纤维对地聚合物混凝土增强效应的试验研究.pdf

新癯 建巍 全 国 中 文 核 心 期 刊 纤维对地聚合物混凝土增强效应硇 i 式 验研究 范飞林 ， 许金余 ， 白二雷 ， 张军 ， 张龙 ( 1 空军工程大学 工程学 院机场建筑工程系 ， 陕西 西安7 1 0 0 3 8 2 西北工业大学 力学与土木建筑学 院， 陕西 西安7 1 0 0 7 2 ； 3 北京军区空军后勤部 ， 北京1 0 0 7 2 0 ； 4 空军后勤部机场营房部， 北京 1 0 0 7 2 0 ) 摘要 ： 以矿渣和粉煤灰为原料、 水玻璃和氢氧化钠为碱激发剂、 玄武岩纤维和碳纤维为增强材料， 制备纤维增强混凝土， 测试其 2 8 d抗压强度。 结果表 明， 纤维对地聚合物混凝土的增强效应受纤维种类、 纤维掺量和基体配 比等因素的影响； 碳纤维对地聚合物混 凝土增强效果明显 ， 掺量为 0 _ 3 抗压 强度增 幅最大， 达 3 4 8 ， 且水胶 比为 0 2 6时 的增强 效果优 于水胶 比为 0 - 3 1时； 玄武岩 纤维对 水胶 比为 0 2 6的地聚 合物混凝 土没有 增强效 果，但 当水 胶 比为 0 3l时，增 强效果 明显 ，掺量 为 0 3 时抗压 强度增 幅最大 ， 达 3 1 5 ； 总体上， 碳纤维对地 聚合物混凝土 的增强效果优于 玄武岩纤维 ， 碳纤维和玄武岩纤维对素混凝土没有起到增强作用 。 关键词： 地聚合混凝土； 玄武岩纤维； 碳纤维； 增强效应 中图分类号： T U 5 2 8 5 7 2 文献标识码： A 文章编号 ： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 0 ) 1 0 0 0 7 7 0 3 Ex pe r i m e nt al s t udy on s t r e ngt he n i ng e ffec t s of fibe r i n g e opo l ymer i c c onc r e t e F e i l i n ， XU J i n y u ， B AI E r l e i ， Z HANG J u n ， Z HANG L o n g 4 ( 1 De p a r t me n t o f Ai r f i e l d a n d Bu i l d i n g En g i n e e r i n g ， Ai r Fo r c e En g i n e e r i n g Un i v e r s i t y En g i n e e r i n g I n s t i t u t e ， Xi a n 71 0 0 3 8， S h a a n xi ， Ch i n a ： 2 Co l l e g e o f Me c ha n i c s a n d Ci v i l Ar c h i t e c t u r e， No r t h we s t P o l y t e c h n i c Un i v e r s i t y， Xi a n 71 0 0 7 2， S h a a n x i ， Ch i n a 3 A i r F o r c e L o g i s t i c D e p a r t me n t o f B e i j i n g Mi l i t a r y A r e a ， B e i j i n g 1 0 0 7 2 0 ， C h i n a ： 4 D e p a r t me n t o f A i r fi e l d a n d B a r r a c k s ， A i r F o r c e L o g i s t i c D e p a rt me n t ， B e i j i n g 1 0 0 7 2 0 ， C h i n a ) 地聚合物混凝土是以地聚合物为胶凝材料制备的一种具 备优异性能的新型混凝土类材料。