（水利工程专业论文）聚丙烯纤维混凝土（砂浆）物理力学性能试验研究.pdf

郑州大学硕士学位论文摘要 摘要 混凝土是工程中用量最多的建筑材料，也是最主要的结构材料，但混凝土存 在着一些固有的缺陷，改善混凝土的性能尤为必要。聚丙烯纤维是一种能使混凝 土性能得到提高的新型合成材料。本文以聚丙烯纤维的掺量和长度为变化参数， 对聚丙烯纤维水泥砂浆抗裂性能、聚丙烯纤维混凝土物理力学性能及抗冻性能进 行了试验研究，以探索聚丙烯纤维对混凝土性能的影响规律。 1 、制作了7 个尺寸为6 0 0 m m 6 0 0 m m 4 0 m l n 的水泥砂浆试件，观测试件 的裂缝的变化特征，以试验结果为依据，分析了聚丙烯纤维掺量和长度对水泥砂 浆初裂时间、裂缝宽度和面积的影响规律，研究了聚丙烯纤维对裂缝出现和开展 的影响机理。研究结果表明，聚丙烯纤维对砂浆试件的初裂时间起延缓作用，并 对已有裂缝产生明显的抑制作用，有效地提高水泥砂浆的抗裂性能。 2 、制作了3 0 个尺寸为1 0 0 m m 1 0 0 m m 1 0 0m m 和3 5 个1 0 0 m m 1 0 0 m m 4 0 0n i l t i 的混凝土试件，对成型试件2 8 d 的抗压强度、劈拉强度、抗弯强度和 抗剪强度等基本力学指标进行了测试。在试件制作过程中还进行了混凝土拌和物 和砂浆的稠度测试。以试验结果为依据，分析了聚丙烯纤维对混凝土拌和物和砂 浆的稠度、混凝土的强度和韧性影响机理，探讨了相应的的影响规律。试验表明， 聚丙烯纤维对混凝土拌和物和砂浆具有增稠作用，对混凝土有增强、增韧作用。 3 、制作了4 2 个尺寸为1 0 0 r a m 1 0 0 m m 4 0 0 i n l n 的混凝土试件，冻融循环 5 0 次、1 0 0 次和1 5 0 次后，测试试件的重量、动弹性模量及抗压强度、劈拉强度、 抗折强度等基本力学性能。以试验结果为依据，分析了聚丙烯纤维对冻融后混凝 土重量、动弹性模量、强度以及韧度的影响及机理。试验表明，聚丙烯纤维可以 改善混凝土的抗冻融能力。 关键词：聚丙烯纤维纤维混凝土抗裂性能力学性能抗冻性能 a b s t r a c t t h ec o n c r e t ei sak i n do f b u i l d i n gm a t e r i a lu s e da tm o s ti nt h ee n g i n e e r i n g ，a n di t i sa l s ot h em a i nc o n s t r u c t i o nm a t e r i a l b u tt h ec o n c r e t eh a ss o m ei n h e r e n td e f e c t s t h ei m p r o v e m e n to fc o n c r e t ep r o p e r t i e si sv e r yn e c e s s a r y t h ep o l y p r o p y l e n e ( p p ) f i b e ri san e ws y n t h e t i cm a t e r i a lf o ri m p r o v i n gt h ec o n c r e t ep r o p e r t i e s i nt h i sa r t i c l e ， t h ee f f e c t so fp pf i b e ro nt h ep r o p e r t i e s o fa n t i - c r a c k i n ga b o u tt h ec e m e n t m o r t a r ，p h y s i c s ，r e e c h o e sa n da n t i - f r o s to fc o n c r e t ew a sd i s c u s s e db yc h a n g i n gt h e p pf i b e rl e n g t ha n dt h ep pf i b e rw e i g h ti nu n i tv o l u m e t h er e g u l a t i o n so fp pf i b e r r e i n f o r c e dc o n c r e t ew e r ei n v e s t i g a t e d 1t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc r a c kw a sm e a s u r e dt h r o u g h7s p e c i m e n so fp pf i b e r c e m e n tm o r t a rw i t ht h es i z eo f6 0 0 m m x 6 0 0 m m x 4 0 m m i nt e r m so ft h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s ，t h ei n f l u e n c i n gr e g u l a t i o no ft h ep pf i b e rl e n g t ha n dt h ep pf i b e rw e i g h ti n u n i tv o l u m eo nt h ee a r l yc r a c kt i m e ，t h ec r a c kw i d t ha n dt h ec r a c ka r e aw a sa n a l y z e d t h em e c h a n i s mo fp pf i b e ri n f l u e n c i n gc r a c kw a ss t u d i e d t h es t u d yr e s u l t ss h o wt h a t p pf i b e rc a np o s t p o n et h ei n i t i a lc r o c kt i m ea n di m p r o v et h ep r o p e r t yo fc e m e n t m o r t a ra