纖維提高混凝土力學(xué)性能試驗研究

黃銳鴻

(廣東省水利水電第三工程局有限公司,廣東 東莞 523003)

0 引言

混凝土是水利工程重要的材料,幾乎所有水利工程均涉及混凝土的應(yīng)用,因此混凝土的力學(xué)性能對工程整體質(zhì)量起關(guān)鍵作用[1-2]。當(dāng)前,根據(jù)眾多水利工程施工和運行過程中發(fā)現(xiàn)的問題,混凝土強度的弱化仍然是導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)承載力降低的主要原因,對水利工程安全運行造成嚴(yán)重威脅,因此,在水利工程修建中提高混凝土強度具有重要意義。當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者對混凝土力學(xué)性能進行了相關(guān)研究[3-4]。楊造仁[5]通過試驗分析不同水膠比、粉煤灰摻量、硅粉、外加劑對混凝土力學(xué)、極限拉伸、耐久性、抗沖磨性的影響;李棲鵬等[6]對工程所用摻纖維水工混凝土展開了力學(xué)性能、絕熱溫升及抗裂試驗;周歡[7]為研究高溫后高性能混凝土性能的變化規(guī)律,研究高性能混凝土高溫后的強度變化規(guī)律;韓炎[8]對比了不同最大粒徑骨料對混凝土力學(xué)性能和耐久性能的影響;夏侯唐鵬等[9]引入水利工程實踐案例,探究粉煤灰摻量對混凝土力學(xué)性能、抗凍性能及抗?jié)B性能的影響;吳劍峰[10]以塑性混凝土為研究對象,通過室內(nèi)試驗,探究粗骨料含量對塑性混凝土抗壓強度、透水性能及破壞方式的影響;黃婉琳[11]設(shè)計了不同侵蝕時間下水工混凝土的長期力學(xué)試驗,發(fā)現(xiàn)了海洋環(huán)境侵蝕條件下混凝土的長期力學(xué)性質(zhì)弱化特征;尹紹清等[12]比較研究了不同強度活性指數(shù)的粉煤灰對混凝土力學(xué)性能、變形性能、耐久性能及混凝土對鋼筋握裹性能等的影響;劉麗[13]利用室內(nèi)試驗法探討了不同摻量及不同摻和方式下,硅灰、礦粉和粉煤灰摻合料對水工混凝土性能的影響規(guī)律。

本文通過室內(nèi)試驗,研究了鋼纖維和聚酯纖維含量對混凝土立方體抗壓強度、抗彎強度及抗拉強度測試的影響,同時探討了其與普通混凝土強度的差異,研究成果可為相關(guān)水利工程提供參考依據(jù)。

1 試驗方法與材料

1.1 試驗材料

本次試驗制備采用當(dāng)?shù)厥袌錾系钠胀ü杷猁}水泥作為基料,水泥比重為3.15,細(xì)骨料采用當(dāng)?shù)厝嗽焐?比重為2.62,粗骨料采用花崗巖碎屑,顆粒直徑12.5～20 mm,比重為2.70。本次試驗采用聚丙烯纖維和鋼纖維兩種材料對復(fù)合混凝土的力學(xué)特性進行研究,聚丙烯纖維的直徑為0.036 mm,切割長度12 mm,縱橫比334;鋼纖維直徑0.6 mm,長度30 mm,縱橫比50。復(fù)合纖維混凝土由堿激發(fā)劑、細(xì)骨料、粗骨料、塑(鋼)纖維和水泥組成,其中堿激發(fā)劑采用氫氧化鈉溶液,純度98 %,呈白色半透明結(jié)晶狀,密度2.13 g/cm3,臨界壓力25 MPa;水泥采用符合《混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2019)的硅酸鹽水泥。圖1為試驗用纖維。

圖1 聚丙烯纖維和鋼纖維

1.2 試驗配比設(shè)計

試驗配比設(shè)計如表1所示。水160.98 kg/m3,水泥378.79 kg/m3,細(xì)骨料724.53 kg/m3,粗骨料(12.5 mm)434.72 kg/m3,粗骨料(20 mm)652.07 kg/m3,細(xì)骨料724.53 kg/m3,纖維含量見表1。

表1 試驗配比設(shè)計

1.3 試樣制備及測試

對于聚酯纖維試樣制備,先將聚酯纖維用NaOH溶液浸泡8 h,浸泡時間到后用水沖洗,直至干凈干燥。試樣制備時,采用強制式攪拌機使纖維均勻分散于混凝土中,通過分散機加料。第一步先將粗細(xì)骨料攪拌均勻,第二步加入纖維攪拌,最后將水泥和水加入再攪拌,攪拌均勻后成型養(yǎng)護,同時制備參照組。對于鋼纖維混凝土,宜釆用帶有布料裝置的纖維混凝土專用攪拌機攪拌。攪拌工藝應(yīng)確保鋼纖維在拌合物中分散均勻,不產(chǎn)生結(jié)團,宜釆用將鋼纖維、水泥、粗細(xì)骨料先干拌而后加水濕拌的方法。