地聚合物是近年发展起来 的一种新型无机非金属胶凝材料，其概念最早由D a v i d o v i t s 于1 9 7 8 年提出【 lI ， 它是以烧黏土或其它硅铝质材料为主要原 料， 在特定条件下通过类似地质聚合作用的化学反应而形成， 具有特殊的无机缩聚三维氧化物网络微观结构， 强度高， 化学 稳定性和耐久性好， 被称为“ 人造岩石” 、 “ 无机聚合物” 等2 1 。 已有研究表明M， 地聚合物混凝土具有良 好的力学性能， 强度高、 耐久性好， 进一步应用研究具有重要意义。但与高分 子材料相比， 地聚合物材料的脆性较大， 针对该缺点， 国内外 学者采用掺入高性能纤维等手段进行改性研究，取得了一定 基金项 目： 空军 工程大学工程学 院优秀博士学位论文创新基金项 目 ( BC0 7 O 0 2 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 4 2 2 作者 简介 ： 范飞林， 男 ， 1 9 8 3年生 ， 陕西宝鸡 人， 博士研 究生 ， 主要从 事机场防护工程研究。 电话 ： 1 3 5 7 2 4 1 4 8 2 7 ， E - ma i h fl y b e y o n d 0 0 71 6 3 nm n 成果阁 。 本文借鉴水泥、 陶瓷的改性手段， 采用在地聚合物混凝土 中加入高性能的玄武岩纤维和碳纤维的方法进行改性试验研 究， 探索制备具有优异力学性能的地聚合物混凝土的新方法。 l 试验 1 1 原料 水泥： P 0 4 2 5 R秦岭水泥； 矿渣： 韩城龙门钢铁有限公司 提供， 比表面积不小于4 9 0 m g ， 密度 2 9 7 m ， 2 8 d活性指 数不小于9 5 ； 粉煤灰： 韩城第二发电厂提供， 比表面积不小 于3 5 5 m 2 k g ， 密度 2 0 5 g c m 。 硅酸钠水玻璃： 南京合一化工厂提供， 液态， 模数为3 0 3 3 ； 氢氧化钠： 东莞市乔声电子科技有限公司提供， 白色片状 固体。 细骨料： 灞河中砂， 细度模数 2 7 8 ， 密度2 6 3 g c m ， 堆积 密度 1 5 0 g c m ， 含泥量 1 1 ， 级配合格； 粗骨料： 泾阳县石灰 石碎石， 粒径5 1 0m m占1 5 、 1 0 2 0 m m占8 5 ， 密度2 7 0 g c m ， 堆积密度1 6 2 g c m ， 含泥量0 2 。 N E W BUl L DI NG MAT E RI AI 5 7 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 范飞林 ， 等： 纤维对地聚合物混凝土增强效应的试验研究 减水剂： F D N萘系减水剂，广州建宝新型建材有限公司 提供； 水： 自 来水。 碳纤维： 日本东丽公司提供， 短切长度 6 m m ； 玄武岩纤 维：横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司提供，短切长度 1 8 m m ， 2 种纤维的物理和力学性能指标见表 1 。 表 1 玄武岩纤维与碳纤维 的物理和力学性 能 1 2 配合比设计 本试验在参考相关资料的基础上通过试配来确定地聚合 物混凝土的合适配比， 参照以往试验的研究成果 3 - 6 t ， 最终确 定2 种地聚合物混凝土的配比，素混凝土的配合比按照C 5 0 的强度等级设计。 采用不同掺量的玄武岩纤维和碳纤维来增强地聚合物混 凝土。 定义水与矿渣和粉煤灰的质量比为水胶比( 倡) ， 玄武 岩纤维和碳纤维的体积掺量均分别为0 、 0 1 、 0 2 、 0 3 ， 试 验基体配比见表2 。 