混杂纤维对混凝土性能的影响试验研究.pdf

2 0 1 3年 第 1 O 期 (总 第 2 8 8 期 ) Nu mb e r 1 0 i n 2 01 3( To t a l No 2 8 8) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL A ND ADM I NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 1 0 0 2 0 混杂纤维对混凝土性能的影响试验研究 万惠文 ，韦鹏亮 ，陈超 ，吴有武 ，高志飞 ( 武汉理工大学 硅酸盐建筑材料 国家重点实验室 ，湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 ) 摘要 ： 通过在混凝土体 系中单掺或混掺钢纤维 、 聚丙烯纤维 、 U F 5 0 0 纤维素纤维 3种不 同性质 的纤维 ， 系统的研究 了 3 种纤 维单掺或混掺对混凝土工作性、 力学性能和抗渗性的影响特点和变化规律。 结果表明， 钢纤维和聚丙烯纤维有利于提高混凝土抗 折强度 ， 而纤维素纤维对混凝土抗渗性有较明显的改善效果 ； 纤维混掺比纤维单掺能更大幅度的提高混凝土的抗折强度 和抗渗 性能。 关键词 ： 混杂纤维 ； 工作性 ； 力学性能 ； 抗渗性 中图分类号 ： T U5 2 8 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 1 0 0 0 7 9 0 4 E x p e r i m e n t a l s t u d y on t h e i n f l u e n c e o f h y br i d f i b e r s on p r op e r t i e s o f c o n c r e t e WAN Hu i we n， WEIPe n gl i a n g， CHEN Ch a o， WU You wu， GAO Zb i f e i ( S t a t eKe yL a b o r a t o r yo f S i l i c a t eMa t e r i a l s f o r A r c h i t e c t u r e s ， Wu h a nUn i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ， Wu h a nHu b e i 4 3 0 0 7 0， Ch i n a ) Abs t r a c t ： Th e i n flue nc e of s t e e l fib e r ， p o l y pr o p y l e n e fibe r a n d UF50 0 c e l l u l o s e fib e r a s we l l a s t he i r h y b r i d o n wo r k a bi l i t y me c h a n i c a l pr o pe i e s a n d i mp e r me a b i l i t y o f c o n c r e t e a r e i nv e s t i ga t e d s y s t e ma t i c a l l yRe s u l t s s h o wd t h a t s t e e l fib e r an d p o l y pr o py l e n e fibe r c o ul d e f - f e c t i v e l y i n c r e a s e the fl e x u r a l s t r e n g t h o f c o n c r e t e ， and c e l l u l o s e fi b e r b e t t e r a b l e t o i mp r o v e t h e i mp e rm e a b i l i ty o f c o n c r e t e T h e c o n c r e t e wi th h y b r i d fi b e r h a s b e t t e r fl e x u r a l s t r e n g t h and i mp e rm e a b i l i ty t h an t h e c o n c r e t e wi th s i n g l e fi b e r Ke y wo r d s ： h y b r i d fi b e r ； wo r k a b i l i ty； fl e x u r a l s t r e n g t h； i mp e rm e a b i l i ty 0 引言 1 原材料和试验方法 混凝 土本身是一种多相 、 多组分 、 非 均质的脆性复 合 材料 。 