聚丙烯粗合成纤维混凝土力学性能及其增强机理研究.pdf
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1、2 0 1 2年 第 4 期 (总 第 2 7 0 期 ) Nu mb e r 4 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No 2 7 0 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL AND ADM I NI CLE d o i : 1 0 3 9 6 9 8 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 0 4 0 1 7 聚丙烯粗合成纤维混凝土力学性能及其增强机理研究 邵运达 。李建辉 ,郭 鸿 ( 1 中央广播电视大学,北京 1 0 0 0 3 1 ;2 中国建筑科学研究院,北京 1 0 0 0 1 3 ) 摘要: 试
2、验研究了聚丙烯粗合成纤维混凝土弯曲强度 、 弯曲韧性、 弯曲冲击和疲劳特性 , 并与钢纤维混凝土进行了对比, 分析了粗合 成纤维掺量对力学性能的影响规律, 探讨了粗合成纤维混凝土的增强机理。 结果表明: 当纤维掺量为 9 1 3 k e C m 时, 聚丙烯粗合成纤维混 凝土相对剩余强度为 4 9 6 6 ; 冲击韧性、 疲劳寿命相比基准混凝土分别提高了 1 2 5 6 7 6 倍、 1 0 0 3 8 9 , 表明聚丙烯粗合成纤维可显 著改善混凝土的力学性能 。 关键词: 粗合成纤维;聚丙烯;韧性;冲击;疲劳性能;混凝土 中图分类号 : T U5 2 8 5 7 2 文献标志码 : A 文章
3、编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 4 0 0 5 2 0 3 Re s e ar ch 011 me c ha nica l pr ope r t i es an d s t r en gt h eni ng me ch an i sm of pol y pr opy l en e s yn t he t i c mac r o- f i be r r e i nf or c ed c on cr e t e S I -L AO Yu 一 d aI LI J i a n - h u i GUO Ho n g ( 1 T h e O p e n U n i v
4、 e r s i t y o f C h i n a , B e ij i n g 1 0 0 0 3 1 , C h i n a ; 2 C h i n a A c a d e m y o f B u i l d i n g R e s e a r c h , B e r i n g 1 0 0 0 1 3 , C h i n a ) Abs t r a c t : F l e x u r a l s t r e n g t h, fle x u ml t o u g h ne s s , fle x u r a l i mpa c t a n d fle x u r a l f a t i
5、 g u e b e h a v i o r s o f po l y p r o p y l e n e s y n t h e t i c ma c r o f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e a r e r e s e a r c h e d e x p e r i me n t a l l y Th e e ffe c t s o f f i b e r c o n t e n t o n me c h a n i c a l p r o p e r t i e s a r e a n a l y z e d, a n d t h
6、 e s t r e n g t h e n i n g me c h a ni s m o f po l y p r o p y l e ne s yn t h e tic m a c r o fi b e r i s d i s c u s s e d Th e r e s u l t s s h o w t h a t whe n fi be r c o n t e nt i s 9 -1 3 k g m3 r e l a t i v e r e s i d ua l s t r e n g t h o f p o l y p r o py l e n e s yn the t i c
7、ma c r o fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i s 4 96 6 imp a c t t o u g h n e s s an d f a t i gu e l i f t a l e 1 2 5 - 6 7 6 t i me s an d 1 O 0- 3 8 9 l a r g e r t h a n t h a t o f p l a i n c o nc r e t e r e s pe c ti v e l y , wh i c h i n d i c a t e s t h a t the p o l y p r o
8、p y l e n e s yn t h e t i c m a c r o fi b e r C an i mp r o v e s i g ni fic a n t l y t he me c h a n i c a l p r o p e i e s Ke y w or ds : s yn t h e t i c m a c r o fi be r ; po l y p r o p y l en e ; t o u g h n es s ; i mp a c t ; f a tig u e l i f e ; c o n c r e t e 0 引言 粗合成纤维( 直径大于 0 1 I
