玄武岩-聚丙烯纤维增强混凝...性能、渗透性能和孔结构研究_黄大观.pdf
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1、收稿日期:;修回日期:基金项目:国家自然科学基金重大项目()作者简介:黄大观(),男,安徽砀山人,博士研究生,主要从事混凝土结构耐久性方面的研究。:,():玄武岩聚丙烯纤维增强混凝土力学性能、渗透性能和孔结构研究黄大观,牛荻涛,刘云贺,苏 丽,夏 倩(西安理工大学 土木建筑工程学院,西安;西安建筑科技大学 土木工程学院,西安;兰州理工大学 土木工程学院,兰州)摘 要:为了探究玄武岩聚丙烯纤维增强混凝土的力学性能、渗透性能以及孔结构情况,开展了不同体积掺量下增强混凝土试验。结果表明:在体积掺量 范围内,抗压强度随纤维掺量增加先增大后减小,玄武岩纤维、聚丙烯纤维掺量均为时抗压强度最大,提升幅度达到
2、;劈拉强度随纤维的掺入均增大,且玄武岩纤维对劈拉强度的提高效应大于聚丙烯纤维;玄武岩纤维和聚丙烯纤维可有效降低混凝土的抗渗性,但是超过最佳纤维掺量时,对混凝土抗渗性产生不利影响。计算得到了玄武岩聚丙烯纤维增强混凝土分形维数,分形维数与抗压强度呈现良好的正相关关系,而与电通量呈现良好的负相关关系。研究成果可供开展纤维增强混凝土试验的研究人员参考。关键词:纤维增强混凝土;力学性能;电通量;孔结构;相关性分析中图分类号:文献标志码:文章编号:()开放科学(资源服务)标识码():,(,;,;,):,;,:;研究背景混凝土因制备简单、造价低廉、功能多样以及与钢材结合可制成各种承重结构构件等优点,广泛应用
3、于土木建筑工程领域。近年来,人们把混凝土的性能提升作为研究的主要目标,把纤维增强材料放入混凝土中,使纤维混凝土的力学性能和耐久性能相比于普通混凝土得到不同程度的提高。纤维可以单一或者混合掺入到混凝土中,如果采用单一纤维,第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报 年 月 作用提升效果十分有限,而混杂纤维的掺入可以发挥不同纤维的各自优势,效果提升明显。目前学者对混杂纤维混凝土已经进行了不少的研究。杨成蛟等研究了掺有钢纤维和改性聚丙烯纤维混凝土的力学性能和抗渗性能,结果表明混杂纤维可以有效增强混凝土的抗压强度和劈拉强度,当钢纤维和改性聚丙烯纤维的掺量分别为和时,抗折强度最大,但是混杂纤维降低了混凝土
4、的渗透性能。丁一宁等通过渗透试验,研究了钢纤维、聚丙烯粗纤维和聚丙烯细纤维对开裂后混凝土的渗透系数的影响,结果表明,钢纤维和聚丙烯粗纤维具有较好的正混杂效应。高丹盈等进行了聚丙烯钢纤维增强高性能混凝土的高温试验,研究表明混杂纤维提高了混凝土高温后强度,有效抑制混凝土的高温爆裂。等对钢纤维 混杂纤维混凝土的弯曲韧性、抗渗试验进行了分析,研究发现,混杂纤维混凝土在小挠度范围内的韧性优于单掺钢纤维。等研究了混杂两种不同类型的聚丙烯纤维混凝土的力学性能,结果表明,短纤维分散性好,可以抑制早期裂纹,单丝纤维具有很高的弹性模量,二者工作性能互补,有效提高混凝土的抗压强度和劈拉强度。等研究表明钢纤维、棕榈纤
5、维和合成纤维的掺量分别为、时,混凝土的抗弯强度和弯曲韧性改善效果最好。玄武岩纤维是一种新型绿色环保纤维,具有优良的化学稳定性,抗拉强度高、弹性模量大、耐磨性好,在混凝土基体中复掺玄武岩纤维和聚丙烯纤维可以形成优势互补,提升混凝土的性能,而且玄武岩纤维可以代替钢纤维,改善钢聚丙烯混凝纤维混凝土中钢纤维易腐蚀的缺陷。目前关于玄武岩聚丙烯混杂纤维混凝土的研究还不充分,玄武岩纤维和聚丙烯纤维掺量与混凝土不同性能指标之间的定量关系尚不清楚。因此本文旨在量化讨论玄武岩聚丙烯混杂纤维对混凝土的力学性能、抗氯离子渗透性能和孔结构的影响。试验材料与方法 试验材料制备玄武岩聚丙烯纤维增强混凝土使用的材料包括 普通
6、硅酸盐水泥()、硅灰()、粉煤灰()和矿渣(),水泥主要技术指标见表,试验材料化学组成见表。减水剂():江苏苏博特新材料股份有限公司生产的聚羧酸高性能减水剂,减水率为;玄武岩纤维():四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司,长度 ;聚丙烯纤维(),江苏苏博特新材料股份有限公司,长度,纤维的物理力学性能见表;粗骨料():泾阳山碎石;细集料():灞河中砂,连续级配,细度模数为;拌合水()为西安本地自来水。表 水泥的主要技术指标 初凝时间 终凝时间 抗压强度 抗折强度 表 胶凝材料的化学成分分析 材料化学成分含量 表 纤维的物理力学性能 材料长度直径密度()弹性模量抗拉强度 混凝土配合比试验混凝土的配合比如
