纤维长度对混凝土抗压性能的影响研究VIP

1纤维长度对混凝土抗压性能的影响研究学生： 指导老师： 0.绪论0.1 研究目的及意义水泥混凝土路面及桥面铺装层直接暴露于大气环境中，在荷载和环境因素的长期共同作用下，经常过早发生损坏而影响交通，本研究从提高水泥混凝土材料性能入手，提出改善水泥路面或桥面铺装层混凝土抗压性能的技术方案，并对提出的方案进行试验研究。通过本研究锻炼并提高学生独立分析问题和解决问题的能力，加深对所学相关课程的认识和理解，为今后从事混凝土配合比设计和混凝土材料性能研究打下坚实的基础。0.2 聚丙烯纤维混凝土的特点（1）聚丙烯纤维混凝土的抗拉及抗折弯强度有所增加。聚丙烯纤维混凝土试件在压折时，发生类似于钢筋混凝土的多裂缝型折断，折断速度较慢。抗折强度及极限拉伸强度增加约8%-10%，在国外尚有增加抗折弯强度达30%的报道。（2)聚丙烯纤维有效地抑制了混凝土塑性收缩、干缩、温度变化等因素引起的微裂缝的形成及发展，提高了混凝土的抗裂能力，可作为抗裂钢丝网替代增强材料。聚丙烯纤维在控制混凝土的塑性收缩裂缝上的主要作用为:阻滞塑性收缩裂缝的产生和限制裂缝的发展。混凝土的塑性开裂主要发生在混凝土硬化前，特别是在混凝土浇筑后 4-5h 之内，此阶段由于水分的蒸发和转移，混凝土内部的抗拉应变能力低于塑性收缩产生的应变，因而引起混凝土内部塑性裂缝。掺入聚丙烯纤维后，由于其分布均匀，起到类似筛网的作用，减缓了由于粗粒料的快速失水所产生的裂缝，延缓了第一条塑性收缩裂缝出现的时间。同时，在混凝土开裂后，纤维的抗拉作用阻止了裂缝的进一步发展。试验表明，混凝土塑性收缩裂缝面积、裂缝最大宽度及失水速率均随着纤维体积含量的增大而显著降低，说明聚丙烯纤维有效地提高了混凝土的抗裂性能。(3)聚丙烯纤维有效地提高了混凝土的抗渗防水能力。在混凝土中掺入聚丙烯纤维，可以有效地抑制混凝土早期干缩开裂及离析裂纹的产生及发展，减少混凝土的收缩裂缝，尤是有效地抑制了连通裂缝的产生，因而减少了渗水通道，提高了混凝土的抗渗防水性能。另外，均匀分布在混凝土中彼此相粘连的大量纤维起了“承托”骨料的作用，降低了混凝土表面的析水与集料的沉降，从而使混凝土中直径为50-100nm和大于100nm的孔隙含量大大降低，有效提高了混凝土抗渗能力。(4)聚丙烯纤维大大提高了混凝土的抗冻能力，提高了馄凝土的耐久性。在混凝土中加入聚内烯纤维，可以缓解温度变化而引起的混凝土内部应力的作用，阻止微裂缝的扩展。同时，混凝土抗渗能力的提高也有利于其抗冻能力的提高。寒冷地区的公共建筑设施使用聚向烯纤维混凝土后，都有效地减少冻裂问题，它可作为一种有效的温凝土温差补偿性抗裂手段。2(5)聚丙烯纤维有效地提高了混凝土的抗冲击、抗震及抗龟裂能力。明显提高了混凝上面层的耐磨能力，减少了鳞状、片状剥落等破坏现象。在混凝土内掺入聚丙烯纤维，聚丙烯纤维与水泥基集料有极强的结合力，可以迅速而轻易地与混凝土材料混合，分布均匀;同时由于细微，故比面积大，每公斤聚丙烯微纤维连起来的总长度可绕地球10多圈，若分布在1m, 的混凝土中，则可使每lcm ,的混凝土中有近二十条纤维丝，故能在混凝土内部构成一种均匀的乱向支撑体系，这种均匀的乱向支撑体系有助于提高混凝土受冲击时动能的吸收。显然，这是纤维的阻裂作用所致，在混凝土受冲击荷载作用时，纤维可以有效地阻碍混凝土中裂缝的迅速扩展，吸收由于冲击荷载所产生的动能，从而提高混凝土的抗冲击性能.