坍落度降低.

［1］徐至鈞.纖維混凝土技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.

［2］施磊，胡苗.鋼/聚丙烯混雜纖維混凝土性能研究［J］.北方交通，2011(5):98－100.

［3］大連理工大學(xué).CECS 13∶2009纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2010.

［4］中國建筑科學(xué)研究院.GB/T 50080—2002普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.

［5］ 趙順波，霍洪媛，宋晨曉，等.Binary superposition mix design method for SFRC Part I:principle and evaluation［J］.Advanced Materials Research，2011，168-170:2186－2190.