張慧莉,田堪良,姚汝方

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100)

0 引 言

聚丙烯纖維摻入混凝土大大降低了混凝土的脆性,提高了混凝土的韌性[1]、抗折強(qiáng)度[2]、抗拉強(qiáng)度和抗沖擊性能[3～6],改善了混凝土的破壞方式[4]。另一方面,將活性混合材料,例如粉煤灰摻入聚丙烯纖維混凝土中,使聚丙烯纖維分布得更加均勻,粉煤灰可改善混凝土拌合物的和易性,補(bǔ)償由于聚丙烯纖維而引起的抗壓強(qiáng)度的降低[7]。

磨細(xì)粒化高爐礦渣含有CaO、Al2O3等活性成分,加入混凝土中代替部分水泥將降低工程造價(jià),將聚丙烯纖維和礦渣同時(shí)加入混凝土中,具有一定的經(jīng)濟(jì)技術(shù)價(jià)值和環(huán)保意義。混凝土抗劈拉性能與其原材料和配合比有關(guān),鮮見將礦渣、聚丙烯纖維以及聚羧酸系高效減水劑同時(shí)加入混凝土對(duì)混凝土抗劈拉性能影響的研究報(bào)道。將以上三種原料加入普通混凝土中的混凝土配合比及其制作方法,西北農(nóng)林科技大學(xué)已經(jīng)申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利(申請(qǐng)?zhí)?200810150823.7)。本文通過對(duì)不同聚丙烯纖維含量和礦渣含量的混凝土試樣的抗劈拉試驗(yàn),研究聚丙烯纖維和礦渣含量對(duì)混凝土抗劈拉性能的影響及其作用機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

(1)ASTM I-II型BONSAL AMERICAN普通硅酸鹽水泥。(2)磨細(xì)粒化高爐礦渣(Ground Granulated Blast Furnace Slag(GGBFS)):由Lafarge North America公司提供,符合 ASTM989-05要求標(biāo)準(zhǔn)。(3)ADVA140聚羧酸系超塑化劑:由GR ACE Construction Products公司提供,固含量為16%。(4)骨料:河砂為中砂,碎石最大粒徑為25mm。(5)Fibermesh150聚丙烯纖維由北美Propex混凝土配套材料公司提供,長(zhǎng)度為15mm。

配合比設(shè)計(jì)以一組空白混凝土(無(wú)礦渣,無(wú)纖維)為對(duì)照,其余配合比改變纖維摻量與礦渣含量。通過添加不同劑量的聚羧酸系超塑化劑來(lái)控制所有配比的混凝土拌合物塌落度基本為25mm。膠結(jié)料總質(zhì)量等于礦渣質(zhì)量加水泥質(zhì)量,外加劑摻量以膠結(jié)料質(zhì)量為基礎(chǔ),以ml計(jì),纖維以占混凝土體積的百分比計(jì)算。其中各配合比中不變的量為:碎石1126 kg/m3,河砂698 kg/m3,水 151 kg/m3,引氣劑1.304 ml/kg,具體配比見表1。

表1 混凝土配合比及試驗(yàn)結(jié)果

1.2 試驗(yàn)方法

按以上配比每組3個(gè),共制成 63個(gè)100mm×200mm圓柱體試樣,用2mm×10mm×200mm的硬膠木條放在試樣側(cè)面中央,按照ASTM C496-04標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行抗劈拉試驗(yàn),加載速率為33929 N/Min。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

劈拉試驗(yàn)過程中,沒有聚丙烯纖維的混凝土試樣在荷載達(dá)到最大值時(shí),沒有明顯變形的過程,呈突然的脆性破壞,并有混凝土碎塊崩落的現(xiàn)象;摻加了聚丙烯纖維的混凝土試樣在最大荷載下,逐漸出現(xiàn)縱向裂紋,破壞呈韌性破壞,破壞后的試樣基本維持完整,沒有崩落現(xiàn)象。如圖1所示,圖1左邊為無(wú)纖維的混凝土試樣,脆性破壞為兩半,并有碎渣;右邊試樣為聚丙烯纖維混凝土試樣,試樣受拉時(shí),纖維吸收了部分能量,延長(zhǎng)了應(yīng)變發(fā)生過程,提高了混凝土韌性,從而破壞后的試樣變扁了,出現(xiàn)幾道明顯的縱縫,兩部分沒有裂開。

平均抗劈拉強(qiáng)度結(jié)果見表1。從表1可以看出,未摻加聚丙烯纖維的混凝土試樣的抗劈拉強(qiáng)度比對(duì)照組低,摻加礦渣的試樣抗劈拉強(qiáng)度比沒加礦渣的高。一般情況下,測(cè)試抗劈拉強(qiáng)度所指的荷載是出現(xiàn)首裂紋時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載[8],由于聚丙烯纖維的加入,部分能量被纖維吸收,加之纖維將因承受荷載而破壞的水泥漿體通過架橋作用連接在一起,大大延緩了首裂紋的出現(xiàn),這意味著低彈模的聚丙烯纖維改善了混凝土的脆性,摻加不超過0.6%的聚丙烯纖維的混凝土得到較大的抗劈拉強(qiáng)度。從表1中亦可以看出,礦渣替代水泥不超過55%時(shí),抗劈拉強(qiáng)度比不摻礦渣的試樣高,而且聚丙烯和礦渣的復(fù)合效應(yīng)顯著。