在混凝 土结 构形成 过程 中因失水等原 因引起 收缩 ， 导致其内部 出现孑 L 隙 、 微裂纹等缺陷。 在受力过程中这些缺 陷都是裂缝源 ， 易产 生应 力集 中， 裂缝扩展 以致基体发生 破坏。 通过在混凝土体系中掺人纤维 ， 可阻止裂缝引发 ， 减 少与缩小裂缝源尺度 和数 量 ； 在受力过程 中， 可 以抑制裂 缝的引伸和扩展 ， 缓和裂缝尖端应力集 中程度 1 - 4 。 单一纤 维受 限于其 自身 的特点往往 只能在 某些有 限 的方面发挥 自己的优点 ， 而不同尺度不 同性能的纤维通过 合理的设计进行混杂 ， 使其在混凝土不同阶段发挥作用， 相互补充 ， 既发挥 了单一纤维的作用又能发挥多种纤维复 合 的叠加作用 ， 可 明显提高或 改善原先单纤维混凝土 的若 干性能 ， 获取优 良的综合性能 。 U F 5 0 0纤维素纤维为短 、 细 纤维 ， 其在混凝土裂缝萌生和微裂 阶段有 良好的阻裂作用 ， 即纤维素纤维对改善混凝土初裂效果明显。 当裂缝进一步 扩展时 ， 大量纤维素纤维被拉断 ， 增韧作用下 降。 混凝土宏 观裂缝形成后 ， 钢纤维和聚丙烯纤维的阻裂效果优于纤维 素纤维阁 。 本系统研究了纤维素纤维 、 钢纤 维和聚丙烯纤 维 的单掺和二元混掺对混凝土工作性 、 力学性能和抗渗性 的 影响规律 收稿 日期 ：2 0 1 3 - 0 4 1 6 1 1 试验原材料 水泥采用华新堡垒 4 2 5 R级水泥 ； 粗骨料选用 5 2 5 m l 1 连续级配的碎石； 细骨料为细度模数 2 8 的河砂； 减水剂为 西卡( 中 国) 有限公司生产的聚羧酸高性能减水剂( 液态 ， 固含量为 1 8 ， 减水率为 2 6 ( 对胶凝材料掺量为 1 2 ) ) ； 钢纤维采用武汉新途工程纤 维制造有限公 司生产 的端钩 型钢纤维 ； 聚丙烯纤维是泰安路强工程材料有限公司生产 ， 型号为 T B 1 9 m m； U F 5 0 0纤维素纤维为上海罗洋科 技有 限公司生产 。 3 种纤维 的主要性能指标见表 1 。 表 1 3种纤维的主要性能指标 1 2试 验 方 法 采用强制式搅拌机拌 和。 先加入水泥 、 粗骨料 、 细骨料 和纤维， 混合搅拌 3 0 s ， 使纤维均匀分散于混合料中， 然后 7 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 加入水和减水剂搅拌 1 5 0 s 。 混凝土坍落度的试验按照 G B T 5 0 0 8 0 -2 0 0 2 ( 普通混 凝土拌合物性能试验方法标准 进行； 混凝土抗压 、 抗折强度 的试验按照 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 ； 混凝土的抗渗性能按照 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准中的渗水 高度法进行 ， 即一次加压至 1 2 MP a ， 稳压 2 4 h ， 然后降压 ， 劈开试件， 沿水痕等间距量测 1 0 个测点的渗水高度， 取其 平均值作为混凝土的渗水高度。 3 单一 纤维对混凝土性能的影响 3 1 混凝土配合 比及 纤维掺量的确定 混凝土的工作性是决定混凝 土质量 和应用范 围的关 键 因素之一 ， 近年来越来越受到人们 的重视。 坍落度的测定 是表征混凝土工作性最常用的方法 ， 因此 ， 本研究设定混 凝 土最低坍落度为 1 0 0 mm， 只有满足此条件 的新拌混凝 土才可 以成型 、 测试 。 试验采用纤维外掺法 ( 以下表 中数据为每立方米基准 混凝土内添加 的纤维质量 ) ， 3 种纤维的掺量见表 2 。 3 2 试验结果与分析 在混凝土体 系中分别掺入 3 种单一纤维后 ， 新拌混凝 土坍落度如图 1 。 从 图 1 看 出 ， 3种单纤 维混凝 土 的坍落度 均低 于基 准混凝土， 且都随着纤维掺量的增加而降低。 这是由于钢 纤维和 聚丙烯纤 维在拌合物 中形成 网状结构 ， 使 得拌合 物 内部摩擦 阻力增 大 ， 流动 度 降低 ， 而且纤 维表 面会 吸 附水泥浆体进一步降低拌合物的流动度； 纤维素纤维由 于其非常细小难 以形成 网状结构 ， 但其 比表面积大 、 亲水 性好 ， 能够吸附大量的水泥浆体 ， 减少水泥浆体在拌合 物中的润滑作用， 使得拌合物流动度降低。 编号为 P 4 、 U3 、 U 4的单纤维混凝土 由于坍落度 1 0 0 m m 的要求 ， 确定纤维混掺掺量如下 ： 表 3 U S混杂纤维混凝土 表 4 U P混杂纤维混凝土 4 2 试验 结果与分析 两种混杂纤维掺人混凝土后 ， 其新拌混凝 土坍落度如 图 宣 艇 宝 降低 。 