摘 要:針對(duì)聚丙烯腈纖維混凝土的基本力學(xué)性能進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究,研究纖維摻量與混凝土的軸壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度以及彈性模量之間的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明,與素混凝土相比,聚丙烯腈纖維混凝土的軸壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度以及彈性模量均隨纖維體積率的增加而提高,尤其是劈拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的提高幅度更大。此外,在低摻量的情況下,聚丙烯腈纖維混凝土存在一個(gè)最佳的纖維體積率。
關(guān)鍵詞: 復(fù)合材料 聚丙烯腈纖維 混凝土 力學(xué)性能 室內(nèi)試驗(yàn)
中圖分類(lèi)號(hào): TU5281572 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào): 1004 - 6135 (2007) 05 - 0050 - 03
1 引言
聚丙烯腈纖維混凝土( Polyacrylonitrile Fiber ReinforcedConcrete)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種性能優(yōu)異且應(yīng)用廣泛的新型復(fù)合材料。已有的研究表明,與普通混凝土相比,聚丙烯腈纖維混凝土在延性、耐久性、抗沖擊性、抗疲勞性、抗折強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等方面具有優(yōu)異的特性[ 1 - 3 ]。本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn),研究聚丙烯腈纖維混凝土的基本力學(xué)性能,并探討纖維摻量對(duì)聚丙烯晴纖維混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度以及受壓彈性模量等的影響規(guī)律,為工程應(yīng)用提供參考。
2 試驗(yàn)概述
2. 1 試驗(yàn)材料
水泥:福建煉石牌42. 5普通硅酸鹽水泥;
細(xì)骨料:細(xì)度模數(shù)為2. 41的中砂;
粗骨料:碎石, 5～16mm連續(xù)級(jí)配;
纖維:深圳海川公司的路威2002 - II型聚丙烯腈纖維,其主要性能指標(biāo)如表1所列。
2. 2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
本文開(kāi)展的聚丙烯晴纖維混凝土基本力學(xué)性能的試驗(yàn)研究,包括軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、靜力受壓彈性模量試驗(yàn)等四個(gè)方面內(nèi)容。參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB /T50081 - 2002) [ 4 ]進(jìn)行試驗(yàn)試件設(shè)計(jì):軸壓強(qiáng)度和彈性模量試驗(yàn)采用150mm ×150mm ×300 mm標(biāo)準(zhǔn)試件,劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)采用150mm ×150mm ×150mm標(biāo)準(zhǔn)試件,抗折強(qiáng)度是按采用100mm ×100mm ×400 mm非標(biāo)準(zhǔn)試件。
聚丙烯腈纖維分為兩種,長(zhǎng)12mm的長(zhǎng)纖維和長(zhǎng)6mm的短纖維。
本試驗(yàn)主要探討纖維長(zhǎng)度和摻量對(duì)聚丙烯晴纖維混凝土基本力學(xué)性能的影響規(guī)律,試驗(yàn)采用的纖維長(zhǎng)度和摻量(纖維體積率)如表2所示。所有試件混凝土配制等級(jí)均為C30,配合比為W: C: S: G = 220: 449: 482: 1239。試驗(yàn)共設(shè)計(jì)7組試件,其中A1組為素混凝土試件,A2～A4組試件采用的纖維長(zhǎng)度為12mm (下文稱(chēng)為長(zhǎng)纖維) ,A5～A7組試件采用的纖維長(zhǎng)度為6mm (下文稱(chēng)為短纖維) ;每組試件數(shù)為12個(gè),分別用于軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、靜力受壓彈性模量試驗(yàn);本試驗(yàn)共制作了84個(gè)試件。
由于聚丙烯腈纖維具有良好的分散性和親水性,因此,本試驗(yàn)在攪拌混凝土的時(shí)候,將聚丙烯腈纖維和砂子、石子以及水泥摻加到一起先進(jìn)行干拌;干拌30秒之后,加入所需的水,再拌和150秒后出鍋。試件制作完成后,在20℃ ±5℃的環(huán)境下靜置24小時(shí)后拆模并進(jìn)行編號(hào),然后送到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室,在20℃ ±3℃、濕度為95%的條件下養(yǎng)護(hù)28天。
3 試驗(yàn)結(jié)果與分析
參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》( GB /T50081- 2002) ,進(jìn)行聚丙烯腈纖維混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、靜力受壓彈性模量等基本力學(xué)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果匯總于表3中;表中,軸壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的單位均為MPa,彈性模量的單位為GPa;“提高值”均是指與素混凝土試件相比較的結(jié)果。
