（水利水电工程专业论文）高强聚脂纤维混凝土的强度特性研究.pdf

摘要 土木工程的迅速发展对混凝土材料提出了高工作性、高耐久性、高体积稳定 性、高强度的高性能化要求。为了适应这一快速发展对混凝土性能的要求，人们 通过改进混凝土的组成成分和配制技术，提出了纤维混凝土这一新型的复合建筑 材料，但随着不断施工的实践，人们发现常规纤维的使用在改善混凝土的力学性 能的同时，又存在着锈蚀和价格高的两面性。于是，解决纤维锈蚀的问题或寻找 替代的工作又在不断进行着。 高强聚脂纤维是日本近年开发的一种新型纤维，由于生产的原材料主要为废 弃的饮料瓶等生活垃圾，属于一种新型的环保型建筑材料。论文在大量试验的基 础上，通过在喷射混凝土、公路混凝土、常态混凝土中重复进行力学性能的试验， 来重点考察不同掺量的高强聚脂纤维的混凝土与空白混凝土相比在抗弯强度、抗 拉强度( 劈裂) 、弯曲韧度、抗压强度等项力学指标的提高幅度，并对混凝土的极 限拉伸值、抗冲击性、抗冲耐磨及耐久性等项指标也进行一定数量的考察试验。 主要结论为：高强聚脂纤维对混凝土的力学性能的提高和混凝土韧性的改善均有 一定积极的作用，对混凝土的耐久性稍有影响或与空白混凝土相当。与钢纤维相 比，在抗弯强度和韧性指标等方面存在一定的差距。 对于水电工程而言，混凝土的韧性指标等方面技术要求较高，且大多数工程 环境无酸、碱侵蚀，故高强聚脂纤维用于水电工程还有待迸一步的研究。 关键词：高强聚脂纤维；混凝土；试验；强度特性；耐久性 a b s t r a c t t h ef a s td e v e l o p m e n tn e e d st h ec o n c r e t eh a v eh i g h e rp e r f o r m a n c e ，s u c ha sh i g h e r w o r k i n gp e r f o r m a n c e ，h i g h e rd u r a b i l i t y , h i g h e rv o l u m i n a ls t a b i l i t ya n dh i g h e rt e n s i l e t om e e tt h en e e d , t h ew o r k i n gp e r s o n n e li m p r o v et h ec o n s t i t u ta n dc o m p o u n d t e c h n o l o g yo fc o n r e t e ，a n dp r e s e n tt h ef i b e rc o m e t e ，t h en e wc o m p o u n dc o n s t r u c t i o n m a t e r i a l b u tw i t ht h ec o n t i n u a lp r a c t i c eo fc o n s t r u c t i o n ，t h o u g ht h ec o n v e n t i o n a l f i b e rc a ni m p r o v et h em e c h a n i cp e r f o r m a n c e ，i tw i l lb e c o m er u s t ya n dh a v eah i 曲 p r i c e h i g ht e n s i l ep o l y e s t e rf i b e r , t h en e wf i b e rd e v e l o p e di nj a p a ni nt h ep a s tf e w y e a r s ，i so n en e we n v i r m e n a lc o n s t r u c t i o nm a t e r i a ld u et ot h er a wm a t e r i a lo fi t m o s t l yi sl i v i n gr u b b i s hf o re x a m p l ed r i n kb o t t l e b a s e do nag r e a td e a lo fm e c h a n i c t e s t so ne j e c t i n gc o n c r e t e ，r o a dc o n c r e t ea n dn o r m a lc o n c r e t e ，t h ea d v a n c eo fe v e r y m e c h a n i c si n d e x , s u c h 硒b e n d i n gs t r e n g t h , t e n s i l e s t r e n g t h ，b e n d i n gt e m p e r , c o m p r e s s i v es t r e n g t ha n do t h e r w i s em e c h a n i c si n d e x e s ，o fc o