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鋼-PP混雜纖維混凝土坍落度及基本力學(xué)強(qiáng)度試驗研究

2019-04-30 02:44:14朱海峰黃建平鄭坤炎
關(guān)鍵詞:長徑立方體鋼纖維

朱海峰,黃建平,鄭坤炎

( 1.莆田學(xué)院 土木工程學(xué)院,莆田 351100;2.中國水利水電第四工程局有限公司,西寧 810007;3.長沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院,長沙 410114)

混凝土材料由于其來源廣泛、價格低廉、可模性好等突出優(yōu)點(diǎn),在相當(dāng)長一段時間內(nèi)仍然是土木工程、水力工程、地下工程等應(yīng)用最為廣泛的一種工程材料。但是由于混凝土自身的一些較難以克服的缺點(diǎn),比如混凝土抗拉強(qiáng)度相對較低、自重又較大、易脆性開裂、抗?jié)B性差等,限制了混凝土在一些領(lǐng)域中的應(yīng)用。因此為了增強(qiáng)混凝土的阻裂、抗?jié)B能力,通常會在普通混凝土中摻入適量的各種纖維增強(qiáng)材料形成纖維混凝土,如摻入鋼纖維、PP纖維(聚丙烯纖維)、植物纖維、聚乙烯纖維、玻璃纖維等,如果在混凝土中摻入兩種或兩種以上的纖維,形成既能發(fā)揮各自纖維優(yōu)點(diǎn)、又能體現(xiàn)纖維之間協(xié)同工作效應(yīng)的新型復(fù)合材料,即混雜纖維混凝土[1-4]。

目前國內(nèi)外對單摻纖維的混凝土研究比較成熟,如摻加鋼纖維、PP纖維都能提高混凝土的抗裂性、抗?jié)B性和韌性。對不同纖維類型、特性以及摻量,特別是不同纖維的混雜效應(yīng)對混雜纖維混凝土工作性能、力學(xué)性能影響的研究成果還比較少[5-9],AFROUGHSABET SUGANRAJ等[10-11]對鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行試驗研究,結(jié)果表明,摻入混雜纖維的混凝土的抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度均高于單獨(dú)加入聚乙烯纖維的混凝土。楊成蛟、董振平等[12-13]也進(jìn)行了鋼-聚丙烯纖維混凝土抗壓、劈拉、抗折強(qiáng)度等力學(xué)性能試驗研究,研究表明,在混雜纖維摻量為 0.5%、1%時,隨鋼纖維摻量增加,混雜纖維混凝土抗壓強(qiáng)度呈增長趨勢。孫小凱等[14]研究了混雜鋼纖維對超性能混凝土力學(xué)性能影響規(guī)律,試驗結(jié)果表明,端彎鋼纖維和超細(xì)鋼纖維混雜對超性能混凝土抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、延性等性能都有明顯提高。華淵[15]通過試驗研究了長徑比對混雜纖維混凝土抗壓和抗彎強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)碳纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維和聚乙烯纖維的長徑比對混凝土的抗壓強(qiáng)度影響較小,而對抗彎強(qiáng)度影響較大。梅國棟[16]基于試驗得出當(dāng)鋼纖維體積摻量為1%、聚丙烯纖維的體積摻量為0.1%時,能顯著提高混凝土的彎曲韌性及抗裂性能。張恒對單摻鋼纖維和聚丙烯纖維以及混雜纖維混凝土的彎拉強(qiáng)度及混雜效應(yīng)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,不同尺度的聚丙烯纖維和鋼纖維混雜時,混凝土強(qiáng)度及抗裂性要比單摻纖維的高[17]。

上述研究中,鋼纖維體積摻量水平大多集中在0.5%、1%、1.5%,PP纖維體積摻量水平0.05%、0.1%、0.15%,鋼纖維長徑比水平取30、60、80。本文在之前研究的基礎(chǔ)上,對鋼纖維體積摻量、PP纖維體積摻量以及鋼纖維長徑比設(shè)計不同的水平,并考慮不同因素交互作用影響,研究混雜纖維混凝土的工作及基本力學(xué)性能,確定更為合適的纖維摻量,對之前的研究成果是一個探索和補(bǔ)充。