此外，聚丙烯纤维以每方数千万根的数量掺入到混凝土中时，其互相搭接、牵连，在馄凝土内形成的乱向支撑系统阻碍了混凝土由于冲击或磨损发生的裂缝的发展，纤维本身也牵制了混凝土从基体中剥落，使得混凝土从基体上剥离需要消耗更多的能量，从而提高了混凝土的耐磨能力。(6)聚丙烯纤维混凝土的耐化学腐蚀好。聚丙烯纤维有一定的化学惰性，在酸性、碱性环境下几乎不发生变化。同时，纤维在混凝土内部可避免光氧老化。0.3 聚丙烯纤维国内外发展水平国外对聚丙烯纤维混凝土的研究始于20世纪六十年代，英美国家首先把切短的聚丙烯纤维掺入混凝土中用以改变混凝土的物理、力学性能,1975年，在国际材料与结构实验室联合论文集纤维增强水泥与混凝土上，对有关聚丙烯纤维混凝土的各项性能、汁算方法、施工技术等均有较全面的论述。 八十年代以后，日本、韩国等国家也对聚丙烯纤维混凝土进行了很多研究，得到了许多有用实验数据。九十年代，国外许多学者对聚丙烯纤维混凝土的抗裂能力、抗冲击性能、抗弯性能、弯剪性能分别作了研究。为解决军用混凝土工事在受炮火攻击后的抗碎问题和军事工程的耐久性问题，美国军队工程师的混凝土专家与lT产品企业 合成工业公司聚丙烯材料专家共同研制出用于混凝土增强的聚丙烯纤维，并已大量应用于机场跑道，高层建筑，地下室等工程中。在工程应用方面，早在 1978 年，英国西部海岸就将聚丙烯纤维剁碎掺入混凝土砌块，用于砌筑防波堤 20 世纪 80 年代初，为解决军用混凝土工事在受炮火攻击后的耐久性问题，美国军队的工程师与美国最大的化工产品企业一合成工业公司的聚丙烯材料专家共同研制出用于混凝土增强的聚丙烯纤维，并引进大量应用于机场跑道、高层建筑地下室、桥梁桥面铺装等工程中去。1994 年韩国引进了该项工艺技术。美国最大的丹佛机场(总面积超过 53 平方英里，设计年客流量 11 亿人次)，其机场跑道、停机场机库、地下传输通道等，都采用了掺加聚丙烯纤维网的混凝土，效果良好，路面没有出现龟裂和断裂现象。墨西哥市高级购物中心，是 1989 年墨西哥最大的建筑项目，为了提高建筑物的抗地震破坏能力，全部混凝土结构中(包括板、梁、街)都掺入了纤维网。相对而言，聚丙烯纤维混凝土在国内的应用研究起步较晚。从目前国内的研究水平来看，3主要集中于对聚丙烯纤维混凝土的物理、力学性能的研究。华渊川等的研究表明，与基准混在聚丙烯纤维的应用方面，朱江分析了聚丙烯纤维混凝土的防水机理，并介绍了广州新中国大厦以及广州南方实业大厦的地下室地板中添加聚丙烯纤维的施工情况。谷章昭、倪梦象等指出尼龙及聚丙烯纤维混凝土具有较好的抗裂性，可提高混凝土的使用性能及耐久性，并已成功地在上海8万人体育场看台、地铁工程及东方明珠电视塔等工程中推广应用。苏健波、李士恩较详细地介绍了杜拉纤维(即束状单丝聚丙烯纤维)在我国的广泛应用。如广州市的东环、西环、南环等高速公路的路面，不仅解决了收费站的无磁性要求问题，而且有效满足了路面的抗裂、抗磨耗、抗冲击等要求。在重庆、厦门、武汉等地杜拉纤维还大量应用于桥面铺装、软路面等工程中。在民用建筑中，它有效地解决了高强钢管混凝土柱的施工工艺，提高了高强混凝土的延性和韧性。此外，聚丙烯纤维混凝土还可用在污水处理厂的污水池、游泳池、粮食仓储库、大型停车场、机场停机坪，以及在地下洞室、护坡等工程中可应用喷射聚丙烯纤维混凝土。1993年起，上海建筑科学研究院开始研究合成纤维在混凝土中的应用，主要用于水利工程建设。我国于1994年前后引进聚丙烯纤维，并逐步在有关混凝土工程中应用，最初由于聚丙烯纤维弹性模量低，约束混凝土裂缝的能力比钢纤维差，对它的研究和应用不多。同时由于工程中应用的纤维多为进口，价格达到了70-168元Kg，极大的限制了在土木工程领域的应用。