纤维提高混凝土力学性能试验研究

黄锐鸿

(广东省水利水电第三工程局有限公司,广东 东莞 523003)

0 引言

混凝土是水利工程重要的材料,几乎所有水利工程均涉及混凝土的应用,因此混凝土的力学性能对工程整体质量起关键作用[1-2]。当前,根据众多水利工程施工和运行过程中发现的问题,混凝土强度的弱化仍然是导致工程结构承载力降低的主要原因,对水利工程安全运行造成严重威胁,因此,在水利工程修建中提高混凝土强度具有重要意义。当前国内外学者对混凝土力学性能进行了相关研究[3-4]。杨造仁[5]通过试验分析不同水胶比、粉煤灰掺量、硅粉、外加剂对混凝土力学、极限拉伸、耐久性、抗冲磨性的影响;李栖鹏等[6]对工程所用掺纤维水工混凝土展开了力学性能、绝热温升及抗裂试验;周欢[7]为研究高温后高性能混凝土性能的变化规律,研究高性能混凝土高温后的强度变化规律;韩炎[8]对比了不同最大粒径骨料对混凝土力学性能和耐久性能的影响;夏侯唐鹏等[9]引入水利工程实践案例,探究粉煤灰掺量对混凝土力学性能、抗冻性能及抗渗性能的影响;吴剑峰[10]以塑性混凝土为研究对象,通过室内试验,探究粗骨料含量对塑性混凝土抗压强度、透水性能及破坏方式的影响;黄婉琳[11]设计了不同侵蚀时间下水工混凝土的长期力学试验,发现了海洋环境侵蚀条件下混凝土的长期力学性质弱化特征;尹绍清等[12]比较研究了不同强度活性指数的粉煤灰对混凝土力学性能、变形性能、耐久性能及混凝土对钢筋握裹性能等的影响;刘丽[13]利用室内试验法探讨了不同掺量及不同掺和方式下,硅灰、矿粉和粉煤灰掺合料对水工混凝土性能的影响规律。

本文通过室内试验,研究了钢纤维和聚酯纤维含量对混凝土立方体抗压强度、抗弯强度及抗拉强度测试的影响,同时探讨了其与普通混凝土强度的差异,研究成果可为相关水利工程提供参考依据。

1 试验方法与材料

1.1 试验材料

本次试验制备采用当地市场上的普通硅酸盐水泥作为基料,水泥比重为3.15,细骨料采用当地人造砂,比重为2.62,粗骨料采用花岗岩碎屑,颗粒直径12.5～20 mm,比重为2.70。本次试验采用聚丙烯纤维和钢纤维两种材料对复合混凝土的力学特性进行研究,聚丙烯纤维的直径为0.036 mm,切割长度12 mm,纵横比334;钢纤维直径0.6 mm,长度30 mm,纵横比50。复合纤维混凝土由碱激发剂、细骨料、粗骨料、塑(钢)纤维和水泥组成,其中碱激发剂采用氢氧化钠溶液,纯度98 %,呈白色半透明结晶状,密度2.13 g/cm3,临界压力25 MPa;水泥采用符合《混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2019)的硅酸盐水泥。图1为试验用纤维。

图1 聚丙烯纤维和钢纤维

1.2 试验配比设计

试验配比设计如表1所示。水160.98 kg/m3,水泥378.79 kg/m3,细骨料724.53 kg/m3,粗骨料(12.5 mm)434.72 kg/m3,粗骨料(20 mm)652.07 kg/m3,细骨料724.53 kg/m3,纤维含量见表1。

表1 试验配比设计

1.3 试样制备及测试

对于聚酯纤维试样制备,先将聚酯纤维用NaOH溶液浸泡8 h,浸泡时间到后用水冲洗,直至干净干燥。试样制备时,采用强制式搅拌机使纤维均匀分散于混凝土中,通过分散机加料。第一步先将粗细骨料搅拌均匀,第二步加入纤维搅拌,最后将水泥和水加入再搅拌,搅拌均匀后成型养护,同时制备参照组。对于钢纤维混凝土,宜釆用带有布料装置的纤维混凝土专用搅拌机搅拌。搅拌工艺应确保钢纤维在拌合物中分散均匀,不产生结团,宜釆用将钢纤维、水泥、粗细骨料先干拌而后加水湿拌的方法。

