（道路与铁道工程专业论文）耐碱玻璃纤维在混凝土中的受长期增强效应研究.pdf

摘要 摘要 混凝土已在越来越多的领域中得到应用，但高脆性是其根本性缺陷。采用纤维增强 是有效的手段。玻璃纤维是其中一种，与其他纤维相比较，玻璃纤维与水泥基材料均属 无机非金属材料，性能比较接近，易于混合均匀，使得玻璃纤维混凝土具有轻质、高强、 成本低等应用优势。但是，普通硅酸盐玻璃纤维作为增强材料，受到混凝土中碱侵蚀作 用后其强度大大降低。有试验证明，即便是改性后的耐碱玻璃纤维，在混凝土的碱性环 境中其长期的增强效应仍将失去。有的学者认为这是因为混凝土中碱性环境对玻璃的腐 蚀作用，但也有人认为是c a ( o i - - i ) 2 晶体在玻璃纤维表面生长使得玻璃纤维产生局部应力， 造成纤维本身的物理损伤。可见，人们对混凝土中玻璃纤维的破坏原因及过程并不确定， 这直接关系到玻璃纤维混凝土结构的使用寿命，进而影响其广泛应用。因此，研究耐碱 玻璃纤维在混凝土中的长期增强效应具有十分重要的意义。 本文以耐碱玻璃纤维混凝土为研究对象，首先对纤维混凝土的成型工艺，掺量进行 了对比试验，确定了纤维的掺入方式和最优掺量；其次，通过混凝土老化试验预测纤维 混凝土强度的长期发展趋势，并与素混凝土进行对比，对纤维的长期增强效应做出评价； 再次，通过宏观性能试验和s e m 扫描电镜观测和能谱分析对混凝土微结构进行研究，探 讨纤维混凝土长期强度丧失的原因及纤维破坏机理；最后，提出了改善纤维在混凝土中 长期增强效应的有效措施。 从试验结果可以得出，纤维的先掺法好于后掺法和水掺法；最优掺量为1 5 ；6 0 0 c 热水养护制度不能用于混凝土的后期强度预测；纤维混凝土的后期强度显著下降，原因 是体系内的碱对耐碱玻璃纤维的化学腐蚀和c a ( o h ) 2 晶体生长对纤维表面的刻蚀导致纤 维后期强度失去；掺力1 1 1 5 粉煤灰可以有效延长耐碱玻璃纤维的使用寿命，可以有效提 高耐碱玻璃纤维混凝土后期强度；掺j j n l o 硅灰可以有效延长耐碱玻璃纤维的使用寿 命，提高了早期抗压强度，提高了后期劈裂强度；混凝土采用低水胶比可以显著提高抗 压强度，对改善纤维混凝土硬化早期的劈裂强度效果不明显，但对保持后期劈裂强度效 果明显。 关键字：耐碱玻璃纤维混凝土；长期增强效应；破坏机理；微结构；改善措施 a b s t ra ( t a b s t r a c t c o n c r e t eh a sb e e na p p l i e di nm o r ea n dm o r ea r e a s ，b u th i g hb r i t t l e n e s si ss t i l li t s f u n d a m e n t a ld e f e c t u s i n gf i b e rt or e i n f o r c ei sa l le f f e c t i v em e a n s c o m p a r i n gw i t ho t h e r f i b e r s ，g l a s sf i b e r sa r ec l o s e ri np e r f o r m a n c ea n de a s yt om i xe v e n l yb e c a u s et h e ya r eb o t h n o n m e t a l l i cm a t e r i a l s s og l a s sf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t ei sal i g h tw e i g h ta n dh i g hs t r e n g t h a n dl o wc o s tm a t e r i a l s b u to r d i n a r yg l a s sf i b e r sa r ed a m a g e di nt h ea l k a l i n ee n v i r o n m e n t e x p e r i m e n t ss h o wt h a ts t r e n g t h e ne f f e c to ft h ea l k a l i r e s i s t e n tg l a s sf i b e rs t i l ll o s t i n t h e a l k a l i n ee n v i r o n m e n to fc o n c r e t e s op e o p l ed o n tk n o wt h er e a s o n sa n dp r o c e s sf o rt h e d e s t r u c t i o no fg l a s sf i b e r w h i c hi sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h el i r eo fg l a s sf i b e rr e i n f o r e e dc o n c r e t e s