20世纪90年代中国纺织大学开始进行改性聚丙烯纤维的研制，近年来国内已有企业生产聚丙烯纤维(如山东泰安生聚丙烯纤维混凝土的研究应用产的“硅伴”牌聚丙烯纤维)，改变了以往聚丙烯纤维全部依赖进口的局面，由于国内生产的材料价格较低，质量不比国外产品的逊色，相同掺量下可以大大降低工程成本.同时国内许多研究机构、学者对聚丙烯纤维改善混凝土的物理、力学性能作用机理进行了试验研究，如大连理工大学、中国混凝土协会，天津市政、西安公路交通大学等单位对纤维混凝土的研究作了大量的研究工作。目前，聚丙烯纤维混凝土在国内已经越来越多的应用到道路、桥梁水利、国防等工程中。2001年，吉林水利实业公司在吉林省梅河口市进行的渠道防渗护砌试验工程，则是在全国水利工程中较早采用了改性聚丙烯纤维混凝土的应用实例。浙江省宁波市将聚丙烯纤维混凝土用于水库大坝面板、溢洪道进水渠底防护工程.该工程于2001年4月通过了国家验收.目前，国内最大的水电站一长江三峡电站，中国重要的公共建筑一国家大戏院，正建的遂渝铁路隧道，以及众多的市政工程、预制构等都使用了聚丙烯工程纤维。特别对高层建筑中改善高强混凝土的脆性，具有重大意义。深圳市己把聚丙烯工程纤维混凝土防水作为地方标准图集的图例，供工业与民用建筑采用。0.4 本文研究的主要内容本论文通过加入纤维改变混凝土性能，在 A 纤维长度、B 纤维掺量、C 水灰比、D 外加剂掺量 4 个因素影响下，从 3 个不同的水平分析，得出影响混凝土抗压性能的最优方案。并以此次24研究得出的结论来改善水泥路面或桥面铺装层混凝土抗压性51.原材料和试验方法1.1 原材料水泥: 普通硅酸盐水泥（P.O） ，强度等级：42.5MPa，早强型，河北太行水泥股份有限公司生产，太行山水泥为旋窑干法水泥，符合国标GB175-2007通用硅酸盐水泥 。粗骨料:碎石，最大粒径26mm，表观密度2681g/mm 3细骨料:特细砂，堆积密度1418g/mm 3 减水剂：NOF 高效减水剂，减水率为15%粉煤灰：级灰纤维：聚丙烯纤维水：普通自来水养护条件：在自然条件下养护对于各种原材料关于的性能的试验如下所示：一.水泥GB1752007 中将水泥定义为：加水拌和成塑性浆体，能胶结砂石等适当材料并能在空气和水中硬化粉状水硬性胶凝材料。凡是由硅酸盐水泥熟料、6%15%混合材料、适量石膏共同磨细制成的水硬性胶凝材料，称为普通硅酸盐水泥（简称普通水泥） ，代号 P.O.试验采用邯郸本地太行山牌普通硅酸盐水泥（P.O）,强度等级：42.5MPa，早强型，河北太行水泥股份有限公司生产，太行山水泥为旋窑干法水泥，符合国标 GB1752007硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥 。1.水泥细度检测：水泥细度就是水泥的分散度，是水泥厂用来作日常检查和控制水泥质量的重要的参数。水泥细度对水泥强度有较大的影响，同时对水泥体积安定性，干缩都有影响，并会影响水泥的产量与能耗。国标规定水泥细度以筛余百分数和水泥比表面积表示。依据国标水泥细度检测方法，并结合实验室实际情况进行检测。 （1）仪器设备：A 天平最大称量为 100g，分度值不大于 0.05g。B 筛子采用方孔边长 0.08mm 的铜丝网筛布。筛框有效直径 150mm，高 50mm。筛布应紧绷在筛框上，接缝必须严密，并附有筛盖。（2）检测步骤：称取试样 50g，倒入筛内。用一只手执筛往复摇动，另一只手轻轻拍打，拍打速度每分钟约 120 次，每 40 次向同一方向转动 60，使试样均匀分布在筛网上，直至每分钟通过试样量不超过 0.05g 为止。