1 試驗簡況

1.1 正交試驗設(shè)計

考慮到纖維的不同摻量對試驗結(jié)果有影響,因此采用“正交試驗法”只進(jìn)行少量的試驗就能夠取得比較有代表性的結(jié)果,從而節(jié)約成本[18]。本試驗考慮3個因素(依次用A、B、C表示):A.鋼纖維的體積摻量;B.PP纖維的體積摻量;C.鋼纖維的長徑比。3個因素分別考慮3個水平,見表1。由于各因素之間存在交互作用影響,故采用A×B、A×C和B×C來分別表示各因素之間的交互作用影響,本試驗選用的正交表是L27(313)。此外本試驗還設(shè)計了1組無纖維的普通混凝土試件。本試驗評價指標(biāo)為坍落度、立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度。

表1 試驗因素和水平

表2 正交試驗設(shè)計

1.2 試驗材料

本試驗采用混凝土的基體強(qiáng)度為C60。水泥采用江西萬年青水泥有限公司生產(chǎn)的P.O52.5普通硅酸鹽水泥。粗骨料為粒徑10~20 mm的碎石,含水摻量不超過0.2%。細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.7的河砂,含水摻量不超過0.5%,含泥量控制在1%以下。減水劑采用工程上比較常用的萘系高效減水劑。鋼纖維采用河北衡水某建材公司生產(chǎn)的波浪形微鋼絲纖維。PP纖維采用河北石家莊某纖維公司生產(chǎn)的高強(qiáng)PP纖維。鋼纖維和PP纖維的性能參數(shù)分別見表3和表4。

表3 鋼纖維的特征參數(shù)

表4 PP纖維的特征參數(shù)

1.3 基準(zhǔn)混凝土配合比

本試驗共設(shè)計了1組無纖維普通混凝土試塊和27組鋼-PP混雜纖維混凝土試塊。根據(jù)有關(guān)規(guī)程對混凝土配合比的規(guī)定,水灰比是0.31,砂摻量是0.42,基準(zhǔn)混凝土的配合比見表5。

表5 基準(zhǔn)混凝土配合比

1.4 試驗方法

根據(jù)《纖維混凝土試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 13:2009)中試驗要求,立方體抗壓強(qiáng)度試塊為邊長150 mm的立方體試件,劈裂強(qiáng)度試塊為100 mm×100 mm×400 mm試件,標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28天,采用200 KN試驗機(jī)進(jìn)行加載,速率為0.05 MPa/s。坍落度測試時,將拌合物分三層均勻地裝入坍落度筒內(nèi),每層均勻插搗25次,沿筒口抹平后垂直平穩(wěn)地提起坍落度筒;當(dāng)試樣不再繼續(xù)坍落或坍落時間達(dá)30 s時,測坍落度大小,過程應(yīng)連續(xù)進(jìn)行,并應(yīng)在150 s內(nèi)完成。測量精度5 mm。

2 試驗結(jié)果及分析

試驗完成后測得各組試件的坍落度、28天立方體抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度,詳細(xì)試驗結(jié)果見表6。

表6 試驗結(jié)果

注:試驗28為未摻纖維的普通混凝土。

對試驗數(shù)據(jù)的處理主要有兩種方法,即直觀分析法和方差分析法。本試驗采用直觀分析法來分析各因素對混凝土坍落度、28天立方體抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度的影響,其核心是求解各因素試驗結(jié)果的極差,并根據(jù)極差R的大小來判定各因素對試驗結(jié)果的影響程度[19]。坍落度、立方體抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度的直觀分析結(jié)果見圖1-3。

2.1 坍落度影響分析

從表6、圖1可知鋼纖維體積摻量、長徑比是影響混雜纖維混凝土坍落度的主要因素,鋼纖維體積摻量和鋼纖維長徑比混雜效應(yīng)是次要因素。隨著鋼纖維的摻量增加,坍落度下降顯著。相比鋼纖維,PP纖維摻量增大時,混凝土的坍落度下降較平緩。當(dāng)鋼纖維體積摻量由0.75%增大到1.25%時,坍落度下降12%,增大到1.75%時,坍落度下降36%。當(dāng)PP纖維從0.06%增大到0.12%時,坍落度下降約12%,增大到0.18%時,坍落度下降17%。鋼纖維長徑比從35增大到50時,坍落度下降約11%,增大到70時,坍落度下降28%。坍落度降低直接影響混雜纖維混凝土的工作性能,綜合考慮最佳纖維組合是A1B1C1。