t r u c t u r e ，t h e r e b yl i m i t i n gi t sw i d e ra p p l i c a t i o n t h e r e f o r e ，t h es t u d yi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e i nt h i s p a p e r ，a l k a l i - r e s i s t a n tg l a s s f i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t ei st h er e s e a r c h o b j e c t f i r s t l y ，t e s t i n gf i b e rc o n c r e t em o l d i n gp r o c e s sa n dd o s a g et od e t e r m i n et h eo p t i m a lt h e f i b e rm o d i n gp r o c e s sa n dd o s a g e s e c o n d l y ，e v a l u a t i n gt h el o n g - t e r me n h a n c e de f f e c tt h r o u g h c o n c r e t eh e a tc u r i n gt e s t t h i r d l y , s t u d y i n gt h er e a s o na n dm e c h a n i s m so ft h el o s so f l o n g - t e r ms t r e n g t ho fc o n c r e t ea n da - rg l a s sf i b e rd a m a g i n gt h r o u g hs e mo b s e r v a t i o n f i n a l l y ，p r o p o s i n gt h em e a s u r e st oi m p r o v et h ef i b e rd a m a g i n g s o m er e s u l t sc a nb eo b t a i n e di nt h ee n d t h ef i r s t - a d m i x i n gm e t h o di sb e t t e rt h a nt h e l a t e r a d m i x i n gm e t h o da n dt h ew a t e r a d m i x i n gm e t h o d ，1 5 i st h eo p t i m a ld o s a g e 6 0 0 ch o t w a t e r c u r i n gs y s t e mc a nn o tb eu s e df o rl o n g t e r mc o n c r e t es t r e n g t hp r e d i c t i o n t h el a t e r s t r e n g t hl o s so ff i b e rc o n c r e t ei sd u e t oa l k a l ic h e m i c a lc o r r o s i o na n dc a ( o h ) 2c r y s t a lg r o w t h a d m i x t u r eo f1 5 f l ya s hc a ng r o wt h ea l k a l i - r e s i s t a n tg l a s sf i b e rl i f e ，a n di m p r o v et h el a t e r s t r e n g t ho fa l k a l i r e s i s t a n tg l a s sf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e ，a d m i x t u r eo f1 0 s i l i c af u m ec a n e f f e c t i v e l ye x t e n dt h el i f e o fa l k a l i r e s i s t a n t g l a s sf i b e r ，a n di m p r o v ee a r l yc o m p r e s s i v e s t r e n g t ha n dl a t e rs p l i t t i n gs t r e n g t h l o ww a t e r c e m e n tr a t i oc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h e c o m p r e s s i v es t r e n g t ho ft h ec o n