n t i c r a c k i n g e v i d e n t l y 2 t h eb a s i cm e c h a n i c a li n d e xs i g ns u c ha sc o m p r e s s i v es t r e n g t h ，s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n g t h ，f l e x u r a ls t r e n g t ha n ds h e a rs t r e n g t ho fp pf i b e rc o n c r e t ew a s m e a s u r e dt h r o u g h3 0c o n c r e t es p e c i m e n sw i t ht h es i z eo fl o o m m x l 0 0 m m x l 0 0 m m a n d3 5c o n c r e t es p e c i m e n sw i t ht h es i z eo f1 0 0 r a m 1 0 0 m m x 4 0 0 m m i nt h ep r o c e s s o f p o u r i n gs p e c i m e n s ，d e n s ed e g r e e o fc o n c r e t e m i x t u r ea n dm o r t a rw e r e m e a s u r e d i nt e r m so ft h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h em e c h a n i s mo fp pf i b e r i n f l u e n c i n gd e n s ed e g r e e o fc o n c r e t em i x t u r ea n dm o r t a r ，c o n c r e t ei n t e n s i t ya n d t o u g h n e s sw e r ea n a l y z e d ，t h er e l a t e dr e g u l a t i o n sw a ss t u d i e d t h es t u d yr e s u l t ss h o w t h a tp pf i b e rc a ni n c r e a s et h ed e n s ed e g r e eo fc o n c r e t em i x t u r ea n dm o r t a ra n d i m p r o v e t h ec o n c r e t ei n t e n s i t ya n dt o u g h n e s s 3 4 2c o n c r e t es p e c i m e n sw i t ht h es i z eo fl o o m m x1 0 0 m m 4 0 0m mw e r e i i z h e n g z h o uu n i v e r s i t y m a s t e r d i s s e r t a t i o n a b s t r a c t m a d e a f t e r t h e f r e e z e - t h a w c i r c u l a t i o n s ( 5 0 ，1 0 0 ，1 5 0 t i m e s ) ，t h e w e i g h t d y n a m i c m o d u l u sa n dt h eb a s i cm e c h a n i c a lp r o p e r t ys u c ha sc o m p r e s s i v es t r e n g t h ，s p l i t t i n g s t r e n g t ha n df l e x u r a ls t r e n g t ho ft h es p e c i m e n sw e r et e s t e d i nt e r m so ft h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h em e c h a n i s mo fp pf i b e r i n f l u e n c i n g l o s so ft h e w e i g h t ，d y n a m i cm o d u l u s ，i n t e n s i t y a n dt o u g h n e s so fc o n c r e t ew e r ea n a l y z e d ，t h e r e l a t e d r e g u l a t i o n sw a ss t u d i e d ，a f t e rf r e e z e t h a wc i r c u l a t i o n s t h es t u d yr e s u l t s s h o wt h a tp pf i b e rc a ni m p r o v et h ef r o s t - r e s i s t i n g p r o p e r t yo f c o n c r e t e k e y w o r d ：p pf i b e r ；f i b e r c o n c r e t e ；a n t i c r a c k i n gp r o p e r t y ； m e c h a n i c a l p r o p e r t y ；a n t i f r o s tp r o p e r t y i i i 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没 有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿 意承担由此产生的一切法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ： 2 0 0 5 年5 月2 5 日 郑州人学硕士学位论文第一章引言 第一章引言 摘要：本章简要介绍了纤维混凝土的概念、基本特征、发展历史、国内外研究和应用现状。 