纤维复合胶粉改性混凝土的弹性模量与强度的相关性.pdf

2 0 1 5 年 第 9期 ( 总 第 3 1 1期 ) N u mb e r 9 i n 2 0 1 5 ( T o t a l No 3 1 1 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材 料及辅助物料 MATE RI AL AND ADMI NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 5 0 9 0 2 4 纤维复合胶粉改性混凝土的弹性模量与强度的相关性 伏利鹏 ， 杨建森 ( 宁夏大学 土木与水利学院，宁夏 银川 7 5 0 0 2 1 ) 摘要： 通过正交试验研究分析了纤维 、 胶粉以及硅粉复合改性混凝土的抗压强度和弹性模量 ， 分析了纤维复合胶粉改性混凝 土抗压强度与弹性模量的关系。 研究表明 ： 聚丙烯纤维复合胶粉改性混凝土的抗压强度与弹性模量符合 E = 0 2 7 +1 9 2 0 9线 性关系 ， 相关性十分显著 ； 正交试验四个参数对混凝土的抗压强度和弹性模量的影响主次顺依次为胶粉掺量 、 硅粉掺量 、 纤维掺 量 、 纤维长度， 且胶粉能明显减小抗压强度和弹性模量 ； 硅粉对混凝土抗压强度的增强效应在其掺量为 2 5 时最佳。 关键词 ： 聚丙烯纤维复合胶粉改性混凝土； 正交试验 ； 弹性模量 ； 抗压强度 ； 相关性 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 9 0 0 9 1 0 3 Cor r e la t i o n o f e l a s t i c it y mo du l u s a n d c omp r e s s i v e s t r e n g t h o f f i b e r c o m p o s i n g la t e x p o wd e r mo d i f i e d c o n c r e t e F Li pc n gYANG Y i a ns e n ( S c h o o l o f Ci v j l a n d Hy d r a u l i c E n g i n e e r i n g ， Ni n g x i a Un i v e r s i t y， Yi n c h u a n 7 5 0 0 2 1 ， Ch i n a ) Abst r a c t： El a s tic mo d u l u s， c omp r e s s i v e s t r e n g t h a n d t h e ir c o r r e l a t i o n o f f i be r， l a t e x p o wd e r a n d s i l i c o n po wde r c o mp o s i mo d i fie d c o n c r e t e a n a l y z e d b y o r t h o g on a l e x p e rime n t Th e r e l a tio n s h i p b e t we e n e l a s ti c mo d u l u s a n d c o mp r e s s i v e s Ve n g th o f po l y p r o p y l e n e fib e r c o m p os i t i n g l a t e x p owd e r mo d i fie d c o n c r e te an a l y z e d i n t h e e x p e r i me n t Th e r e s u l t s s h o w t h a t the e l a s t i c mod u l u s a n d c o mp r e s s i ve s e n g t h fi t the r e l a t i o n s h i p o f l i n e a r f u n c ti o n E =0 2 7 +1 9 2 0 9， and t h e c o rre l ati o n i s s i g n i fi c antl y T h e o r d e r o f f a c t o r s wh i c h a f f e c t e d e l a s t i c mo du l u s an d c o m p r e s s i v e s tr e