c r e t e ，i t se f f e c to fi m p r o v i n gt h es p l i t t i n gs t r e n g t hi s n o t o b v i o u s l yi nt h ee a r l y ，b u ti ss i g n i f i c a n tt om a i n t a i nt h ep o s t s p l i t t i n gs t r e n g t h k e y w o r d s ：a l k a l i - r e s i s t a n tg l a s sf i b e rc o n c r e t e ；t h el o n g - t e r ms t r e n g t h e ne f f e c t ；d a m a g e m e c h a n i s m ；m i c r o - s t r u c t u r e ；i m p r o v e m e n tm e a s u r e s n 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 n 日 ，、0 以 瓣 堋 名 年 鉴 q 者 旧 作 沙 、又论 ： 位 期 学 日 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整銮通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太蓬塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱：。 锄签名：越 7 - 日期：) 节年，上月，乡日 电话： 邮编： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 1 9 世纪2 0 年代出现波特兰水泥后，混凝土作为一种新型建筑材料，以其骨料可以 就地取材，构件易于成型等突出特点，日益广泛应用于土建工程。尤其是1 9 世纪中叶 以后，钢铁生产发展，随之出现了钢筋混凝土这种新的复合建筑材料，其中钢筋承受拉 力、混凝土承受压力，发挥各自的优势，初步克服了混凝土抗拉强度低、用途受限制的 弱点。2 0 世纪3 0 年代开始出现预应力混凝土，其结构抗裂性能、刚度和承载能力，大 大超过了钢筋混凝土结构，从而显著扩大了混凝土的应用范围，扩展到许多新的应用领 域，使土木工程进入了钢筋混凝土和预应力混凝土占统治地位的历史时期。混凝土给建 筑物带来新的经济而美观的工程结构形式，促使土木工程产生了新的结构设计计算理论 和新的施工工艺技术，在土木建筑工程技术发展史上完成了一次新的飞跃。 尽管钢筋混凝土和预应力混凝土取得了长足的进步，但是混凝土作为建筑材料存在 固有弱点：抗拉强度低，高脆性，低韧性，抗冲击性差，依然限制着它的优势的充分发 挥，并且随着混凝土标号的不断提高，这些弱点也愈加突出。 另外，在工程实践中，混凝土裂缝问题也越来越突出。目前研究的方向主要集中在 两个方面，即大体积混凝土的裂缝控制和板的裂缝控制。解决方法主要有调整配合比、 增加配筋、加强施工养护等手段，但效果不尽理想。长期以来许多专家学者也在不断探 索改善混凝土性能( 主要是提高抗拉性能，增强韧性和延性) 的其它各种方法和途径。纤 维增强混凝土就是近年来研究和应用最广泛的途径之一。 纤维增强混凝土或简称纤维混凝土，是以水泥浆、砂浆或混凝土为基材，以金属纤 维、无机纤维或有机纤维为增强材料组成的一种复合材料。在普通混凝土中掺加纤维体 现了复合材料的概念，保留了混凝土原有的高抗压性的特点，又能大大增加其抗裂性能、 韧性及抗渗性，使之更能符合新型建筑材料的要求。水泥石、砂浆与混凝土的主要缺点 是抗拉强度低、极限延伸率小和脆性，掺加抗拉强度高、极限延伸率大、抗碱性好的纤 维可以克服上述缺点。因此，纤维混凝土的出现使混凝土材料的韧性取得了显著的改善。 钢纤维、合成纤维、玻璃纤维、植物纤维以及碳纤维在混凝土中的应用，均不同程度地 改进了混凝土的脆性【m 】，特别是耐碱玻璃纤维混凝土的研究和应用近年来在实践中得 到认可。 6 - 1 0 1 玻璃纤维在最初被开发时并未意识到石棉纤维对人体健康的危害，而是以替代石棉 纤维为主要目的，仅是开辟一种新型纤维材料来弥补石棉纤维的不足。随着各国政府立 大连交通人学下学硕七学位论文 法禁止使用石棉纤维，玻璃纤维便成了一种理想的石棉替代材料。为此，人们开始致力 于解决玻璃纤维的抗碱问题。从5 0 年代起，人们就开始探索用玻璃纤维作为增强材料， 以期达到制作轻质高强的水泥制品，但当时使用的中碱玻璃纤维，在水泥中很快就被腐 蚀，丧失强度，以此生产出来的水泥制品耐久性很差，由于当时玻璃纤维耐碱性问题没 有解决，此项研究开发工作不得不终止。6 0 年代初，德国专家进行了早期的试验研究 工作。在最初的五年中，试验主要涉及由e 型玻璃制成的短切纤维和连续纤维，以及矿 物纤维和玻璃纤维。在短期和长期试验中，系统测试了纤维在不同配合比的水泥基材中， 以一维、两维或三维方式分布，不同养护条件下在碱溶液中的特性。