層布式聚丙烯腈-仿鋼纖維混凝土力學(xué)性能研究

曹 亮，李珍淑，張?jiān)骑w

(延邊大學(xué) 工學(xué)院結(jié)構(gòu)工程學(xué)科，吉林 延吉 133002)

0 前 言

針對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度低、延性差、易開裂等缺陷，已有許多專家和學(xué)者做了大量的研究。并且通過添加纖維增強(qiáng)混凝土的抗拉和抗折性能的方法也已經(jīng)被廣泛接受。一些專家已經(jīng)提出了層布式鋼纖維混凝土, 即在素混凝土內(nèi)一定高度均勻撒布鋼纖維混凝土，其力學(xué)性能與鋼纖維混凝土相近,其鋼纖維用量只有鋼纖維混凝土的10%，明顯降低了成本[1-4]。目前根據(jù)現(xiàn)場的施工情況表明：鋼纖維等高彈性模量纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)和增韌效果明顯，但是價(jià)格高，施工難度大[5-6]。而新型研制的聚丙烯仿鋼纖維與鋼纖維相比具有耐腐蝕性、易分散和易施工等優(yōu)點(diǎn)，而且同樣具有改善混凝土抗拉強(qiáng)度低、延展性差的作用。故為了節(jié)省鋼纖維的使用及提高混凝土的力學(xué)性能，本實(shí)驗(yàn)將聚丙烯腈纖維和聚丙烯仿鋼纖維混合，均勻地撒布于試件件的上下表面一定厚度表層內(nèi)，以此來探究聚丙烯腈-仿鋼纖維的最佳撒布厚度，為以后的層布式聚丙烯腈-仿鋼纖維混凝土的推廣提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

采用150 mm×150 mm×150 mm 標(biāo)準(zhǔn)試件制作抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度試塊，采用150 mm×150 mm×600 mm試件制作抗折試塊,每組3個(gè)試件,共計(jì)54個(gè)試件。根據(jù)聚丙烯腈-仿鋼纖維距試件底部撒布的高度，可分為六組：S0(基準(zhǔn)組)、S1(25 mm)、S2(38 mm)、S3(50 mm)、S4(63 mm)、S5(75 mm)。在混凝土試件澆筑過程中，先將混凝土澆筑距底部一定距離并振實(shí)，然后將混合纖維均勻地撒布于混凝土的表面，最后將混凝土筑滿試模，用平板振搗器振實(shí)振平，再進(jìn)行表面水平處理。

1.2 原材料及配合比設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30，坍落度值為120～150 mm，試驗(yàn)中天然粗骨料粒徑為5～25 m連續(xù)級(jí)配的碎石；細(xì)骨料為天然中砂，因要配制出高流態(tài)自流平混凝土，采用砂率為48%。試驗(yàn)采用吉林省延邊朝鮮族自治州廟嶺牌P.O42.5型號(hào)水泥，水灰比為0.35；粉煤灰密度為2 200 kg/m3,來自吉林省延吉市鐵南供熱公司,摻量為膠凝材料總重量的20%。單位用水量為171.0 kg/m3,具體配合比見表1。外加劑采用液態(tài)聚羧酸高效減水劑,固含量40%,摻量為膠凝體總重量的1.33% 。聚丙烯纖維：長度為19 mm；聚丙烯纖維：長度19 mm，表面滾花狀。兩種纖維的力學(xué)特性見表2～3。

表1 混凝土配合比設(shè)計(jì)

表2 聚丙烯腈纖維的物理力學(xué)性能

表3 聚丙烯仿鋼纖維的物理力學(xué)性能

2 抗壓性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

各組的28 d立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 立方體抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果 單位：MPa

從表4中可以看出，與未撒布聚丙烯腈-仿鋼纖維的試件相比，其他各組的抗壓強(qiáng)度均有所減少。但當(dāng)撒布高度為38 mm時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度相比其他四組折損最少。這是因?yàn)榫郾┓落摾w維和聚丙烯仿鋼纖維混雜分布時(shí)改變了混凝土內(nèi)部的構(gòu)造，使得混凝土的密實(shí)度下降，內(nèi)部缺陷增多，易出現(xiàn)微裂縫和氣孔[7]，從而對(duì)試件的抗壓強(qiáng)度有所損傷。而從現(xiàn)場的破壞形式來看，試件破壞時(shí)大多是先從撒布有聚丙烯腈-仿鋼纖維纖維處開始出現(xiàn)橫向微小裂縫，進(jìn)而產(chǎn)生脆性破壞。由此可以看出以撒布的方式分布纖維會(huì)對(duì)試件的整體性不利，會(huì)使試件產(chǎn)生分離現(xiàn)象。