新拌混凝土顏色較深,外觀光亮,將其裝入150 mm×150 mm×150 mm、直徑150 mm和長度300 mm、150 mm×150 mm×750 mm的成型箱中成型,待觀察無任何凝結(jié)跡象,抗壓強度無任何退化后,送入養(yǎng)護箱養(yǎng)護28 d,然后取出進行力學(xué)性能測試,同時制備對照組。本次混凝土試驗時每組3塊試件,按照標(biāo)準(zhǔn)《混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2019)分別進行立方體抗壓強度測試、抗彎強度及抗拉強度測試,計算其平均值。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 混凝土抗壓強度

圖2給出了不同纖維含量下,混凝土抗壓強度變化規(guī)律。由圖2可知,相比普通混凝土,兩種纖維混凝土的強度要明顯高于普通混凝土,但鋼纖維混凝土的強度增強效果明顯優(yōu)于聚酯纖維混凝土。對于鋼纖維混凝土,當(dāng)纖維含量為0.025 %時,混凝土抗壓強度隨著纖維含量的增加而增加,但當(dāng)纖維含量超過0.075 %時,混凝土強度出現(xiàn)降低;而對于聚酯纖維混凝土,當(dāng)纖維含量達到0.050 %時,混凝土強度達到最大,超過此含量強度逐漸降低。此次試驗,普通混凝土28 d強度為64.92 MPa,聚酯纖維混凝土的最大抗壓強度為68.09 MPa,鋼纖維混凝土的最大抗壓強度為71.91 MPa。

圖2 混凝土抗壓強度變化規(guī)律

2.2 混凝土抗拉強度

圖3給出了不同纖維含量下,混凝土抗拉強度變化規(guī)律。由圖3可知,普通混凝土的抗拉強度要明顯低于鋼纖維混凝土和聚酯纖維混凝土,說明纖維在混凝土內(nèi)部起到了抵抗混凝土外部拉力的作用。通過試驗發(fā)現(xiàn),當(dāng)纖維含量為0.025 %時,聚酯纖維混凝土抗拉強度要大于鋼纖維,而當(dāng)纖維含量大于0.025 %時,鋼纖維增強效果明顯,當(dāng)纖維含量為0.075 %時混凝土抗拉強度達到最大,之后隨著纖維含量增加而減少,而對于聚酯纖維混凝土強度,當(dāng)纖維含量為0.050 %時混凝土抗拉強度達到最大,之后纖維含量的增加對混凝土抗拉強度增強效果減弱。此次試驗,普通混凝土28 d抗拉強度為4.35 MPa,聚酯纖維混凝土的最大抗壓強度為4.78 MPa,鋼纖維混凝土的最大抗壓強度為5.13 MPa。

圖3 混凝土抗拉強度變化規(guī)律

2.3 混凝土抗彎強度

圖4給出了不同纖維含量下,混凝土抗彎強度變化規(guī)律。由圖4可知,纖維含量對混凝土的抗彎強度有較大影響,加纖維后能夠較好地提高混凝土的抗彎強度,其中加入鋼纖維后效果最明顯。本次試驗得出,當(dāng)纖維含量為0.050 %時,聚酯纖維混凝土抗拉強度要大于鋼纖維混凝土,而在其余纖維含量下,鋼纖維混凝土的抗彎強度明顯大于聚酯纖維混凝土。當(dāng)纖維含量為0.075 %時鋼纖維混凝土抗彎強度達到最大,為7.41 MPa,當(dāng)纖維含量為0.050 %時,聚酯纖維混凝土抗彎強度達到最大,為6.67 MPa。本次試驗普通混凝土強度為6.10 MPa。

圖4 混凝土抗彎強度變化規(guī)律

3 結(jié)論

(1)對于鋼纖維混凝土,當(dāng)纖維含量為0.025 %時,混凝土抗壓強度隨著纖維含量的增加而增加,但當(dāng)纖維含量超過0.075 %時,混凝土強度出現(xiàn)降低;而對于聚酯纖維混凝土,當(dāng)纖維含量達到0.050 %時,混凝土強度達到最大。

(2)當(dāng)纖維含量為0.025 %時,聚酯纖維混凝土抗拉強度要大于鋼纖維,而當(dāng)纖維含量大于0.025 %時,鋼纖維增強效果明顯,當(dāng)纖維含量為0.075 %時混凝土抗拉強度達到最大;而對于聚酯纖維混凝土強度,當(dāng)纖維含量為0.050 %時混凝土抗拉強度達到最大。

(3)當(dāng)纖維含量為0.050 %時,聚酯纖維混凝土抗拉強度要大于鋼纖維混凝土;而在其余纖維含量下,鋼纖維混凝土的抗彎強度明顯大于聚酯纖維混凝土。