其 中编号为 U S 3 、 US 4 、 U P 4 、 U P 8的混杂纤维混凝土 由于坍落度 1 0 0 mm， 没有进行后续 的相关试验。 两种混杂纤维混凝土的 2 8 d 抗压 、 抗折强度如图 5 , 6 。 皤 出 蝠 图 5 2 8 d混杂纤维混凝土抗压强度 5 混凝 土抗 渗试验 本试验选取基准混凝土 、 单一纤维混凝土和混杂纤维 混凝土力学性能最优者为抗渗试验对象 ， 编号分别为 ： 0、 U 2 、 P 3 、 s 4 、 U P 3 、 U S 7 。 通过测试 、 比较混凝土渗水高度来研 究纤维对混凝土抗渗性能的影响 ， 不 同混凝土 的渗水 高度 如 图 7 。 0 UZ P3 S4 UP3 U ， 图 7 混凝土抗渗高度 由图 5 看 出， 两种混杂纤维混凝土 的抗压强度与基准 混凝土相 比均有所提 高 ， 其 中提高 幅度最大的分别是试样 U S 7提高了 1 1 5 8 、 试样 U P 3 提高了 1 6 9 5 ， 但与单一纤 维混凝 土相 比有升有 降 ， 可见纤维混掺并不能更大幅度的 提 高混凝 土的抗压强度 。 由图 6 看 出， 两种混杂纤维混凝 土 的抗折强度 的提高总体上随着纤维掺量的增加而增大 ， 与单一纤维混凝土相 比混杂纤维混凝土的抗折强度更高。 这是 因为两种纤维在混凝土裂缝萌生 、 扩展直到混凝土破 坏 的过程中能各 自发挥作用 ， 共 同提高混凝土的抗折强度。 两种混杂纤 维混凝 土的抗折 强度较基 准混凝 土提高幅度 最大 的分别是试样 U S 7提高了 5 4 7 8 、 试 样 U P 3 提 高了 5 6 9 9 。 综上所 述 ， 纤维混掺能更进一步提高混凝 土的综 合力学性能 ， 两种混杂纤维混凝土综合力学性能最优者为 US 7 、 UP3。 由图 7 看 出， 纤维素纤维 、 聚丙烯纤维 、 钢纤维的掺入 R1 加 0 gu v 怊 加 鲫 加 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 使得 昆 凝土的最大渗水高度较基准混凝土分别 降低 了 6 0 、 3 6 、 1 2 ， 这是因为纤维的掺入一方面可以抑制基体 裂缝 的形成和发展 ， 降低混凝 土的孔 隙率 ， 提高混凝土 的 密实度 ； 另一方 面基体中分布 的大量纤维使得混凝土的失 水 面积减小 ， 水分迁移 困难 ， 从而使毛细管因失水 收缩所 形成 的毛细管张力减小 ， 提高 了混凝 土的抗渗性饲 。 3种纤 维中 ， 纤维 素纤维能更有效 的抑制混凝土裂缝的形 成 ， 并 且 由于其 比较细小 ， 在混凝土 中数 目非常多 ， 能够显 著降 低混凝土失水面积 ， 所 以在单纤维混凝土 中纤维素纤维混 凝土的抗渗性能最优 。 当纤维混掺时 ， 混凝土的最大渗水高度较基准混凝土 分别降低 6 8 、 8 8 ， 比 3 种单一纤维混凝土 的抗渗 性能 更优异 ， 这是因为两种不 同尺度 、 不 同性质 的纤维在混凝 土 中形成空间网络结构 ， 不仅可以更进一步的改善混凝土 的孔隙率 ， 提高混凝土的密实度 ， 而且还可 以产生诸界面 和诸界面效应范围在三维空 间产生叠加效应 ， 进一步提 高混凝土 的抗渗性。 6结论 ( 1 ) 在混凝土体系 中掺人适量纤维 ， 会降低新拌混凝 土的坍落度 ； 纤维掺量越大混凝土坍落度降低越多， 且与 纤维的种类和混掺方式关系不大。 ( 2 ) 3 种单一纤维混凝土抗压 、 抗折强度均高于基准混 凝 土 ， 且掺 量越高力学性能越好 ， 其力学性能最优者分别 为试样 s 4 ( 钢纤维掺量为 3 0 k g m ) ， P 3 ( 聚丙烯纤维 掺量 为 1 0 k g m ) ， U 2 ( 纤维素纤维掺量为 0 8 k g m3 ) 。 其中试样 s 4 抗压 、 抗折强度较基准混凝土提高分别为 l 1 7 4 、 3 1 2 5 ； P 3 提 高分别 为 1 4 9 3 、 3 4 3 7 ； U 2提高分 别为 1 3 4 2 、 1 2 5 0 。 ( 3 ) 两种 混杂纤 维混凝 土 的抗压 、 抗 折强度 较 基准 混凝土提 高幅度最大 的分别 是为试样 U S 7 ( 纤维素 纤维 0 6 k g m 3 +钢纤维 2 5 k g m ) 、 U P 3 ( 纤维素纤维 0 8 k g m3 + 聚丙烯纤维 k g m3 ) ； 其 中试样 U S 7 抗压 、 抗折强度较基准 混凝土提高分别 1 1 5 8 、 5 4 7 8 ； U P 3 提高分别为 1 6 9 5 、 5 6 9 9 。 