新拌混凝土颜色较深,外观光亮,将其装入150 mm×150 mm×150 mm、直径150 mm和长度300 mm、150 mm×150 mm×750 mm的成型箱中成型,待观察无任何凝结迹象,抗压强度无任何退化后,送入养护箱养护28 d,然后取出进行力学性能测试,同时制备对照组。本次混凝土试验时每组3块试件,按照标准《混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2019)分别进行立方体抗压强度测试、抗弯强度及抗拉强度测试,计算其平均值。

2 试验结果分析

2.1 混凝土抗压强度

图2给出了不同纤维含量下,混凝土抗压强度变化规律。由图2可知,相比普通混凝土,两种纤维混凝土的强度要明显高于普通混凝土,但钢纤维混凝土的强度增强效果明显优于聚酯纤维混凝土。对于钢纤维混凝土,当纤维含量为0.025 %时,混凝土抗压强度随着纤维含量的增加而增加,但当纤维含量超过0.075 %时,混凝土强度出现降低;而对于聚酯纤维混凝土,当纤维含量达到0.050 %时,混凝土强度达到最大,超过此含量强度逐渐降低。此次试验,普通混凝土28 d强度为64.92 MPa,聚酯纤维混凝土的最大抗压强度为68.09 MPa,钢纤维混凝土的最大抗压强度为71.91 MPa。

图2 混凝土抗压强度变化规律

2.2 混凝土抗拉强度

图3给出了不同纤维含量下,混凝土抗拉强度变化规律。由图3可知,普通混凝土的抗拉强度要明显低于钢纤维混凝土和聚酯纤维混凝土,说明纤维在混凝土内部起到了抵抗混凝土外部拉力的作用。通过试验发现,当纤维含量为0.025 %时,聚酯纤维混凝土抗拉强度要大于钢纤维,而当纤维含量大于0.025 %时,钢纤维增强效果明显,当纤维含量为0.075 %时混凝土抗拉强度达到最大,之后随着纤维含量增加而减少,而对于聚酯纤维混凝土强度,当纤维含量为0.050 %时混凝土抗拉强度达到最大,之后纤维含量的增加对混凝土抗拉强度增强效果减弱。此次试验,普通混凝土28 d抗拉强度为4.35 MPa,聚酯纤维混凝土的最大抗压强度为4.78 MPa,钢纤维混凝土的最大抗压强度为5.13 MPa。

图3 混凝土抗拉强度变化规律

2.3 混凝土抗弯强度

图4给出了不同纤维含量下,混凝土抗弯强度变化规律。由图4可知,纤维含量对混凝土的抗弯强度有较大影响,加纤维后能够较好地提高混凝土的抗弯强度,其中加入钢纤维后效果最明显。本次试验得出,当纤维含量为0.050 %时,聚酯纤维混凝土抗拉强度要大于钢纤维混凝土,而在其余纤维含量下,钢纤维混凝土的抗弯强度明显大于聚酯纤维混凝土。当纤维含量为0.075 %时钢纤维混凝土抗弯强度达到最大,为7.41 MPa,当纤维含量为0.050 %时,聚酯纤维混凝土抗弯强度达到最大,为6.67 MPa。本次试验普通混凝土强度为6.10 MPa。

图4 混凝土抗弯强度变化规律

3 结论

(1)对于钢纤维混凝土,当纤维含量为0.025 %时,混凝土抗压强度随着纤维含量的增加而增加,但当纤维含量超过0.075 %时,混凝土强度出现降低;而对于聚酯纤维混凝土,当纤维含量达到0.050 %时,混凝土强度达到最大。

(2)当纤维含量为0.025 %时,聚酯纤维混凝土抗拉强度要大于钢纤维,而当纤维含量大于0.025 %时,钢纤维增强效果明显,当纤维含量为0.075 %时混凝土抗拉强度达到最大;而对于聚酯纤维混凝土强度,当纤维含量为0.050 %时混凝土抗拉强度达到最大。

(3)当纤维含量为0.050 %时,聚酯纤维混凝土抗拉强度要大于钢纤维混凝土;而在其余纤维含量下,钢纤维混凝土的抗弯强度明显大于聚酯纤维混凝土。