不同品种增强纤维对混凝土力学性能的影响

刘爱华,王飞龙

(1.西藏民族大学,陕西 咸阳712000;2.陕西工业职业技术学院,陕西 咸阳712000)

普通混凝土作为应用最广泛的建筑材料,普遍具有抗拉强度低、韧性差的缺点,而混凝土中加入适当比例的纤维后,基体部分自由水得以聚集,粗集料下沉受阻[1],水泥基体的收缩减少,使得混凝土的物理性能大幅度改善,传统建筑材料与纺织材料相互结合已然成为发展趋势[2]。近年来,芳族聚酰胺纤维、玻璃纤维、聚丙烯腈纤维与聚丙烯纤维等,由于其特殊的性能在建筑结构等方面得到了广泛的应用,复合材料中纤维已突破了简单的增强功能[3]。前期研究成果表明,纤维对混凝土力学性能的影响,主要体现在纤维的种类、形状、掺量及纤维在基体的分布形态[4-7]。

通过试验研究不同种类、不同掺量纤维混凝土的抗拉抗折性能的影响,探索其最佳工艺配方。

1 试验部分

1.1 材料和仪器

与其他合成纤维相比,芳香族聚酰胺纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维拥有抗拉强度、弹性模量高,化学稳定性良好的特点,为此,试验中以此3种纤维备用。选用陕西秦岭硅酸盐水泥,粒径较小的碎石及聚羧酸系减水剂,主要材料技术指标见表1。

表1 试验所用主要材料技术指标

主要试验仪器:HJW混凝土搅拌机,振动频率50 Hz磁吸振动台,ZBSX 92A型摇筛机,YEW-2000压力试验机,YA-300型全自动试验压力机及电子天平等。

1.2 试验方案

1.2.1 配合比

混凝土的配合比例:水灰比0.54、水泥519 kg/m3、砂613 kg/m3、石子1 102 kg/m3、砂率38%,聚羧酸系减水剂1.30%,3种不同纤维分别掺入1.00、1.20、1.50 kg/m33种不同比例进行对比实验,具体掺入量见表2。

表2 纤维掺入量

1.2.2 纤维掺入工艺

纤维混凝土中纤维的掺入一般包括干拌法和湿拌法2种[8]。干拌法较湿拌法更有利于纤维在基体中的均匀分布,制备的混凝土物理综合性能指标也明显高于湿拌法,为此,试验采用干拌法,其工艺流程如图1所示。

图1 混凝土纤维搅拌工艺流程

1.2.3 测试方法

试验中,1#～9#方案备用试块按照CECS13-2009《纤维混凝土试验方法标准》制作,其中,抗压强度模具试件尺寸为100×100×100 mm,抗折强度模具成型试件尺寸为100×100×400 mm。

2 结果和分析

3种不同类型的混凝土,在养护箱中28 d保养龄期后,测试其抗压强度、劈裂抗拉强度及弯拉强度,试验数据如表3所示。

表3 混凝土强度性能指标(28 d)

2.1 掺入纤维对坍落度的影响

作为混凝土的重要技术指标之一,和易性包含流动性、黏聚性和保水性三层含义。其中,混凝土的流动性是指水泥拌合物能产生流动,并具有均匀密实的特征,一般用坍落度来表征[9]。由图2数据可知,随着纤维掺入混凝土中,其坍落度较素混凝土(31.30 mm)有所降低,但没有出现离析现象,不影响混凝土的工作性能及正常使用。

图2 混凝土坍落度变化

2.2 纤维种类对混凝土力学性能的影响

由试验结果(表3)可知,掺入3种不同的纤维混凝土,力学性能有所提高。其中,芳香族聚酰胺纤维混凝土(1#、2#、3#试块)对增强作用明显(图3、图4),尤其是纤维对劈裂强度保期28 d提高更为显著,抗弯强度及弯拉强度也略高于对照组。

图3 各组试块劈裂强度增强率变化

2.3 纤维掺量对混凝土力学性能的影响

由图4可以看出,掺入1.00、1.20、1.50 kg/m33种比例的芳香族聚酰胺纤维、聚丙烯腈纤维、聚丙烯纤维3种纤维混凝土的抗压强度比素混凝土分别提高了8.9%、11.5%、11.5%,0.70%、5.7%、6.0%,0.5%、2.4%、2.4%;3种纤维混凝土的劈裂强度比素混凝土分别提高25.7%、29.5%、31.0%,14.7%、16.3%、17.0%,3.5%、7.1%、7.6%;3种纤维混凝土的弯拉强度比素混凝土分别提高14.6%、15.6%、16.6%,9.0%、9.2%、11.5%,4.9%、7.2%、7.8%。

图4 纤维混凝土力学性能的变化

所掺入3种纤维对于混凝土抗压强度、劈裂强度、弯拉强度等力学性能技术指标均有提高,但纤维掺入量不宜过高,否则不仅增加生产成本且增强效果也不明显,掺入量为1 kg/m3时效果较好。混凝土的劈裂强度增强效果最为明显,其原因可能是在混凝土中掺加了增强纤维后,其破坏模式也随之改变,即当试块初裂后,水泥基体未完全断裂前仍继续承受荷载,而纤维在外力的作用下是逐渐被拉断或者拔出的,继而增加自身的韧性。

3 结语

在素混凝土中加入芳纶聚酰胺等纤维,混凝土的力学性能综合指标得到了提升。尤其是由于水泥基体中加入纤维,混凝土的劈裂强度最高提升接近30%,从而显著提高了混凝土的抗渗性和耐久性,提高混凝土使用寿命。

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