聚丙烯纖維對(duì)輕骨料混凝土基本力學(xué)性能影響試驗(yàn)研究

翁志英

(福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福州 350000)

輕骨料混凝土因?yàn)槠渚邆滟|(zhì)量輕、防火效果好、保溫隔熱性能優(yōu)異以及更強(qiáng)的抗震性能等優(yōu)點(diǎn)而在房屋建筑和橋梁工程中得到越來越多的應(yīng)用[1-5]。雖然具備上述優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)轫搸r陶粒通過高溫煅燒工藝進(jìn)行生產(chǎn)，內(nèi)部產(chǎn)生的多孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其機(jī)械強(qiáng)度較天然石子低[6-7],因此,在輕骨料混凝土受力時(shí)更容易破壞，導(dǎo)致其基本力學(xué)性能降低[8-10]。聚丙烯纖維是近些年興起的一種可用于對(duì)混凝土進(jìn)行增強(qiáng)的纖維，其攪拌工藝簡(jiǎn)便、市場(chǎng)價(jià)格低廉，同時(shí)具備優(yōu)異的力學(xué)增強(qiáng)性能[11-13]。文中研究輕骨料混凝土基本力學(xué)性能受所摻入的聚丙烯纖維的影響規(guī)律，有利于推廣輕骨料混凝土的工程運(yùn)用。

1 試驗(yàn)原材料

水泥為煉石牌42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；天然粗集料為5～25 mm的碎石，碎石的粒徑分布符合相關(guān)規(guī)范要求；砂為普通河砂，其細(xì)度模數(shù)為2.5；減水劑為蘇博特聚羧酸高性能減水劑；頁巖輕骨料為宜昌光大陶粒制品有限責(zé)任公司生產(chǎn)的G500等級(jí)5～25 mm連續(xù)級(jí)配頁巖陶粒。所用頁巖陶粒高溫煅燒成型之后未經(jīng)破碎，所以屬于相對(duì)閉孔陶粒(見圖1—2)，有很低的吸水率，頁巖陶粒的各項(xiàng)物理性能如表1所示。

表1 頁巖陶粒物理性能

圖1 頁巖陶粒

纖維采用聚丙烯纖維(見圖3)，其組成結(jié)構(gòu)類型為束狀單絲狀，表2為其基本物理力學(xué)性能。

圖2 人工剪切后的頁巖陶粒

圖3 聚丙烯纖維

表2 聚丙烯纖維性能

2 混凝土的配合比和試驗(yàn)結(jié)果

參照《輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJT 12-2019)對(duì)輕骨料混凝土的配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)，所用水膠比為0.4，砂率為0.3?；鶞?zhǔn)組輕骨料混凝土設(shè)計(jì)的出料密度為1 810 kg·m-3，實(shí)際出料密度為1 836 kg·m-3。原因在于頁巖骨料在攪拌過程中會(huì)將部分水分吸入內(nèi)部，這部分進(jìn)入骨料內(nèi)部的水分不占據(jù)外部體積，導(dǎo)致實(shí)際密度高于設(shè)計(jì)密度。當(dāng)坍落度過高時(shí)，頁巖容易浮起，影響其工作性能，因此,設(shè)計(jì)減水劑用量的坍落度約為100 mm。試驗(yàn)所用配合比和最終的測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 混凝土配合比和強(qiáng)度

3 輕骨料混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 纖維摻量和纖維長(zhǎng)度對(duì)于抗壓強(qiáng)度的影響

圖4對(duì)比了不同纖維摻量對(duì)混凝土立方體抗壓性能的影響，可見摻加聚丙烯纖維可有效提升輕骨料混凝土的抗壓性能。相較于基準(zhǔn)組混凝土，纖維長(zhǎng)度3 mm聚丙烯纖維摻量為0.3%、0.6%、0.9%和1.2%的輕骨料混凝土的抗壓性能分別增加了4.4%、7.9%、12.8%和5.2%；纖維長(zhǎng)度為6 mm且摻加0.3%、0.6%和0.9%體積聚炳烯纖維的輕骨料混凝土抗壓性能則分別增加了11.5%、18.3%和14.5%?？梢妼?duì)于3 mm纖維，最佳的纖維摻量為0.9%，6 mm時(shí)則為0.6%。原因可能在于纖維長(zhǎng)度增加時(shí)，過多體積摻量的聚丙烯纖維在攪拌的過程中形成一定的團(tuán)聚，從而在混凝土內(nèi)部形成薄弱部位。圖5對(duì)比了不同纖維長(zhǎng)度、同一纖維摻量輕骨料混凝土之間的強(qiáng)度關(guān)系，可見6 mm聚丙烯纖維比3 mm聚丙烯纖維更明顯地提升輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度，0.3%、0.6%和0.9%纖維摻量時(shí)6 mm 纖維比3 mm纖維提升輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的增幅分別為7.1%、10.4%和1.6%。原因是聚丙烯纖維長(zhǎng)度增加意味著在輕骨料混凝土開裂時(shí)處于裂縫中的聚丙烯纖維有更長(zhǎng)的粘結(jié)長(zhǎng)度，能夠更有效地防止滑移，提供更大的拉力。

圖4 纖維摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖5 纖維長(zhǎng)度對(duì)輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

