（道路与铁道工程专业论文）HPP纤维混凝土的路用力学性能及增韧机理研究.pdf

摘要 捅要 聚丙烯纤维混凝土是近年来发展起来的一种新型建筑材料，是在普通混凝土中 掺入适量的聚丙烯纤维而形成的可浇筑、可喷射成型的一种新型复合材料，除抗 压强度和收缩外，它的各项物理力学性能都比普通混凝土有显著的改善和提高， 使原属于脆性材料的混凝土变为具有一定塑性性质的复合材料，其主要工作机理 是利用均匀分散的短纤维来改善普通混凝土的脆性。在受力过程中，纤维发挥其 抗拉强度高，而混凝土发挥其抗压强度高的各自优势，从而使其具有优良的抗弯、 抗冲击、抗冻性能好、韧性高等力学性能，在公路路面、机场道丽及建筑结构的 应用上有着广阔的前景。 关键词：聚丙烯纤维混凝土，抗冲击，韧性试验，经济分析 摘要 a b s t r a c t t h ep o l y p r o p y l e n ef i b r ec o n c r e t ei sak i n do fn e ws t r u c t u r a lm a t e r i a l r e c e n t l ya n di sak i n do fn e wc o m p o u n dm a t e r i a lt h a ti sf o r m e db ya d d i n g t h ep r o p e ra m o u n to fp o l y p r o p y l e n ef i b r e si n t oo r d i n a r yc o n c r e t e i tc a n b ep o u r e da n dc a nb ee j e c t e dt of o r ms o m es h a p e s i th a sb e t t e rp h y s i c a l m e c h a n i c sp r o p e r t i e st h a no r d i n a r yc o n c r e t ee x c e p tc r u s h i n gr e s is t a n c ea n d c o n t r a c t i o n i tc a nm a k eo r d i n a r yc o n c r e t ew h i c hi sak i n do fb r i t t l e m a t e r i a lb ec h a n g e dt oak i n do fc o m p o u n dm a t e r i a lt h a th a sb e t t e r p l a s t i c i t y i t sm a i nw o r k i n gm e c h a n i s mi s t o i m p r o v et h eb r i t t l e n e s so f o r d i n a r yc o n c r e t eb yu s i n gs h o r tp 0 1 y p r o p y l e n ef i b r e st h a ta r es c a t t e r e d e q u a b l y b e c a u s es h o r tf i b r e sh a v eh i g h e rd r a g g i n gr e s i s t a n c ea n do r d i n a r y c o n c r e t eh a sh i g h e rc r u s h i n gs t r e n g t hi nt h ep r o c e s so fs t r e s s i n g ，e v e r y t e c h n i c a lp r o p e r t yo fp o l y p r o p y l e n ef i b r ec o n c r e t ei si m p r o v e dg r e a t y a c c o r d i n g l yp o l y p r o p y l e n ef i b r e r e i n f o r c e dc o n c r e t eh a sb e t t e rs t r e s s i n g p r o p e r t i e ss u c ha sb e n d i n gr e s i s t a n c e ，f r o s tr e s i s t a n c e ，a n t i - - i m p a c ta n d h i g ht o u g h n e s s s oi th a sb r i l l i a n tf u t u r ei nh i g h w a ys u r f a c e ，r o a ds u r f a c e o fa e r o d r o m ea n da r c h i t e c t u r a lc o n s t r u c t i o n k