聚丙烯纖維自密實(shí)混凝土力學(xué)性能研究

蔡 軍

（商洛學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，陜西商洛 726000）

自密實(shí)混凝土 (Self-Compacting Concrete,簡(jiǎn)稱SCC),是指拌合物具有很高的流動(dòng)性并且在澆筑過程中不離析、不泌水，能夠不經(jīng)振搗而充滿模板和包裹鋼筋的混凝土，屬于高流動(dòng)性混凝土的高端部分[1-2]。自密實(shí)混凝土應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)和施工可以提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性、節(jié)約人工、減少施工噪音、提高澆筑速度、縮短施工工期、改善施工環(huán)境、降低工程造價(jià)、節(jié)約成本等[3-5]。盡管自密實(shí)混凝土具有眾多性能優(yōu)勢(shì)，但是自密實(shí)混凝土抗拉強(qiáng)度低、韌性差等特點(diǎn)卻依然限制著其優(yōu)勢(shì)的充分發(fā)揮。在自密實(shí)混凝土中摻加纖維可以克服上述缺點(diǎn)，改善自密實(shí)混凝土的力學(xué)性能。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于高模量纖維自密實(shí)混凝土（如鋼纖維自密實(shí)混凝土）的研究較多，而對(duì)于聚丙烯纖維自密實(shí)混凝土的研究還很少[6]，主要集中于工作性能，有關(guān)聚丙烯纖維自密實(shí)混凝土抗彎韌性的研究還未見報(bào)道。本文擬研究聚丙烯纖維自密實(shí)混凝土的工作性能和力學(xué)性能，對(duì)聚丙烯纖維自密實(shí)混凝土進(jìn)行坍落擴(kuò)展度、V型漏斗、抗壓、劈裂抗拉及抗彎韌性試驗(yàn)，繼而比較分析不同摻量的聚丙烯纖維對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)概況

本次試驗(yàn)原材料采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；粗骨料為粒徑5-20 mm連續(xù)級(jí)配碎石；細(xì)骨料為中砂，細(xì)度模數(shù)為2.6；原狀一級(jí)粉煤灰；南京水利科學(xué)研究院生產(chǎn)的HLC型高效減水劑；凱泰（CTA）牌聚丙烯纖維，長(zhǎng)度24 mm,直徑0.8 mm，密度 0.9kg·m-3，抗拉強(qiáng)度 450MPa，彈性模量 5.0GPa。材料配合比及聚丙烯纖維摻量見表1。

表1 聚丙烯纖維自密實(shí)混凝土配合比/(kg·m-3)

按照《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（CECS203:2006），分別采用坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)和V型漏斗試驗(yàn)對(duì)聚丙烯纖維自密實(shí)混凝土的工作性能進(jìn)行檢測(cè)，如圖1、圖2所示。

圖1 坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)示意圖

圖2 V型漏斗形狀及尺寸

按照《混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081-2002）對(duì)100 mm×100 mm ×100 mm的混凝土立方體試件進(jìn)行28 d抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的測(cè)定。

抗彎韌性試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×400 mm的梁試件，齡期28 d，采用三分點(diǎn)加載方式，梁跨度為300 mm。試驗(yàn)加載設(shè)備為國(guó)產(chǎn)電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，采用位移控制加載，加載速度為0.05 mm·min-1，采用自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行荷載和撓度的同步數(shù)據(jù)采集，如圖3所示。

圖3 抗彎韌性試驗(yàn)示意圖

采用JSCE-SF4方法對(duì)聚丙烯纖維自密實(shí)混凝土的抗彎韌性進(jìn)行評(píng)定，韌度因子（或韌度系數(shù)）σb為

式中，l為梁跨度，h為梁高度，b為梁寬度，σtb=l/150，τb為荷載-撓度曲線下的面積。

2 結(jié)果與分析

2.1 工作性能

測(cè)得的聚丙烯纖維自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度值和V型漏斗時(shí)間見表2。從表2可以看出，不同纖維摻量的自密實(shí)混凝土的工作性能均達(dá)到規(guī)范規(guī)定的要求[7]。

表2 聚丙烯纖維自密實(shí)混凝土工作性能

2.2 抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度

聚丙烯纖維自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。聚丙烯纖維對(duì)自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響程度關(guān)鍵在于界面特性，即主要與聚丙烯纖維-水泥基界面粘結(jié)性能有關(guān)。聚丙烯纖維摻入后，界面薄弱層增多，受壓后首先在界面區(qū)引起破壞，導(dǎo)致聚丙烯纖維自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度有所下降。劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。聚丙烯纖維通過發(fā)揮阻裂作用，有效地提高了自密實(shí)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度。與未摻加纖維的自密實(shí)混凝土相比，當(dāng)聚丙烯纖維摻量分別為3 kg·m-3、6 kg·m-3和 9 kg·m-3時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度分別增加11.1%、23.5%和32.5%。

圖4 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖5 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2.3 抗彎韌性

不同纖維摻量的聚丙烯纖維自密實(shí)混凝土荷載-撓度曲線如圖6所示,彎曲韌度因子結(jié)果如圖7所示。從荷載-撓度曲線可以看出，聚丙烯纖維自密實(shí)混凝土初裂后仍具有很大的剩余承載能力，荷載撓度曲線具有穩(wěn)定的下降段。隨著纖維摻量的增加，聚丙烯纖維自密實(shí)混凝土的抗彎韌性顯著提高，聚丙烯纖維對(duì)自密實(shí)混凝土抗彎韌性的改善效果十分顯著。

圖6 聚丙烯纖維自密實(shí)混凝土梁的荷載-撓度曲線

3 結(jié)論

本文對(duì)聚丙烯纖維自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗彎韌性等力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究與理論分析，采用JSCE-SF4方法對(duì)彎曲韌性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明，隨著纖維摻量的增加，聚丙烯纖維自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度略有降低，劈裂抗拉強(qiáng)度和抗彎韌性均明顯提高，聚丙烯纖維能夠有效提高自密實(shí)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度和抗彎韌性，為聚丙烯纖維自密實(shí)混凝土在工程中的應(yīng)用提供了依據(jù)。

圖7 彎曲韌度因子試驗(yàn)結(jié)果

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