矿渣聚丙烯纤维混凝土抗劈拉性能试验研究

张慧莉,田堪良,姚汝方

(西北农林科技大学 水利与建筑工程学院,陕西 杨凌 712100)

0 引 言

聚丙烯纤维掺入混凝土大大降低了混凝土的脆性,提高了混凝土的韧性[1]、抗折强度[2]、抗拉强度和抗冲击性能[3～6],改善了混凝土的破坏方式[4]。另一方面,将活性混合材料,例如粉煤灰掺入聚丙烯纤维混凝土中,使聚丙烯纤维分布得更加均匀,粉煤灰可改善混凝土拌合物的和易性,补偿由于聚丙烯纤维而引起的抗压强度的降低[7]。

磨细粒化高炉矿渣含有CaO、Al2O3等活性成分,加入混凝土中代替部分水泥将降低工程造价,将聚丙烯纤维和矿渣同时加入混凝土中,具有一定的经济技术价值和环保意义。混凝土抗劈拉性能与其原材料和配合比有关,鲜见将矿渣、聚丙烯纤维以及聚羧酸系高效减水剂同时加入混凝土对混凝土抗劈拉性能影响的研究报道。将以上三种原料加入普通混凝土中的混凝土配合比及其制作方法,西北农林科技大学已经申请了国家发明专利(申请号:200810150823.7)。本文通过对不同聚丙烯纤维含量和矿渣含量的混凝土试样的抗劈拉试验,研究聚丙烯纤维和矿渣含量对混凝土抗劈拉性能的影响及其作用机理。

1 实验

1.1 试验材料

(1)ASTM I-II型BONSAL AMERICAN普通硅酸盐水泥。(2)磨细粒化高炉矿渣(Ground Granulated Blast Furnace Slag(GGBFS)):由Lafarge North America公司提供,符合 ASTM989-05要求标准。(3)ADVA140聚羧酸系超塑化剂:由GR ACE Construction Products公司提供,固含量为16%。(4)骨料:河砂为中砂,碎石最大粒径为25mm。(5)Fibermesh150聚丙烯纤维由北美Propex混凝土配套材料公司提供,长度为15mm。

配合比设计以一组空白混凝土(无矿渣,无纤维)为对照,其余配合比改变纤维掺量与矿渣含量。通过添加不同剂量的聚羧酸系超塑化剂来控制所有配比的混凝土拌合物塌落度基本为25mm。胶结料总质量等于矿渣质量加水泥质量,外加剂掺量以胶结料质量为基础,以ml计,纤维以占混凝土体积的百分比计算。其中各配合比中不变的量为:碎石1126 kg/m3,河砂698 kg/m3,水 151 kg/m3,引气剂1.304 ml/kg,具体配比见表1。

表1 混凝土配合比及试验结果

1.2 试验方法

按以上配比每组3个,共制成 63个100mm×200mm圆柱体试样,用2mm×10mm×200mm的硬胶木条放在试样侧面中央,按照ASTM C496-04标准规定进行抗劈拉试验,加载速率为33929 N/Min。

2 结果与讨论

2.1 试验结果

劈拉试验过程中,没有聚丙烯纤维的混凝土试样在荷载达到最大值时,没有明显变形的过程,呈突然的脆性破坏,并有混凝土碎块崩落的现象;掺加了聚丙烯纤维的混凝土试样在最大荷载下,逐渐出现纵向裂纹,破坏呈韧性破坏,破坏后的试样基本维持完整,没有崩落现象。如图1所示,图1左边为无纤维的混凝土试样,脆性破坏为两半,并有碎渣;右边试样为聚丙烯纤维混凝土试样,试样受拉时,纤维吸收了部分能量,延长了应变发生过程,提高了混凝土韧性,从而破坏后的试样变扁了,出现几道明显的纵缝,两部分没有裂开。

平均抗劈拉强度结果见表1。从表1可以看出,未掺加聚丙烯纤维的混凝土试样的抗劈拉强度比对照组低,掺加矿渣的试样抗劈拉强度比没加矿渣的高。一般情况下,测试抗劈拉强度所指的荷载是出现首裂纹时对应的荷载[8],由于聚丙烯纤维的加入,部分能量被纤维吸收,加之纤维将因承受荷载而破坏的水泥浆体通过架桥作用连接在一起,大大延缓了首裂纹的出现,这意味着低弹模的聚丙烯纤维改善了混凝土的脆性,掺加不超过0.6%的聚丙烯纤维的混凝土得到较大的抗劈拉强度。从表1中亦可以看出,矿渣替代水泥不超过55%时,抗劈拉强度比不掺矿渣的试样高,而且聚丙烯和矿渣的复合效应显著。

图1 试样破坏状况

2.2 机理分析

水泥水化过程中产生的水化硅酸钙C-S-H是水泥石强度的最大贡献者,决定了水泥土的强度。矿渣的主要化学成分为CaO,活性较高,加入混凝土中,与水泥和骨料中的SiO2反应后生成水化硅酸钙,使矿渣水硬性得以发挥。MgO在矿渣中大都形成化合物或固溶于其他矿物中,而不以方镁石结晶形态存在,故它不会影响水泥安定性且对矿渣活性有利[9]。另外,矿渣因其颗粒细,填充于水泥浆体孔隙和空隙中起到提高密实度、提高强度的作用。

图2是对照组C0(不含矿渣,不含聚丙烯纤维)试样养护28 d时放大5000倍的扫描电镜照片,可以看出水化物之间结构较疏松,呈现较多空隙和孔隙。图3是矿渣替代35%水泥,不含聚丙烯纤维的试样养护28 d时放大5000倍的扫描电镜照片,矿渣本身及其水化物填充于空隙和孔隙中,提高结构致密性。

经过表面特殊化学处理的聚丙烯纤维单丝在水中带有同性电荷,在电性斥力作用下,在水中相互分散。加之超细的矿渣颗粒也有利于纤维在混凝土基体中分布得更加均匀。如图4所示,纤维单丝与浆体紧密嵌合,在受到拉应力时,纤维在初期吸收部分能量,起到缓冲作用,在浆体出现裂纹后,能将破裂的浆体连接起来,限制裂纹的发展。以上两方面的作用使混凝土的抗拉强度大幅提高。含有适量矿渣的混凝土,其浆体致密,承受拉应力的能力增强,既有矿渣又有纤维的混凝土中,抗拉能力比单纯只有矿渣或只有纤维的混凝土提高较多,表现了明显的材料复合效应。

图2 C0试样(无矿渣,无纤维)SEM扫描照片

图3 F0试样(35%矿渣,无纤维)SEM扫描照片

3 结 论

通过对含矿渣聚丙烯纤维混凝土的抗劈拉强度的测试,对其微观结构的SEM扫描及机理分析,可得出以下结论:

(1)聚丙烯纤维的掺入提高了混凝土的抗劈拉性能,使混凝土破坏方式变为韧性破坏,延缓了劈拉首裂缝的出现,提高了抗劈拉强度。

(2)SEM扫描照片显示,矿渣颗粒本身及其活性成分生成的水硬性水化硅酸钙使微观结构密实,提高了抗劈拉强度。矿渣替代水泥量不超过65%时,抗劈拉强度呈增长趋势。

(3)聚丙烯纤维和矿渣的复合效应显著。配合比C4(0.4%聚丙烯纤维,45%矿渣)具有最高的抗压强度和抗劈拉强度。

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