ng t h we r e l a t e x p owde r， s i l i c o n p o wd e r d os a g e， d os a g e o ffib e r c o n t e n t a n d 肋 e r l e n g th La t e x po wde r c a n r e d u c e the c o mpr es s i v e s t r e ng t h a n d e l a s ti c mo du l u s s i g nific ant l y Th e b e s t c o n t e n t o f s i l i c o n p o wd e r o n c o mp r e s s i v e s t r e n g t h e n h a n c e m e n t o f c o n c r e i s 2 5 Ke y wor ds： p o l y p r o p yl e n e fi b e r c o mp o s i t i n g l a t e x p o wd e r mo d i fie d c o n c r e ； o r t h o g o na l e x p e r i me n t ； e l a s tic i t y mo d u l us ； c o mp r e s s i v e s e n g t h； c o r r e l a ti on 0 引言 聚合物改性混凝 土在 国内外 经过长 足的发展 ， 已成为 混凝土路面维修或铺筑时常用的材料之一。 从 目前 的研究 成果来看 ， 绝大多数的聚合物改性水泥基材 的研究主要 围 绕 聚合物乳液或橡胶粉进行 ， 而以聚合物胶粉对水泥 基材改性方面的研究却鲜有报道。 众所周知 ， 道路路面修复或铺 筑材料 的选取首先应考 虑行车舒适性 。 由于混凝土的弹性模量远大于道路路基层 以及底基层 的模量 ， 因此混凝土路 面在行 车舒适度方面远 不及沥青类路面 。 作 为推广型 的路面材料 ， 降低 混凝土 路面的弹性模量 ， 提高混凝土路 面行车 的舒适性对混凝土 路面的发展举足轻重 。 由于混 凝 土 的变形 主 要取 决 于 组成 物 质 各 自的变 形 。 聚合物胶粉的弹性模 量低 ， 由于聚合物胶粉 中乙烯 的相对含量较高 ， 因此在水泥水化 时胶粉形成空 间连续 网 状薄膜 与水泥水化物 相互 缠绕 ， 交织在 一起 ， 在混凝 土受 外荷载作用时 ， 由于 聚合 物胶粉 自身 的韧性较高 ， 能有效 收稿 日期 ： 2 0 1 4 1 2 1 9 基 金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 1 6 8 0 4 1 ) 吸收外荷载引起砂浆内部 的部分应力 ， 从而大幅度提高砂 浆 的变形性能 。 聚丙 烯纤维 的平均 弹性模 量较低 ， 在 3 5 G P a 左右 ， 其断裂伸长率大于砂浆断裂伸长率 ， 因此在 砂浆受力时通过聚丙烯纤维可 以有效抑 制大面积裂缝 的 出现 ， 并且减轻微裂缝 的应力集 中而达到改善混凝土变形 性能的效果 。 纤 维长度 的增 长或者直 径变粗都 会使 纤维与水泥基材接触的面积增大， 在混凝土受到外荷载 以 及非荷载作用时会有效减小纤维单位面积上所受 的力 ， 提 高了混凝土抵抗破坏 的能力 。 本采用 聚丙烯 纤维与胶 粉 、 硅粉等复合 ， 以期改善路用混凝土 的力学性质 ， 为混凝 土路面修复及铺筑提供性能更好 的新材料 。 1 试验部分 1 1 试验材料 水泥： 宁夏赛马牌 P O 4 2 5 R级水泥， 各项技术指标 符合国家规范要求 ； 砂子 ： 中砂 ， 细度模数为 2 3 2 ， 满足 I I 区级配 ， 含泥量 2 0 ： 91 碎石 ： 最大粒径为 1 0 m m， 级配 良好 ； 胶粉 ： 德 国瓦克公 司生产 的醋酸乙烯酯 一乙烯共聚物 乳胶粉 5 0 4 4 N； 硅粉 ： 挪威埃肯公 司， 比表面积 1 8 0 0 0 m k g ， 活性指 数 ( 2 8 d ) 1 2 1 ； 纤维 ， 断面为圆形 ， 当量长度分别为 6 、 9 、 1 2 mm。 1 2试验方案 采用 L 。 ( 3 ) 的正交试验方 案 ， 水胶 比为 0 4 、 砂率为 3 6 。 硅粉掺量以其 占胶凝材料 总质量 的百 分 比计取 ， 胶 粉掺量 以其 占胶凝材料总质量 的百分 比计取 ， 纤维掺量 以 纤维 ： 泰安路缘工程纤维有限公司生产 的聚丙烯单丝 其 占混凝土体积百分比计取 ， 各 因素及水平分布见表 1 。 