n c r e t eo fd i f f e r e n th i g h t e n s i l ep o l y e s t e rf i b e rc o n t e n tc o m p a r e dw i t hi to fp l a i nc o n c r e t ea r es t u d i e di nt h i s p a p e r a n dl i m i tt e n s i l ev a l u e ，r e s i s t a n c et oi m p a c t ，e r o s i o n r e s i s t i n ga n da b r a s i o n r e s i s t a n c e ，a n dd u r a b i l i t yc t c a r es t u d i e c da l s o t h em a i nc o n c l u s i o no ft h i sp a p e ri s t h eu s ，eo fh i g ht e n s i l ep o l y e s t e rf i b e rh av ep o s i t i v ee f f e c to nt h ei m p r o v e m e n to f m e c h a n i cp e r f o r m a n c ea n dt o u g h n e s so f c o n c r e t ei sl i r l e a n dc o m p a r e dw i t ht h e b e n d i n gs t r e n g t ha n dt o u g h n e s si n d e x c o n c r e t e ，a n dt h ee f f e c to nd u r a b i l i t yo f s t e e lf i b e r , t h e r ea r es o m ed i f f e r e n c e so n f o rt h ew a t e ra n de l e c t r i c i t ye n g i n e e r i n g ，t h ea s p e c ta b o u tt o u g h n e s si n d e xo f c o n c r e t ei sp a i da t t e n t i o n ，a n dm o s to fe n g i n e e r i n g sa r e a te r o d e db ya l k a l ia n da c i d , f a r t h e rr e s e a r c hi sn e e d e dt ob ed o n ei nu s i n gh i g ht e n s i l ep o l y e s t e rf i b e rf o rw a t e ra n d e l e c t r i c i t ye n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：h i 曲- i n t e n s i o np o l y e s t e rf i b e r , c o n c r e t e ，t e s t ，s t r e n g t hp r o p e r t i e s ， d u r a b i l i t y 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨空叁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了谢意。 学位论文作者 签字日期：7 年夕月砂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盎盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签 签字日期： 导师签名： 铂墨 签字日期：口7 年髟月日 第一章绪论 第一章绪论 人类社会自进入二十世纪九十年代以来，随着向现代化加快前进步伐的同 时，城市建设正朝着高层化、超高层化和大跨度的方向发展；交通运输也朝着高 速重载的方向快速发展；一些大型或超大型的基础设施工程和水利水电工程也相 继开工建设，这些跨世纪或标志性的工程和基础设施的建设均对建筑领域里最大 宗的建筑材料混凝土提出了高工作性、高耐久性、高体积稳定性、高强度的 高性能化要求。为了适应这一快速发展对混凝土性能的要求，人们通过不断的探 索新技术和开发新材料，在大量科学试验的基础上，改进混凝土的组成成分和配 制技术，从而解决了高性能化混凝土遇到的一个又一个的技术问题，不断的推动 着现代混凝土技术向前发展。 1 1 纤维混凝土 混凝土是土木建筑工程最重要的材料。但混凝土的固有弱点是因脆性而容易 产生裂缝，即使是高强混凝土，其抗拉强度与抗压强度之比仅为6 ，脆性显著， 塑性明显下降，因为脆性破坏会随时产生，高强混凝土结构的跨度不能增幅太大。 