3.2 纖維摻量和長(zhǎng)度對(duì)劈裂抗拉性能的影響

不同纖維量輕骨料混凝土與基準(zhǔn)組混凝土的劈裂抗拉性能的對(duì)比如圖6所示，可見在混凝土中摻入纖維后其劈裂抗拉性能得到有效提升。與對(duì)照組對(duì)比，摻加0.3%、0.6%、0.9%和1.2%纖維且纖維長(zhǎng)度為3 mm的輕骨料混凝土的劈裂抗拉性能分別增加了4.5%、12.0%、13.8%和15.5%；聚丙烯纖維摻量為0.3%、0.6%和0.9%且纖維長(zhǎng)度為6 mm的輕骨料混凝土的劈裂抗拉性能分別增加了14.3%、22.6%和23.4%?？梢婋S著纖維的增加，輕骨料混凝土28 d的劈裂抗拉性能也會(huì)相應(yīng)增加。原因在于高纖維摻量輕骨料混凝土即使存在上述因團(tuán)聚而導(dǎo)致的薄弱部位，只要該部位不出現(xiàn)在劈裂破壞部位就不會(huì)對(duì)其劈裂抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生影響；且輕骨料混凝土劈裂抗拉時(shí)，穿過裂縫的纖維屬于真正完全受拉狀態(tài)，從而使更多的纖維增強(qiáng)輕骨料混凝土的劈裂抗拉性能。不同纖維長(zhǎng)度、同一纖維摻量輕骨料混凝土之間的強(qiáng)度關(guān)系如圖7所示。可見纖維長(zhǎng)度對(duì)于輕骨料混凝土劈裂抗拉性能的影響與其對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響一致。0.3%、0.6%和0.9%纖維摻量時(shí)6 mm纖維比3 mm纖維提升輕骨料混凝土劈裂抗拉性能的增幅分別為9.8%、10.6%和9.5%。

圖6 纖維摻量對(duì)劈裂抗拉性能的影響

圖7 纖維長(zhǎng)度對(duì)劈裂抗拉性能的影響

3.3 纖維摻量和纖維長(zhǎng)度對(duì)于輕骨料混凝土彈性模量的影響

纖維添加量對(duì)于輕骨料混凝土彈性模量的影響如圖8所示。聚丙烯纖維摻量為0.3%、0.6%、0.9%和1.2%且纖維長(zhǎng)度為3 mm的輕骨料混凝土的彈性模量分別增加了0.4%、5.3%、2.7%和9.3%；聚丙烯纖維摻量為0.3%、0.6%和0.9%且纖維長(zhǎng)度為6 mm的輕骨料混凝土的劈裂抗拉性能分別增加了2.2%、0%和5.8%?？梢娎w維摻量對(duì)于輕骨料混凝土彈性模量的影響小于其對(duì)于抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉性能的影響，且規(guī)律不明顯。但是整體上摻入聚丙烯纖維的頁巖輕骨料再生混凝土的彈性模量等于或高于對(duì)照組。造成這種現(xiàn)象的原因可能在于彈性模量測(cè)試并非破壞性測(cè)試，在試驗(yàn)的過程中并未出現(xiàn)裂縫，僅出現(xiàn)有限的變形，纖維未能有效發(fā)揮作用。輕骨料混凝土彈性模量受不同纖維長(zhǎng)度的影響如圖9所示?？梢娎w維長(zhǎng)度對(duì)于輕骨料混凝土彈性模量的影響無明顯規(guī)律，0.3%和0.9%纖維摻量時(shí)6 mm纖維較3 mm纖維彈性模量增幅分別從0.4%增加到2.2%和從2.7%增加到5.8%，而0.6%纖維摻量時(shí)6 mm纖維較3 mm纖維彈性模量增幅從5.3%降低到0%。這種現(xiàn)象的原因與上述輕骨料混凝土彈性模量受到纖維添加量的影響規(guī)律一致。

圖8 纖維摻量對(duì)輕骨料混凝土彈性模量的影響

圖9 纖維長(zhǎng)度對(duì)輕骨料混凝土彈性模量的影響

4 結(jié) 論

1) 摻入3 mm纖維添加量為0.3%～1.2%的輕骨料混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度較對(duì)照組增加，上升的幅度為4.4%～12.8%；摻入6 mm纖維添加量為0.3%～0.9%的輕骨料混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度較對(duì)照組增加11.5%～18.3%。當(dāng)纖維長(zhǎng)度為3 mm時(shí)，最佳的添加量為0.9%，6 mm時(shí)則為0.6%。

2) 6 mm聚丙烯纖維比3 mm聚丙烯纖維能更明顯地提升輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度，0.3%～0.9%纖維摻量時(shí)6 mm纖維比3 mm纖維提升輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的增幅為1.6%～10.4%。

3) 隨著聚丙烯纖維摻量的增加，輕骨料混凝土的劈裂抗拉性能逐漸增加。與對(duì)照組對(duì)比，纖維添加量為0.3%～1.2%且聚丙烯纖維長(zhǎng)度為3 mm的輕骨料混凝土的劈裂抗拉性能增加幅度為4.5%～15.5%；0.3%～0.9%且聚丙烯纖維長(zhǎng)度為6 mm的輕骨料混凝土劈裂抗拉性能增加幅度為14.3%～23.4%。

4) 0.3%～0.9%纖維摻量時(shí)6 mm纖維比3 mm纖維提升輕骨料混凝土劈裂抗拉性能的增幅為9.5%～10.6%。

5) 聚丙烯纖維摻量為0.3%～1.2%且纖維長(zhǎng)度為3 mm的輕骨料混凝土的彈性模量較對(duì)照組增加了0.4%～9.3%；聚丙烯纖維摻量為0.3%～0.9%且纖維長(zhǎng)度為6 mm的輕骨料混凝土的劈裂抗拉性能較對(duì)照組增加了0%～5.8%。纖維長(zhǎng)度對(duì)于輕骨料混凝土彈性模量的影響則無明顯規(guī)律。