不同弹性模量纤维对粉煤灰 RPC力学性能影响

刘晓丽 杨兆鹏 毕巧巍

不同弹性模量纤维对粉煤灰 RPC力学性能影响

刘晓丽 杨兆鹏 毕巧巍

选用不同弹性模量的纤维包括钢纤维、耐碱玻璃纤维以及聚丙烯纤维分别掺入粉煤灰活性粉末混凝土中,对力学性能的变化情况进行了试验分析与研究,试验结果表明：高弹性模量的钢纤维掺入到RPC中可以获得更好的力学性能。

粉煤灰RPC,弹性模量,纤维,力学性能

1 概述

活性粉末混凝土[1](Reactive Powder Concrete,简称RPC)是20世纪 90年代初由法国科学家研制而成的超高性能混凝土,具有优异的耐久性能和超高的力学性能。与高强混凝土(简称HSC)相比,RPC的显著特点是抗压强度和抗拉强度更高、韧性大。RPC的强度可以高达200MPa(简称RPC200),甚至800MPa (简称RPC800)。RPC200的抗压强度是HSC的2倍～4倍;抗折强度为30MPa～60MPa,是HSC的4倍～6倍,掺入纤维后折压比可达 1/4左右,断裂韧性可与金属相媲美[2,3]。

目前,RPC在国外已经用于实际工程[4],比如加拿大建成一座跨长 70m的单跨人行混凝土桁架桥,大大减轻了自重,提高了在高湿度环境、频繁受除冰盐腐蚀与抗冻融循环作用下的耐久性能。相比之下,国内对RPC也开展了相关的研究工作,但是在掺入各种纤维后 RPC的力学性能研究得较少。为了制备符合我国国情的 RPC,在活性粉末混凝土中掺入了一定量的粉煤灰。本文就粉煤灰 RPC在钢纤维、玻璃纤维以及聚丙烯纤维作用下的力学性能进行了初步的探索,并和对应的普通RPC进行比较。

2 力学性能的试验研究

2.1 试验材料

水泥：大连小野田有限公司生产的华日牌 52.5R普通硅酸盐水泥。硅灰：上海天恺硅粉材料有限公司生产的硅粉,二氧化硅的含量为 82.22%。粉煤灰：大连华能电厂生产的Ⅰ级粉煤灰。细砂：采用标准砂,细度模数为 1.8。减水剂：大连西卡建筑材料有限公司生产的西卡高效减水剂。耐碱玻璃纤维：襄樊汇尔杰玻璃纤维有限责任公司生产的,弹性模量 80 GPa。聚丙烯纤维：四川卓越新材料科技有限责任公司提供,弹性模量 2.2 GPa。钢纤维：大连收获金属纤维有限公司生产的冷拉钢丝纤维,直径为0.24mm,长度为13mm,表面镀铜,抗拉强度 2 800 MPa,弹性模量为200GPa。

2.2 试验材料配合比及成型工艺

试验材料的配合比对于普通RPC而言,参考文献[5][6]并通过试配取为水泥∶硅粉∶石英粉∶砂子∶水为 1∶0.25∶0.37∶1.1∶0.25,并掺加2.0%的西卡减水剂。对于粉煤灰RPC而言,参考文献[7][8]并试配其配合比取为水泥∶硅粉∶粉煤灰∶砂∶水 =1∶0.25∶0.3∶1.18∶0.25,同时掺加1.2%的减水剂。

成型工艺：先将骨料、胶凝材料和纤维加入搅拌机内搅拌3m in使纤维分散均匀,然后加入一半用水量搅拌 3m in,再加入剩余用水量搅拌4min～6m in,当纤维掺量逐渐增加时,搅拌时间需适当延长。

2.3 试件

力学性能试验按照普通混凝土力学性能实验方法标准GB/T 50081-2002进行,试件采用 40×40×160的三联试件,人工浇捣成型,24 h后拆模,放入水中常温养护 28 d然后取出进行试验。

2.4 试验结果及分析

试验结果如表 1所示。

表1 不同纤维体积率下RPC试件的强度及折压比

1)当钢纤维掺量较低时(不超过 1%),从图 1,图 2可以看 出,粉煤灰 RPC抗压强度提高幅度不明显,仅仅提高近 10%,而抗折强度提高幅度较高达到 100%。普通 RPC抗压强度提高不明显,抗折强度提高较多,达到 40%。当钢纤维的掺量进一步提高时,二者的力学性能也得到进一步改善。从图中可以看出,普通、粉煤灰两种RPC钢纤维的最佳掺量都是 2%,比不掺钢纤维抗压强度分别提高 45%和 55%,抗折强度提高 110%和 200%,此时对应折压比分别为 1/3.47和 1/4.86。