当结构受弯时，荷载等于破坏荷载的1 5 - - 2 0 时就开始产生裂缝( 这时钢筋 的应力远小于屈服极限) ，随着裂缝开展会造成结构物抗渗性能等的降低，以致 使用寿命缩短，在结构设计时因裂缝宽度的限制，高强建筑材料的优越性得不到 充分应用。因此，混凝土性能的提高显得十分重要，这就导致了高性能( h i g h p e r f o r m a n c ec o n c r e t e ，或h p c ) 的出现。纤维混凝土是在对混凝土改性过程中 应运而生的，目前常用的几种纤维混凝土有：钢纤维混凝土( s f r c ) 、玻璃纤维 混凝土( g f r c ) 、碳纤维混凝土( c f r c ) 以及合成纤维混凝土( s n f r c ) 。 目前在实际工程已使用的纤维混凝土的主要品种为钢纤维混凝土、碳纤维混 凝土与聚丙稀纤维混凝土。 1 1 1 纤维混凝土研究与应用回顾 自从有水泥混凝土以来，裂缝问题一直困扰着人们，不少学者企图从不同的 途径来解决收缩裂缝，至今掺膨胀剂的补偿收缩混凝土在建筑物防渗抗裂控制方 面的研究和应用较多。工程实践也证明，一般的掺粉煤灰加泵送剂的商品混凝土 或掺膨胀剂的商品混凝土对混凝土裂缝控制有一定的效果。然而，因施工、养护 及人的因素等，混凝土裂缝仍在所难免。 第一章绪论 近年来，美国、德国和丹麦等国都提出在混凝土中掺加纤维，赋予混凝土一 定的韧性，以改善混凝土的抗裂性能。 钢纤维增强混凝土最早出现是在1 8 4 9 年，法国花匠莫尼尔在水泥中加入细 铁丝网制成花盆和种桔树用的铁丝水泥桶。1 8 5 5 年法国工程用细铁条增强水泥， 制成一艘水泥船并获得专利。1 9 1 0 年美国人波特把薄钢片掺入混凝土中改善混 凝土的抗拉强度和抗冲击性并获得专利。这些都是钢纤维混凝土的早期应用。 1 9 9 5 年在英国举办的“第1 0 0 届国际建筑展览会 上，展示了未来建筑技术与 建筑材料的发展方向。专家预见未来大部分的建筑结构物仍然要采用钢材和混凝 土来建造，混凝土技术将会有很大的发展，极有可能采用非金属材料作为加强筋 或者增强材料。如果考虑“复合优势”的作用，那么更具发展前景的趋势很可能 是金属材料与非金属材料的联合使用。 2 0 世纪7 0 年代初，美、英等国已开始将聚丙烯单丝纤维用于某些混凝土制 品与工程中，所用纤维的直径与钢纤维相近( o 2 2 , 一0 2 5 r a m ) ，纤维的体积率为 0 5 左右。7 0 年代中期美国开发成功聚丙烯纤维( f i b r i l l a t e dp o l y p r o p y l e n ef i b e r ) ， 这是一种直径为2 m m 以上的束状纤维，在与混凝土拌合过程中可分裂成为若干 细纤维束，且束内纤维展开成为相互牵连的网络，其中单丝直径为4 8 - - 一6 2 r r l ， 使用此种纤维不仅有助于降低单丝的直径，并且还可以便纤维体积率减少至0 1 o 2 。8 0 年代初，美国若干公司通过表面处理技术开发成功可均匀分布于 混凝土中的直径为2 3 一- 6 2 m 的聚丙烯、尼龙等单丝纤维，在纤维体积率为0 0 5 0 2 时即有明显的抗裂与增韧效果。近十几年来，美国与加拿大已在混凝 土工程中广泛使用加有低掺率合成纤维的预拌混凝土。目前美国所用混凝土总量 中合成纤维混凝土约占7 ，而钢纤维混凝土只占3 左右。 纤维混凝土在中国大规模应用是从玻璃纤维和钢纤维混凝土起步的。2 0 世 纪7 0 年代纤维混凝土技术传入中国。中国工程界对纤维混凝土，包括有机纤维 混凝土早有关注，只是由于实际纤维材料的限制，影响大规模的工程实践。2 0 世纪9 0 年代初，在美国本土生产、能够应用于纤维混凝土的有机纤维通过商业 渠道流入中国，成为纤维混凝土在中国大量应用的契机。2 0 0 0 年1 0 月，在上海， 复旦大学体育中心游泳馆露天游泳池采用纤维混凝土，成功解决了超长无遮盖架 空式混凝土结构的技术难题，同时编制了钢筋聚丙烯纤维混凝土超长结构抗裂 防渗施工工法。2 0 0 1 年1 1 月，召开了介绍纤维混凝土工程应用的防渗抗裂技 术交流会。这说明中国土木工程界对于纤维混凝土作用的肯定，以及对于发展纤 维混凝土的趋势。可以预见，纤维混凝土在中国土工建筑工程界应用的高潮即将 到来。 第一章绪论 1 1 2 纤维混凝土的基本特征 纤维混凝土具有如下几个基本特征： l 、纤维混凝土是一种复合材料。 2 、纤维本身的主要物理力学参量有抗拉强度、弹性模量、断裂伸长、密度、 老化、耐碱性以及经济指标，对纤维性质的研究也大致几种在这几个方面。 3 、纤维混凝土材料研究。纤维混凝土改性效果的大小取决于纤维与混凝土 边界相互作用以及纤维的类型、尺寸、在混凝土分布的密度、方向等因素，这些 均与纤维增强混凝土的微观结构有关。目前对纤维增强混凝土抗裂性能的机理只 做了些初步的假设，例如美国i l l i n o i s 大学l a n g e 认为，纤维的主要作用是通过 桥接作用来限制微观裂缝的发展，从而改善混凝土的性能。 