称量筛余物，计算出筛余百分数。（3）试验结果计算：水泥试样筛余百分数（F）按下式进行计算:6(1) 10RFWR水泥试样筛余物的质量， gW水泥试样质量，g检测详细结果见表 1-1。表 1-1 水泥细度测试结果编号 试样质量（g） 筛余量（g） 筛余百分数 （%） 筛余百分数平均值(%)1 50 4.65 9.32 50 5.10 10.23 50 4.82 9.69.7筛余百分数平均值为 9.7%10%，故水泥细度合格。2.水泥标准稠度用水量 (1)仪器设备A 代用法维卡仪滑动部分的质量为 300g，试锥锥底直径 40mm，高 50 mm，装净浆用的锥模上口径 60mm,高 70mm。B 水泥净浆搅拌机由搅拌锅和搅拌叶片组成。C 量水器最小刻度 0.1ml,精度 1%。D 天平准确称量至 1g。（2）试验方法固定用水量法a 试验前须检查仪器金属棒应能自由滑动，试锥降至顶面位置时，指针应对准标尺零点，搅拌机运转正常。b 水泥净浆的拌制用湿布将水泥净浆搅拌机的搅拌锅及叶片擦过，将称好的 500g 水泥和142.5ml 水倒入搅拌锅内。拌和时先将锅放到搅拌机的锅座上，升至搅拌位置再开动机器，慢速搅拌 120s，停拌 5s,接着快速搅拌 120s 停机。拌和结束后，立即将拌好的净浆装入锥模内，用小刀插捣，振捣数次刮去多余净浆，抹平后迅速放到试锥下面固定的位置上，将试锥降至净浆表面拧紧螺丝，然后突然放松，让试锥自由沉入净浆中，到试锥停止下沉时记录试锥下沉的深度。全部操作应在 1.5min 内完成。（3）试验结果根据测得试锥下沉深度 S（mm）按下式计算得到标准稠度用水量 P（%）：P=33.4-0.185S (2)式中：S试锥下沉的深度，mm。当试锥深度 S 小于 13mm 时，应用调整用水量发。7表 1-2 固定用水量法记录表试锥下沉的深度（mm） 水泥标准稠度用水量 P（%） 平均标准稠度用水量（%）24.0 28.9624.6 28.8528.90二.细集料砂（细集料）由自然分化、水流搬运和分选后堆积形成或经机械破碎筛分制成的粒径小于4.75 mm 的岩石颗粒，但不包括软质岩、风化岩石的颗粒。试验使用的细骨料符合国标 GBT146842001建筑用砂的规定要求。1. 砂的筛分砂的筛分主要是检验砂的级配和计算砂的细度模数，砂的级配是表示砂子的大小颗粒的搭配情况，而砂的细度模数是衡量砂的粗细程度的指标。(1)取样方法：从料堆上取样时取样部位应均匀分布。取样前先将取样部位表面铲除，然后从不同部位抽取大致等量的砂 8 份，组成一组试样。(2)试样处理：采用人工四分法，将所取试样置于平板上，在潮湿状态下拌和均匀，并堆成后厚度约为 20 mm 的圆饼，然后沿相互垂直的两条直径把圆饼分成大致相等的 4 份，取其中对角线的两份重新拌匀，再堆成圆饼。重复上述过程，直至把试样缩分到试验所需量为止。(3)设备仪器：A 天平称量 1000 g，感量 1 g；B 标准套筛孔径为 0.15 mm、0.3 mm、0.6 mm、1.18 mm、2.36 mm、4.75 mm 及9.50 mm 的方孔筛各一只，并附有筛底和筛盖；C 摇筛机；D 其他搪瓷盘毛刷等。(4)试验步骤：a把试样缩分至约 1100 g，放在烘箱中烘（105+5） ，烘至恒重。待冷却至室温后，筛除大于 9.5 mm 的颗粒，分大致相等两份备用。b. 称烘干试样 500 g，倒入从大到小的套筛上，放到摇筛机上，摇 10 min，取下套筛按筛孔大小顺序再逐个用手筛，筛至每分钟通过量小于试样总量 0.1%为止，通过的试样倒入下一号筛，再一起过筛，依次筛完为止。