e yw o r d ：p o l y p r o p y l e n ef i b r ec o n c r e t e ，a n t i i i n p a c t ，t o u g h n e s st e s t e c o n o m i ca n a l y s i s 重庆交通学院学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：互闯矗9 同期：少哆年j - - - j 目少日 重庆交通学院学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通学院可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密区 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：旦一i 虱铒? 日期：哆年j 月 指删嗽：仰眵 日蚧口f 年f 月如日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 水泥混凝土是近代最广泛使用的建筑材料，也是当前最大宗的人造材料，与 其他常用建筑材料( 如钢铁、木材、塑料等) 相比，混凝土具有良好的耐水性、可塑 性和原料来源广、生产工艺简单、生产成本低、应用方便等优点。一直为工程界 所青睐。从发展趋势来看，在今后相当长的时期内水泥混凝土仍起着不可替代的 作用，仍将是应用最广、用量最大的建筑材料。但混凝土的自身缺陷也限制了它 的应用范围和效果，所以一直以来人们都在探索高性能混凝土的开发与应用。纤 维混凝土就是其中之一，纤维可有效的改善混凝土的物理性能和力学性能，所以 自纤维混凝土问世以来一直受到国内外研究机构和学者的重视。本论文的研究也 是在这种趋势下进行的。 1 1 1 普通混凝土的缺陷“1 工程中常用的混凝土都不同程度的存在缺陷，从而限制了它的应用范围和效 果。主要表现在以下几个方面： 1 ) 混凝土抗变形能力差 混凝土是水泥基复合材料，本质上属脆性材料，普通混凝土抗拉强度只是其 抗压强度的1 l o 一1 1 4 ，这使得大部分钢筋混凝士受弯构件在正常使用时处于开裂 状态。由于裂缝的存在，周围介质( 诸如空气、海水、污水等) 中的有害物质渗透到 混凝土内部，使混凝土碱性降低，破坏了钢筋表面的氧化膜而直接与钢筋发生化 学反应，使钢筋逐渐锈蚀。同时钢筋锈蚀又引起周围混凝土膨胀开裂，宏观裂缝 显著发展，有害物质更易侵入，如此形成恶性循环。裂缝的存在是降低混凝土耐 久性的一个重要原因，而对于高强混凝土其脆性问题尤为突出，反应在其抗折强 度并不能随着抗压强度的提高而同步成比例的增大，高强混凝土的抗折强度提高 率显著低于抗压强度提高率。高强混凝土的折压比( 抗折强度与抗压强度的比值) 降至1 1 4 一l 1 8 ，折压比值的降低意味着混凝土脆性的增大。混凝土的脆性断裂不 仅使材料的高强效能不能得到充分发挥而且往往带来灾难性的工程事故，所以 改善混凝土的脆性成为许多研究者关注的问题。 2 ) 混凝土耐磨性差 混凝土硬化过程中表面形成一层水泥浆体面层，其硬度较低。当面层受到反 复磨擦、冲击时很容易破坏脱落，影响混凝土的表面质量和耐久性，从而引起结 构不断破坏。通常表现为：机械磨损破坏( 如路面和厂房地坪的混凝土被反复磨擦、 研磨和冲击而剥落，影响车辆行驶) 、冲刷磨损破坏和气蚀( 空蚀) 破坏( 多出现在水 工结构中) 。 3 ) 混凝土抗渗、抗冻性差 笫一章绪论 混凝土的拌和水供给水泥水化，但水泥完全水化所需的水不超过水泥质量的 2 0 ，其余的水在硬化混凝土中形成孔隙，包括毛细孔和胶孔。而毛细孔是水迁移 的通道，迁移水可能溶解某些水泥水化物从而破坏混凝土的内部结构，在温度为0 以下时能在孔中冻结，引起混凝土的冻融破坏，因此混凝士中迁移水是混凝土 破坏因素的载体。可以说渗透性是除机械磨损外混凝土各种破坏的根源。提高混 凝土的抗渗性和抗冻性可大大提高混凝土的耐久性。 1 2 纤维混凝土 1 2 1 国内外研究现状 纤维混凝土又称纤维增强混凝土，是以混凝土为基材，在其中均匀掺入各种 非连续的短纤维为增强材料而形成的水泥基复合材料。 纤维混凝士的发展始于二十世纪初，以钢纤维混凝土的研究和应用开展的最 早和最广泛。早在1 9 1 0 年，美国的h e p o r t e r 就提出过将短钢纤维掺入水泥和混 凝土中以提高其抗拉力的方法，并发表了关于钢纤维混凝土的第一篇论文。1 9 1 1 年，美国的g r a h a m 则提出将钢纤维加入到普通钢筋混凝土中。以后的几十年里， 英、美、法、德、日都相继开展了研究。2 0 世纪初，美国混凝土协会成立了纤维 混凝土委员会( a c l 5 4 4 委员会) 专门从事纤维混凝土的研究。自2 0 世纪7 0 年代以 来，不但钢纤维混凝土的研究发展很快，而且碳纤维、尼龙纤维、聚丙烯纤维、 植物纤维等纤维混凝土的研制也有研究。