根据纤维弹性模量的高低可将纤维混凝土分为低弹模纤维混凝土和高弹模 纤维混凝土。低弹模纤维只能提高混凝土韧性、抗冲击性能、抗热爆性能等与韧 性有关的物理性能。而高弹模纤维则不仅能提高上述性能，还能使混凝土的抗拉 强度和刚性有较大提高。 1 1 3 聚合物纤维混凝土的研究和应用现状 1 、聚丙烯纤维混凝土 聚丙烯原材料是一种高分子碳氢化合物。它的化学稳定性好，和大多数化合 物不发生作用；表面疏水性，不会被水泥浆浸湿；对聚丙烯纤维而言，纤维与基 体问的粘结较差，结果使拨出强度较低。 从目前国内研究水平来看，主要集中于对纤维混凝土的物理、力学性能的研 究：华渊【3 】等人的研究表明，与基准混凝土相比，随着纤维体积率的增加( 0 1 5 ) ，纤维混凝土的抗压强度变化很小，抗折强度则提高了1 2 2 6 ，韧性 也随之增加，他们提出了聚丙烯纤维混凝土的裂纹发展规律，定性分析了增韧机 理。孙家瑛【4 】研究了不同掺量聚丙烯纤维高性能混凝土的抗折强度、脆性和抗冲 击性能。戴建国和黄承逵研究了网状聚丙烯纤维混凝土的施工性能，抗压、抗弯 性能，韧性、抗渗性、热老化稳定性及收缩性的试验结果。 在聚丙烯纤维应用方面，朱江1 5 j 分析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底板中添加聚丙烯纤维的施 工情况。谷章昭1 6 】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 凝土的使用功能及耐久性，并已成功的在上海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。苏建波【1 3 】较详细的介绍了自1 9 9 6 年开始，杜 拉纤维( 即束状单丝聚丙烯纤维) 在我国的广泛应用。 第一章绪论 从国外的研究近况来看，对聚丙烯纤维混凝土的研究在基本性能研究的基础 上，已有一定的延伸。s y d n e yf u r l a nj r 【3 7 】等对1 4 根梁做了抗剪试验，指出与素 混凝土梁相比，抗剪强度、刚度和韧性都有提高，同时还研究了箍筋对纤维混凝 土梁的影响。g d m a n o l i s 3 9 】等试验了一系列纤维含量不同、支撑条件不同的聚 丙烯纤维混凝土板的抗冲击性能及自振周期，发现纤维的引入对混凝土板的抗冲 击性能随纤维含量的增加逐渐提高，但对自振周期基本无影响。 2 、聚乙烯纤维混凝土 聚乙烯纤维因其弹性模量低，至今还很少用于水泥复合材料，对其研究也较 少。k c c o n g 在对聚乙烯纤维混凝土板的低速冲击试验中得到，在纤维含量 为0 5 、l 和2 的板中，其断裂能量值分别提高1 9 、5 3 、8 0 ，虽然这 些较相同含量钢纤维混凝土板的值小一些，但其价格远小于钢纤维，若能研制出 弹性模量高达1 0 0 0 0 m p a 的高弹模聚乙烯纤维，就能使这种较便宜的纤维在水泥 基复合材料的领域中具有很大的潜力。 3 、尼龙纤维 尼龙纤维是最早用于水泥及混凝土的聚合物纤维之一，但因它与聚丙烯相比 价格较贵，因此它的商业竞争力有限。 樊钧【9 】等将自行研制的尼龙纤维与美国n y e o n 公司的尼龙纤维相比，物理力 学性能接近，但售价大大低于进口产品。他们还提出了尼龙纤维混凝土的应用技 术，并在一些实际工程中应用。李俊毅【1 l 】发现，当混凝土中掺入少量( 0 0 5 2 ) 尼龙纤维时，可使混凝土基体获得显著的非结构性增强效果，大大减少混凝土塑 性收缩裂缝；混凝土的抗冲击性能得到改善。 4 、高弹模聚乙烯醇纤维( p v a ) 同济大学裂缝控制研究室在对该种纤维混凝土标准试件的劈拉试验中得出 如下结论： ( 1 ) 纤维加强混凝土的抗拉强度在一个较大的体积掺量范围( 0 0 5 0 3 ) 内比同条件下的素混凝土有所提高； ( 2 ) 存在一个较为合适的范围，当纤维的体积掺量在此范围内时，劈拉强 度的提高相当明显。 ( 3 ) 纤维长细比对纤维加强素混凝土劈拉强度的提高是有影响的，该试验 中长细比越大，强度提高越小。 初步结论认为，合成纤维加强技术主要通过纤维型材料与颗粒型材料的复合 以达到增强混凝土阻裂性能。 第一章绪论 1 2 论文研究问题的提出 高强聚脂纤维混凝土技术是在总结众多纤维混凝土存在缺点的基础上，通过 引进国外先进技术而提出来的。 1 2 1 对纤维产品的要求 1 、高耐碱性 纤维混凝土中所用的纤维必须具有足够的耐碱性，不受混凝土中碱性集料和 水泥碱性水化产物的侵蚀。同时，为保证纤维以纯粹物理的方式在混凝土中发挥 作用，避免因为物料之间交叉的化学反应使得纤维混凝土体内发生不良改变。 2 、安全无害 纤维混凝土中所掺加的纤维必须对人体无害。这就是说纤维的安全性能也是 必须要考虑的。 3 、自分散性 纤维混凝土中所用的纤维，在水泥基体中必须具有良好的自分散性，不结团， 不成束。只有这样的纤维才能在实际的混凝土工程中推广应用。 4 、规模生产 能够使用于实际建筑工程的纤维混凝土，所掺加的纤维必须是高度商品化的 产品。