c. 称出各号筛的筛余量，精确至 1 g，试样在各号筛上的筛余量不得超过 200 g，超过时应将该筛余试样分成两份，再进行筛分，并以两次筛余量之和作为该号筛的筛余量。d. 计算分计筛余百分率，精确至 0.1%；计算累计筛余百分数，精确至 0.1%；筛余量加筛底总量之差不超过 1%，超过必须重做。砂的细度模数按下式计算：8(3)75.475.41.036.018.36.2AAMx 式中 ： 砂的细度模数，精确至 0.01；x， ， ， 分别为 0.15mm，0.3mm， ，4.75mm 各筛的 15.0A3.75.4A累计筛余百分率，%。 检测详细结果见表 1-3。表 1-3 砂筛分测试结果筛余量（g） 平均筛余量（g）累计筛余量（g） 累计筛余百分率（%）孔径（mm）1 2 4.75 2.0 2.2 2.10 2.10 0.422.36 2.0 1.7 1.85 3.95 0.791.18 3.2 3.5 2.35 7.30 1.460.60 22.9 24.2 23.55 30.85 6.170.30 194.5 205.5 200.00 230.85 46.170.15 145.5 140.5 143.00 373.85 74.77筛底 127.5 119.0 123.25 497.10 99.42细度模数计算如下：(4)23456110xAAM 分别为各号筛的累计筛余百分数123456依据国标建筑用砂规定：细度模数 3.13.7 为粗砂，2.33.0 为中砂，1.62.2 为细砂，0.71.5 为特细砂。因检测结果所用砂子的细度模数平均值为 1.28，故试验用砂为特细砂。2.砂的堆积密度砂的堆积密度是指砂（细骨料）按照一定方式装填于容器中，单位体积（包括矿质实体体积、闭口孔体积、开口孔体积及颗粒之间空隙体积）的质量。依据国标建筑用砂检测方法，并结合实验室实际情况进行检测。(1)设备仪器A 天平称量 1000g，感量 1g；B 标准漏斗；C 容量筒圆形金属筒，容积为 10012L；D 方孔筛直径为 4.75mm 的筛一只；E 其他直尺、漏斗或料勺、搪瓷盘、毛刷等。9（2）试样制备：按细骨料的筛分中取样方法取样，用搪瓷盘装取以风干的试样约 5kg,筛除大于 4.75mm 的颗粒，分为大致相等的两份备用。（3）检测步骤：a 检查容量筒，并称出其质量，精确至 1g；b 取试样一份，装入漏斗中，打开底部的活动门，将砂流入容量筒中。也可直接用小勺向容量筒中装试样，但漏斗出料口或料勺距容量筒口均为 50mm 左右。当容量筒上部试样呈锥形，且容量筒四周溢出时，即停止加料。然后用直尺沿筒口中心线向两边刮平（该过程防止触动容量筒） ，称出试样和筒重，精确至 1g。 (4) 检测结果与评定砂子的松散堆积密度按下式计算：Vm01（5）式中 ： 松散堆积密度，精确至 10kg/m3；容量筒和试样总质量，g；1容量筒重量，g；0m容量筒的容积，L。V检测详细结果见表 1-4.表 1-4 砂堆积密度测试结果编号 容量筒体积（L）容量筒重（g）试样和筒总重（g）堆积密度（kg/m 3）平均值（kg/m 3）1 1.0 610.0 2026.0 1416.02 1.0 610.0 2030.0 1420.0 1418.03.砂的表观密度砂的表观密度是砂子颗粒单位体积的质量。其测试方法通常采用标准方法。（1）仪器设备A 天平B 容量瓶C 烧杯D 其他（白瓷盘，塑料纸袋，蒸馏水）（2）试验步骤a 通过 4.75mm