聚丙烯纤维混凝土常规抗压强度试验研究

2023-07-31王国飞姚鹏飞

黑龙江水利科技 2023年7期

王国飞,姚鹏飞

(中国水利水电第十一工程局有限公司,郑州 450000)

0 引言

随着国家基础建设的不断发展,越来越多的混凝土被应用于工程实践。对此学者们进行了研究,童伟光等[1]对不同形态聚丙烯纤维掺入混凝土的抗冲击性进行了研究,研究结果表明:掺入长的网状纤维制成新型混凝土抗冲击力较普通混凝土明显增强,其强度与掺入的量成正比。秦泽轩[2]用不同的纤维制成的再生混凝土进行了单轴抗压与劈裂抗拉实验,研究结果表明:直聚丙烯纤维较曲聚丙烯纤维能增强混凝土的力学性能,植物纤维前期能使混凝土的结构紧密,随着时间的流逝,结构会变得越来越松散。谭刚等[3]对聚丙烯纤维掺量和混凝土抗压强度进行了分析,研究结果表明:聚丙烯纤维掺量在0.6～1.0kg/m3的之间时,聚丙烯纤维混凝土具有较好的抗压强度。刘福顺[4]简析了聚丙烯纤维对混凝土的影响,研究结果表明:不同等级的混凝土掺入聚丙烯纤维制成聚丙烯纤维混凝土较普通混凝土强度均有显著提高。李嘉卿[5]对聚丙烯纤维混凝土力学性能展开了研究,研究结果表明:聚丙烯纤维掺入混凝土中能提高混凝土的抗压能力,聚丙烯纤维均匀分布能提高混凝土的抗折强度。马士宾[6]等对聚丙烯纤维高性能混凝土抗冲击性能进行了研究,研究结果表明:聚丙烯纤维能够增强混凝土的冲击韧性和抗裂能力。刘文[7]等对聚丙烯纤维混凝土基本力学性能进行了研究,研究结果表明:聚丙烯纤维对混凝土的抗压强度具有增强增韧的效果。杨彬[8]研究了聚丙烯纤维掺量和长度对混凝土抗压强度的影响,研究结果表明:掺入固定长度的聚丙烯纤维,聚丙烯纤维混凝土的强度最高。董学超[9]对聚丙烯纤维混凝土抗压强度进行了研究,研究结果表明:聚丙烯纤维对混凝土抗压强度有显著增强,提高了混凝土的韧性。张延年[10]等对聚丙烯纤维增强混凝土拉压比进行了试验,研究结果表明:聚丙烯纤维可以显著改善混凝土脆性,提高抗压能力,提高混凝土的韧性。

参考以上研究,文章主要聚焦于聚丙烯纤维混凝土的抗压试验,分别进行了单轴抗压试验、循环加卸载试验及不同荷载的循环试验。

1 单轴抗压作用下混凝土力学性能研究

1.1 抗压测试

首先制备两种混凝土的试样,一种普通混凝土,另一种聚丙烯纤维新型混凝土,普通混凝土按照常规C45抗压强度的配合比制备,新型混凝土掺入聚丙烯纤维。

按照《混凝土结构设计规范》规定,对试验的混凝土按照规范要求进行物质配合,其中主要的原料为P.O42.5水泥、粉煤灰、河砂、细石子、水、外加剂。水泥为普通硅酸盐水泥,河砂为0.5～0.25mm中砂,细石子为5～31.5mm碎石,外加剂为水溶性树脂减水剂,按照规范要求1m3混凝土的质量配合比为水泥∶粉煤灰∶河砂∶细石∶水∶外加剂= 302∶131∶639∶1186∶188∶4.37。所掺入的聚丙烯纤维长约42mm,通混凝土掺入量为1150g/m3,聚丙烯纤维的物理参数,见表1。