表 2 基体配 比 2 试验结果对比分析 试件制备参考G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 ( 普通混凝土力学性能 试验法标准 ， 尺寸为1 5 0 m m x l 5 0 m m x l 5 0 m m 。对制备的试 件进行标准养护 ( 2 0 2 ) 、 相对湿度大于9 5 】 ， 采用压力 试验机测试混凝土试件的2 8 d 抗压强度。 2 1 玄武岩纤维对不同基体增强效果的对比分析 玄武岩纤维掺量对水胶比分别为0 2 6 和0 3 1 的地聚合 物混凝土以及素混凝土抗压强度的影响如图1 所示。 6 4 6 0 星5 6 罾 5 2 4 8 4 4 01 0 2 0 3 玄武岩纤维体积掺量 水胶 比为0 2 6 的 地聚合物混凝土 水胶 比为0 3 1 的 地聚合物混凝土 素混凝土 图 1 玄武岩纤维掺量对混凝土抗压强度的影响 由图1 可见，对于水胶比为O - 3 l 的地聚合物混凝土， 其 抗压强度随玄武岩纤维掺量的增大呈增长趋势， 掺量为0 3 时增幅可达 3 1 5 ； 对于水胶比为0 2 6的地聚合物混凝土没 有增强作用， 其抗压强度在玄武岩纤维掺量为0 2 时降幅最 大达 1 4 9 ； 对素混凝土基体而言， 其抗压强度随玄武岩纤维 掺量的增大呈减小趋势， 掺量为0 3 时降幅最大达1 6 2 。 2 2 碳纤维对不同基体混凝土的增强效果分析 碳纤维体积掺量对混凝土抗压强度的影响见图2 。 7 8 新型建筑材料 2 0 1 0 1 0 _ 水胶 比为0 2 6 的 地聚合物混凝土 水胶 比为0 3 1 的 地聚合物混凝土 素混凝土 图 2 碳纤维掺量对混凝土抗压强度 的影响 由图2 可见， 对于水胶比为0 2 6 和0 3 1 的地聚合物混凝 土基体， 在碳纤维掺量在0 0 3 时， 掺入碳纤维对其均有增 强作用， 其抗压强度在碳纤维掺量为0 3 时增幅最大， 分别 可达3 4 8 和2 8 3 ； 但对于素混凝土， 其抗压强度随碳纤维 掺量的增大呈减小趋势， 掺量为0 。 3 时降幅最大， 达6 。 3 。 2 3 玄武岩纤维和碳纤维对相 同基体增强效果的 对比分析 为了对比玄武岩纤维和碳纤维的增强效果，考察用玄武 岩纤维和碳纤维分别增强3 种基体时，混凝土抗压强度的变 化( 见图3 ) 。 由图 3 可见： ( 1 ) 对于水胶比为0 2 6 的地聚合物混凝土基体， 碳纤维 提高了基体强度， 纤维体积掺量为O 3 时， 抗压强度增幅最 大， 达3 4 8 ； 玄武岩纤维降低了基体的强度， 纤维体积掺量 为0 2 时， 抗压强度降幅最大， 达 1 4 9 。 ( 2 ) 对于水胶比为0 3 1 的地聚合物混凝土基体， 碳纤维 和玄武岩纤维均提高了基体强度，纤维体积掺量为O 3 时， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 O 垂7 2 篓 6 4 墨 5 6 4 8 范飞林 ， 等： 纤维对地聚合物混凝土增强效应的试验研究 O O 1 0 2 0 3 纤维体积掺量 纤维体积掺量 ( a ) 水胶 比为0 2 6 的基体 ( b ) 水胶 比为0 3 1 的基体 图 3 玄武岩纤维和碳纤维对相同基体混凝土抗压强度的影响 基体抗压强度的增幅最大， 分别达2 8 3 和3 1 5 。 ( 3 ) 对于素混凝土基体， 虽然当纤维体积掺量为0 1 时， 碳纤维提高了基体强度， 但总体看来， 碳纤维和玄武岩纤维均 降低了基体强度。 随着纤维体积掺量的增大， 2 种试件的抗压 强度均呈减小趋势，掺量为0 3 时基体抗压强度的降幅最 大， 分别达 6 3 和 1 6 2 。 比较2 种纤维对地聚合物混凝土基体和素混凝土基体的 增强效果可以发现，碳纤维对地聚合物混凝土基体起到了增 强效果， 但对素混凝土基体没有起到增强效果； 玄武岩纤维对 素混凝土和水胶比为0 2 6的地聚合物混凝土基体也没有起 到增强效果， 但对水胶比为0 3 1 的地聚合物混凝土基体起到 了增强效果，说明玄武岩纤维对地聚合物混凝土的增强受基 体配比的影响很大。 