粉煤灰陶粒轻骨料混凝土降脆增韧试验研究.pdf
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1、第 3 7卷第 2期 2 0 1 5年 2月 人民黄河 YELL OW RI VER Vo 1 37 N o 2 F e b , 2 01 5 【 工程建设 管理 】 粉煤灰陶粒轻骨料混凝土降脆增韧试验研究 李 瑞 。 , 李金泽 , 孟云芳 ( 1 宁夏大学 土木与水利工程学院, 宁夏 银川 7 5 0 0 2 1 ; 2 宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究 中心, 宁夏 银川 7 5 0 0 2 1 ; 3 旱区现代农 业水资源高效利用工程研 究中心, 宁夏 银川 7 5 0 0 2 1 ) 摘要: 粉煤灰陶粒轻骨料混凝土虽然具有轻质、 抗压强度高等优点, 但是脆性过大限制了其在土木工程
2、中的应用。针 对这一 问题 , 通过 试验 首先采用正交设计 方法得 出粉 煤灰陶粒混凝土最优 基准配合比 , 然后在 最优 配合 比的基础 上掺入 不同量的聚丙烯纤维, 研究聚丙烯纤维对粉煤灰陶粒混凝土抗压强度和抗折强度的影响。试验结果表明: 在粉煤灰陶粒 轻骨料混凝土中掺入聚丙烯纤维具有显著降脆增韧作用, 能够提高粉煤灰陶粒混凝土的抗裂性能, 最优聚丙烯纤维掺量 为 0 8 k g m。 。 关键词 :粉煤灰 陶粒混凝土 ;正 交试验 ;抗压强度 ;抗折强度 中图分类号 :T V 4 3 1 文献标志码 : A d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 1
3、 3 7 9 2 0 1 5 0 2 0 3 6 粉煤灰陶粒是 以固体废弃物粉煤灰为主要原材料 高温焙烧而成的多孔人造轻骨料 。以它为粗骨料配制 的混凝土具有容重小、 抗压强度高、 保温性能好等独特 优点 , 可以有效解决大跨径桥梁和超高层建筑中 自重 载荷与结构承载能力之间的矛盾 , 是一种在土木工程 中具有广阔应用前景的新型功能材料 。但是通过 大量受压应力一应变试验研究发现强度较高的粉煤灰 陶粒混凝土达到峰值应变后, 曲线骤然下降, 材料表现 出较大脆性 , 且随着抗压强度 的提高 , 曲线下降越陡, 其脆性也越明显 , 影响了其在桥梁、 海洋石油平台等工 程领域的应用 。为了解决这一问
4、题 , 工程中采用 纤维增强的方法来改善其脆性。在混凝土中掺人乱 向 分布的抗拉强度和变形能力大的聚丙烯纤维 , 这些乱 向分布的聚丙烯纤维能够抑制微裂缝 的扩展 , 明显改 善混凝土 的力学性能 卜m J 。 目前 国内关于聚丙烯纤 维增强粉煤灰 陶粒轻骨料混凝 土力 学性 能的研究较 少 , 对其各方面性能认识还不足。笔者主要在正交试 验 的基础上优选 出粉煤灰 陶粒混凝 土的基准配合 比, 并在此基础上研究不同掺量聚丙烯纤维对混凝土强度 的影响, 为聚丙烯纤维在粉煤灰陶粒轻骨料混凝土中 的广泛应用提供依据。 1 原材料及试验方法 求。纳米二氧化硅采用宁夏融通实业公司生产的纳米 二氧化 硅