圖1 坍落度直觀分析結(jié)果圖Fig.1 The results of the visual analysis of the slump

2.2 立方體抗壓強(qiáng)度影響分析

從表6和圖2可知鋼纖維體積摻量和鋼纖維與PP纖維的混雜效應(yīng)是影響混雜纖維混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的主要因素,鋼纖維長徑比、PP纖維體積摻量影響程度相對較低。當(dāng)鋼纖維體積摻量從0.75%增大到1.75%時,抗壓強(qiáng)度提高約13.5%。而摻入PP同樣也會提高混凝土的抗壓強(qiáng)度,但是當(dāng)PP纖維體積摻量超過0.12%后,抗壓強(qiáng)度非但沒有繼續(xù)增長,反而還有所下降。鋼纖維長徑比過大也會使混凝土不易振搗密實(shí),混凝土內(nèi)部有空隙,抗壓強(qiáng)度反而會降低一些。鋼纖維和PP纖維混雜效應(yīng)對混凝土抗壓強(qiáng)度影響也比較突出,且隨著纖維體積摻量的增大下降趨勢顯著。對于立方體抗壓強(qiáng)度,綜合考慮最佳纖維組合是A3B3C2。

圖2 28天立方體抗壓強(qiáng)度直觀分析結(jié)果圖Fig.2 The results of the visual analysis of 28-day cube compressive strength

2.3 劈裂強(qiáng)度影響分析

從表6和圖3可知鋼纖維體積摻量、PP纖維體積摻量以及鋼纖維和PP纖維的混雜效應(yīng)是影響混雜纖維混凝土劈裂強(qiáng)度的主要因素,隨著纖維摻量增加,混凝土劈裂強(qiáng)度提高幅度比較明顯。當(dāng)鋼纖維體積摻量增大到1.75%時,劈裂強(qiáng)度提高約21.4%。當(dāng)PP纖維體積摻量增大到0.18%時,劈裂強(qiáng)度提高約19.2%。鋼纖維體積摻量和PP纖維的體積摻量混雜效應(yīng)對混凝土劈裂強(qiáng)度影響也比較顯著。對于劈裂強(qiáng)度,綜合考慮最優(yōu)纖維組合是A3B3C2。

圖3 劈拉強(qiáng)度直觀分析結(jié)果圖Fig.3 The results of the visual analysis of the tensile strength

3 結(jié)語

通過試驗研究,可以得出如下結(jié)論:

(1)鋼纖維體積摻量和長徑比是影響混雜纖維混凝土坍落度的主要因素。鋼纖維和長徑比有一定的混雜效應(yīng)。纖維的摻加降低了混凝土的坍落度,直接影響到混凝土的工作性能,因此在滿足增強(qiáng)混雜纖維混凝土抗裂性等目標(biāo)的前提下,應(yīng)優(yōu)化纖維的體積摻量,保證混雜纖維混凝土的工作性能。

(2)對于混雜纖維混凝土28d立方體抗壓強(qiáng)度,鋼纖維體積摻量是影響其主要因素,鋼纖維體積摻量和PP纖維的體積摻量混雜效應(yīng)也比較突出,這種混雜效應(yīng)影響隨著纖維體積摻量的增大下降趨勢顯著。

(3)影響混雜纖維混凝土劈裂強(qiáng)度的因素主要是鋼纖維體積摻量和PP纖維體積摻量,隨著纖維摻量增加,混凝土劈裂強(qiáng)度提高幅度比較明顯,當(dāng)鋼纖維體積摻量增大到1.75%時,劈裂強(qiáng)度提高約21.4%。當(dāng)PP纖維體積摻量增大到0.18%時,劈裂強(qiáng)度提高約19.2%。

(4)從改善混凝土受拉性能差、提高抗?jié)B、抗裂水平,同時又具有良好的工作性能的目標(biāo)來看,結(jié)合經(jīng)濟(jì)、施工條件等方面,對于鋼-PP混雜纖維混凝土,鋼纖維的體積摻量宜控制在1.5%~1.75%之間;PP纖維體積摻量不超過0.1%左右,不超過0.12%;由于鋼纖維長徑比對力學(xué)強(qiáng)度影響并不突出,但是對坍落度影響很大,因此,鋼纖維長徑比盡量采用較小的長徑比,宜控制在30~35左右比較恰當(dāng)。

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