3 纤维增强机理分析 类似于一般的混凝土类材料，地聚合物混凝土在承受荷 载前已 存在微裂纹和孔洞等微损伤，这些损伤多数为粗骨料 与水泥砂浆之间的界面裂纹， 随着荷载增加， 界面微裂纹诱发 开裂， 逐渐扩展， 直至断裂。地聚合物混凝土存在脆性较大的 缺点， 加入纤维的主要目的在于克服其弱点。一般情况下， 纤 维在基体材料中主要起着3 方面的作用I9 。 ( 1 ) 阻裂作用。纤维可阻止基体中微裂缝的产生与发展， 这种阻裂作用存在于基体硬化的整个阶段，均匀分布于基体 中的纤维可承受因塑性收缩引起的拉应力，从而阻止或减少 裂缝的生成与扩展， 基体硬化后， 因周围环境温度与湿度的变 化而使干缩引起的拉应力超过其抗拉强度时，也极易生成大 量裂缝， 此时， 纤维也可阻止或减少裂缝的生成。 ( 2 ) 增强作用。纤维的加入可以改善基体的微观结构， 使 材料结构更加密实， 减少内部微裂纹等缺陷， 加入纤维可使材 料的强度有充分保证。 当所用纤维的品种与掺量合适时， 可使 复合材料的强度较基体有一定的提高。 ( 3 ) 增韧作用。 在荷载作用下， 即使基体发生开裂， 纤维可 横跨裂缝承受拉应力， 并可使复合材料具有一定的韧性。 在纤维增强水泥基复合材料中，纤维能否同时起到以上 纤维体积掺量 ( c ) 素 混凝 土基体 3 方面的作用， 或只起到其中2 方面或单一作用， 就纤维本身 而论， 主要取决于纤维品种、 纤维长度与长径比、 纤维的体积 率、 纤维取向和纤维外形与表面状况5 个因素， 水泥基体在纤 维增强水泥基复合材料中主要起着黏结纤维、 承受外压和传 递应力的作用，影响水泥基体作用效果的主要因素是它本身 的组成， 包括： 原料性能与组成， 水灰比等因素。 纤维能否起到预期的阻裂增强作用，也受纤维特性和基 体组成特性等多种因素的影响； 在纤维含量及特征参数适宜， 能使混合料均匀搅拌成型的情况下，纤维增强水泥基复合材 料强度的大小取决于基体的性能，掺入纤维并不一定提高基 体强度， 有时甚至会降低基体强度， 纤维的掺入能否提高基体 强度及提高幅度的大小与基体的组成特征有很大关系。 从试验结果来看，采用碳纤维增强地聚合物混凝土基体 时， 可以达到预期的阻裂、 增强效果， 能提高地聚合物混凝土 的抗压强度； 但采用玄武岩纤维增强地聚合物混凝土基体时， 阻裂、 增强作用受基体组成特征的影响很大， 对水胶比为0 3 1 的地聚合物混凝土基体可以起到阻裂、 增强作用， 对水胶比为 0 2 6的地聚合物混凝土基体则没有提高抗压强度；碳纤维和 玄武岩纤维对素混凝土基体没有增强作用。 4 结语 ( 1 ) 纤维对地聚合物混凝土的增强效应受纤维种类、 纤维 掺量和基体配比等因素的影响。 ( 2 ) 碳纤维对地聚合物混凝土基体有明显的增强效果， 掺 量为0 3 时抗压强度增幅最大， 达 3 4 8 ， 且对水胶比为0 2 6 的基体增强效果明显。 ( 3 ) 玄武岩纤维对地聚合物混凝土基体的增强效果受基 体配比的影响较大， 对水胶比为0 2 6的地聚合物混凝土没有 增强效果； 但对水胶比为O 3 l 的地聚合物混凝土增强效果明 显， 纤维掺量为0 3 时2 8 d 抗压强度增幅可达 3 1 5 。 ( 4 ) 碳纤维对地聚合物混凝土的增强效果优于玄武岩纤 维， 碳纤维和玄武岩纤维对素混凝土没有起到增强作用。 由于纤维增强地聚合物混凝土的力学性能受多种因素的 ( 下转第 8 2页) N E W 13 UI L DI NG M ATE RI AL S 79 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 陈杨如， 等： 屏蔽介质在水泥基材料中的应用研究 从表3 可看出，掺入纳米屏蔽介质的水泥基试样较水泥 净浆试样的电导率提升了3 个数量级，而碳纳米管由于具有 管状结构， 能形成良好的导电网络， 故其导电性能更好， 屏蔽 效能也优于掺纳米碳黑的试样。 