5、 ( S i O 含 量 为 9 0 ) , 性 能指标 符合 G B T 2 7 6 9 0 -2 0 1 1 要求。粉煤灰采用宁夏大坝电厂 I 级粉 煤灰 , 性能指标符合 G B 1 5 9 6 -2 0 0 5要求。矿渣粉采 用宁夏融通实业公司生产 的 $ 9 5矿粉 , 性能指标符合 G B T 1 8 0 4 6 -2 0 0 8要求。轻骨料为内蒙古包头粉煤灰 陶粒 , 性能指标见表 1 。机制砂为宁夏镇北堡中砂 , 细 度模数 2 8 , 含泥量 2 1 , 松散堆积密度 l 7 7 1 k g m 。 。拌和水 和养护水 为饮 用 自来水 。减水剂为高效 聚羧酸减水剂 , 减水
6、率 2 5 。聚丙烯纤维性能指标见 表 2 。 表1 粉煤灰陶粒主要物理性能 l : 鳖 聚丙烯 束状单丝0 9 1 1 8 93 2 0 1 7 0 1 8 0 d O 勋 3 7 9 5 极低 1 2 试验方法 粉煤灰 陶粒混 凝土按 照 轻骨 料混凝 土技术 规 程 ( J G J 5 1 -2 0 0 2 ) 进行配制, 陶粒需经过 1 h预湿处 理 , 试件 2 4 h成型后拆模 , 然后 进行 2 8 d标 准养护。 力学性能试验按照 普通混凝土力学性能试验方法标 收稿 日期 : 2 0 1 4 0 7 - 0 2 1 1原 材 料 学 拿 昱 嘉 项 6 ; 宁 夏 大 水 泥
7、采 用 宁 夏 赛 马 水 泥 有 限 公 司 生 产 的 P 0 4 2 5 R 生 责 黎 磊主 鼙盎 教 授 博 士 研 究 早强普通硅酸盐水泥 , 性能指标符合 G B 1 7 5 -2 0 0 7要 E - m a i l : 2 6 3 5 0 2 6 9 2 0 q q e o m 1 3 6 人 民 黄 河2 0 1 5年第 2期 准 ( G B T 5 0 0 8 1 _2 O 0 2 ) 进行, 抗压强度试件尺寸 1 0 0 mm X 1 0 0 m m1 0 0 m m, 抗折强度试件尺寸 1 0 0 mm 1 0 0 mm 4 0 0 1T i m。考虑试件尺寸的影响
8、, 抗压强度实 测值乘 以0 9 5的折减 系数 , 抗折强度实测值乘以折减 系数0 8 5 。 抗压强度试验仪器采用上海新 三思 Y A W 一 4 3 0 6 液压伺服万能试验机 , 量程 6 0 0 k N。抗压强度计算公 式为 : F A 式 中 为混凝土立方体试件抗压强度 , MP a ; F为试 件破坏载荷 , N; A为受压面积 , m m 。 抗折强度试验仪器采用 S Y E一3 0 0型抗折压力试 验机 , 量程 1 0 0 0 k N。抗折强度计算公式为 = Fl b h 式 中 为混凝土抗折强度 , MP a ; F为试件破坏载荷 , ; 2 为支座 间跨度 , m m;
9、 h为试 件截面高度 , mm; b为 试件截面宽度 , m m。 2 试验配合比方案设计 本次试验共分为两个 阶段: 第 一阶段主要 目标是 确定粉煤灰陶粒混凝土的最优配合 比。根据 轻骨料 混凝土技术规程 中松散体积法进行配合比设计, 在大 量试配的基础上 , 选择了对粉煤灰陶粒混凝土强度有影 响的 6个因素 , 分别为矿渣粉掺量 ( A) 、 水泥用量 ( B) 、 粉煤灰陶粒用量( C ) 、 水胶 比( D) 、 粉煤灰掺量 ( E ) 、 纳 米二氧化硅掺量( F ) , 每个 因素 的水平各为 3个 , 分别 记为 I、 、 , 具体值见表 3 。通过 L 。 ( 3 ) 正交多