近年来合成纤维发展研究较快，美国合 成纤维混凝土的使用量己占混凝士总量的7 ，数量已远远超过先期开发的钢纤维 混凝土( 3 r 1 。 2 0 世纪7 0 年代纤维混凝土技术传入中国，我国许多科研院所和高等学校也进 行了这方面的研究。中国土木工程学会纤维水泥与纤维混凝土委员会与1 9 8 6 年在 大连召开了第一届全国纤维水泥与纤维混凝土学术会议，此后每两年举行一次， 总结探讨纤维混凝土的研究与应用成果。 纤维加入水泥基体中，主要有以下四种作用： 1 ) 提高基体的抗拉强度 混凝土内部缺陷是混凝土破坏的诱导因素，欲提高强度，必须尽可能地降低 内部裂缝端部的应力集中程度，限制缺陷的扩展。纤维混凝土中均匀而任意分布 的短纤维在混凝土硬化过程中改变了混凝土的内部结构，减少了混凝土内部的缺 陷，提高了混凝土材料的连续性。在混凝土受力过程中纤维与混凝土共同受力变 形，纤维的牵连作用使混凝土裂而不断并能进一步承受载荷。这些都有助于提高 纤维混凝土的抗拉强度。 2 ) 阻止基体中原有缺陷( 微裂缝) 的扩展并延缓新裂缝的出现 纤维以单位体积内较大的数量均匀分布于混凝土内部，纤维的加入犹如在混 第一章绪论 凝土中掺入巨大数量的微细筋，起到支撑集料的作用，从而阻止粗、细骨料的沉 降产生的离析。微裂缝在发展过程中必然遇到纤维的阻挡，消耗了能量，从而阻 断裂缝扩展起到抗裂的作用，增强了混凝土的耐久性。 3 ) 提高基体的变形能力并从而改善其韧性及抗冲击性 混凝土凝固后握裹水泥的高强纤维粘联成为致密的乱向分布的网状增强系 统，增强了混凝土的韧性。纤维与水泥基料紧密结合在一起，极大的保持了混凝 土的整体强度。混凝土受到冲击时纤维吸收了大量的能量，从而有效的减少了集 中应力的作用。纤维对水泥裂缝有搭接作用，对分离的水泥块有牵连作用，当纤 维从水泥基体剥落时要消耗能量，这些影响都有助于提高混凝土的韧性。 4 ) 增强结构的防水抗渗能力 主要是利用纤维混凝土的抗裂和抗渗的优点，多用于防水要求较高的结构或 构件中，如：输水管道或排水管道，屋面防水工程，地下防水工程。国内外用钢 纤维混凝土修补水工建筑物的成功实例很多，例如青岛晓望水库的大坝采用喷射 钢纤维增强混凝土技术，取得了较好的经济与社会效益。事实说明纤维增强混凝 土是一种优良的维修加固建筑材料。结构的刚性防水常由于材料质量差和施工等 原因导致防水失败，采用纤维混凝土作为刚性自防水材料可以有效的解决渗裂问 题。 纤维混凝土由于其良好的抗磨损及抗破碎能力，抑制塑性裂缝产生，增强抗 渗水能力等优点，己经在世界范围内获得了广泛的应用且取得了较满意的效果。 如飞机场跑道、坦克场、地铁、公路、桥梁、铁路枕木、核反应堆外壳、矿井、 隧道等场合。在建筑物中主要用于受力构件部位尤其是抗震框架结点部位及桩尖、 桩帽等场合，还用于大体积混凝土( 如堤坝、桥梁、隧道、涵洞) 的防水与补强，墙 板、屋面板、窗台板、遮阳板、天花板等非承重构件的预制件等。已有资料统计 表明，纤维混凝土的应用可减小结构构件的尺寸从而节约材料、降低造价，更主 要的是纤维混凝土增强了结构的使用性能，大大降低了维护费和维修费，带来的 综合经济效益是相当可观的。 1 2 2 纤维混凝土的理论和应用研究 纤维混凝土的理论研究有助于更好的认识纤维混凝土的增强机理，从而更有 效的发挥两者复合后的材料性能锝到高性能纤维混凝土。纤维混凝土的应用研究 是把理论研究成果转化到实际工程应用的重要环节。目前纤维混凝土研究主要有 以下几个方面： 1 ) 纤维混凝土力学性能的研究：纤维混凝土的力学性能是其工程应用的最关 键指标，所以是众多研究者所热衷的问题。目前主要研究了纤维混凝土的抗压、 抗拉、抗折、抗冲击强度，纤维对混凝土断裂能、韧性的增强作用，混杂纤维对 第一章绪论 混凝土的增强作用。 不同弹性模量的纤维对混凝土的力学性能的影响是不同的，随着弹性模量的 降低增强作用降低。一般认为纤维对混凝土的抗压强度提高很小甚至有可能降低， 而对于抗拉、抗折、抗冲击强度均有不同程度的提高。不同试验者得出的数据不 尽相同，但结论都是相同的【5 1 。加入纤维后混凝土的断裂能和韧性有较大提高，有 关文献p 】研究了单轴疲劳拉伸时纤维对混凝土裂缝桥联作用的变化情况，随载荷循 环次数的增加纤维在基体内发生弹性滑移，从而降低了纤维与基体间的粘结力， 所以界面粘结应力随载荷循环次数的增加而降低。 复合材料的强度取决于非常复杂的损伤演化过程，包括：基体开裂、界面开 胶、纤维断裂等许多现象。运用损伤和断裂理论可以从本质上反应纤维混凝土的 性能。有的文献【1 9 】提出用损伤力学来分析纤维混凝土构件在峰值载荷前的性能， 用断裂力学来分析构件由峰值载荷加载至构件破坏的性能的分析方法。综合考虑 连续介质损伤力学和非线性断裂力学的模型能更好的分析纤维混凝土结构的反 应。目前国内对纤维混凝土的微观力学分析较少。 2 ) 纤维混凝土耐久性的研究： 对纤维混凝士耐久性能的研究主要集中在纤维混凝土抗裂、防渗、抗冻、耐 磨性等方面。纤维的加入可以极大的提高抗渗能力，有关试验1 3 4 】表明掺加纤维可 提高混凝土的尺寸稳定性和抗渗能力。