表 1 聚丙烯纤维复合胶粉改性混凝土正交试验方案设计参数及配合比 注： 括号内的字母和数字分别为各 因素及其各水平的编号。 1 3试 验 方 法 参考根据 现行 国家标准 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 普 通混 凝土力学性能试验方法标准 进行抗压强度和弹性模量试 验 。 2结 果 与讨 论 性模量试验数据见表 2 。 根据 A C I 建筑规范中给出的经过大量试验得出普通 混凝土弹性模量关系式H ( 见式 ( 1 ) ) 计算 聚丙烯纤维 复 合胶粉改性混凝土正交试验各组 的弹性模量 ， 与实际测得 的弹性模量相比偏大 ， 约为实测弹性模量 的 1 0 3 1 2 3 倍 ， 因此采用此式不 能够准确 的预测 聚丙烯 纤维复合胶粉改 2 1 弹性模量与抗压 强度相关性分析 性混凝土的弹性模量， 同时说明聚丙烯纤维复合胶粉改性 聚丙烯纤维复合胶粉改性混凝 土 2 8 d抗压强度与弹 混凝土的刚度比普通混凝土的刚度要小 。 表 2 聚丙烯纤维复合胶粉改性混凝土2 8 d抗压强度与弹性模量 E = 0 o 4 3 g o ( 1 ) 式 中： E 混凝土弹性模量 ， G P a ； 混凝土单位体积质量 ， k g m ； ， 。 标准试件 的抗压强度 ， MP a 。 对聚丙烯纤维复合胶粉改性混凝 土抗压强度 与弹性 模量 的关 系通过散点图进行拟合 ， ( 见 图 1 ) 。 由于 Z J 7和 Z J 9的弹性 模量偏离较 大 ， 因此在 拟合时剔 除。 从剩余 7 组拟合分析来看 ， 聚丙烯纤维复合胶粉改性混凝 土抗压强 度和弹性模量关系符合 式( 2 ) 线性关 系 ， 且相关 性十分显 著 ， 相关性系数 r ( 0 9 8 4 ) F o 。 ， ( 0 7 3 5 ) 。 92 3 3 6 7 3 5 墨3 4 2 9 28 3 0 3 5 40 4 5 5 O 5 5 6 O 6 5 抗压强 度 MP a 图 1 聚丙烯纤维复合胶粉改性混凝土抗压强度 与弹性模量散点拟合 E 。 = 0 2 7 8 f +1 9 2 0 9 ( 2 ) 式 中： E 。 混凝土弹性模量 ， G P a ； 混凝土立方体抗压强度 ， MP a 。 2 2 抗压强度与弹性模量直观分析 对聚丙烯纤维复合胶 粉改性混凝土抗 压强度 和弹性 模量分别进行直观分析见表 3 。 表 3 聚丙烯纤维复合胶粉改性混凝土抗压 强度 与弹 性模 量直观 分析 注 ： 。 ， ， 分别为水平 1 、 水平 2 、 水平 3时各指标之和； k k ： ， k 为平均值 ； 为极差。 从表 3中四参数对混凝土 2 8 d 抗 压强度和弹性模量 极差值的大小可以看 出， 四个参数对抗压强度和弹性模量 的主次顺序一致 ， 均为胶粉掺量影 响最大 ， 硅粉掺量次之 ， 5 5 越5 0 憩 鬟 s 40 5 5 螽 。 鼎 暑 s 篙 40 纤维掺量第三 ， 纤维尺寸影响最弱。 四个参数对 聚丙烯纤 维复合胶粉改性混凝土 2 8 d抗压强度和弹性模量的影响 趋势示 于图 2 、 3 。 因素 水平 因素水平 ( b ) ( C ) 图2 各参数对聚丙烯纤维复合胶粉改性混凝土 2 8 d抗压强度影响趋势 由图 2 可 以看出随着胶粉掺量 的增加 ， 混凝土的 2 8 d 抗压强度大幅下降 ， 水平 1 到水平 2下降 了 2 3 9 ， 水平 2 到水平 3下降了 1 1 0 ； 抗压 强度随着硅粉掺量增加混凝 土抗 压强度呈先增 后减趋势 ， 且 可以确定 2 5 为硅粉影 6 0 55 黑 5 0 45 40 响抗压强度 的最佳 掺量 ； 纤维体积掺量为 0 2 时混凝土 的抗压强度最小 ； 随着纤 维长度 的增长 ， 混凝土 的抗 压强 度先后呈不 同幅度减小 ， 说明纤维长度的增加会致使抗压 强度的减小 。 因素水平 因素水平 ( b ) ( c ) 图3各参数对聚丙烯纤维复合胶粉改性混凝土弹性模量影响趋势 由图 3可以看 出， 随着胶 粉掺量的增加 ， 混凝土 的弹 性模量基本上呈线性递减 ， 可以看 出低模 量的聚合物胶 粉 可显著降低混凝土 的弹性模 量 ； 随硅粉掺量 的增加 ， 混凝 土的弹性模量逐渐增大 ； 随着 纤维掺量 的增加 ， 混凝土 弹 性模量呈先增后减趋势 ； 纤 维长度对混凝土弹性模 量影 响 与纤维掺量类似。 