较 凝 瞄 攫 0 3 0 0 6 0 0 9 0 0 1 2 0 0 l 5 0 0 频率 M H Z 图 3 纳 米屏蔽介质一 水泥基复合材料的屏蔽性能 从图3 可看出，在 1 0 0 k H Z 1 5 G H Z 频率范围内，加入 2 0 纳米屏蔽介质的水泥基复合材料的电磁屏蔽效能较水泥 净浆试样有较大的提高。掺碳纳米管的复合材料平均屏蔽效 能为2 0 3 8 d B ， 最大为2 5 2 8 d B ； 掺纳米碳黑的复合材料平均 屏蔽效能为1 4 3 5 d B ， 最大为1 5 5 3 d B ， 掺碳纳米管的屏蔽效 能优于掺纳米碳黑的。 3 结论 ( 1 ) 在水泥中掺入金属粉末、 纤维及纳米材料均能提高水 泥基复合材料的导电性能与屏蔽性能，其中以掺纤维的水泥 基复合材料的屏蔽性能提高最明显。 ( 2 ) 在相同掺量的情况下， 掺有镍纤维试样的屏蔽性能优 于掺碳纤维和不锈钢纤维的试样， 其平均屏蔽性能达到2 8 9 l d B ， 具有一定的实用价值； 掺碳纳米管试样的屏蔽性能优于 掺纳米碳黑试样；掺微米银粉试样的屏蔽性能优于掺铜粉和 镍粉试样。 参考文献： 1 杨士元 电磁屏 蔽理论与实践【 M】 北京 ： 国防工业出版社 ， 2 0 0 6 【 2 丁世 敬 ， 赵跃 智， 葛德彪 电磁屏 蔽材料研 究进展 材料 导报 ， 2 o o 8， 2 2( 4 )： 3 0 3 3， 3 7 3 C HU N G D D L E l e c t r o ma g n e t i c i n t e r f e r e n c e s h i e l d i n g e ff e c t i v e - n e s s o f c a r b o n ma t e ri a l s J C a r b o n ， 2 0 01 ， 3 9 ( 2 ) ： 2 7 9 - 2 8 5 4 邓橙 ， 宋永才 溶胶一 凝胶法 制备镍纤维及其 电磁性能研究【 J 】 材 料工程 ， 2 0 0 6 ( 1 1 ) ： 4 0 一 - 4 4 【 5 C H E N C S ， C H E N W R， C H E N S C， e t a 1 Op t i mu m i n j e c ti o n mo l d i n g p r o c e s s i n g c o n d t i o n o n EM1 s h i e l d i n g e f f e c t i v e n e s s o f s t a i n l e s s s t e e l fi b e r fi l l e d p o l y c a r b o n a t e c o mp o s i t e J I n t e r n a t i o n a l C o ann u n i c a t i o n s i n He a t a n d Ma s s T r a n s f e r ， 2 0 08 ， 3 5( 6 ) ： 7 4 _ 7 4 9 6 】 F U X L ， C HU NG D D L S u b mi e ron - d i a me t e r - c a r b o n - fi l a me n t c e me n t m a t ri x c o mp o s i t e s J C a r b o n ， 1 9 9 8 ， 3 6( 4 ) ： 4 5 9 - 4 6 2 7 司琼， 董发勤掺短碳纤维和石墨混凝土的低频 电磁屏蔽性能【J 】 硅酸盐学报， 2 0 0 5 ， 3 3( 7 ) ： 9 1 6 9 2 0 8 C HI OU J M， Z HE N G Q J ， C HU N G D D L E l e c t