10、指 标试验考察抗压强度 , 试验设计及结果见表 4 。对正 交试验结果进行极差分析 , 选 出粉煤灰陶粒混凝 土的 最优配合 比。第二阶段在最优配合 比的基础上掺加聚 丙烯纤维, 考察聚丙烯纤维的掺量对粉煤灰陶粒混凝 土抗压强度和抗折强度的影响。 表3 因素水平 水平 k g k g 小 掺量 ( m一 。 ) ( mI 3 ) 朕儿 掺量 硅掺量 I 1 0 4 0 0 5 6 0 0 3 0 1 0 3 1 5 4 5 0 5 8 0 0 3 5 1 5 5 2 0 5 o 0 6 o 0 0 4 0 2 0 8 根据表 4 计算不同因素的极差 R, 按照极差大小 进行排序 , 极差大的因
11、素水平变化对指标的影响大 , 是 重要 因素 ; 极差小的因素水平变化对指标的影响不大 , 是次要因素。极差计算结果见表5 , 可以看出, 影响粉 煤灰 陶粒混凝土抗压强度 的因素大小顺序为 DF A E BC, 即影响抗压强度因素的主次顺序为水胶 比、 纳米二氧化硅掺量 、 矿渣粉掺量 、 粉煤灰掺量、 水泥 用量、 粉煤灰 陶粒用量 , 据此选 出最优配合 比材料用 量 , 见表 6 。 表 4 粉煤灰 陶粒 混凝土 L , 。 ( 3 ) 正交试 验设 计及 结果 表 6 粉煤灰陶粒混凝土最优配合比 墨 k g m 量 k煤g m 水 胶 比 键 掺 量 ( I3 ) ( I3 ) 小
12、肚 掺 量 硅 掺 量 1 O 5 o o 5 6 0 0 3 O 1 5 5 3 试验结果与分析 在粉煤灰陶粒混凝土最优配合比的基础上, 掺入 不同量的聚丙烯纤维 , 掺量 s分别 为 O 、 O 4 、 0 8 、 1 2 、 1 6 k g m , 配制 5组纤维混凝土, 对这 5组纤维混凝 土进行立方体抗压强度和抗折强度性能试验, 各龄期 的试验结果见表 7 。 表 7 聚丙烯纤维粉煤灰陶粒混凝土力学性能试验结果 缉聚 丙 烯 纤 维 掺 量 塑 壁 竺 塑 堡 垦 号 ( k g m ) 7 d 1 4 d 2 8 d 7 d 1 4 d 2 8 d 1 0 3 5 3 6 43 1
13、 8 5 5 4 7 3 7 6 4 73 5 8 7 2 0 4 3 6 8l 4 4 9 3 5 6 6 2 4 41 5 7 9 6 5 5 3 0 8 3 9 5 7 4 7 2 5 5 8 1 9 5 3 8 7 1 4 8 1 2 4 1 2 3 7 9 4 4 5 61 5 7 2 3 4 91 6 23 7 4 6 5 】 6 3 4 5 9 43 7 9 5 4 9 2 3 2 4 4 8 6 5 7 3 3 1 聚丙烯纤维对抗压强度的影响 粉煤灰陶粒混凝土抗压强度与聚丙烯纤维掺量的 关系如图 1 所示 , 粉煤灰 陶粒混凝土抗压强度与龄期 的关 系如图 2所示 。 1 3
14、7 人 民 黄 河2 0 1 5年第 2期 图 1 粉煤灰陶粒 混凝土抗 图 2 粉煤灰 陶粒 混凝 土抗 压强度与聚丙烯纤维掺量的关系 压强度与龄期的关系 由图 1 、 图 2可知 , 在相 同水胶 比的条件下 , 聚丙 烯纤维总体上对粉煤灰陶粒混凝土不同龄期的抗压强 度有一定增强作用, 且曲线所反映出的规律也基本相 同。当掺量在 0 0 8 k g m。 的范围内变化时, 2 8 d抗 压强度提高了4 9 , 强度增长幅度不大, 这与林艳杰 等H 的研究结果一致。但聚丙烯纤维掺 量在 0 8 1 6 k s m 的范围内变化 时, 抗压强度却小幅下降 , 当 掺量超过 1 6 k sm 时