同时还发现，将长 短玻璃纤维混合用在水泥基材中可以降低成本。1 9 6 7 年，英国建筑研究所在实验室中试 制成了耐碱玻璃纤维。直到1 9 7 0 年英国的p i l k i n g t o i l 公司和英国建筑研发所发明了含氧 化锆的耐碱玻璃纤维，即后来世界驰名的也是应用广泛的塞姆菲尔( c e m f i l ) 耐碱玻璃纤 维，耐碱玻璃纤维增强水泥( g r c ) 才进入了实际应用。中国、日本和美国是继英国之后 成功开发耐碱玻璃纤维并实现工业化生产的国家。耐碱玻璃纤维的发明，使耐碱玻璃纤 维混凝土产品发展迅速，人们开始对g r c 的物理性能、耐久性、增强增韧机理、产品 生产工艺等做深入的研究，取得了一系列科研成果，并应用在建筑工程、市政工程、农 业水利工程和建筑辅助材料等各个领域。 1 2 国内外研究现状 1 9 6 7 年，英国建筑研究所在实验室中试制成了耐碱玻璃纤维。1 9 7 1 年，英国皮尔 金顿兄弟有限公司将商品名为“c e m f i l ”的耐碱玻璃纤维引入市场，从而开启了玻璃纤维 用于混凝土中的希望之门，产生了第一代g r c 。1 9 7 5 年，伦敦召开了玻璃纤维混凝土 制造商国际大会，对“玻璃纤维增强混凝土”开展了讨论。1 9 7 7 年，德国、奥地利、瑞典 等国的从事玻璃纤维混凝土开发的公司数量超过了5 0 家。到了7 0 年代末，欧洲市场上 有了一系列g r c 制品。1 9 7 7 年，德国首次采用预制g r c 构件建造了试验性结构一壳 体建筑。这个结构也是斯图加特大学固体建筑研究所的一个研究项目，它对现场预制 g r c 的装配，对荷载作用下的超薄结构的性能，对自然气候条件下材料的耐久性等， 都提供了有价值的经验。五年后，对此薄壳结构人为施加荷载至破坏，获得了大量有用 的数据。1 9 7 9 年，改善的耐碱玻璃纤维“c e m f i l2 ”投放市场。8 0 年代初，市场急切地 需要大量平板与异型板，以取代使用了几十年的石棉水泥板材。德国莱门海德堡研究组 开发了一种制造平板和异型板的方法，他们称为w e l l c r e t e 技术。这种技术的核心是充 分利用耐碱玻璃纤维的特性，在生产g r c 板材的过程中，将连续的长丝纤维加入到短 切纤维中进行复合增强。同时开发了一种新的混合方法，可以将短纤维排列在横截面上 2 第一章绪论 应力集中部位，解决了过去g r c 在潮湿环境下长期性能变差的问题。用这种技术生产 的g r c 称为第二代玻璃纤维混凝土，使g r c 用于承重构件成为可能。w e l l c r e t e 技术 生产的g r c 与早期的石棉水泥制品几乎没多大差别，甚至一些结构性能还优于石棉水 泥制品。第一个工业化的w e l l c r e t e 厂家在1 9 8 9 年召开的第七届纤维混凝土国际会议 上受到g r c 协会的认可。 我国的耐碱玻璃纤维混凝土应用技术研究始于7 0 年代中期。1 9 8 3 年国家经委将耐 碱玻璃纤维混凝土应用技术研究列为国家“六五”期间重点科技攻关项目。“七五”期间北 京新型建筑材料总厂在普通耐碱玻璃纤维混凝土的基础上又开发了采用喷射工艺生产 的轻质耐碱玻璃纤维混凝土平板、轻质耐碱玻璃纤维混凝土保温板、轻质耐碱玻璃纤维 混凝土隔墙板等新产品，并在一些国家重点工程上采用，效果优良，深得用户的好评。 三十多年来国内外对耐碱玻璃纤维混凝土性能的研究证明，在水泥基体中加入 4 5 的玻璃纤维即可大大改善其力学性能。少量的玻璃纤维加入到水泥基体中即可 得到如此好的效果，当然是一件令人鼓舞的事情，但是作为一种材料特别是用于制造建 筑构件的材料，人们更关心的是它的耐久性问题，都希望建筑材料有一个长久的使用寿 命和良好的安全可靠性。对于耐碱玻璃纤维混凝土这种新型的复合材料来说，玻璃纤维 在水泥基体中能否保持其较高的强度和较好的韧性是保证玻璃纤维增强增韧效果的关 键所在，在实践中人们发现了玻璃纤维在水泥基体中的侵蚀和脆化问题，并且通过各种 方法对耐碱玻璃纤维混凝土的长期耐久性进行了改善。一方面是提高玻璃纤维的抗碱性 侵蚀能力，主要从两个方面进行改进，即或者是改变玻璃纤维的化学组成，或者是对玻 璃纤维的表面进行耐碱处理；另一方面是对基体材料进行改性，或者是在波特兰水泥中 加入火山灰质材料以降低基体的碱度，或者是在基体中加入聚合物以阻止纤维遭受物理 和化学侵蚀，或者是研制适合于玻璃纤维使用环境的低碱度水泥，以减少水泥水化产物 中c a ( o h ) 2 的含量。我国建筑材料科学研究院成功研究并推广“双保险”技术，基材为低 碱水泥，然而低碱水泥的产量很低，导致价格居高，限制了其在工程上的推广和应用。 1 3 研究意义 耐碱玻璃纤维可提高水泥混凝土的韧性、防止混凝土开裂并有效地阻止裂纹扩展、 提高耐磨性等，且经济性能良好，是一种理想的增强材料【1 1 】。耐碱玻璃纤维混凝土的良 好的力学性能、轻质、耐腐蚀及防火等特性已在实践中得到验证，但纤维的腐蚀使得混 凝土材料长期性能下降【1 2 】。因此，深入研究耐碱玻璃纤维混凝土材料的性能，改善其长 期强度和耐久性，避免局部破坏，可以带来良好的经济效益，为这种复合材料的广泛应 用开辟更大空间。 