9、n m称 为粗合成纤维【 l 】具有无腐 蚀 、 易分散、 造价低、 显著提高混凝土的韧性、 抗冲击、 抗疲劳和 抗拉性能等一系列优点, 显著改善了钢纤维的缺点, 因此 , 在工 程领域得到逐步广泛的应用【 l - 3 。 试验研究了聚丙烯粗合成纤维混凝土的弯曲强度 、 弯曲韧 性、 弯曲冲击和弯曲疲劳性能 , 并与钢纤维混凝土进行了对 比 分析, 研究表明: 聚丙烯粗合成纤维可以显著改善混凝土的力 学性能 , 其弯曲韧性 、 弯曲冲击和弯凸疲劳性能显著优于钢纤 维混凝土。 1 试验研 究方法 1 1 纤 维材性 聚丙烯粗合成纤维是聚丙烯与聚乙烯的复合体, 表面为压 痕波浪形; 钢纤维为两端带
10、弯钩的哑铃型纤维。 两种纤维均属于 粗纤维。 纤维材性详见表 1 。 表 1 纤维材性 收稿 日期 :2 0 1 1 - 1 0 - 2 0 5 2 1 2混凝 土配合 比 混凝土配合比为: 水 1 7 0 k g m3 , 水泥3 6 0 k g m 3 , 砂 6 4 7 k g m , 石灰岩人工碎石( 粒径 5 2 0 ml n ) 1 1 0 0 1 w , m3 。 水泥为 P O 3 2 5 级水泥。 表 2中 C为基准混凝土、 D C为聚丙烯粗合成纤维混凝土、 S C为钢纤维混凝土。 纤维混凝土名称后面的数字指纤维的质 量掺量, 如 DC 9指聚丙烯粗合成纤维的掺量为 9 k
11、g m3 。 表 2 纤维掺量及几何特征 1 3 试 件 混凝土弯曲强度、 疲劳性能采用 1 5 0 mmx l 5 0 mmx 5 5 0 mm 的试件, 各种配合比至少完成 3 个静载弯曲强度试件, 每 1 种应力 水平( 疲劳荷载与静载弯曲强度的比值) 完成2 3 个疲劳试件。 弯曲 韧性、 弯曲冲击的试件采用 1 0 0 mm x l 0 0 m mx 4 0 0 mm模具浇筑。 试件浇筑 2 4h 后脱模 , 在标准养护室养护 2 8 d , 试验前 7 h 从养护室取出晾干。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4试 验 方法 1 4 1 弯曲试 验
12、 按照 G B J 8 1 8 5 普通混凝土力学性能试验方法 测定纤 维混凝土的弯曲强度。 1 4 2 弯曲韧性试验 按照美国A S T M规范要求, 用三分点加载梁进行试验, 梁跨 度为 3 0 0 mn l 。 试验在伺服系统机上进行, 按照恒位移控制方法 加载, 装置如图 1 所示 , 位移速率为 0 1 0 mm s 。 计算机 自动采 集数据, 得到荷载一 挠度全曲线。 按照 AS T M方法计算韧性指数 和剩余强度嗍 。 lI I l 试 件 I f 试 件 I o 、 o o I 夹式 夹 式 引伸仪 引伸 仪 正视 图 俯 视图 图 1 弯 曲韧性试验装置图 1 4 3 弯曲
13、冲击试验 自由落锤弯曲冲击装置如图 2所示。 落锤是一个实心圆柱 体, 锤头部为球面, 锤重 2 5 k g 。 自由落锤的冲击高度为 4 0 0 mr n 。 梁两端为简支, 净跨 3 4 0 I l u I l 。 落锤 套筒 垫板 支座 图 2 弯 曲冲击试验装置圈 梁从无裂缝至产生微裂缝, 即当梁底混凝土应变值发生突 变时, 定义为梁初裂。 梁横向主裂缝贯穿至梁的上表面时称梁发 生了冲击破坏。 通过放大镜用肉眼观察裂缝是否贯穿至全截面 来判断梁的破坏。 把纤维混凝土梁的破坏冲击次数与初裂冲击 次数的比值定义为纤维混凝土的冲击韧性指标。 1 4 4 弯曲疲劳试验 弯曲疲劳试验采用跨度 4
14、 5 0 ml t l 的四点弯曲梁。 疲劳试验 加载最小荷载为最大荷载的 1 0 。 先对梁预加 1 0 0 N的荷载, 反复几次, 以消除因接触不 良造成的误差 , 待机器及仪表运转 正常后, 开始疲劳试验。 加载频率为 5 1 0 H z , 正弦波加载。 试验 机 自动记录疲劳次数, 当试件破坏后, 试验机 自动停机。 疲劳加 表 3 纤维混凝土弯曲强度试验结果 注 : 括号内数值为离散系数 , 离散系数 =标准差 , 均值 , 下表意义 相 同。 载应力水平为疲劳荷载与静载弯曲强度的比值脚 。 2 试验结果及分析 2 1 弯 曲强度 纤维混凝土弯曲强度试验结果列于表 3 , 由表 3
15、可知: 聚 丙烯粗合成纤维对混凝土的弯曲强度有增强效果, 在纤维掺量 为 9 1 3 k g m3 时, 弯曲强度比基准混凝土提高了4 1 6 ; 钢 纤维能够显著增强混凝土弯曲强度, 当纤维掺量为 6 0 k g m3 时, 弯曲强度比基准混凝土提高 3 4 。 这主要与钢纤维的高弹性模 量有关 。 2 2弯 曲韧 性 纤维混凝土弯曲韧性试验结果列于表 4 。 由表4可知: 聚丙 烯粗合成纤维显著改善了混凝土的弯曲韧性, 弯曲韧性指数 , 5 比 基准混凝土( 基准混凝土为脆性破坏, 弯曲韧眭指数均为 1 ) 提高 2 6 8 - 2 7 3 倍, , 】0 提高5 1 5 5 5 8 倍,
16、 提高 1 3 1 O 1 6 7 O 倍; 钢纤 维掺量为 6 0 k g m3 时, 纤维混凝土的韧性指数相比基准混凝土分 别提高了2 4 5 、 4 4 9 和 l 0 3 7 倍。 表明聚丙烯粗合成纤维对混凝土 弯曲韧性的改善效果优于钢纤维。 粗合成纤维的弹性变形能力大 及根数较多, 它与基体不易发生脱黏, 能够有效阻滞裂缝的扩展。 表 4 纤维混凝土弯 曲韧性试验结果 名称 初裂韧性 韧性指数 剩余强度 ( N I T t r l3 ) 厶 j ,。 剩余强度 SP a剩余强度率 由表 4 可知: 按照剩余强度, 聚丙烯粗合成纤维混凝土的剩余 强度稍高于钢纤维混凝土。 聚丙烯粗合成纤
17、维掺量为 9 - 1 3 k g m 时, 纤维混凝土相对剩余强度为 4 9 3 4 6 5 8 2 ; 钢纤维掺量 为 6 0 k g m3 时, 相对剩余强度为 6 3 5 7 。 2 3 弯 曲冲击 粗纤维混凝土弯曲冲击试验结果列于表 5 。 每一种纤维掺 量测试了 1 0 个试件, 其平均值能够反映材料的弯曲冲击性能。 2 3 1 破坏形态 聚丙烯粗合成纤维掺量为 9 k g m3 时, 主裂缝从梁的底部 表 5 粗 纤维混凝土梁 冲击次 数 5 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ( a ) DC9 ( b ) DC1 1 图 3 冲击荷载下试 件破坏
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