也就说，这种纤维的产量一定要足够大，要有足够大的生产规模，并且能 够通过严格的商品流通渠道进入到具体工程。 5 、要有较高的抗拉强度 纤维在混凝土中要发挥作用，必须具有比较高的抗拉强度。与水泥基体的抗 拉强度相比，至少要高出两个数量级。 6 、变形能力大 与水泥基体的极限延伸率相比，至少要高出一个数量级。 7 、粘结强度高 纤维与水泥基体的界面粘结强度一般不应低于1 m p a 。宏观的说，纤维与水 泥基体之间的粘结强度取决于纤维本身材质的特点，还收到纤维表面形状和粗糙 程度的影响。 8 、粗细适度 掺入混凝土当中的纤维，其长度与直径的比值大于临界值时才能对水泥基体 产生明显的增强效应。 9 、弹性模量 纤维与水泥基体的弹性模量相比，其比值越高，则受荷时纤维所分担的应力 第一章绪论 也就越大，纤维的作用也就越加明显。 1 0 、价格合理 与任何建筑材料一样，对纤维混凝土当中掺加的纤维也需要进行性能与价格 分析。 1 2 2 问题的提出 土木工程的发展与混凝土新技术的应用息息相关，同时，又在不停的解决新 材料应用中性能之间矛盾的进程中进步。在众多开发的混凝土新技术中，掺入不 同的纤维改善混凝土的各种力学性能，提高其耐久性便是其中一例：如某些建筑 物为抑制混凝土塑性收缩产生的裂缝而掺入聚丙烯微纤维；在公路和机场跑道混 凝土中掺入钢纤维提高抗弯强度以延长路面的使用寿命；大跨度地下洞室的顶拱 受力情况复杂且变形大，采用韧性较佳的钢纤维喷射混凝土作为永久衬砌取代传 统的钢筋混凝土，不仅安全可靠，而且缩短了施工周期并节约投资。随着不断施 工的实践，人们发现钢纤维的使用在改善混凝土的力学性能的同时，又存在着锈 蚀和价格高的两面性。于是，解决钢纤维锈蚀的问题或寻找替代的工作又在不断 进行着。 高强聚脂纤维是日本近年开发的一种新型纤维，由于生产的原材料主要为废 弃的饮料瓶等生活垃圾，属于一种新型的环保型建筑材料。该纤维的外型尺寸接 近平直型的钢纤维，仅在拉丝成型过程中通过均匀的压痕处理增加纤维与混凝土 的接触面积以提高纤维的抗拔出力，据生产厂家称有取代钢纤维之可能。为了推 动建筑领域施工向绿色化迈进的进程以及实现人与环境的和谐共处，推广和使用 环保型的新材料是每个水利工程研究者和建设者的义务。为此，作者所在的课题 组从日本购买了部分高强聚脂纤维进行本应用课题的研究，欲通过在喷射混凝 土、公路混凝土和常态混凝土等常用的几种混凝土中对高强聚脂纤维的增强性能 进行系统的试验研究，以定量分析高强聚脂纤维对混凝土的力学性能的提高和改 善的幅度。同时，试验研究中还增加了相当数量的同等掺量的钢纤维和一定掺量 的聚丙烯微纤维的对比试验内容。 1 3 论文的研究内容 本论文研究的主要内容和采用的主要方法为：通过在上述几种混凝土中重复 进行力学性能的试验，来重点考察不同掺量的高强聚脂纤维的混凝土与空白混凝 土相比在抗弯强度、抗拉强度( 劈裂) 、弯曲韧度、抗压强度等项力学指标的提高 幅度。并对混凝土的极限拉伸值、抗冲击性、抗冲耐磨及耐久性等项指标也进行 第一章绪论 一定数量的考察试验。与此同时，成果与相同掺量的钢纤维混凝土和不同掺量的 聚丙烯微纤维混凝土的力学指标进行对比分析，计算结果作为评定高强聚脂纤维 增强和增韧效应优劣的依据，为在水工混凝土中应用高强聚脂纤维的可能提供理 论依据。在比较这几种纤维对混凝土的增强和增韧效应的同时，论证高强聚脂纤 维取代钢纤维的可能性。 本论文中采用的试验方法按照“水工混凝土试验规程 及其它相关的试验规 程进行。 第二章原材料物理力学性能的试验研究 第二章原材料物理力学性能的试验研究 纤维混凝土共涉及纤维、水泥、人工砂石料、减水剂和速凝剂、粉煤灰和硅 粉等几种原材料。本章首先对试验中涉及的原材料进行试验研究，探明它们的物 理力学属性，为掺入纤维的混凝土试验研究奠定基础。 2 1 纤维材料的试验研究 试验采用纤维材料主要有高强聚脂纤维、钢纤维、聚丙烯纤维，试验主要研 究它们的物理力学性能和高强聚脂纤维的抗老化性能。 2 1 1 试验方法 纤维材料的抗拉强度试验为常规的材料力学试验，本次研究不再赘述。 由于人们对高分子材料的耐老化性能存在疑虑，因此，对于纤维材料需进行 抗老化性能试验。虽然紫外线在太阳光中只占5 ，但它是绝大部分高分子材料 老化的主要原因。 聚脂纤维老化试验参照国家标准g b 9 3 4 4 9 8 用塑料氙灯光源曝露试验方 法，用人工方法模拟和强化在自然气候中受到的光、热、氧、湿气、降雨为主 要老化破坏的环境因素，特别是光，以加速其老化。 本次试验的老化条件为：紫外线辐射强度为0 3 w m 2 ，温度为6 5 0 c ，每2 h 内喷去离子水1 8 r a i n ，耐老化时间为1 0 0 0 h 。 对于冻融试验，试验条件为在温度范围为1 8 0 c 8 0 c ，循环次数为5 0 次。 对于耐酸、碱试验，酸、碱分别为1 m 的n a o h 和h c l ，浸泡4 8 h 。 