纖維增強(qiáng)混凝土的試驗(yàn)研究

□文/尹秀波

纖維增強(qiáng)混凝土的試驗(yàn)研究

□文/尹秀波

文章論述了聚丙烯纖維混凝土的特點(diǎn)和主要性能，通過在基體混凝土中摻加聚丙烯纖維對(duì)混凝土進(jìn)行改性，試驗(yàn)主要是通過對(duì)混凝土力學(xué)性能的測(cè)試，檢驗(yàn)纖維對(duì)混凝土改性的效果。初步的研究結(jié)果表明，在基體混凝土中摻加1.3 t/m3的聚丙烯纖維最為適宜并建議添加適量的粉煤灰(替代20%的水泥)對(duì)混凝土原料進(jìn)行復(fù)配。

聚丙烯纖維；混凝土；力學(xué)性能；粉煤灰

纖維增強(qiáng)混凝土簡(jiǎn)稱纖維混凝土，它是以水泥漿、砂漿或混凝土為基體，以金屬纖維、無機(jī)非金屬纖維、合成纖維或天然有機(jī)纖維為增強(qiáng)材料組成的復(fù)合材料[1]。在纖維混凝土中，由于纖維以單位體積內(nèi)較大的數(shù)量均勻分布于混凝土內(nèi)部，故混凝土由收縮變形引起的微裂縫在產(chǎn)生的過程中必然遭遇纖維的阻擋，消耗了能量，難以進(jìn)一步發(fā)展。纖維可以提高混凝土的抗拉強(qiáng)度，同時(shí)鈍化原生裂隙尖端的應(yīng)力集中。

纖維混凝土在工程中應(yīng)用比較廣泛，用量較大的有石棉纖維水泥制品和玻璃纖維水泥制品，鋼纖維混凝土以及合成纖維混凝土[2]。合成纖維用于增強(qiáng)水泥混凝土最早于1965年由S.Goldfein提出，他建議用聚丙烯纖維作為混凝土摻合料，建造美國工兵部隊(duì)的防爆建筑。隨后，由于其優(yōu)良的品質(zhì)和低廉的價(jià)格，聚丙烯纖維混凝土被迅速推廣應(yīng)用。據(jù)悉，目前美國所用混凝土總量中合成纖維混凝土約占7%，超過先期研究的鋼纖維混凝土3%的比例。高性能聚丙烯改性纖維混凝土，是21世紀(jì)水泥基材料的發(fā)展方向之一，據(jù)專家預(yù)測(cè)，21世紀(jì)初將是我國鋼筋混凝土破壞的高峰期，每年所需維修費(fèi)將高達(dá)數(shù)千億元；而聚丙烯能改善混凝土的耐久性，使混凝土高性能化，效果顯著，在建筑行業(yè)中將會(huì)具有廣闊的發(fā)展前景。

雖然砂漿與混凝土的性能存在差異，但纖維改性的機(jī)理是相似的。本文采用在砂漿中添加纖維摻合料的方法，研究纖維對(duì)混凝土性能改善的問題。分別測(cè)試了樣品第3 d和第28 d的抗折、抗壓強(qiáng)度性能，以此來檢驗(yàn)纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的改善情況。鑒于粉煤灰在混凝土工程中的大量應(yīng)用，其對(duì)混凝土性能的改善作用已得到公認(rèn)，故本文考慮將纖維及粉煤灰共同作為混凝土摻合料，對(duì)其應(yīng)用于混凝土工程進(jìn)行初步研究。

1　試驗(yàn)方案

1.1原材料

1）水泥：駱駝425普通硅酸鹽水泥。

2）標(biāo)準(zhǔn)砂：廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂。

3）聚丙烯纖維：天津市欣晨建筑材料有限公司生產(chǎn)。

4）減水劑：天津市政工程公司12%高效減水劑。

5）粉煤灰：天津市第一熱電廠Ⅰ級(jí)超細(xì)粉煤灰。

表1中給出了聚丙烯纖維的主要性能指標(biāo)，表2和表3中分別給出了粉煤灰的物理性能及其化學(xué)成分組成。

表1　聚丙烯纖維性能指標(biāo)