3 结 论 ( 1 ) 聚丙烯纤维复合胶 粉改性混凝土弹性模 量 E 与 抗压强度 符合线性关系， 且相关性十分显著， 相关性系 数 r ( 0 9 8 4 ) r 0 0 ( 0 7 3 5 ) 。 ( 2 ) 聚丙烯纤维复合胶粉改性混凝土的弹性模量 比普 通混凝土 的弹性模量小 。 四个参数对 聚丙烯纤维复合胶 粉 改性混凝土抗压强度和弹性模量的影响主次顺序一致 。 胶 粉对混凝土 的抗压强度和弹性模量影响最为显著 ， 且二者 均 随胶粉掺量的增加而递减 ； 纤维对混凝土抗压强度和弹 性模量的影 响相对较弱 。 参 考文 献 ： 1 王茹， 王培铭 聚合物改性水泥基材料性能和机理研究进展 J 材料导报， 2 0 0 7 ， 2 1 ( 1 ) ： 9 3 9 5 E 2 3肖力光， 刘畅， 王文彬 聚合物改性混凝土的研究进展 J 吉林 建筑工程学院学报 ， 2 0 1 3 ， 3 0 ( 6 ) ： 4 7 3 邓学钧 路基路面工程( 第三版) M 北京： 人民交通出版社， 2 0 0 8 4 MI N D E S S S ， Y O U N G J F ， D A R WI N D 混凝土 M 吴科如 ， 等译 北京： 化学工业出版社， 2 0 0 4 5 WI J A Y A S ， G U A N H S ， L U J P A p p l i c a ti o n o f p o l y m e r m o d i fi e d s p r a y m o r t a r f o r f e a t u r e w a l l s of v i v o c i t y p r o j e c t S i n g a p o r e - C P r o c e e d i n gs o f t h e 6 th As i a n Sy mp os i u m o n Po l y me r s i n Co n c r e t e， 2 0 09： 2 3 5 2 43 1- 6 熊剑平， 申爱琴 聚合物水泥混凝土改性机理研究 J 13 0 1 1 大 学学报 ： 工学版 ， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 3 ) ： 1 5 2 0 7 姚红云， 梁乃兴 ， 孙立军， 等 羧基丁苯聚合物改性混凝土性能 及其机理 J 建筑材料学报， 2 0 0 5 ， 8 ( 1 ) ： 3 0 3 6 8 王茹， 王培铭 聚合物己 更 J 性 水泥基材料性能和机理研究进展r J 7 材 料导报， 2 0 0 7 ， 2 1 ( 1 ) ： 9 3 9 6 9 L I N C， K A Y A L I O， MO R O Z O V E V， e t a 1 I n f l u e n c e o f fi b e r t y p e o n fl e x u r a l b e h a v i o u r o f s e l fc o mp a c t i n g fi b e r r e i n f o r c e d c e me n ti t i o u s c o m p o s i t e s J C e m e n t a n d C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 2 01 4 51： 2 73 7 I O X U F ， Z H O U M K， C H E N J P ， e t a 1 Me c h a n i c a l p e r f o r ma n c e e v u a fi o n of p o l y e s t e r fib e r a n d S BR l a t e x c o mp o u n d mo d i fie d c e me n t c o n c r e te r o a d o v e r l a y m a t e r i a l J C o n s t r u c t i o n a n d Bu i l d i n g M a t e r i a l s ， 2 01 4， 63： 1 4 2 1 49 1 1 黄楠 聚丙烯纤维砂浆抗裂性能分析 J 建筑工程 ， 2 0 1 3 ( 2 ) ： 6 66 7 第一作者 联系地址 联 系电话 伏利鹏( 1 9 8 8一) ， 男 ， 硕士研究生， 主要研究方向为结 构工程。 宁夏银川市西夏区文萃北街 2 1 7 号( 7 5 0 0 2 1 ) 1 3 8 9 51 9 5 7 4 9 93