3 劈裂抗拉性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

各組的28 d劈裂抗拉試驗(yàn)結(jié)果及拉壓比見表5。

表5 劈裂抗拉試驗(yàn)結(jié)果及拉壓比

從表5中可以看出，隨著聚丙烯腈-仿鋼纖維撒布高度的增加，試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度呈折線式增加趨勢。其中在撒布高度為38 mm時(shí)，試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值4.65 MPa，比基準(zhǔn)組提高了17.53%。從強(qiáng)度增加的速率來看，由S1組到S2組的增加速率最大，S3組到S4組增加速率次之，但在這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的強(qiáng)度增加率均超過了10%。而在S2組到S3組這個(gè)區(qū)間內(nèi)試件的劈裂抗拉強(qiáng)度增加率為負(fù)值。這表明在試件的0～38 mm和50～63 mm兩個(gè)區(qū)域內(nèi)撒布聚丙烯腈-仿鋼纖維可以顯著提高試件的劈裂抗拉強(qiáng)度，而在其他區(qū)域撒布聚丙烯腈-仿鋼纖維纖維，雖然也可以提高試件的劈裂抗拉強(qiáng)度，但提高率并不高。撒布有聚丙烯腈-仿鋼纖維的試件，其拉壓比均在1/11～1/13且高于基準(zhǔn)組，這說明層布式聚丙烯腈-仿鋼纖維的摻入對(duì)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度提高較為明顯。

從現(xiàn)場加載破壞時(shí)的形態(tài)來看，試件完全破壞時(shí)并未裂開為兩半，而是靠聚丙烯仿鋼纖維粘結(jié)在一起保留了整體性。在加載過程中，裂縫先從試件的頂部開始產(chǎn)生然后沿著荷載作用方向開始向下擴(kuò)展。當(dāng)裂縫達(dá)到撒布有聚丙烯腈-仿鋼纖維的部位時(shí)，因?yàn)榫郾┓落摾w維的彈性模量遠(yuǎn)高于混凝土的彈性模量，而且與混凝土的粘結(jié)效果好，所以混凝土內(nèi)部的力可以傳遞給聚丙烯仿鋼纖維，從而提高了試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度，保留了試塊的完整性。

4 抗折強(qiáng)度結(jié)果及分析

各組的28 d抗折試驗(yàn)結(jié)果見表6。

從表6中可以看出，在試件的受拉區(qū)撒布一層聚丙烯腈-仿鋼纖維可以顯著提高試件的抗折強(qiáng)度。其強(qiáng)度的增加趨勢同劈裂抗拉強(qiáng)度一樣也是折線式，持續(xù)增加的區(qū)間也是0～38 mm和50～63 mm。當(dāng)撒布高度為38 mm時(shí)，試件的抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值11.20 MPa，相對(duì)于基準(zhǔn)組的提高率為37.25%。

表6 抗折試驗(yàn)結(jié)果

從加載過程中破壞形式進(jìn)行分析，因?yàn)榫郾╇?仿鋼纖維的彈性模量遠(yuǎn)高于混凝土的彈性模量,當(dāng)裂縫擴(kuò)展到撒布有聚丙烯腈-仿鋼纖維的部位時(shí)，聚丙烯腈-仿鋼纖維與混凝土基體的粘結(jié)面開始破壞，纖維從混凝土中拔出或拉斷，試件發(fā)生脆性斷裂。整個(gè)過程聚丙烯腈-仿鋼纖維吸收了大量的能量，混凝土的韌性和延性得到提高[8]。

5 結(jié) 論

1)在混凝土試件受拉區(qū)分布一層聚丙烯腈-仿鋼纖維可以提高混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，但對(duì)抗壓強(qiáng)度有一定的折損。

2)隨著撒布高度的增加，抗壓強(qiáng)度呈下降的趨勢，而劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均呈現(xiàn)折線式增加趨勢。在撒布高度為38 mm時(shí)，為本次實(shí)驗(yàn)的最佳摻入高度，其抗壓強(qiáng)度降低了6.75%，劈裂抗拉強(qiáng)度提高了17.53%，抗折強(qiáng)度提高了37.25%。

3)在本次實(shí)驗(yàn)中確定了聚丙烯腈-仿鋼纖維的最佳撒布高度，但聚丙烯腈纖維和聚丙烯仿鋼纖維的最佳摻量有待繼續(xù)研究，從而對(duì)試件的力學(xué)性能達(dá)到最佳。

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