本次试验的试验设备主要有：i n s t r o n8 5 0 1 电液伺服万能试验机、a t l a sc i 3 0 0 0 人工气候老化仪、全自动冻融试验机、s r s 3 4 0 0x 射线荧光光谱仪、j c 一1 0 读数显微镜等。 2 1 2 纤维材料的试验成果 本次试验选取的聚脂纤维平均长度为3 0 m m ，平均直径为o 7 1 m m 。试验成 果见表2 1 。 第二章原材料物理力学性能的试验研究 表2 - 1 聚脂纤维物理力学性能 测试内容性能 抗拉强度 伸长率 弹性模量 抗酸( 抗拉) 强度保存率 抗碱( 抗拉) 强度保存率 抗冻融( 抗拉) 强度保存率 纤维抗老化系数 纤维水泥净浆抗老化系数 熔点 比重 长径比 5 2 3m 旧a 2 1 3 8 2 0 8 g p a 9 9 1 9 8 5 9 6 8 7 0 1 7 8 3 8 1 5 2 4 6o c 1 3 6 4 2 本次试验的钢纤维平均长度为3 5 8 m m ，平均直径为0 5 4 m m 。钢纤维为上海 贝卡尔特一二钢有限公司生产。 表2 - 2 钢纤维物理力学性能 测试内容性能 抗拉强度 伸长率 弹性模量 长径比 1 1 2 0 m p a 4 4 2 1 0 g p a 6 6 本次试验用聚丙烯纤维由四川华神化学建材有限公司生产。纤维平均长度为 18 7m m ，平均直径为0 0 5 7 m m 。 表2 - 3 聚丙烯纤维物理力学性能 测试内容性能 抗拉强度 伸长率 弹性模量 比重 长径比 5 1 0 咿a 1 2 2 0 3 6 g p a 0 9 l 3 3 0 9 第二章原材料物理力学性能的试验研究 2 2 其它材料的试验结果 使用滇西水泥厂生产的“上登”牌普通硅酸盐4 2 5 水泥，出厂编号为j 4 0 2 9 6 ， 物理检验合格，成果列入表2 _ 4 ： 表2 4 水泥物理性能试验成果及化学成分 人工砂石料：均以母岩为片麻花岗岩作原料生产，物理检验成果列入表2 5 表2 5 砂石料物理试验成果 砂子 5 1 6 石子 5 2 0 石子 2 0 4 0 石子 2 9 1 3 8 5 1 4 0 4 o 4 o 2 0 o o ， 0 2 7 2 0 2 7 3 0 2 7 3 0 2 7 2 0 1 6 5 0 1 5 4 0 1 5 5 0 1 5 2 0 3 9 4 4 4 3 4 4 1 1 0 1 0 o 4 7 6 8 o | 种类 5 衄2 5 r a m1 2 5 7 计筛0 6 3 余率r a m 慌o 3 1 5 0 1 6 r a m 筛底 砂子 1 0 3 6 4 8 6 57 88 71 0 0 ( 孔径) 4 0 m m3 1 5 m m 2 5 r a m2 0 m m1 6 r a m1 0 m m5 m m 筛底 5 ；挲 fif3 5 09 0、 5 石 - - 子2 0 4 4 68 59 01 0 0 2 1 0 54 68 31 0 0 减水剂和速凝剂：使用山西运城外加剂有限公司生产的y s p a 高分子高效减 水剂和y s p b 液体速凝剂，检验成果见表2 - 6 ： 第二章原材料物理力学性能的试验研究 o 5 d l 广r 5 l o o - 1 9 9 9 标准 1 8 40 41 9 4+ 7 3+ 7 51 9 72 0 1 1 7 4 1 5 1 3 0 _ 1 2 5 1 2 0 速凝剂掺量粥初凝时间m i n终凝时间r a i nl d 抗压强度m p a 3 d l t 5 l o o 1 9 9 9 标准 2 5 7 5 粉煤灰和硅粉：粉煤灰为云南宣威电厂一级灰，硅粉由成都大山环保有限责 任公司生产，其物理检验成果和化学成分列入表2 7 中： 表2 7 粉煤灰、硅粉物理检验成果和化学成分 2 3 小结 本章简要介绍了纤维混凝土各原材料的物理力学性能，对于进一步研究纤维 混凝土的力学性能和抗冲、耐久性具有重要的参考作用。 第三章掺纤维混凝土物理力学性能的试验研究 第三章掺纤维混凝土物理力学性能的试验研究 本章将对掺纤维混凝土的物理力学性能进行试验研究。 根据拟订的研究范围，混凝土的试验分为喷射混凝土、公路混凝土和常态混 凝土( 包括c 3 0 和c 6 0 ) 三个部分。为了减少石子粒径对纤维增强效应的影响， 除公路混凝土为了比较不同石子粒径的效应而部分使用二级配( 5 - 2 0 m m 和 2 0 - - - 4 0 r a m ) 混凝土试验外，其余均采用5 1 6 m m 或5 - 一2 0 m m 的一级配混凝土。 同时，为减少对试验的影响因素和便于分析比较，掺纤维混凝土的配比组成均与 空白混凝土相同，仅为了保持相近的和易性，掺纤维的混凝土通过增加减水剂的 掺量调整坍落度( 理论上减水剂的掺量变化对混凝土的力学性能无影响) 。纤维 的掺量按体积率计算，即纤维掺量( k g m 3 ) = 1 0 0 0 体积率纤维比重。试验成 果中以”p e r 代表高强聚脂纤维、“s f ”代表钢纤维、“p p ”代表聚丙烯微纤维。 成果表中除抗压强度等注明试验龄期外，其余未注的试验龄期均为2 8 天。 3 1 试验方法 3 1 1 力学性能的试验方法 力学性能试验采用混凝土试件进行，以掺加纤维前后混凝土力学性能的变化 评定纤维作用。