圖1 試樣破壞狀況

2.2 機(jī)理分析

水泥水化過程中產(chǎn)生的水化硅酸鈣C-S-H是水泥石強(qiáng)度的最大貢獻(xiàn)者,決定了水泥土的強(qiáng)度。礦渣的主要化學(xué)成分為CaO,活性較高,加入混凝土中,與水泥和骨料中的SiO2反應(yīng)后生成水化硅酸鈣,使礦渣水硬性得以發(fā)揮。MgO在礦渣中大都形成化合物或固溶于其他礦物中,而不以方鎂石結(jié)晶形態(tài)存在,故它不會(huì)影響水泥安定性且對(duì)礦渣活性有利[9]。另外,礦渣因其顆粒細(xì),填充于水泥漿體孔隙和空隙中起到提高密實(shí)度、提高強(qiáng)度的作用。

圖2是對(duì)照組C0(不含礦渣,不含聚丙烯纖維)試樣養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)放大5000倍的掃描電鏡照片,可以看出水化物之間結(jié)構(gòu)較疏松,呈現(xiàn)較多空隙和孔隙。圖3是礦渣替代35%水泥,不含聚丙烯纖維的試樣養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)放大5000倍的掃描電鏡照片,礦渣本身及其水化物填充于空隙和孔隙中,提高結(jié)構(gòu)致密性。

經(jīng)過表面特殊化學(xué)處理的聚丙烯纖維單絲在水中帶有同性電荷,在電性斥力作用下,在水中相互分散。加之超細(xì)的礦渣顆粒也有利于纖維在混凝土基體中分布得更加均勻。如圖4所示,纖維單絲與漿體緊密嵌合,在受到拉應(yīng)力時(shí),纖維在初期吸收部分能量,起到緩沖作用,在漿體出現(xiàn)裂紋后,能將破裂的漿體連接起來(lái),限制裂紋的發(fā)展。以上兩方面的作用使混凝土的抗拉強(qiáng)度大幅提高。含有適量礦渣的混凝土,其漿體致密,承受拉應(yīng)力的能力增強(qiáng),既有礦渣又有纖維的混凝土中,抗拉能力比單純只有礦渣或只有纖維的混凝土提高較多,表現(xiàn)了明顯的材料復(fù)合效應(yīng)。

圖2 C0試樣(無(wú)礦渣,無(wú)纖維)SEM掃描照片

圖3 F0試樣(35%礦渣,無(wú)纖維)SEM掃描照片

3 結(jié) 論

通過對(duì)含礦渣聚丙烯纖維混凝土的抗劈拉強(qiáng)度的測(cè)試,對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)的SEM掃描及機(jī)理分析,可得出以下結(jié)論:

(1)聚丙烯纖維的摻入提高了混凝土的抗劈拉性能,使混凝土破壞方式變?yōu)轫g性破壞,延緩了劈拉首裂縫的出現(xiàn),提高了抗劈拉強(qiáng)度。

(2)SEM掃描照片顯示,礦渣顆粒本身及其活性成分生成的水硬性水化硅酸鈣使微觀結(jié)構(gòu)密實(shí),提高了抗劈拉強(qiáng)度。礦渣替代水泥量不超過65%時(shí),抗劈拉強(qiáng)度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

(3)聚丙烯纖維和礦渣的復(fù)合效應(yīng)顯著。配合比C4(0.4%聚丙烯纖維,45%礦渣)具有最高的抗壓強(qiáng)度和抗劈拉強(qiáng)度。

[1]張 日方,齊 靜,陳鵬柱.聚丙烯長(zhǎng)纖維混凝土的抗彎曲韌性試驗(yàn)研究[J].山西建筑,2009,35(7):179-180.

[2]李學(xué)英,馬新偉,韓兆祥,等.聚丙烯纖維混凝土的工作性與力學(xué)性能[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2009,31(5):9-12.

[3]Kocabeyler M F,Saglik A.Performance characteristics of polypropylene fiberreinforced concrete(PFRC)used for irrigation channel linings in hot climatic conditions[C]//International Conference on Engineering Materials,Ottawa,Canada,1997:76-83.

[4]Song P S,Hwang S,Sheu B C.Strength properties of nylon-and polypropylene-fiber-reinforced concretes[J].Cement and Concrete Research,2005,35(8):1546-1550.

[5]Choi Yeol,Yuan Robert L.Experimental relationship between splitting tensile strength and compressive strength of GFRC and PFRC[J].Cement and Concrete Research,2005,35(8):1587-1591.

[6]Qian C X,Stroeven P.Development of hybrid polypropylene-steel fibre-reinforced concrete[J].Cement and Concrete Research,2000,30(1):63-69.

[7]Top?uīlker Bekir,Canbaz Mehmet.Effect of different fibers on the mechanical properties of concrete containing fly ash[J].Construction and Building Materials,2007,21(7):1486-1491.

[8]Oluokun F A,Burdette EG,Deatherage JH.Splitting tensile strength and compressive strength relationships at early ages[J].ACI Materials Journal,1991,88(2):115-121.

[9]李亞杰,方坤河.建筑材料[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2008:46-47.