3 大连交通大学f 学硕十学何论文 1 4 主要研究内容 1 ) 以耐碱玻璃纤维混凝土为研究对象，通过加速养护制度，预测纤维混凝土强度 的长期发展趋势，对纤维的长期增强效应做出评价； 2 ) 通过宏观性能试验和扫描电镜微观观测试验，探讨纤维混凝土长期强度丧失的 原因，以及纤维破坏机理； 3 ) 通过掺加粉煤灰、硅灰等掺合料以及降低水胶比，采用混凝土二次搅拌工艺措 施，尝试改善耐碱玻璃纤维在混凝土中后期强度的有效措施。 1 5 技术路线 ( 1 ) 确定最佳纤维掺加工艺。以纤维不同掺入量成型混凝土，通过宏观力学性能 试验，确定一种掺加工艺使得混凝土强度最佳，即耐碱玻璃纤维分散均匀的搅拌工艺。 ( 2 ) 确定纤维最佳掺量。采用质量法对混凝土进行配合比设计，找出该配合比下 耐碱玻璃纤维的量佳掺加量。 ( 3 ) 研究纤维混凝土硬化早期性能及强度发展规律。标准养护条件下，在养护1 8 0 天内，对普通混凝土和纤维混凝土进行抗压强度、劈裂强度试验，确定纤维混凝土硬化 早期性能及强度发展规律。 ( 4 ) 研究耐碱玻璃纤维混凝土硬化后期强度发展规律。在6 0 0 c 热养护条件下，对 普通混凝土和纤维混凝土分别加速养护1 2 0 天，进行抗压强度、抗折强度试验，确定 长龄期的纤维混凝土强度发展规律。 ( 5 ) 研究纤维在混凝土环境中的破坏机理。以扫描电镜观测基体材料骨料与水泥 石界面区产物的形貌特征、纤维在混凝土碱性环境下的不同时期的形貌变化及破坏特 征，探讨纤维破坏机理。 ( 6 ) 研究耐碱玻璃纤维混凝土后期强度的改善措施。改善方法有：在耐碱玻璃纤 维混凝土中掺加一定量的粉煤灰；降低耐碱玻璃纤维混凝土的水胶比；在耐碱玻璃纤维 混凝土中掺加一定量的硅灰，采用二次搅拌工艺成型，改善材料界面区的生成产物。 ( 7 ) 研究粉煤灰掺合料对混凝土抗碳化性的影响。对粉煤灰混凝土进行抗碳化性 能试验，以评价粉煤灰对混凝土的抗碳化能力的影响。 4 第二章实验原材料及实验方案 2 1 原材料的性能 第二章实验原材料及实验方案 2 1 1 水泥 试验所用的水泥选用大连小野田水泥有限公司生产的日华牌普通硅酸盐水泥 ( p 0 4 2 5 r ) ，经试验水泥的安定性合格，测得其物理力学性能指标如表2 1 。 表2 1 水泥物理性能 t a b l e1 1p h y s i c a lp r o p e r t i e so fc e m e n t 标准稠度 凝结时i 司( m i n ) 细度( ) 抗折强度抗压强度 水泥标号 ( m p a )( m p a ) 用水量( ) 0 0 8 m m 初凝终凝 3 d7 d2 8 d3 d7 d2 8 d 4 2 5 r2 7 22 ：5 86 ：4 3 1 25 6 57 2 97 8 72 8 5 64 3 55 0 1 4 2 1 2 纤维 采用北京圣戈班维特克斯公司生产的耐碱玻璃纤维，短切纱1 6 m m ，其各项性能指 标见表2 2 、表2 3 。 表2 2 耐碱玻璃纤维的化学组成 t a b l e l 2c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fa l k a l i r e s i s t a n c eg l a s sf i b e r 化学组成 s i 0 2n a 2 0 c a ok o a 1 2 0 3 z 而， t i 0 2 “，o 含量( ) 6 2 o1 4 85 6o 81 6 70 1 表2 3 耐碱玻璃纤维的物理性能 t a b l e l 3p h y s i c a lp r o p e r t i e so fa l k a l i - r e s i s t a n c eg l a s sf i b e r 密度抗拉强度弹性模量断裂延伸率 性能指标 ( g c m 3 ) ( m p a )( g p a )( ) c e m f i l2 7 02 4 8 08 0 o3 6 2 1 3 粉煤灰 采用大连华能电厂的粉煤灰，其基本物理性能及力学性能如表2 4 ，其中粉煤灰强 度比试验是以胶结材料质量比3 ：7 进行试验，其结果如表2 4 ： 5 表2 4 粉煤灰物理性能 t a b l e2 4p h y s i c a lp r o p e r t i e so ff l ya s h 细度密度 比表面积2 8 d 抗折 2 8 d 抗压 粉煤灰 0 0 4 5 m m ( )( g c m 3 )( c m 2 g )强度比( )强度比( ) h 级灰 3 72 3 04 5 3 07 1 37 0 2 2 1 4 硅灰 采用大连千年科技有限公司生产硅灰，为灰白色无定形超细非晶体粉末，硅含量为 9 0 。