表1 聚丙烯纤维的物理参数

试件的制备采用干拌法,制备好的聚丙烯纤维混凝土试件为150mm×150mm×150mm立方体为试验试件,试件按要求存放于温度为20±3℃、相对湿度90%以上的条件下养护≥28d,用标准的方法测试。

单轴抗压作用下聚丙烯纤维混凝土的力学分析过程,需用到数显式混凝土抗压强度试验机,该试验机测量范围为0～2000kN,测量精度±1%。单轴抗压试验的方式为:试验的聚丙烯纤维混凝土上逐步增加应力,加载的应力速率为0.6MPa/s,直到试件破裂损坏。试件取出后,先检查其形状,选两面相对水平,表面平整,倾斜偏差相差≤5mm,量出的棱边长度精确到1mm,选好试件后,以试件上下面为受压面,将试件放在试验机中心开始加压。

2.2 测试结果分析

分别对两种混凝土试件进行抗压实验后对比分析,掺入了聚丙烯纤维的混凝土改良效果非常明显,其强度性能和变形性能较普通混凝土提升明显。分别取聚丙烯纤维混凝土试块和普通混凝土试块,在相同的单轴抗压强度条件下进行试验,单轴抗压应力—应变曲线图,见图1。

图1 单轴抗压应力—应变曲线图

由应力—应变曲线得知,单轴压力试验过程分为5个阶段:

1)应变率从0～0.04(第1阶段),此阶段两种混凝土试块被压缩,试块里原有的细小孔隙被挤压消失,孔隙消失,压力直接作用在试块上。在0～10MPa的压力下,普通混凝土应变率较聚丙烯纤维混凝土略大,当在10～15MPa的压力时,两种混凝土应变基本相同,故在此压力下,两种曲线基本变化接近。

2)应变率从0.04～0.05(第2阶段),在逐渐加载压力下,混凝土表面出现凹痕,并有细小裂缝出现,普通混凝土应变率快速变大,到达40MPa的压力时与聚丙烯纤维混凝土应变相同,应变率为0.045,而聚丙烯纤维混凝土的应变率较普通混凝土增长缓慢,曲线较普通混凝土平滑,由此可知聚丙烯纤维混凝土抗压强度在此阶段高于普通混凝土。

3)应变率从0.05～0.06(第3阶段),随着压力逐渐增大,混凝土表面出现较大的不规则裂痕。其应变率急剧增大,当压力达到45MPa时,普通混凝土的应变率为0.06,强度达到峰值,而聚丙烯纤维混凝土则还可承受更大的压力,直到46.5MPa时,聚丙烯纤维混凝土承受的压力达到最大,其应变率为0.57。由此表明在此阶段相同的压力下聚丙烯纤维混凝土性能有显著增强。

4)应变率从0.06～0.11(第4阶段),在此阶段普通混凝土试块开始破碎,裂缝急剧增大,较小的块体开始剥离主体,导致其强度也迅速下降。另一方面,在相同的应变条件下,聚丙烯纤维混凝土能承受的压力则更大,被破坏的程度较小,主体结构较完整,因此表明在此阶段聚丙烯纤维混凝土抗压性能比普通混凝土有明显增强。

5)应变率从0.11～0.15(第5阶段),普通混凝土试块已严重变形,部分大的块体从主体脱落,而聚丙烯纤维混凝土试块仅存在一些较大的裂纹,主体结构基本完好。

综上所述,从应力-应变曲线和试块的加压试验分析,当压力逐步增加时,两种混凝土试块应变基本接近,当压力达到最大时,普通混凝土破损严重,强度急剧降低,而聚丙烯纤维混凝土在压力峰值时,应变缓慢,试块主体基本保持完整,抗压性能明显高于普通混凝土。

3 循环加卸载作用下混凝土力学性能研究

3.1 实验部署

混凝土是由多种材料混合组成,普通混凝土在较大的压力作用下,会破碎损坏,强度下降。而聚丙烯纤维混凝土在相同的压力下,抗压性能显著增强。当进行循环加卸载作用时,混凝土的力学性能会产生大的改变。