两种 RPC比较,从图 1和图 3、图 2和图 4可以看出,当钢纤维掺量较低(不超过1%)时,粉煤灰RPC比普通RPC的提高优势并不明显;当钢纤维掺量增加到 2%时,粉煤灰RPC抗折强度比普通RPC降低幅度达20%,但抗压强度比普通RPC高将近10%。

由此可知：高弹性模量的钢纤维无论在普通RPC还是粉煤灰RPC中,都能形成工作性能良好的空间骨架,明显提高RPC的抗压、抗折强度,改善RPC的力学性能。其缺点是造价较高,使RPC的自重增加。

2)当掺入聚丙烯纤维后,由图 1～图 4可以看出,普通 RPC的力学性能改善并不明显,抗压、抗折强度提高的最高幅度仅仅达到7%;但粉煤灰RPC抗折强度提高较为明显,提高幅度达到 40%,但是抗压强度提高很少,仅仅不到3%。普通RPC与粉煤灰RPC的最佳掺量都是 0.25%,对应折压比分别为1/5.42和 1/6.76。

3)当掺入耐碱玻璃纤维后,从图 1～图 4可以看出,普通 RPC的力学性能并没有得到改善,相反还略有降低,但降低幅度不明显。而粉煤灰RPC抗压强度和抗折强度都得到一定程度提高,抗压强度最高提高 10%,抗折强度最高提高 60%。从表 1可以看出：普通RPC与粉煤灰RPC的最佳掺量是0.4%,对应折压比1/4.88和1/7.22,此时粉煤灰RPC对应的抗折强度提高 40%。

从以上结果可以看出：低弹性模量的聚丙烯纤维、中等弹性模量的耐碱玻璃纤维由于其刚度较小,所以相比钢纤维而言,它在活性粉末混凝土中的空间作用并不很强,不能形成有效的空间骨架,所以对 RPC的力学性能改善不明显。从表 1还可以看出,当不掺任何一种纤维时,粉煤灰 RPC的抗折强度较低,比普通RPC低40%多,但抗压强度和普通RPC基本相当,说明用粉煤灰代替石英粉使活性粉末混凝土的脆性有所增大。

3 结语

1)对于掺入每种纤维而言,普通RPC和粉煤灰RPC二者比较来看,力学性能差异不大,说明用粉煤灰代替石英粉是可行的,不但可以提高经济效益,而且可以提高社会效益,可以充分高效利用工厂废弃物粉煤灰。2)对于三种纤维改善RPC的力学性能而言,高弹性模量的钢纤维改善效果最为理想,不但抗压、抗折强度最高,而且折压比也最低;而低弹性模量的聚丙烯纤维和中等弹性模量的耐碱玻璃纤维对两种RPC的力学性能也有所改善,但是改善效果不明显。然而由于钢纤维的耐腐性较差、造价高以及自重大等缺点,在某些环境中可以用适当掺量的耐碱玻璃纤维和聚丙烯纤维代替钢纤维。

[1] Pierre Richard.Marcel Cheyrezy Composition of Re-active Power Concrete[J].Cement and Concrete Research,1995,25(7)：150-151.

[2] 毕巧巍,杨兆鹏.活性粉末混凝土的研究与应用概述[J].山西建筑,2008,34(17)：5-6.

[3] 陈 健,刘红彬,贾玉丹,等.活性粉末混凝土的研究与应用[J].工业建筑,2005(35)：663-667.

[4] 陈 兵,李 悦.活性粉末混凝土的发展与应用[J].混凝土,2000(8)：34-36.

[5] 何 峰,黄政宇.200～300MPa活性粉末混凝土(RPC)的配制技术研究[J].混凝土与水泥制品,2000(4)：3-6.

[6] 闫光杰,阎贵平,安明喆,等.200MPa级活性粉末混凝土试验研究[J].铁道学报,2004,26(2)：116-119.

[7] 谢友均,刘宝举.掺超细粉煤灰活性粉末混凝土的研究[J].建筑材料学报,2001(3)：280-283.

[8] 覃维组.活性粉末混凝土的研究[J].石油工程建设,2002, 28(3)：1-3.

Impacts of different elasticmodulus fiber on the mechanical property of fly ash RPC

LIU Xiao-li YANG Zhao-peng BIQiao-wei

Selecting differentelastic modulus fiber including steel fiber,alkali-resistantglassfiber,polyp ropylene fiber,then respectivelymixing them with fly ash Reactive PowderConcrete(RPC),it carries on experimentalanalysis and research on themechanical properties change condition.The test resultshows that：high elasticmodulus fibermixing RPC can obtain better mechanical property.

fly ash RPC,elastic modulus,fiber,mechanical property

TU528.41

A

1009-6825(2011)09-0115-02

2010-11-25

刘晓丽(1966-),女,工程师,西安市临潼区建设和住房保障局,陕西西安 710600

杨兆鹏(1982-),男,工程师,大连北粮有限公司,辽宁大连 116024

毕巧巍(1966-),女,副教授,大连交通大学土木与安全工程学院,辽宁大连 116028