碳纤维混凝土在各种物理因素作用下的耐 久性都有不同程度的提高，其中耐冻融性和抗蚀性有显著的提高。掺有碳纤维 0 5 k 。g m 3 的混凝土( w ，e 司5 5 ) 经1 5 0 次冻融循环，其抗压和抗弯强度下降约2 0 ， 而其他条件相同的普通混凝土却下降6 0 以上。碳纤维高性能混凝土在高速水流 作用下的抗蚀能力也有显著提高，掺有碳纤维o 5 k g m 3 的高强混凝土抗蚀能力较 其他条件相同的高强混凝土提高1 6 倍。大量的试验表明，碳纤维混凝土在空气、 污水和海水中都呈现良好的耐腐蚀性。经3 0 0 次浸海水循环，碳纤维混凝土氯离 子浸入深度较普通混凝土小很多。暴露在污水中三年后的试件碳化深度小于3m m ， 大大抑制了混凝土表层分层剥落破坏。纤维混凝土的这些优点在水工结构、地下 工程及处于恶劣环境中的结构构件等方面有广阔的应用前景。 3 ) 改善施工工艺的研究：增强纤维在混凝土内的均匀分散性。早在7 0 年代美 国就开始研究用于自动撕开缠裹成团的钢纤维1 6 】，并以均匀而又可以调节的速度将 纤维送进混凝土搅拌装置。国内也做过大量试验探索纤维混凝土搅拌工艺对纤维 分散性的影响，选择最佳搅拌工艺。 4 ) 高掺量纤维混凝土的研究：比如砂浆渗浇纤维混凝土，将流动性砂浆注入事 先放于模板中的纤维骨架中，试验显示由此方法得到的复合材料断裂韧度、强度、 延性都有很大的提高。 第一章绪论 1 3 主要研究内容 本文通过大量室内试验分析研究聚丙烯塑钢纤维对路用混凝土的力学性能和 韧性改善效果。从理论上阐明了纤维对混凝土的增强、阻裂、增韧作用机理，总 结提高纤维混凝土力学性能的主要方法，运用价值工程原理对路用聚丙烯纤维混 凝土市场前景进行判断。具体由以下几部分组成： 1 ) 论文的选题背景、研究目的和主要研究内容； 2 ) 对路用纤维混凝土的材料组成和常规力学性能试验方法进行研究，主要包 括混凝土的抗压强度、轴心抗压强度、静力受压弹性模量、劈裂强度、抗折强度、 折压比、抗冲击性能、抗冻性、收缩等试验内容，通过对素混凝土和纤维混凝土 的力学性能对比来观察纤维的掺入对混凝土的力学性能改善效果。 3 ) 搜集目前国内外纤维混凝土韧性实验方法，分析每种方法的优点及存在的 问题，然后研究适用的试验方法，通过对素混凝土和纤维混凝土的试验数据进行 分析，比较不同掺量的纤维对不同标号混凝土的增韧效果。 4 ) 分析纤维对混凝土物理性能的影响( 主要包括纤维对混凝土内部结构的影 响和纤维对基体受力性能的影响) ，研究纤维对混凝土的阻裂、增强、增韧机理， 分析总结纤维对混凝土增强效果的主要影响因素。 5 ) 运用价值工程原理对路用纤维混凝土的成本、效益进行分析，通过跟钢纤 维混凝士的对比，判断聚丙烯纤维混凝土的市场应用价值。 最后总结了本论文的主要研究结论，并对进一步的研究工作提出了建议和设 想。 第二章路j = j 纤维混凝土的材料组成及力学性能研究 一6 第二章路用纤维混凝土的材料组成及力学性能研究 2 1 研究目的和试验内容 2 1 1 研究目的 按照路用混凝土的技术要求，通过调整混凝土原材料的用量，配制不同标号 的路用混凝土，通过对不同纤维掺量、不同标号混凝土进行对比，得出不同纤维 掺量对不同标号混凝土力学性能改善效果及纤维最佳掺量。通过分析研究不同标 号的纤维混凝土的上述力学性能，为进行纤维混凝土路面的结构设计提供可靠的 理论依据。 2 1 2 试验内容 1 ) 混凝土抗压试验； 2 ) 混凝土轴心抗压试验； 3 ) 混凝土劈裂试验； 4 ) 混凝土静力受压弹性模量试验； 5 ) 混凝土抗折强度试验； 6 ) 混凝土抗冻试验； 7 ) 混凝土抗冲击实验； 8 ) 混凝土收缩实验： 9 ) 混凝土韧性试验。 ( 其中，混凝土韧性试验在第三章详细介绍) 。 2 2 路用混凝土原材料技术要求 2 2 1 水泥技术要求 根据道路硅酸盐水泥( g b1 3 6 9 3 9 2 ) 的要求，道路硅酸盐水泥在组成性 能和强度上满足表2 一lj 铂衾2 2 要求。 表2 1 道路水泥各龄期强度 标号抗压强度( a ) 抗折强度( m p a ) 3 d2 8 d3 d2 8 d 4 2 5 号 2 2 o4 2 54 07 o 5 2 5 号 2 7 o5 2 55 o7 5 6 2 5 号 3 2 o6 2 55 58 5 第二章路用纤维混凝土的材剌组成及力学性能研究 表2 2 各交通等级路面水泥各龄期的强度要求 交通等级特重交通重交通中、轻交通 龄期( d ) 32 832 832 8 抗压强度 2 5 55 7 52 2 05 2 51 6 o4 2 5 ( m p a ) 抗折强度 4 57 54 o7 03 56 5 ( m p a ) 2 2 2 碎石 用作路面混凝土的碎石必须具备一定的强度，还应有较好的耐磨性。混凝土 碎石的技术要求及标准级配范围见表2 3 和表2 4 。 