以聚丙烯纤维混凝土试块进行循环加卸载试验,应力以0.5MPa/s速度缓慢加压到18.34MPa后,再以0.5MPa/s速度卸载,经过循环5次,循环加卸载示意图,如图2,加卸载试验后的聚丙烯纤维混凝土试块没有明显变化,主体保持完整。

图2 循环加卸载示意图

3.2 实验结果分析

不同荷载的应变图,见图3。如图3(a)所示,在加载阀值为单轴抗压强度25%(11.25MPa)时,经过循环5次,普通混凝土的应变率依次为2.53%、2.55%、2.56%、2.57%、2.572%,聚丙烯纤维混凝土的应变率依次为2.5%、2.51%、2.52%、2.522%、2.525% 。普通混凝土较聚丙烯纤维混凝土应变较大,其应变差值依次为0.03%、0.04%、0.04%、0.048%、0.047%。由此表明此阶段聚丙烯纤维混凝土较普通混凝土抗压性能增强。

(a)25%极限荷载循环

如图3(b)所示,在加载阀值为单轴抗压强度50%(22.5MPa)时,经过循环5次,普通混凝土的应变率依次为3.18%、3.24%、3.26%、3.28%、3.3%,聚丙烯纤维混凝土的应变率依次为3.02%、3.1%、3.15%、3.17%、3.19% 。普通混凝土较聚丙烯纤维混凝土应变较大,其应变差值依次为0.16%、0.14%、0.11%、0.11%、0.11%。由此表明此阶段聚丙烯纤维混凝土较普通混凝土抗压性能增强。

如图3(c)所示,在加载阀值为单轴抗压强度75%(33.75MPa)时,经过循环5次,普通混凝土的应变率依次为3.9%、4.2%、4.4%、4.6%、4.8%,聚丙烯纤维混凝土的应变率依次为3.6%、3.75%、3.9%、4.05%、4.2% 。普通混凝土较聚丙烯纤维混凝土应变较大,其应变差值依次为0.3%、0.45%、0.5%、0.55%、0.6%。由此表明此阶段聚丙烯纤维混凝土较普通混凝土抗压性能明显增强。

如图3(d)所示,在加载阀值为单轴抗压强度100%(45MPa)时,经过循环5次,普通混凝土的应变率依次为4.5%、4.8%、4.9%、4.9%、4.9%,聚丙烯纤维混凝土的应变率依次为4.1%、4.3%、4.45%、4.45%、4.45%。普通混凝土较聚丙烯纤维混凝土应变较大,其应变差值依次为0.4%、0.5%、0.45%、0.45%、0.45%。由此表明此阶段聚丙烯纤维混凝土较普通混凝土抗压性能增强显著。

在25%、50%、75%、100%的极限压力荷载下,普通混凝土第1次加载的应变率依次为2.53%、3.18%、3.9%、4.5%,聚丙烯纤维混凝土第1次加载的应变率依次为2.5%、3.02%、3.6%、4.1%,其应变差值依次为0.03%、0.16%、0.3%、0.4%,依次进行第2、3、4、5次循环加载,普通混凝土应变均大于聚丙烯纤维混凝土,由此可知,在相同的极限压力荷载下,聚丙烯纤维混凝土变形始终小于普通混凝土试件,且在每次循环加载下,聚丙烯纤维混凝土试件对应的应变也均小于普通混凝土试件,其抗压性能较普通混凝土明显增强。

经过试验可知,在极限荷载为25%、50%的强度时,普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土的应变均较小,在加卸载后均可恢复的弹性阶段,由此可知,两种混凝土在此荷载作用下性能差别不大。在极限荷载为75%、100%的强度时,普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土的应变率均明显增大,相较于普通混凝土,聚丙烯纤维混凝土应变比较平缓,其抗压性能明显优于普通混凝土。