15、抗压强度甚至低于不掺加聚丙 烯纤维 的抗压强度。主要原 因是聚丙烯纤维的弹性模 量小于硬化后的粉煤灰陶粒混凝土基体, 且抗拉强度 也较低, 对裂纹的控制能力较弱, 当基体产生裂纹时, 承受应力的能力较弱。当掺量在一定范围内, 聚丙烯 纤维均匀分散于混凝土 中时 , 在粉煤灰 陶粒周 围可形 成 网状结构 , 在一定程度上阻止微裂纹 的发展 , 提高混 凝土的抗压强度。但是随着聚丙烯纤维掺量的进一步 增加 , 在混凝土拌制过程中发现纤维容易产生缠结 、 团 聚, 不能均匀分布在混凝土的基体中, 同时聚丙烯纤维 比表面积增加导致水泥砂浆的包裹与填充不足 , 使混 凝土整体密实度下降, 造成抗压强度
16、下降。 3 2 聚丙烯纤维对抗折强度的影响 粉煤灰 陶粒 昆 凝土抗折强度与聚丙烯纤维掺量的 关系如 图3所示 , 粉煤灰陶粒混凝土抗折强度与龄期 的关 系如 图 4所示 。 图3 粉煤灰陶粒混凝土抗折 图4 粉煤灰陶粒混凝土抗 强度与聚丙烯纤维掺量的关系 折强度与龄期的关系 聚丙烯纤维的掺入使粉煤灰 陶粒混凝土 7 、 1 4、 2 8 d抗折强度均 明显提 高。当掺量在 00 8 k sm 的 范围内变化时, 7 d 抗折强度提高了 4 3 , 1 4 d抗折强 度提高了5 1 , 2 8 d 抗折强度提高了3 8 ; 但当掺量 大于 0 8 k g m 时 , 7 、 1 4 、 2 8
17、 d抗折强度却不再增长反 而有逐渐下降的趋势。主要原 因是聚丙烯纤维延展性 较好、 极限变形值大, 当混凝土产生微裂纹时分散在混 凝土中的大量聚丙烯纤维( 每 1 e m 。 有约 3 O条纤维) 1 3 8 与混凝土共同承受载荷作用 , 当纤维被拔起和发生弹 性变形时减少 了载荷所产生 的应力 , 有效阻止了水泥 石基体中微裂纹的扩展。聚丙烯纤维掺量在一定范围 内对裂纹的约束作用和传递内应力的作用越强, 增强 效果越好 。但掺量大于 0 8 k sm。 时 , 由于掺量过大 , 造成纤维在混凝土中分布不均匀, 降低了粉煤灰陶粒 混凝土的密实度, 因此出现抗折强度下降现象。 在抗折试验中还发现
18、, 未掺加 聚丙烯纤维的混凝 土在加载到极限载荷时会突然折断 , 表现 出了明显脆 性破坏形态。而掺加聚丙烯纤维的混凝土在载荷达到 峰值时 , 虽然出现裂纹 , 但裂纹扩展速度较慢 , 试块较 为完整。这种现象与高红江等 的研究结果一致, 原 因是掺加聚丙烯纤维的粉煤灰 陶粒 昆 凝 土受弯时 , 纤 维在裂缝断面上发生较 大变形 , 减少 了断面处 的残余 应力 , 直到纤维断裂或脱离基体 , 纤维在这一过程 中起 到了明显的降脆增韧作用。 4 结论 通过对粉煤灰陶粒混凝土正交试验结果进行极差 分析得出: 影响抗压强度的因素依次为水灰比、 纳米二 氧化硅掺量、 矿渣粉掺量、 粉煤灰掺量、 水
19、泥用量、 粉煤 灰陶粒用量 ; 得到了最优配合 比, 采用最优配合 比配制 的试件对应的 2 8 d抗压强度为 5 5 4 7 MP a 。 聚丙烯纤维掺量从 0增加到 1 6 k g m 。 , 粉煤灰陶 粒混凝土的抗压强度、 抗折强度曲线呈先上升后缓慢 下降趋势; 当聚丙烯纤维掺量 为 0 8 k s m 时抗压强 度达到最大值 5 8 1 9 M P a 、 抗折强度达到最大值 8 1 2 MP a ; 掺入聚丙烯纤维对抗折强度 的增强作用大于抗 压强度 , 试验结果表明聚丙烯纤维对粉煤灰陶粒混凝 土具有显著降脆增韧作用。 参考文献 : 1 钱觉时 粉煤灰特性与粉煤灰混凝土 M 北京:
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