7、表 所示,本研究主要考虑混凝土中纤维体积掺量的变化,水胶比均为。和 分别表示玄武岩纤维和聚丙烯纤维,、分别代表纤维的体积掺量为、和。玄武岩聚丙烯纤维增强混凝土的搅拌流程如图 所示。试验方法混凝土试件在温度为()、相对湿度为以上的标准养护室中养护至试验龄期。混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度按照普通混凝土力学性能试验方法标准()规定的方法进行。立方体混凝土试件边长为 ,标准养护至 龄期时进行测试。渗透性能采用电通量法测试,按照普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准()规定的方法进行。混凝土试件采用直径(),高度为()的圆柱体试件,标准养护至 龄期时进行测试,试验在()的室内进行,电通量测试示意图如
8、图 所示。孔结构采用 孔结构分析仪进行测试,试件制作过程参照 用户手册。混凝土试件为边长立方体,养护龄期为 长江科学院院报 年 表 混凝土配合比 试样混凝土中各种材料的含量()塌落度 3 0 sC ASO P CB F SF AS F2 m i nWP B S2 m i nP F3 m i nB F2 m i n图 混凝土搅拌示意图 直流稳压电源电压表混凝土试件试验槽铜电极试件垫圈0.3 m o l/L N a O H3.0%N a C l图 电通量测试示意图 。试验前首先将试件切割成 厚的薄片,表面无明显锯痕,然后将观测面分别用、和 的碳化硅研磨液各研磨 ,抛光后表面平整光滑。把研磨好的观测
9、面涂黑,然后把锌糊和试件预热至,锌糊具有足够流动性后均匀涂抹在试件表面,待锌糊略显凝固,将试件表面多余锌糊刮去,一个标准试样就制作完成,孔结构测试仪器如图。图 孔结构测试仪器 结果与讨论 力学性能混杂纤维混凝土抗压强度和劈拉强度如图 所示。1 01 52 02 53 03 5抗压强度/MP a混凝土试件1.01.52.02.53.03.54.0劈拉强度/MP aB F 0 P F 0B F 5 P F 5B F 5 P F 1 0B F 5 P F 1 5B F 1 0 P F 5B F 1 5 P F 5混凝土试件B F 0 P F 0B F 5 P F 5B F 5 P F 1 0B F
10、5 P F 1 5B F 1 0 P F 5B F 1 5 P F 5(a)(b)图 混凝土抗压强度与劈拉强度 从图()可以看出,组混凝土抗压强度最大,相比于基准混凝土 提高了,当玄武岩纤维掺量固定,随着聚丙烯纤维掺量增加,混凝土抗压强度逐渐减小,组混凝土抗压强度相比于基准混凝土下降了;当聚丙烯纤维掺量固定,随着玄武岩纤维掺量增加,混凝土抗压强度变化不大,但是混杂纤维均提高了抗压强度。产生这种现象的原因是混凝土是一种非均质材料,内部有尺寸不同的微裂缝、孔隙和缺陷,纤维加入混凝土中,可以协同基体一起受力,当应力自基体传递给纤维时,纤维因变形而消耗能量,使抗压强度提高。此外,聚丙烯纤维具有不亲水性
11、,而玄武岩纤维有亲水性,因此,玄武岩纤维与混凝土基体的粘结性能好,二者之间握裹力较大,对混凝土抗压强度增强的效果优于聚丙烯纤维。纤维掺量过高会导致纤维在基体中的平均间距减小,当减小到一定程度时,纤维出现搭接的现象,使得纤维与混凝土的粘结效果变差;另外,纤维掺量过高在混凝土内分散不均匀会产生很多薄弱界面,导致混凝土抗压强度降低。从图()可看出,混凝土中加入纤维均提高了其劈拉强度,组混凝土劈拉强度最大,为,与基准混凝土相比提高了,提升幅度很大。当混杂纤维总体积掺量相同时,组混凝土的劈拉强度大于,组混凝土的劈拉强度大于,说明玄武岩纤维对混凝土的 第 期黄大观 等 玄武岩聚丙烯纤维增强混凝土力学性能、
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