抗压强度和劈拉强度采用1 0 0 m m x l 0 0 m m x l 0 0 m m 混凝土试件， 在n y l - - 2 0 0 0 型液压机上按照国标( g b j 8 1 - - 8 5 ) 进行测定；抗弯强度及荷载 一挠度曲线采用1 0 0 m m x l o o m m x 5 1 5 m m 混凝土试件，在i n s g o n8 5 0 1 实验机上 根据a s t m c l o l 8 进行测定；抗弯韧性指数同样按a s t mc 1 0 1 8 进行计算；抗 冲强度采用10 m m x 2 0 m m x 8 0 m m 试件，在x c j 5 0 抗冲试验机上进行测定。 3 1 2 抗冲磨试验方法 抗冲磨试验仿照a s t mc 1 0 1 3 8 - - 8 9 方法进行，该方法为模拟高速夹沙水流 对过流面冲磨破坏而设计，由1 4 0 0 f r a i n 转速的叶轮带动水和7 0 个大小不等的 钢球摩擦试件表面7 2 h ，根据冲磨后试件的失重来计算混凝土抗冲磨强度。抗冲 磨强度按下式计算 r 咖：昙 ( 3 1 ) 第三章掺纤维混凝土物理力学性能的试验研究 式中，为抗冲磨强度，即单位面积上被磨去单位重量所需的时间( h ( k g - m 2 ) ) ；t 为试件累计的持续时间( h ) ；q ，为经t 时段冲磨后，试件损失的 累计重量( k g ) ；a 为试件的受磨面积( m 2 ) 。 采用落锤法进行抗冲击性试验，先拌和混凝土，用2 0 m m 筛湿筛后成型试件， 标准养护2 8 d 后进行试验，冲击锤2 0 k g ，下落高度h = 9 0 0 m m ，测试时，冲击 锤中心线与试件中心线对齐，冲击锤自由落下，依据a c l 5 4 4 委员会推荐的方法 计算冲击能量。 3 2 掺纤维喷射混凝土的试验结果 根据喷射混凝土的施工实际，高强聚脂纤维在喷射混凝土试验的掺量确定为 0 4 5 、0 5 8 和0 7 1 ，主要与同等掺量的钢纤维和空白的c 3 0 湿喷混凝土进 行对比试验。喷射混凝土的拌和采用常态混凝土的拌和方法，不同之处仅是除速 凝剂在拌和物试验完成后才加入。强制式搅拌机拌和1 2 0 秒，混凝土拌和物出机 后检测坍落度等指标，随即加入液体速凝剂人工快速翻拌3 0 秒至均匀，装模后 在l m 2 振动台上边振动6 0 秒边抹面，然后静置至拆模和养护、试验。采用该法 进行喷射混凝土试验的优点是可准确控制试块的配合组成波动不大，以减少试验 误差，不足之处在于成型试块的密实程度与实际喷射的混凝土稍有差异( 实践证 明差异不大) ，但对混凝土试验成果分析精度的影响不大。所用c 3 0 湿喷混凝土 的配合比见表3 1 ，力学指标成果列入表3 2 中： 表3 1c 3 0 喷射混凝土试验配合比表 水灰砂率 每方材料用量k g 减水纤维坍落 容重 n o 速凝剂掺掺量度 比* 4水水泥 砂子石子k g m 3 剂 量c m k lo 46 51 9 54 8 81 0 9 05 8 71 4 6o 602 1 62 3 5 4 n 0 k 2k 3k 4k 5k 6k 7 纤维种类 p e t p e t p e ts f s fs f 体积掺量 0 4 5o 5 80 7 10 4 50 5 8o 7 l 掺重k g m 3 6 3 8 1 9 9 3 54 55 5 减水剂掺量 o 70 7o 7o 7 0 7 o 7 坍落度e r a 2 2 02 3 22 1 71 9 91 9 61 8 3 容重k 咖3 2 3 4 22 3 5 0 2 3 4 52 3 5 42 3 5 02 3 5 6 第三章掺纤维混凝土物理力学性能的试验研究 表3 2 韧性指标和力学性能试验成果表 n 0 k lk 2飚k 4k 5k 6k 7 纤维体积掺量 0p e t o 4 5p e t 0 5 8p e t o 7 1s f o 4 5s f 0 5 8s f 0 7 1 弯曲t 1 53 3 83 3 l3 4 62 9 53 7 l3 8 43 9 0 韧性 1 1 1 0 5 0 75 o o5 2 l4 3 86 8 27 1 57 5 3 指数 1 1 3 0 7 8 69 1 09 6 4 8 6 31 9 6 72 0 7 02 2 6 8 韧度系数 1 3 9 02 0 5 02 2 。1 5 2 1 2 36 4 2 56 7 7 87 5 7 4 l u 0 1 0 等效抗弯强度 0 4 61 0 8 1 3 01 4 23 4 34 0 84 4 8 愿缸) a 抗弯强度m p a 3 9 53 9 44 1 74 0 6 4 4 25 0 84 9 4 抗拉强度m p a2 5 62 6 03 1 93 0 73 1 93 5 83 2 8 l d1 3 51 4 71 4 11 3 81 3 81 3 91 2 6 3 d2 9 23 1 6 2 9 43 1 13 0 23 2 o2 9 6 抗压 7 d2 9 82 8 93 0 33 4 63 1 23 6 33 1 5 强度 2 8 d3 7 23 8 83 7 o3 8 53 8 8 4 2 33 9 1 m p a 6 0 d4 4 24 5 7 4 4 。