表2 3路用碎石技术要求 技术指标技术要求 i 级i i 级i i i 级 碎石压碎指标( ) l o1 52 0 针片状颗粒含量( ) 51 52 0 含泥量( ) o 51 o1 5 泥块含量( ) 0o 2o 5 有机物含量( 比色法)合格合格合格 硫化物及硫酸盐含量 o 51 o1 0 ( ) 1 3 5 0k g m 3 ； 密度与空隙率 空隙率 4 7 经碱一集料反应试验后，试件无裂缝、酥裂、胶体外溢 碱一集料反应 等现象，在规定龄期的膨胀率应小于0 1 0 9 6 第二章路用纤维混凝- ：的材料组成及力学性能研究 一8 表2 4路用粗集料级配范围 粒径方孔筛尺寸( m m ) 2 3 64 7 59 5 01 6 o1 9 o2 6 53 1 53 75 级配类型累计筛余百分比( ) 47 5 1 6 o 9 5 一1 0 08 5 一l o o 4 0 _ 6 0 o 一1 0 连 续 4 7 5 一1 9 09 5 一1 0 0 8 5 9 5 6 0 一7 53 0 一4 5卜50 级 配 4 7 5 2 6 59 5 1 0 0 9 0 一1 0 07 卜9 05 ( 卜7 0 2 5 4 0 o 一5 0 4 7 5 3 1 5 9 5 一1 0 0 9 0 1 0 07 5 - 9 0 6 0 一7 5 4 g 6 0 2 0 一3 5卜5 o 4 7 5 9 59 5 1 0 0 8 0 一1 0 0o 一1 5 0 盥 9 5 一1 6 09 5 一1 0 0 8 0 i 0 0 o 一1 5 0 粒 9 ，5 一1 9 09 5 一1 0 08 5 一1 0 0 4 0 _ 6 0 0 一1 50 级 1 6 2 6 5 9 5 一1 0 0 5 5 7 02 5 _ 4 0o 1 00 1 6 3 1 5 9 0 一1 0 0 8 5 1 0 05 5 7 02 5 4 0 o 一1 0 0 2 2 3 砂 根据最新国际建筑用砂( g b t1 4 6 8 5 - - - 2 0 0 1 ) ，按有关规定将砂分为i 、i i 、 i i i 级。公路混凝土用砂一般应采用河砂，其细度模数应在2 3 3 2 之间，即采 用中砂或粗砂。其技术要求及标准级配范围见表2 5 和表2 6 表2 5细集料技术要求 技术要求 项目 i 级1 1 级i i i 级 含泥量( ) 1 o2 05 o 天然砂 泥块含量( ) 01 o2 o 氯化物含量( 按氯离子质量计) o 0 1o 0 20 ，0 6 云母含量 l o2 02 o 有害杂质 有机物含量( 比色法)合格合格合格 含量( ) 硫化物及硫酸盐含量( 按s o ；质量计) 1 3 5 0k g m 3 ；空隙率 4 7 第二章路用纤维混凝土的村剁组成及力学性能研究 一9 表2 6细集料级配范围 级配分区累计筛余百分比( ) 砂类型( 细级配区 o 1 50 3 00 6 01 1 82 3 64 7 5g 5 度模数)( r a m ) 粗砂( 3 7 i9 0 8 5 9 5 7 1 8 53 5 6 55 3 50 1 00 3 1 )1 0 0 中砂( 3 o 一 i l 9 0 一 7 0 _ 9 24 1 7 01 0 5 0 0 _ 2 5o l o0 2 3 )1 0 0 细砂( 2 2 i i i 9 0 一 5 5 8 51 6 4 0o _ 2 5小一1 5o _ 一1 0o 1 6 )1 0 0 2 2 4 水 采用大然无污染水或饮用水。采用非饮用水时，硫酸盐含量应小于2 7 m g c m 3 含盐量不超过5 m g c m 3 ，p h 值大于等于4 。 2 3 聚丙烯纤维混凝土室内试验所用材料 2 3 1 水泥 水泥采用重庆水泥厂生产的p 0 4 2 5 r 普通硅酸盐水泥和重庆夏强水泥厂生产 的p 0 3 2 5 普通硅酸盐水泥。水泥细度模数为9 6 7 ，检验数据如表2 7 。 表2 7 实验用水泥各龄期强度表 标号 抗压强度( m p a ) 抗折强度( t l p a ) 3 d2 8 d 3 d2 8 d p 0 4 2 5 r2 7 3 05 1 2 05 7 9 8 3 l p 0 3 2 51 3 1 03 3 5 03 1 0 6 1 0 符合表2 一l 和表2 2 路用水泥各龄期强度要求。 2 3 2 碎石 采用歌乐山矿厂提供的石灰岩碎石，共三种规格，分别为i 类( 粒径范围 1 5 2 5 r a m ) ，i i 类( 粒径范围5 - 2 5 n n ) ，i i i 类( 粒径5 - 1 5 r a m ) ，各种规格集料筛分 见表2 8 、表2 9 、表2 1 0 。 