聚丙烯纤维掺和CSG材料力学性能的研究★

穆林钧 王咸杰 Lim Jeong-Yeul 金光日*

(1.延边大学工学院，吉林 延吉 133002； 2.K-water Institute, Infrastructure Research Center， Korea)

0 引言

胶凝砂砾石坝[1,2]是采用胶凝砂砾石材料的一种新型筑坝工艺，由于胶凝砂砾石坝[3-5]的水泥用量少，因此胶凝砂砾石坝对坝基的地质条件要求相对较低[6]；经过国内外的长期研究和实践证明，坝体具有安全可靠，施工简易，节约能源，经济合理等优点。但随着胶凝砂砾石材料在水利工程领域的广泛应用，针对CSG材料特性提出科学合理的配比设计方法及力学性能的研究是工程界值得关注的问题。

国内外的研究[7，8]表明，胶凝砂砾石材料的力学性能主要受骨料级配、胶凝含量、用水量等因素的影响，由于国内对胶凝砂砾石材料的研究处于早期阶段，没有形成一个系统的力学研究理论且试验方法尚未完善。大量研究资料[9]表明，掺和纤维可有效提高胶凝砂砾石材料的强度等力学性能。本文选取天然砂砾石为原材料，采取等骨料级配及砂率，不同水泥用量、龄期等分析CSG材料的力学性能，研究CSG材料强度变化规律及影响因素，为胶凝砂砾石材料的进一步应用提供参考理论依据。

1 试验设计

1.1 原材料

试验中，水泥采用密度为3.04 g/cm3的42.5号普通硅酸盐水泥，物理性质指标如表1所示；试验采用的纤维是聚丙烯纤维，与水泥等亲和性好，力学性能如表2所示；试验所用天然砂砾石料来自砂砾坝，进行筛分试验后分为骨料和砂料，材料的物理特性如表3所示，骨料颗粒级配曲线如图1所示；水采用天然自来水。

表1 水泥的物理性质

表2 纤维性能指标

表3 天然砂砾石料物理特性

1.2 试验方法

本次试验的试件尺寸为φ150 mm×H300 mm，试验每个配合比制作试件10个(6个抗压+4个劈拉)，总共制作30个试件。试件分三层装入碳素钢模，每层采用人工振捣击实成型，试件48 h后脱模，在自然条件下养护，试件之间保持一定的距离，试件养护温度为(20±2) ℃，洒水养护，保证湿度为(95±1)%。

1.3 配合比设计

选取天然砂石料为原材料，采取等骨料级配及砂率，通过掺和纤维及选用不同水泥量、龄期以正交试验方法研究材料配合比，通过掺和纤维1%,3%,6%,12%(占水泥用量的百分比)，得到试验配合比结果如表4所示。

表4 配合比试验设计

2 试验结果及分析

2.1 CSG材料抗压强度试验

2.1.1试件破坏形态

根据图2所示以及现场试件加载情况分析可知，胶凝砂砾石材料圆柱体试件的受压破坏[10]过程为：1)当试件荷载不断增大时，试件的上下表面处与试验机上下压力面处产生相互摩擦力，从而使试件受到约束而不能产生纵向扩张。2)随着试验荷载的增大，试件在垂直方向上产生压应力促使试件产生纵向变形。

2.1.2纤维掺量对抗压强度影响分析

根据图3分析可知，当胶凝砂砾石材料中的PP纤维的掺量分别为1%,3%,6%,12%时，在图3a)中水泥用量为40 kg/m3时，PP纤维掺量为1%,6%,12%的胶凝砂砾石材料的7 d抗压强度分别掺量为3%时的抗压强度增加了5%～40%；PP纤维掺量为1%,6%,12%的胶凝砂砾石材料的28 d抗压强度分别掺量为3%时的抗压强度增加了15%～40%；在图3b)中水泥用量为80 kg/cm3时，PP纤维掺量为1%,6%,12%的胶凝砂砾石材料的7 d抗压强度分别掺量为3%时的抗压强度增加了20%～37%；PP纤维掺量为1%,3%,12%的胶凝砂砾石材料的28 d抗压强度分别掺量为6%时的抗压强度增加了2%～14%；在图3c)中水泥用量为100 kg/m3时，PP纤维掺量为3%,6%,12%的胶凝砂砾石材料的7 d抗压强度分别掺量为1%时的抗压强度增加了20%～91%；PP纤维掺量为3%,6%,12%的胶凝砂砾石材料的28 d抗压强度分别掺量为1%时的抗压强度增加了7%～47%。

数据分析可知：随着PP纤维掺量的增加，CSG材料的抗压强度也随之增加，尤其是在后期材料的抗压强度增加明显。

2.2 CSG材料劈裂抗拉强度试验

2.2.1试件破坏形态

如图4所示，CSG材料试件的劈裂破坏方式[12]是沿着中心线，劈裂成两半的形式，但骨料并未遭到破坏。当试件的荷载力不断增大时，试件沿中心线方向出现裂缝且试件裂缝宽度也不断增大，当试件的承载能力达到所能承受的抗拉荷载峰值时，试件由于超过峰值而发生破坏。