可见纤 维混掺能更进 一步提 高混凝土 的抗 折强 度 ， 对抗压强度提高有 限。 ( 4 ) 试样 U 2 ( 纤维素纤维掺量为 0 8 k g m ， ) 、 P 3 ( 聚丙 烯纤维掺量为 1 O k # m ) 、 S 4 ( 钢纤维掺量为 3 0 k g m ) 的单一 纤维混凝土的渗水高度较基准混凝 土分别降低 6 0 、 3 6 、 1 2 ； 试样 US 7 ( 纤维素纤维 0 6 k g m +钢纤维 2 5 k g m ) 、 UP 3 ( 纤维素纤维 0 8 k g m 3 +聚丙烯纤维 0 8 k m3 ) 的混杂 纤维混凝土 的渗水高度分别 降低 6 8 、 8 8 。 可见纤 维混 掺能更近一步提高混凝土的抗渗性能。 参考文献： 1 HI L L ER B ORG A， MOD E ER M， P E T E RS S O N P E An a l y s i s o f c r a c k f o r ma t i o n a n d c r a c k g r o wt h i n c o n c r e t e b y me a n s o f f r a c t u r e me c h a n i e s a n d fi n i t e e l e m e n t J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 7 6 ( 6 ) ： 7 7 3 7 8 2 【 2 P A C K S C ， M A N D E L J A Mi c r o m e c h a n i c al m u l t i p l e fi n i t e e l e m e n t mo d e l i n g o f c r a c k g r o w t h i n fi b e r r e i n f o r c e d ma t e r i a l s J E n g F r a c M e c h ， 1 9 8 4 ( 2 0 ) ： 3 3 5 3 4 9 【 3 】V E L A Z C O G， VI S A L VA NI C H K， S HAH S P F r a c t u r e b e h a v i o u r a n d a n a l y s i s o f fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a m J Ce me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 8 0 ( 1 0 ) 【 4 4 MA N D E L J A ， P A C K S C， T A R A Z I S Mi c r o m e c h a n i c a l s t u d i e s of Cr a c k Gr o wt h i n F i b e r Re i n f o r c e d Ma t e r i a l s ， En g Fr a c Me c h ， 1 9 8 2： 7 4】 -7 5 4 5 15 邓宗才， 张鹏飞， 等 纤维素纤维及混杂纤维混凝土的弯曲韧性叨 北京工业大学学报 ， 2 0 0 8 ( 8 ) ： 8 5 2 8 5 5 6 16 黄承逵 纤维混凝土结构【 M 北京： 机械工业出版社 ， 2 0 0 5 ： 31 7- 31 8 【 7 】孙伟严， 云钢 纤维高强水泥基的界面效应及其疲劳特性的研 究 J 】 硅酸盐学报， 1 9 9 4 ， 2 ( 2 ) ： 1 0 7 1 1 6 【 8 】 孙伟 ， M A N D E L J A 纤维间距对界面层的影l i J 硅酸盐学报， 1 9 8 9 ， 1 7 ( 3 ) ： 2 6 6 2 7 4 作者简介 ： 万惠文09 6 3 一 ) ， 男 ， 教授 ， 研究生导师 ， 研究方向 ： 生 态建筑材料、 高性能混凝土。 联 系地 址 ： 联系电话 ： 家重点实验室( 4 3 0 0 7 0 ) 4 。 - 5 k一 0 0元 ) 。 本刊地址 ： 沈 阳市和平区光荣街 6 5 号( 1 1 0 0 0 6 ) 电话 ： 0 2 4 6 2 1 2 3 8 6 5 8 3 8 6 0 4 4 9 传真 ： 0 2 4 8 3 8 6 0 4 4 9 - - +一 +- - +- +- +- +- +一 +- +- +- +- +- +- +一 +一 +- +- +- +- +- 8 2 E ma i l ： h n t b j b v i p 1 6 3 c o n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m