其基本物理性能及力学性能如表2 5 ，其中硅灰强度比试验是以硅灰掺量1 0 等质 量取代水泥进行的： 表2 5 硅灰物理性能 t a b l e2 5p h y s i c a lp r o p e r t i e so fs i l i c af u m e 比表面积密度 s 0 2 需水量比 2 8 d 抗折2 8 d 抗压 ( m 2 g )( g c m 3 ) ( ) ( )强度比( )强度比( ) 1 83 1 09 0 1 0 71 0 5 11 2 8 3 2 1 5 粗骨料一碎石 采用普通石灰岩碎石，试验测得其表观密度为2 7 0 0k g m 3 ，含泥量o 4 ，含水量 0 4 ，碎石级配见表2 6 ，由级配分类可知，碎石为连续级配5 - 3 1 5 公称粒级。 表2 6 碎石筛分试验 t a b l e2 6r e s u l to fs i e v i n ga n a l y s i s 筛孔尺寸( m m l分计筛分( ) 累计筛余( ) 2 5 0o 91 2 0 o 2 2 12 3 1 6 o 2 3 64 7 1 0 o4 3 49 0 5 08 79 9 5 0o 11 0 0 6 第二章实验原材料及实验方案 2 1 6 细骨料一砂 采用大连河砂，试验测得其表观密度2 6 5 0k g m 3 ，堆积密度1 5 0 0k g m 3 ，细度模数 2 7 ，含泥量1 2 5 ，筛分结果见表2 6 ； 表2 7 砂子筛分试验 t a b l e2 7r e s u l to fs i e v i n ga n a l y s i s 筛孔尺寸( m m )分计筛余( )累计筛余( ) 4 7 5 1 41 4 2 3 68 71 0 1 1 1 81 5 22 6 7 0 62 7 65 4 3 0 32 5 67 9 9 0 1 51 5 99 5 3 0 1 54 49 9 7 2 1 7 拌合水 室验室自来水。 2 1 8 外加斋l j 选用大连建科院d k 4 型混凝土高效减水泵送剂，符合g b 8 0 7 6 1 9 9 7 和j c 4 7 3 2 0 0 1 技术要求。主要成分为b 荼磺酸甲醛缩合物，复合多种激发剂和改良剂，具有高减水率、 大流动性、早强、增强等效果。其掺量为1 5 - 3 。d k - 4 型混凝土高效减水剂可在坍 落度不变的情况下，可减少混凝土单位用水量2 0 2 5 ；或保持强度不变可节约水泥 2 0 一3 0 ；具有超塑化性改善混凝土和易性；提高混凝土耐久性，同时早强；具有良好 的保塑性；不含氯盐，对钢筋无锈蚀作用。 2 2 实验设备 设备主要包括：s e m 扫描电镜、水泥快速养护控制器及养护箱、电热鼓风干燥箱、 雷氏夹膨胀仪、标准恒温湿养护箱、行星式水泥胶砂搅拌机、压力试验机、水泥胶砂试 件振实台等，详见表2 - 1 。 还用到以下仪器：天平、量筒、秒表、维卡仪、玻璃板、标准筛、浅盘、硬、软 毛刷、容量瓶、广口瓶、磅秤等。 7 大连交通大学t 学硕十学位论文 表2 8 实验用主要设备。 设备名称型号生产厂家 水泥细度负压筛析仪 f s y 1 5 0 b 型北京精强仪器设备厂 水泥净浆搅拌机 n j 1 6 0 b 沈刚天平仪器厂 行星式水泥胶砂搅拌机 j j - 5 沈礴】天平仪器厂 水泥胶砂试件振实台无锡市锡东建材设备厂 电动抗折试验机 k z i - 5 0 0 沈尉l 天平仪器厂 压力试验机 s y e 2 0 0 0 北京三宇伟业试验机有限公司 两用振动式标准振筛 z b s x 9 2 标准恒温湿养护箱 h s b y _ 4 北京精强仪器设备厂 混凝土强制式搅拌机北京市建强仪器厂 电热鼓风干燥箱 h w x l 北京济威实验仪器有限公司 水泥快速养护控制器及养护箱 s y 8 4 无锡市华南实验仪器有限公司 s e m 扫描电镜 j s m 6 3 6 0 l v 日本j e o l 株式会社 2 3 试件的制备 2 3 1 试件的制作 本课题主要研究耐碱玻璃纤维混凝土的物理性能和微观结构，需制备普通混凝土、 耐碱玻璃纤维混凝土、粉煤灰耐碱玻璃纤维混凝土、硅灰耐碱玻璃纤维混凝土。混凝土 试件的制备主要注意以下几个方面： ( 1 ) 混凝土力学性能试验以3 个试件为一组，试件尺寸采用1 0 0 m m 3 立方体，每 一组试件所用的混凝土拌合物应由同一次拌合的拌合物中取出。 ( 2 ) 制作前，应将试模洗干净，并在试模的内表面涂一薄层矿物油脂。 ( 3 ) 坍落度不大于7 0 m m 的混凝土用振实台振实。将拌合物一次装入试模，并稍 有富余，然后将试模放在振实台上加以固定，开动振动台至拌合物表面呈现水泥浆为止， 记录振动时间。振动结束后，用抹刀沿试模边缘将多余的拌合物刮去，并将表面抹平。 坍落度大于7 0 m m 的混凝土采用人工捣实，混凝土拌合物分两层装入试模，每层厚度大 致相等。插捣按螺旋方向由边缘向中心均匀进行。插捣底层时，捣棒应达到试模底面， 插捣上层时，捣棒应穿入下层深度约2 0 - 3 0 m m 。插捣时应保持捣棒垂直不得倾斜，并 用抹刀沿试模内壁插入数次，防止试件产生麻面。 8 第二章实验原材料及实验方案 在制备纤维混凝土试件过程中，搅拌时让纤维分布均匀，装模时使拌合物密实。避 免混凝土拌合物在振捣时发生分层离析现象。打模完毕的试件应立即用湿润的塑料布覆 盖，防止水分散失导致混凝土干缩裂纹。 