94 7 94 8 34 8 。54 8 。6 9 0 d5 1 65 2 25 3 05 1 85 5 15 5 65 0 7 注：韧度系数r 3 0 1 0 也称剩余强度因子 从表3 2 的试验成果计算的纤维加入后与对喷射混凝土2 8 天龄期的韧性指 标弯曲韧性指数t l3 0 、韧度系数r 3 0 1 0 、等效抗弯强度的改善作用示于图 3 1 的a 、b 、c 中，对喷射混凝土2 8 天龄期的力学指标抗弯强度、抗拉强度、 抗压强度改善作用示于图3 2 的a 、b 、c 中，均以未掺纤维的空白喷射混凝土的 成果为l 进行分析比较。 第三章掺纤维混凝土物理力学性能的试验研究 图3 1 掺纤维喷射混凝土结果对比 1 5 第三章掺纤维混凝土物理力学性能的试验研究 图3 2 掺纤维喷射混凝土结果对比 1 6 第三章掺纤维混凝土物理力学性能的试验研究 从表4 2 的试验成果和图4 1 、4 2 的计算分析可以得出高强聚脂纤维和钢纤 维掺入喷射混凝土中后，对韧性指标和力学指标均有改善作用，作用的大小与纤 维的种类和掺量有关，定量分析如下： ( 1 ) 对于韧性指数r l3 0 ，高强聚脂纤维在体积掺量0 。4 5 0 。7 1 范围里 比空白混凝土分别提高1 0 - - 2 3 ，其中0 5 8 掺量的效果较佳，但低于同体积 掺量钢纤维的1 5 0 1 8 9 ； ( 2 ) 对于韧度系数r 3 0 1 0 ，高强聚脂纤维在体积掺量0 4 5 0 7 1 范围 里比空白混凝土分别提高4 7 5 9 ，其中0 5 8 掺量的效果较佳，但低于同体 积掺量钢纤维的3 6 2 4 4 5 ； ( 3 ) 对于等效抗弯强度，高强聚脂纤维在体积掺量0 4 5 - - 一0 7 1 范围里 比空白混凝土分别提高1 3 5 - 2 0 9 ，其中0 7 1 掺量的效果较佳，但低于同体 积掺量钢纤维的6 4 6 8 7 4 ； ( 4 ) 对于抗弯强度，高强聚脂纤维在体积掺量0 4 5 0 7 1 范围里比空 白混凝土分别提高0 6 ，其中0 5 8 掺量的效果较佳，但低于同体积掺量钢纤 维的1 2 2 9 ； ? ( 5 ) 对于抗拉强度，高强聚脂纤维在体积掺量0 。4 5 - - 0 。7 1 范围里比空 白混凝土分别提高2 , - - - 2 5 ，其中0 5 8 掺量的效果较佳，但低于同体积掺量 钢纤维的2 5 4 0 ； ( 6 ) 对于2 8 天抗压强度，高强聚脂纤维和钢纤维的掺入后与空白混凝土相 比均有少量的增长，但涨幅较小仅有0 4 ，接近试验误差。 3 3 掺纤维公路混凝土试验结果 公路混凝土的试验内容分别为高强聚脂纤维和钢纤维各0 6 、0 9 、1 2 三种常用的掺量，以及聚丙烯微纤维的0 0 7 、o 1 、0 1 3 掺量，并与空白的 混凝土进行对比试验。通过力学性能抗弯强度、抗拉强度( 轴拉和劈拉) 、抗 压强度、极限拉伸值、抗拉弹模、抗冲击、抗冲耐磨等的提高幅度对各种纤维的 增强效应作定量分析。同时，还增加了适量的韧性指标试验。因混凝土中石子的 最大粒径对纤维的增强效应有影响，故该部分试验以5 - - 2 0 m m 小石一级配混凝 土为主，以工程实际常用的二级配混凝土为辅相互补充比较。( 二级配混凝土采 用5 5 0 1 5 0 1 5 0 m m 的标准试模，仅比较抗弯强度、抗拉强度和抗压强度。而 一级配混凝土采用4 0 0 x1 0 0 l o o m m 的试模，并按规定的系数进行折算) 两种 混凝土的配合比及试验成果分别列于表3 3 和表3 4 中。 第三章掺纤维混凝土物理力学性能的试验研究 表3 3 一级配公路混凝土配合比及试验成果 每方材料用量k g 水灰比砂率瞄 水 水泥砂子 石子 o 4 44 21 6 03 6 67 9 51 0 9 9 n o k 2 6k 2 7k 2 8怼9硒o硒l硒2硒3k 3 4硒5 体积掺 p e tp e tp e ts fs fs fp pp pp p 0 纤维量 o 6o 91 2o 6o 91 2o 0 7o 1 0o 1 3 种类用量 o8 41 2 61 6 84 77 09 40 6 40 9 l1 1 8 k e d m 3 减水剂掺量 o 5o 6o 6 50 7o 6o 6 5o 70 60 6 50 7 坍落度e r a 3 6 3 31 82 42 1o 8o 73 87 66 8 容重k g m 3 2 4 3 32 4 1 72 4 2 82 4 3 42 4 7 82 4 8 72 5 0 12 4 5 32 4 4 32 4 3 0 抗弯 3 d3 8 24 2 94 0 84 - 3 54 6 65 4 86 1 23 8 93 9 54 0 4 强度7 d4 6 55 1 05 6 54 8 44 9 75 5