第一二章路增纤维混凝土的材料组成及力学性能研究一l o 表2 8试验用i 类集料筛分表 筛孔尺寸( m m ) 2 6 51 91 61 3 29 54 7 52 3 61 1 80 60 3o 1 50 0 8筛余 各筛存量( g ) o3 2 7 71 4 2 72 7 21 3 51 o0 5 0o000l o 分计筛余( ) o6 5 52 8 55 4 30 2 7o 0 2o 0 100o000 2 累计筛余( ) 06 5 59 4 19 9 59 9 89 9 8 9 9 89 9 89 9 89 9 89 9 89 9 81 0 0 通过量( ) 1 0 03 4 55 9 30 5o 2 3o 2 1o 2 o 2 o 2 0 2o 2o 2o 表2 9试验用i i 类集料筛分表 筛孔尺寸( m m ) 2 61 91 61 3 29 54 7 52 3 61 1 8o 60 30 1 50 0 8筛余 各筛存量( g ) o2 8 61 3 4 3 1 8 2 4 1 2 3 91 9 24 2 o1 1 58 5 8 58 52 5 51 3 0 分计筛余( ) 05 7 22 6 93 6 52 4 83 8 3o 8 4 o 2 30 1 70 1 7 0 1 7o 5 10 2 6 累计筛余( ) 05 7 23 2 66 9 19 3 8 9 7 79 8 59 8 79 8 99 9 19 9 2 9 9 81 0 0 通过量( ) 1 0 09 4 36 7 43 0 96 1 72 3 41 51 2 71 10 9 3 o 7 6o 2 50 表2 一l o试验用i i i 类集料筛分表 筛孔尺寸( m m ) 2 61 91 61 3 29 54 7 52 3 61 1 80 6o 30 1 5 0 0 8筛余 各筛存量( g ) oo4 8 57 2 51 5 6 83 0 1 61 9 33 01 91 51 l1 1 51 7 5 分计筛余( ) 0o0 9 71 4 53 1 46 0 3 3 8 5o ，60 3 80 30 2 20 2 30 3 5 累计筛余( ) o00 9 7 2 4 23 3 89 9 89 7 9 9 8 59 8 9 9 9 29 9 49 9 71 0 0 通过量( ) 1 0 0l o o9 99 7 6 6 6 2o 2 l2 0 71 - 4 71 4 70 7 9 0 5 7o 3 4 0 室内试验碎石压碎值为8 9 8 ，满足表2 3 路用碎石i 级技术要求。 为了满足路用混凝土对集料的级配要求，通过图解法对上述三种规格的集料 进行组合设计，按i ：i i ：i i i = 4 8 ：2 6 ：2 6 配制的集料符合规范4 7 5 2 6 5 级配 范围。试验用粗集料筛分见表2 一1 1 ，级配曲线如图2 1 。 表2 1 1试验用粗集料筛分表( i ：i i ：i i i = 4 8 ：2 6 ：2 6 ) 筛孔尺寸( 咖) 2 61 91 61 3 29 54 7 5 2 3 61 1 8o 6 0 30 1 50 0 8筛余 各筛存量( g ) 01 6 4 71 0 4 76 2 37 3 68 3 46 1 2l o 87 1 5 6 1 l5 0 79 6 21 2 7 分计筛余( ) 03 2 9 2 0 91 2 51 4 71 6 ，71 2 20 2 2 0 1 40 1 20 1o 1 90 2 5 累计筛余( ) o3 2 9 5 3 96 6 3b 1 19 7 89 99 9 29 9 39 9 59 9 69 9 81 0 0 通过量( 9 6 ) 1 0 06 7 14 6 13 3 71 8 92 2 51 0 20 8 l0 6 7 o 5 40 4 40 2 50 第二章路用纤维混凝土的材料组成及力学性能研究 图2 1 试验用粗集料级配曲线圈 1 + 试验级配 i + 规范小值 【_ 二塑蔓盔鱼 2 3 3 砂 砂为四方混凝土搅拌站提供的渠和砂，含泥量3 8 1 ，表观密度2 6 7 9 c m 。 堆积密度为1 3 7 9 c m 3 ，细度模数为1 o 一1 2 ，筛分见表2 一1 2 。 表2 1 2渠河砂细集料筛分表 筛孔尺寸( m m ) 52 51 。2o 6 3o 3o 。1 6o 0 8 筛余 各筛存量( g ) 1 5 53 0 51 5 83 0 81 8 41 6 81 2 21 7 4 分计筛余( ) o 3 l0 6 l0 3 2o 6 23 6 83 3 52 4 33 4 8 累计筛余( ) o 3 10 9 21 2 41 8 53 8 67 2 29 6 5l o o 通过量( ) 9 9 6 99 9 0 89 8 7 6 9 8 1 56 1 42 7 83 5 0 0 2 3 4 水：水为自来水。 2 3 5 纤维： 纤维为高性能异型塑钢聚丙烯纤维( h p p ) ，主要原料为聚丙烯改性高分子聚 合物，标准见表2 1 3 ，由宁波大成新材料股份有限公司提供。 h p p 纤维采用聚丙烯改性高强聚合物为主要原料，经过特殊技术成型工艺生产 而成，它是一种表面粗糙、外形轮廓分明的单丝粗纤维，直径粗细不同、纤维长 短不等、成波浪形状、抗拉强度高、抗酸碱能力强，并且它有钢筋、纲纤维的外 形，具备钢筋、聚丙烯纤维的功能，而有合成软纤维的优点。 