2 3 2 试件的养护 ( 1 ) 采用标准养护的试件成型后应覆盖表面，防止水分蒸发，在2 0 5 情况下 静置1 天，然后编号、拆模。拆模后的混凝土试件在温度为2 0 + _ 3 的水中养护，水的 p h 值不小于7 。 ( 2 ) 混凝土热养护是利用水泥快速养护箱养护，试件在标准养护3 天后，放入水 泥快速养护箱中，加满水后每6 小时升温1 0 ，升到6 0 时保持恒温，养护到试验龄 期，取出试件进行力学试验。 2 4 试验方法 2 4 1 检测方法 目前，强度试验的量测方法有多种。按试件具体受力情况的不同，大体可分为：抗 压试验、直接受拉试验、劈裂试验。用直接受拉试验方法测定混凝土的抗拉强度时，保 持试件轴心受拉是很重要的，不容易完全做到，这是因为混凝土内部结构不均匀，试伴 的质心往往不与几何中心重合，钢筋的预埋件和试件的安装都难以对中，偏心对抗拉强 度有很大的干扰。所以本试验选用抗压强度和劈裂强度来表证混凝土的强度性能。 2 4 2 抗压强度试验方法 试验设备采用s y e 2 0 0 0 型试验机。将试件安放在试压机的下承板上，试件的承压 面与成型时的顶面垂直。试件的中心应与试验机下压板中心对准。开动试验机，当上压 板与试件接近时，调整球座，使接触均衡。 加压时，应连续而均匀的加荷，加荷速度应为：当混凝土强度等级低于c 3 0 时，每 秒加荷o 3 加5 m p a ；当混凝土强度等级不低于c 3 0 时，每秒加荷0 5 加8 m p a 。当试件 接近破坏而开始迅速变形时，停止调整试验机油门，直至试件破坏。 立方体抗压强度按式2 1 计算： 厶= p a ( 2 1 ) 式中：乞广混凝土立方体试件抗压强度( m p a ) ； p 一破坏荷载( n ) ； a 一试件承压面积( m m 2 ) 。 9 大连交通大学t 学硕+ 学位论文 由于试验选用的试件尺寸不是标准尺寸试件，应乘以尺寸转换系数o 9 5 。计算结果 精确至o 0 1 m p a ，按普通混凝土力学性能试验方法( g b j 8 1 8 5 ) 规定，以3 个试件测 值的算术平均值作为该组试件的抗压强度值。 2 4 3 劈裂强度试验方法 设备采用s y e 2 0 0 0 型试验机，将试件放在压力机下压板的中心位置。在上、下板 与试件之间加垫层和垫条，垫条与试件成型时的顶面垂直。 加荷时必须连续而均匀地进行，使荷载通过垫条均匀地传至试件上，加荷速度为： 混凝土强度等级低于c 3 0 时，每秒加荷0 0 2 - - 0 0 5 m p a ，强度等级不小于c 3 0 时，每秒 加荷0 0 5 4 ) 0 8 m p a 。在试件临近破坏，开始急速变形时，停止调整试验机油门，继续加 荷直至试件破坏。 混凝土劈裂抗拉强度按式( 2 2 ) 计算： ，p d 厶一三一0 6 3 7 x 了 ( 2 2 ) 捌 式中：五s - 混凝土劈裂抗拉强度( m p a ) ： 严一破坏荷载( ； a _ 试件劈裂面积( m m 2 ) 。 由于试验选用的试件尺寸不是标准尺寸试件，应乘以尺寸转换系数o 8 5 。计算结果 精确至0 0 1 m p a ，按普通混凝土力学性能试验方法( g b j 8 1 8 5 ) 规定，以3 个试件测 值的算术平均值作为该组试件的劈裂强度值。 2 5 混凝土的配合比设计 2 5 1 混凝土配合比设计基本要求 混凝土结构设计应满足强度、耐久性及施工工艺要求，根据我国现行行业标准 j g j 仍5 9 普通混凝土配合比设计规程，混凝土配合比设计的基本要求包括以下四个 方面： ( 1 ) 满足结构设计要求的混凝土强度等级； ( 2 ) 满足施工要求的混凝土拌合物的和易性； ( 3 ) 满足环境和使用条件要求的混凝土耐久性： ( 4 ) 在满足上述要求的前提下，通过各种方法( 特别是节约水泥) 以降低混凝土 成本，符合经济性原则。 1 0 第二章实验原材料及实验方案 2 5 2 配合比计算方法及步骤 本实验采用的混凝土强度等级为c 4 0 。下面为混凝土配合比设计过程： ( 1 ) 混凝土配制强度( ，。) t - k + 1 6 4 5 s = 4 0 + 1 6 4 5 x 6 = 4 9 8 7 ( m p a ) 式中：广混凝土的配制强度( m p a ) i 1 广一普通混凝土设计标准强度( m p a ) i s 一混凝土强度标准差( m p a ) i 本实验混凝土为c 4 0 级，因此s = 6 o m p a 。 ( 2 ) 混凝土水胶比( w c ) w c = a ( j + abu = 0 4 6 5 0 1 4 ( 4 9 8 7 + 0 4 6 x 0 0 7 x 5 0 1 4 ) = 0 4 5 式中：f 。c _ 水泥实际强度，实测- - 5 0 1 4 1 a ，b 一回归系数，采用碎石：a = 0 4 6 ，b = 0 0 7 1 ( 3 ) 用水量( w o ) 根据试验所测的原材料的性能和试验的要求，取用水量w o = 2 0 0 ( k g ) ( 4 ) 水泥用量( c o ) c o = w o w c = 2 0 0 0 4 5 = 4 4 4 ( k g ) ( 5 ) 砂率( 1 3 。) 