roma g n e ti c i n - t e rf e r e n c e s h i e l d i n g b y c arbon fi b e r r e i n f o r c e d c e m e n t f J 】 C o i n - p o s i t e s ， 1 98 9， 2 0( 4 ) ： 3 7 9 3 81 9 】 WEN S H， C H UN G D D L E l e c t r o m a g n e t i c i n t e rf e r e n c e s h i e l d - i n g r e a c h i n g 7 0 d B i n s t e e l fi b e r c e me n t 叨C e me n t a n d C o n - c r e t e Re s e a r c h， 2 0 0 4， 3 4( 3 )： 3 2 9 33 2 【 1 O 王 闯， 李 克智， 李贺军 ， 等 表面热处理碳 纤维及其增 强水泥基 复合材料 的电磁屏蔽性能【 J 硅酸盐学报 ， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 1 O ) ： 1 3 4 8 1 3 5 5 A ( 上接第 7 9页) 影响， 要深入研究其力学性能的影响因素及变化规律， 必须进 行大量的系统试验。地聚合物混凝土是极具发展前景的一种 新型混凝土类材料，利用高性能纤维材料改善地聚合物混凝 土的力学性能是一种有效手段，随着试验研究的逐步深入和 工程应用的逐渐扩大，纤维增强地聚合物混凝土可望成为一 种发展前景良好， 应用范围广泛的建筑材料。 参考文献： 1 D a v i d o v i t s J G e o p o l y m e r s ： i n o r g a n i c p o l y me ri c F l e w ma t e r i al s 叨 J o u r n al of T h e r ma l An aly s i s ， 1 9 9 1 ， 3 7( 8 )： 1 6 3 3 1 6 3 9 【 2 倪文， 王恩， 周佳 地聚合物2 l 世纪 的绿色胶凝材 料l J J 新材 料产业 ， 2 0 0 3 ( 6 ) ： 2 4 2 8 3 】 范飞林， 许金余 ， 李为民， 等 矿渣一 粉煤 灰基地质聚合物 混凝土 8 2 新型建筑材料 2 0 1 0 1 0 的冲击 力学性能 J 】 爆炸与冲击， 2 0 0 9 ， 2 9( 5 ) ： 5 1 6 5 2 1 f 4 】 范飞林 ， 许金余 ， 李 为民， 等 矿渣一 粉煤 灰基地质聚 合物混凝土 的基本性 能研究【 J 混凝土 ， 2 0 0 8 ( 6 ) ： 5 8 6 1 5 范飞林 ， 许金余 ， 李为 民， 等 地质聚合物混凝土的制备及工程应 用前景【 C】， 中国岩石力 学与工程 学会工程 安全 与防护分会 第 一 届工程安全与防护学术会议论文集 ， 2 0 0 8 ： 5 7 7 5 8 1 6 】 许金余 ， 李 为民， 范飞林 ， 等 地质聚合物混凝土 的冲击力学性能 研 究叨 振动 与冲击 ， 2 0 0 9 ， 2 8 ( 1 ) ： 4 6 5 0 【 7 王恩 地质 聚合物 的制备及 安全耐久 性研究【 D 】 北京 ： 北京科技 大学， 2 0 0 6 【 8 】 张书政， 龚克成 地聚合物【 J 1 材 料科 学与工程 学报 ， 2 0 0 3 ， 2 1 ( 3 ) ： 4 3 0 - - 43 6 【 9 】 沈荣熹， 王璋水， 崔玉忠 纤维增强水泥与纤维增强混凝土【 M】 北 京： 化学工业出版社， 2 0 0 6 A 加 5 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m