2.2.2纤维掺量对劈拉强度影响分析

分析图5，聚丙烯纤维掺量与抗拉强度的变化规律，数据整理分析可知：随着聚丙烯纤维掺量的增加，CSG材料的劈拉强度也随之增强。如图5a)中所示，在水泥用量为40 kg/m3时，聚丙烯纤维掺量为3%,6%,12%的胶凝砂砾石材料的7 d劈拉强度分别掺量为1%时的抗压强度增加了67%～95%；聚丙烯纤维掺量为1%,3%,12%的胶凝砂砾石材料的28 d劈拉强度分别掺量为6%时的抗压强度增加了13%～82%。如图5b)中所示，在水泥用量为80 kg/m3时，聚丙烯纤维掺量为3%,6%,12%的胶凝砂砾石材料的7 d劈拉强度分别掺量为1%时的抗压强度增加了3%～32%；聚丙烯纤维掺量为1%,6%,12%的胶凝砂砾石材料的28 d劈拉强度分别掺量为3%时的抗压强度增加了1%～19%。如图5c)中所示，在水泥用量为100 kg/m3时，聚丙烯纤维掺量为1%,3%,6%的胶凝砂砾石材料的7 d劈拉强度分别掺量为12%时的抗压强度增加了11%～100%；聚丙烯纤维掺量为1%,3%,12%的胶凝砂砾石材料的28 d劈拉强度分别掺量为6%时的抗压强度增加了20%～73%。

分析原因在于：PP纤维[11]是一种与水泥有良好的亲和力的材料，在CSG材料中掺入PP纤维能有效抑制CSG材料的早期裂缝，从而有效的提高了CSG材料的劈拉强度。

2.3 水泥用量对强度的影响分析

胶凝砂砾石材料的材料特性介于混凝土和堆石料之间，其主要的工程特性之一是胶凝材料用量少[12]，水泥用量是影响CSG材料强度的主要因素。为了进一步研究水泥用量对CSG材料的强度的影响，选取天然砂石料为原材料，采取等骨料级配及砂率，水泥用量从40 kg/m3到100 kg/m3，测试CSG材料的7 d，28 d龄期的强度变化，试验数据结果如图6,图7所示。

由试验结果可知，水泥用量越多，胶凝砂砾石材料的强度越大。7 d龄期时，在水泥用量从40 kg/m3增加至100 kg/m3，试件抗压强度从8 MPa增加至19 MPa；28 d龄期时，在水泥用量从40 kg/m3增加至100 kg/m3，试件抗压强度从10 MPa增加至27 MPa。7 d龄期时，在水泥用量从40 kg/m3增加至100 kg/m3，试件劈拉强度从1 MPa增加至4 MPa；28 d龄期时，在水泥用量从40 kg/m3增加至100 kg/m3，试件抗压强度从1 MPa增加至3 MPa。且在水泥用量为80 kg/m3，纤维掺量为12%，龄期为28 d时，CSG材料的劈拉强度达到3 MPa。在水利工程中，对于强度要求较低的工程，CSG材料的单位水泥用量不宜小于30 kg/m3，对强度和安全性要求更高的工程，CSG材料的单位水泥用量不宜小于40 kg/m3。

3 结语

1)掺入PP纤维能够有效提高胶凝砂砾石材料的力学性能。对于抗压强度而言，CSG材料的早期强度增长率优于后期强度，整体强度均趋于增加；使胶凝砂砾石材料的强度性能更接近于碾压混凝土，胶凝材料用量越多，胶结作用越强，试件的抗压强度能力也越强；对于劈拉强度而言，随着PP纤维掺量的增加，CSG材料的劈拉强度趋于增加，当纤维掺量过高时，CSG材料的劈拉强度有所降低。2)试验中，胶凝砂砾石材料的强度随养护龄期的增长而增大；7 d龄期的CSG材料抗压强度约占18 d龄期抗压强度的48%～69%，7 d龄期的CSG材料劈拉强度约占18 d龄期抗压强度的70%～90%；随着水泥用量的增加，CSG材料的强度明显大幅增加。3)试验结果表明：试件采用不同胶凝材料用量、龄期时，PP纤维掺和CSG材料能有效改善原材料的强度，使试件的破坏形态转化为延性破坏，尤其是掺入12%聚丙烯纤维时，试件的抗压及劈拉强度达到最大值。

ACKNOWLEDGEMENT: This research was supported by a grant [MOIS-DP-2015-04] through the Disaster and Safety Management Institute funded by Ministry of the Interior and Safety of Korean government.

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