参考w c = o 4 5 和实际使用碎石的最大粒径( 4 0 m m ) ，取b 。= 3 5 。 ( 6 ) l m 3 混凝土砂、石用量( s o 、g o ) 由c 0 + w o + s o + g o = 2 4 1 0 k g ic o = 4 4 4k g ；w o = 2 0 0k g ； 1 3 。= s o ( s o + g o ) = 3 5 求得：s o = 6 1 8 k g g o = 1 1 4 8k g 综上所算，得混凝土计算配合比l m 3 混凝土的材料用量为： 水泥：4 4 4 k g ；水：2 0 0 k g ：砂：6 1 8 k g ：碎石：1 1 4 8 k g 。 即：c o ：w o ：s o ：g o = 1 ：0 4 5 ：1 3 9 ：2 5 9 ( 7 ) 调整和易性，确定拌合用量 按计算配合比取样1 5 l ，各材料用量为： 水泥：0 0 1 5 x 4 4 4 = 6 6 6 ( k g ) ；水：0 0 1 5 x 2 0 0 = 3 0 0 ( k g ) ； 砂：0 0 1 5 x 6 1 8 = 9 2 7 ( k g ) ；石子：0 0 1 5 x 1 1 4 8 = 1 7 2 2 ( k g ) 。 经试拌，测得混凝土拌合物坍落度平均值为4 5 m m ，满足本试验的要求。 ( 8 ) 确定配合比 大连交通大学t 学硕+ 学位论文 按此配合比制备的混凝土试件，对其进行了2 8 天抗压强度和劈裂强度的检测，其 检测结果基本满足配制强的要求。故本试验l m 3 混凝土各材料用量为： 水泥：4 4 4 k g ；水：2 0 0 k g ；砂：6 1 8 k g ；碎石：1 1 4 8 k g 2 5 3 后续试验的混凝土配合比 在普通c 4 0 混凝土配合比确定后，以该配合比为基础进行调整。主要有以下几种混 凝土的配合比进行调整： 1 、在普通混凝土中掺加一定量的耐碱玻璃纤维，即耐碱玻璃纤维混凝土，纤维掺 量以试验确定，该混凝土试件称之为纤维件； 2 、在耐碱玻璃纤维混凝土中掺加一定量的粉煤灰，即粉煤灰纤维混凝土，粉煤灰 掺量以试验确定，该混凝土试件称之为粉煤灰件； 3 、在耐碱玻璃纤维混凝土中掺加一定质量的硅灰，即硅灰质量取水泥质量1 0 等 质量取代水泥用量，采用二次搅拌工艺成型混凝土，其混凝土试件称之为硅灰件； 4 、降低耐碱玻璃纤维混凝土的水胶比，取水胶比w c = o 3 5 ，掺加2 5 高效减水 泵送剂，其混凝土试件称之为低水胶比件； 上述的4 种类型混凝土的配合比调整在后面相关各章节进行说明。 1 2 第三章纤维混凝七的成犁t 艺与掺鼍研究 第三章纤维混凝土的成型工艺与掺量研究 纤维混凝土的优势在于利用纤维分散在水泥基体中发挥的阻裂效果。因此，纤维混 杂在混凝土中要尽量均匀，不成团，不成柬，具有良好的分散性。纤维的分散性一方面 取决于纤维的种类，另一方面取决于纤维混凝土的搅拌成型工艺，不同的成型工艺会导 致纤维在混凝土中的分散程度不同1 1 3 1 4 j ，这与混凝土性能的改善有直接关系。另外，纤 维的掺量要适当，掺量太小，则达不到预期效果，而掺量过大，纤维与纤维之间相互搭 接、成团，会降低粘结强度，从而影响混凝土的性能，从混凝土成本考虑也是不经济的 1 1 5 - 1 7 。纤维的分散程度和掺量也会对混凝土拌合物的工作性带来影响。 3 1 纤维混凝土的成型工艺 纤维混凝土为了获得良好的阻裂效果，纤维在混凝土的混杂应当具有良好的分散 性。从力学角度分析，纤维对混凝土最有效的增强状态是纤维较密集地分布于应力大的 部位，纤维的取向以构件的主拉应力方向最有利【1 8 , 1 9 1 。当掺加纤维的种类确定时，纤维 的掺加工艺是影响其分散性的最主要因素之一【2 0 1 。 根据掺加纤维顺序的不同，将纤维混凝土的搅拌成型工艺分为先掺法、后掺法和水 掺法三种成型方案。 ( 1 ) 先掺法 先掺法是先将石子、砂子及纤维加入搅拌机搅拌1 分钟，然后加入水泥和水再 搅拌3 分钟，其工艺流程图如下： ( 2 ) 后掺法 图3 1 纤维混凝土先掺法成型工艺 f i g 3 1f o r m i n gp r o c e s so ft h ef i r s t - a d m i x i n gm e t h o d 1 3 大连交通大学t 学硕十学位论文 后掺法是先将石子、砂、水及水泥加入搅拌机搅拌1 分钟，然后加入纤维再搅拌3 分钟，其工艺流程图如下： 图3 2 纤维混凝土后掺法成型工艺 f i g 3 2f o r m i n gp r o c e s so f t h el a t e r - a d m i x i n gm e t h o d ( 3 ) 水掺法 水掺法是先将纤维在水中分散，然后先将石子、砂子加入搅拌机搅拌1 分钟，再加 入水泥和纤维加水，再搅拌3 分钟，其工艺流程图如下： 图3 3 纤维混凝土水掺法成型工艺 f i g 3 3f o r m i n gp r o c e s so ft h ew a t e r a d m i x i n gm e