h p p 纤维在水泥混凝士中的应用，主要是为了增强混凝土的坚韧性，聚丙烯纤 维来增强混凝土三维的需要，并且能改善高度扭曲的抗弯抗折性能，抑制开裂， 减少垂直方向的下陷和脱落现象，在喷射混凝土中应用时能减少回弹、收缩、大 大提高工程的结构性能，它是当今混凝土建设工程中理想的新型增强材料，它有 以下功能和特点： 加加0 一_)6一唧捌暇 第二章路用纤维混凝土的材料组成及力学性能研究 一1 2 ( 1 ) 可以代替钢筋网、钢纤维的防裂和增强功能，更加经济，省时方便： ( 2 ) 抑制混凝土塑性收缩、塑性沉降引起的裂缝； ( 3 ) 提高混凝土耐磨、抗碎裂、抗冲击性能； ( 4 ) 提供混凝土辅助增强和抗弯增强功能； ( 5 ) 抑制混凝土干裂和温度引起的裂缝； ( 6 ) 提供混凝土较高的残余强度； ( 7 ) 提高混凝土的支撑性能和黏结性能； ( 8 ) 改善混凝土的耐久性； ( 9 ) 提高混凝土抗冻融能力，抗疲劳性、抗渗透性，延长使用寿命； ( 1 0 ) h p p 纤维适用于混凝土的喷浆作业，减少回弹、收缩、并且定位准确，使 用方便。 1 ) 使用范围： 可广泛应用于公路、高速公路的路面、机场跑道、停机坪、混凝土预制板、 管材、各种隧道建设、房屋、停车场、集装箱码头和各类混凝土建筑。 2 ) 使用方法和掺量： ( 1 ) 使用比较方便，可用通常混凝土拌和设备，在混凝土正常搅拌时添加h p p 纤维，适当延长2 3 分钟就能均匀地分布在混凝土中的每个角落。 ( 2 ) 混凝土铺筑或使用按常规方法施工，不需要增加专门设备。 ( 3 ) 根据美国应用标准，每立方米混凝土中最小用量2 5 公斤，最大用量为 每立方米混凝土5 公斤( 每一包为1 公斤) 。 表2 1 3 高性能聚丙烯( h p p ) 纤维技术指标 密度( g c m 3 ) o 9 5 直径( m )o 5 一o 9 长度( m i l l )3 0 ；4 0 ；5 0 ；6 5 纤度( g 1 ) ) 3 5 0 伊6 0 0 0 强度( m p a ) 5 0 0 模量( m p a ) 3 5 0 0 伸长率( ) 1 5 吸水率( ) 0 1 熔点( o c ) 1 7 5 燃点( o c ) 5 6 0 抗酸碱性高 常温导热率( w m k ) 0 2 第二章路_ 纤维混凝土的材利组成及力学性能研究 一1 3 2 4 纤维混凝土配合比设计及试件成型方法 2 。4 1 聚丙烯纤维混凝土室内试验配合比设计“” 本试验考虑不同纤维掺量对不同标号混凝土的力学性能改善效果可能不同， 因此设计了三种标号的混凝土，抗压强度分别是c 5 0 、c 4 0 、c 3 0 ，分别对应表2 1 4 水泥混凝土抗弯强度标准值中的特重、重、中等交通，每种标号混凝土考虑不 同纤维掺量的影响，纤维掺量分别为2 k g ，m 3 、3 k g 矿、4 k g m 3 、5 k g m 3 。 表2 一1 4 水泥混凝土抗弯强度标准值 i交通等级特重重中等轻 i 设计弯拉强度f 。 5 05 04 54 o 1 ( m p a ) 路用聚丙烯纤维混凝土配合比除满足普通混凝土一般要求外，还应满足抗拉 强度或弯拉强度、抗冲击性、韧性及施工时拌和物和易性和聚丙烯纤维不结团的 要求，参照纤维混凝土结构设计与施工规程和重庆市水泥混凝土、砂浆应 用技术及参考配合比中有关混凝土配合比设计方法，适当提高砂率以保证拌和 物的和易性，最后选定聚丙烯纤维混凝土的配合比。，体积掺量见2 一1 5 ，混凝土 配合比见表2 1 6 。 表2 1 5聚丙烯纤维质量掺量和体积掺量表 试件编号纤维掺量( k g m 3 )纤维体积掺率( ) co0 h p p 22o 2 1 1 h p p 330 3 1 6 h p p 44o 4 2 l h p p 550 5 2 6 第二章路用纤维混凝土的材料组成及力学性能研究一1 4 表2 一1 6室内试验聚丙烯混凝土配合比表( k g m 3 ) 编号水水泥砂碎石纤维水灰砂率 掺量比 ( ) c1 8 04 1 5 ( 重庆水泥厂5 6 51 2 6 000 4 33 1 p 0 4 2 5 r ) i t p p 21 8 0 4 1 5 ( 重庆水泥厂 5 6 51 2 6 020 4 33 1 c 5 0 聚 p 0 4 2 5 r ) 丙烯 t l p p 31 8 04 1 5 ( 重庆水泥厂5 6 51 2 6 03o 4 33 1 纤维 p 0 4 2 5 r ) 混凝 1 p p 41 8 0 4 1 5 ( 重庆水泥厂 5 6 51 2 6 04 0 4 33 1 p 0 4 2 5 r ) h p p 51 8 04 1 5 ( 重庆水泥厂5 6 51 2 6 050 4 33 1 p 0 4 2 5 r ) c1 8 0 3 8 0 ( 重庆水泥厂 5 6 51 2 9 50o 4 73 0 3 8 p 0 4 2 5 r ) h p p 21 8 03 8 0 ( 重庆水泥厂5 6 51 2 9 52o 4 73 0 3 8 c 4 0 聚 p 0 4 2 5 