表2　粉煤灰的物理性能

表3　粉煤灰的化學(xué)組成%

1.2試驗(yàn)儀器

水泥膠砂攪拌機(jī)：JJ-5型，紹興市肯特機(jī)械電子有限公司。

水泥膠砂振實(shí)臺(tái)：ZT36型，紹興市肯特機(jī)械電子有限公司。

標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱：YH-40B型，天津市錫寧建筑儀器總廠。

水泥電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)：KZJ-5000-1型，山東省榮成市石島儀器廠。

電子液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)：YAW-300C型，北京海智科技開發(fā)中心。

水泥細(xì)度負(fù)壓篩析儀：FSY-150B型，天津慶達(dá)試驗(yàn)儀器有限公司。

1.3性能測(cè)試

分別對(duì)試塊進(jìn)行3 d和2 d抗折和抗壓試驗(yàn)并按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)強(qiáng)度值進(jìn)行計(jì)算。

2　試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1砂漿添加減水劑和粉煤灰的試驗(yàn)

在不添加任何外加劑的情況下，按照標(biāo)準(zhǔn)砂漿配合比(水灰比=0.47)進(jìn)行試驗(yàn)，砂漿不易拌和，考慮到減水劑在工程界及學(xué)術(shù)界已得到廣泛認(rèn)同和應(yīng)用，故在方案1中在基礎(chǔ)砂漿的基礎(chǔ)上添加減水率為12%的高效減水劑，添加量為水泥量2%，方案2中采用粉煤灰替代部分水泥，具體配合比見表4。

表4　方案1配合比g

經(jīng)觀察砂漿拌和較易，減水效果明顯(水灰比=0.41)。分別對(duì)上述試驗(yàn)的3、28d強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，見表5和表6。

表5　抗折試驗(yàn)比較MPa

表6　抗壓試驗(yàn)比較MPa

由表5和表6可以看出，盡管方案2的3d抗折、抗壓強(qiáng)度略低，但其28 d性能明顯高于方案1。綜合考慮，在實(shí)際應(yīng)用中用適量的粉煤灰替代水泥能夠起到混凝土的增強(qiáng)作用。

2.2砂漿摻加聚丙烯纖維試驗(yàn)

在方案1、2的基礎(chǔ)上分別添加不同量的聚丙烯，確定試驗(yàn)方案3～6，見表7。

表7　纖維砂漿方案g

分別對(duì)上述試驗(yàn)進(jìn)行3、28 d的力學(xué)性能試驗(yàn)，見表8和表9。

表8　纖維砂漿抗折試驗(yàn)比較MPa

表9　纖維砂漿抗壓試驗(yàn)比較MPa

由表8和表9可以看出，在砂漿中摻加1 g聚丙烯纖維，其抗折及抗壓性能均有不同程度的改良。同時(shí)其與文獻(xiàn)中列舉的最佳摻合量（0.9～1.5 kg/m3即0.7～1.15g)基本吻合。同時(shí)，在纖維混凝土中摻加適量的粉煤灰，對(duì)混凝土各項(xiàng)性能產(chǎn)生有益的影響，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

另外，通過制作混凝土試塊并做抗壓試驗(yàn)觀察，可以看出，素混凝土破壞嚴(yán)重，伴有松落，大量裂縫等現(xiàn)象，而纖維混凝土除邊角小部分松落，其結(jié)構(gòu)基本完好，更具實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3　結(jié)論

1）聚丙烯纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能具有積極的影響，尤其在改普混凝土抗折強(qiáng)度等方面比較突出。

2）聚丙烯纖維可顯著改善混凝土材料的阻裂性能，它在混凝土中起阻裂和細(xì)化裂縫的作用，改善程度與摻量等因素有關(guān)。實(shí)際工程中可在混凝土構(gòu)件中適當(dāng)使用聚丙烯纖維。

3）粉煤灰替代一定量的水泥(推薦量為20%)，其性能指標(biāo)不但不會(huì)隨成本的減少而降低，反而會(huì)大大提高，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，并已得到實(shí)踐的檢驗(yàn)。

4）粉煤灰與聚丙烯纖維共同摻入混凝土，既可以發(fā)揮各自的作用，又可以優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能。

[1]黃承逵.纖維混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[2]鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督中心.建筑材料及工程質(zhì)量檢驗(yàn)[M].北京：中國鐵道出版社,1999.

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.04.002

□TU528.41

□C

□1008-3197（2015）04-03-03

□2015-05-21

□尹秀波/女，1974年出生，高級(jí)工程師，天津一建建筑工程有限公司，從事建筑材料及建筑工程檢測(cè)方面的研究和管理工作。