根據(jù)表3所列試驗(yàn)結(jié)果,繪出了聚丙烯腈纖維混凝土的各項(xiàng)基本力學(xué)性能與纖維長(zhǎng)度和纖維體積率之間的關(guān)系曲線,分別如圖1～圖4所示。
3. 1 軸心抗壓強(qiáng)度
聚丙烯腈纖維屬于低彈模纖維,因此,它對(duì)混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的改善并不十分顯著。從圖1可以看到,與素混凝土相比,不論是摻入長(zhǎng)纖維還是短纖維,軸心抗壓強(qiáng)度均隨著纖維體積率的增大而提高。在纖維體積率為0. 15%時(shí),軸心抗壓強(qiáng)度提高幅度最大,分別達(dá)9. 5% (長(zhǎng)纖維)和5. 8% (短纖維) ;但當(dāng)纖維體積率增加到0. 2%時(shí),軸心抗壓強(qiáng)度卻相對(duì)下降。這說(shuō)明對(duì)軸心抗壓強(qiáng)度,存在一個(gè)最佳的纖維體積率,超過(guò)該體積率,聚丙烯晴纖維對(duì)軸心抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)作用下降。
從圖1還可以看出,摻入長(zhǎng)纖維比摻入短纖維對(duì)軸心抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)作用更明顯,在纖維體積率為0. 15%時(shí),前者比后者對(duì)軸心抗壓強(qiáng)度的提高幅度增長(zhǎng)了3. 7%。
3. 2 劈裂抗拉強(qiáng)度
聚丙烯腈纖維具有較高的延伸率和抗拉強(qiáng)度,因此,它對(duì)混凝土劈拉強(qiáng)度的改善較為明顯。從圖2可以看到,與素混凝土相比,不論是摻入長(zhǎng)纖維還是短纖維,劈拉強(qiáng)度均隨著纖維體積率的增大而提高。在纖維體積率為0. 15%時(shí),劈拉強(qiáng)度提高幅度最大,分別達(dá)到17. 6% (長(zhǎng)纖維)和16. 7% (短纖維) ;但當(dāng)纖維體積率增加到0. 2%時(shí),劈拉強(qiáng)度卻相對(duì)下降。
這說(shuō)明對(duì)劈拉強(qiáng)度,同樣存在一個(gè)最佳的纖維體積率,超過(guò)該體積率,聚丙烯晴纖維對(duì)劈拉強(qiáng)度的增強(qiáng)作用下降。
從圖2還可以看出,摻入長(zhǎng)纖維與摻入短纖維對(duì)劈拉強(qiáng)度的增強(qiáng)作用基本相同,在纖維體積率為0. 15%時(shí),兩者對(duì)劈拉強(qiáng)度的提高幅度僅相差1%左右。
3. 3 抗折強(qiáng)度
從圖3可以看到,與素混凝土相比,不論是摻入長(zhǎng)纖維還是短纖維,抗折強(qiáng)度均隨著纖維體積率的增大而提高。在纖維體積率為0115%時(shí),抗折強(qiáng)度提高幅度最大,分別達(dá)到3015% (長(zhǎng)纖維)和15. 2% (短纖維) ;但當(dāng)纖維體積率增加到0. 2%時(shí),抗折強(qiáng)度卻相對(duì)下降。這說(shuō)明對(duì)抗折強(qiáng)度,也存在一個(gè)最佳的纖維體積率,超過(guò)該體積率,聚丙烯晴纖維對(duì)抗折強(qiáng)度的增強(qiáng)作用下降。
從圖3還可以看出,摻入長(zhǎng)纖維對(duì)抗折強(qiáng)度的增強(qiáng)作用明顯優(yōu)于摻入短纖維,在纖維體積率為0. 15%時(shí),前者比后者對(duì)抗折強(qiáng)度的提高幅度約增長(zhǎng)了15%。
3. 4 受壓彈性模量
從圖4可以看到,與素混凝土相比,不論是摻入長(zhǎng)纖維還是短纖維,彈性模量均隨著纖維體積率的增大而提高。在纖維體積率為0. 15%時(shí),彈性模量提高幅度最大,分別達(dá)到9.4% (長(zhǎng)纖維)和8. 4% (短纖維) ;但當(dāng)纖維體積率增加到0.2%時(shí),彈性模量卻相對(duì)下降。這說(shuō)明了對(duì)彈性模量,也存在一個(gè)最佳的纖維體積率,超過(guò)該體積率,聚丙烯晴纖維對(duì)彈性模量的增強(qiáng)作用下降。
從圖4還可以看到,在0. 15%及0. 2%的體積率下,長(zhǎng)纖維的增強(qiáng)作用均優(yōu)于短纖維;但在0. 1%的體積率下,短纖維的增強(qiáng)作用卻優(yōu)于長(zhǎng)纖維。
4 結(jié)論
1)摻入低摻量的聚丙烯腈纖維,對(duì)混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度和彈性模量均有一定的提高作用。
2)摻入低摻量的聚丙烯腈纖維,可以明顯提高混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。
3)在低摻量的情況下,存在一個(gè)最佳的聚丙烯腈纖維體積率;超過(guò)該體積率,纖維對(duì)混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和彈性模量等基本力學(xué)性能的增強(qiáng)作用相對(duì)下降。通過(guò)本文試驗(yàn)得到的最佳聚丙烯腈纖維體積率為0. 15%。
4)通過(guò)本文試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),摻入12mm長(zhǎng)的聚丙烯腈纖維對(duì)混凝土基本力學(xué)性能的改善作用優(yōu)于摻入6mm長(zhǎng)的聚丙烯腈纖維。
參考文獻(xiàn)
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