r ) 丙烯 h p p 31 8 03 8 0 ( 重庆水泥厂5 6 51 2 9 53o 4 73 0 3 8 纤维 p 0 4 2 5 r ) 混凝 h p p 41 8 0 3 8 0 ( 重庆水泥厂 5 6 51 2 9 540 4 73 0 3 8 土 p 0 4 2 5 r ) h p p 51 8 0 3 8 0 ( 重庆水泥厂 5 6 51 2 9 550 4 73 0 3 8 p 0 4 2 5 r ) c1 8 0 3 8 0 ( 重庆夏强牌 5 6 01 2 8 0o0 4 73 0 4 3 c 3 0 聚 p 0 3 2 5 ) h p p 21 8 0 3 8 0 ( 重庆夏强牌 5 6 01 2 8 02o 4 73 0 4 3 丙烯 纤维 p 0 3 2 5 ) h p p 31 8 0 3 8 0 ( 重庆夏强牌 5 6 01 2 8 030 4 73 0 4 3 混凝 土 p 0 3 2 5 ) h p p 41 8 03 8 0 ( 重庆夏强牌5 6 01 2 8 040 4 73 0 4 3 p 0 3 2 5 ) 第二章 路用纤维混凝土的材料组成及力学性能研究 一1 5 2 4 2 试件成型方法 1 ) 工艺流程 ( 1 ) 素混凝土成型工艺 备料和混合料配合比设计一称料一加料( 依次加入石料、砂、水泥) 一加水拌和 混凝土一出料一装模一振捣混凝土一补足混凝土一表面整修一养生( 2 4 h ) 一拆模一 标准养护。 ( 2 ) 纤维混凝土成型工艺 备料和混合料配合比设计一称料一加料( 依次加入石料、砂、水泥) 加纤维一 千拌( 1 m i n ) 加水拌和混凝土( 较素混凝土延长2 3 m i n ) 一出料一人工翻拌一遍 一装模一振捣混凝土一补足混凝土一表面整修一养生( 2 4 h ) 一拆模一标准养护。见 图2 2 、2 3 。 2 ) 聚丙烯纤维混凝土的拌和 ( 1 ) 聚丙烯纤维的分散 成品聚丙烯纤维一般用箱装或袋装，体积较密实，在投入搅拌机拌和时，用人 工方法均匀撒布，避免聚丙烯纤维结团，影响施工质量。 ( 2 ) 搅拌机类型与投料顺序和方式 搅拌机选用强制式拌和机。首先，将粗细骨料和水泥，通过料斗进入搅拌筒 内。聚丙烯纤维经人工均匀撤布后，与粗细骨料，水泥一起在搅拌机筒内先进行 干拌( 约1 分钟) ，然后加水进行拌和，拌和均匀后即可出料，然后人工翻拌1 2 遍，这样拌和效果良好，拌和料均匀，不易发生聚丙烯纤维“结团”现象。 图2 2 聚丙烯混凝士拌和( 干拌法) 图2 3 聚丙烯混凝士成型试件 第二章路用纤维混凝土的材料组成及力学性能研究 一1 6 2 5 纤维混凝土基本力学性能试验结果及分析 2 5 1 抗压强度试验 抗压试件于1 0 0 * 1 0 0 * l o o m m 的模具浇注。试件浇注2 4 h 后脱模，在标准养护 室养护，实验时从养护室取出( 图2 4 ) 。 图2 4聚丙烯混凝土抗压试验 混凝土立方体试件抗压强度按下式计算： f c 。= p a( 式2 1 ) 式中：p 一破坏荷载( n ) ； a 一试件承压碰积( i i 1 2 ) 。 采用n y l 一2 0 0 0 a 型压力试验机测得的不同标号混凝土不同龄期的抗压强度见 表2 1 7 、2 1 8 、2 1 9 和图2 5 、2 6 、2 7 。 表2 一1 7c 5 0 聚丙烯混凝土抗压试验结果 试件3 d 抗压强7 d 抗压强2 8 d 抗压3 d 抗压强7 d 抗压强 2 8 d 抗压 名称度( m p a ) 度( m p a )强度度相对值 度相对值强度相对 ( m p a ) ( )( ) 值( ) c 3 5 0 24 7 0 95 5 1 31 0 0 01 0 0 0 01 0 0 0 0 h p p 24 0 9 34 8 2 9 6 0 0 11 1 6 8 71 0 2 5 51 0 8 8 5 h p p 33 4 9 34 7 。2 5 5 8 9 69 9 。7 41 0 0 。3 31 0 6 9 5 h p p 43 3 5 24 8 2 35 7 1 69 5 7 11 0 2 4 21 0 3 6 8 h p p 53 1 9 04 7 1 05 3 6 89 1 1 01 0 0 0 39 7 3 6 第二章路用纤维混凝士的材料组成及力学性能研究 表2 1 8c 4 0 聚丙烯混凝土抗压试验结果 试件3 d 抗压强7 d 抗压强2 8 d 抗压3 d 抗压强7 d 抗压强2 8 d 抗压 名称度( m p a ) 度( m p a )强度度相对值度相对值 强度相对 ( m p a ) ( ) ( ) 值( ) c2 5 1 83 6 6 74 8 4 3 1 0 0 1 0 0 0 01 0 0 0 0 h p p 22 4 8 93 6 2 04 7 7 19 8 8 59 8 7 09 8 5 2 h p p 32 8 2 63 7 4 l4 7 4 81 1 2 2 41 0 2 0 19 8 0