重点对聚丙烯纤维混凝土的研究和应用现状及其研究意义做了论述，进而提出了本 文的研究工作。 关键词：聚丙烯纤维；纤维混凝土 1 1 纤维混凝土的发展概况 1 1 1 纤维混凝土的概念 水泥混凝土材料是当代最重要的应用最广泛的建筑材料，它具有易成型、能 耗低、耐久性好、价格便宜以及与钢筋结合可制成各种承重结构等优点。但混凝 土存在一些固有的缺陷，如脆性大、易于塑性干缩开裂、抗拉强度低、韧性差等， 特别是高强混凝土脆性显著，塑性明显下降，严重地限制了在工程中的使用范围。 因此，采取一定措施提高混凝土的性能显得十分重要。 纤维混凝土是在对混凝土改性过程中应运而生的。所谓纤维混凝土是以水泥 净浆、砂浆或混凝土作基材，以非连续的短纤维或连续的长纤维作增强材所组成 的水泥基复合材料的总称。尽管在通常场合下所说的混凝土大多是指以水泥作为 基材的建筑材料，即水泥混凝土，但是广义概念下的混凝土并未指定必须由水泥 作为粘结材料。例如以沥青为粘结材料，辅以石渣或石子制成的混凝土称为沥青 混凝土。在沥青混凝土中掺入适量的纤维，即成为沥青纤维混凝土。纤维混凝土 是纤维与混凝土的复合体，是一种可最大限度地发挥出各种材料独自特性并赋予 整体以单一材料所不具备的优良特性的多相复合材料。混凝土本身就是一种复合 材料，纤维混凝土只不过是在混凝土的各种原有组分中又增加了一种组分而已。 在普通混凝土中掺加纤维体现了复合材料设计的思想，既保留了混凝土原有的高 抗压性的特点，又能大大提高混凝土制品的内在品质，改善了混凝土的综合性能， 使之更能符合新型建筑材料的要求。 工程中所用纤维按其材料性质分为以下三种： 郑州大学硕士学位论文第一章引言 ( 1 ) 金属纤维如钢纤维、不锈钢纤维。 ( 2 ) 无机纤维主要有天然矿物纤维( 温石棉、青石棉、铁石棉) 、人造矿物纤 维( 抗碱玻璃纤维及抗碱矿棉等) 和碳纤维等。 ( 3 ) 有机纤维。主要有合成纤维( 聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、尼龙、芳族聚 酞亚胺等纤维) 和植物纤维( 西沙尔麻、剑麻、黄麻、象草等) 。 目前工程中常用的纤维混凝土有：钢纤维混凝土( s f r c ) 、玻璃纤维混凝土 ( o 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 ) 。 1 1 2 纤维混凝土的发展历史 混凝土或砂浆中的纤维增强原理在人类历史中早有应用，在混凝土中掺加纤 维以便改善其性能的想法早于水泥混凝土的问世。在我国民间，建造房屋时，在 泥巴当中掺入稻草、用黄土白灰拌合起来抹墙砌砖时掺入麻刀等利用的就是这个 道理。稻草、麻刀是典型的植物纤维，另外还有猪鬃、头发、纸屑、棉絮等，几 乎所有的纤维都曾经被用作增强建筑材料的试验品。自从人类开始使用水泥混凝 土作为建筑材料以来，始终在探索纤维对混凝土的增强改性规律。 钢纤维混凝土晟早出现是在1 8 4 9 年，法国花匠莫尼尔( 1 8 2 3 1 9 0 6 ) 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 年法国工程师用细铁 条增强水泥，制成一艘水泥船并获得专利。1 9 0 1 年美国人p o r t e r 发表了有关钢 纤维混凝土的第一篇论文，1 9 1 0 年p o r t e r 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研究与应用。到 四十年代，由于军事工程的需要，美、英、法、德、日相继开展了纤维混凝土的 研究，获得了一些专利，但进展并不大，因为这些研究和专利几乎都没能说明纤 维对于混凝土的增强机理。纤维混凝土真正进入实用化研究是在上个世纪六十年 代初。1 9 6 3 年，美国人r o m u l d i 发表了钢纤维约束混凝土裂缝发展机理的研究 报告，才使这项研究真正进入一个新的发展时期。1 9 6 6 年，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) 。到了七十年代，不但钢纤维混凝土的 研究发展很快，而且碳纤维、玻璃纤维、石棉等高弹纤维混凝土，尼龙、聚丙烯、 植物等低弹纤维混凝土的研制也引起了各国学者的关注。1 9 7 3 年，在加拿大渥 太华，由美国a c l 5 4 4 委员会举办了第一次纤维混凝土国际性会议，而后于1 9 7 5 郑州大学硕士学位论文第一章引言 年、1 9 7 8 年在英国伦敦又相继召开了纤维混凝土的国际性学术讨论会。近些年 来，许多国家对纤维混凝土进行了研究和应用。现在已有美国( 1 9 8 5 ) 、日本( 1 9 8 5 ) 、 西班牙( 1 9 8 7 ) 、荷兰( 1 9 8 8 ) 、澳地矛l j ( 1 9 8 8 ) 、德国( 1 9 9 1 ) ( 1 9 9 2 ) 、l p , 币i j 时( 1 9 9 3 ) 、法 国( 1 9 9 3 ) 、英国( 1 9 8 8 ) 、( 1 9 9 4 ) 等国家制定了有关纤维混凝土的标准或设计规范。 2 0 世纪6 0 年代中期，o o l d f e i n 使用合成纤维作水泥砂浆增强材料进行研究， 发现尼龙、聚丙烯与聚乙烯等纤维有助于提高砂浆的抗冲击性。z o l l o 等人的实 验结果表明，若在混凝土中掺加体积率为0 1 0 3 的聚丙烯纤维时，可使混 凝土的塑性收缩减少1 2 2 5 。 2 0 世纪7 0 年代初，美、英等国开始将聚丙烯单丝纤维用于一些混凝土制品 与工程中，所用纤维的直径与钢纤维相近( 0 2 2 0 2 5 m m ) ，纤维的体积率为0 5 左右。2 0 世纪7 0 年代中期美国成功地开发了聚丙烯膜裂纤维( f i b r i l l a t e d p 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 6 2 9 m ，使用此种纤维不仅有助于降低单丝的直径，并且还可使纤维体 积率减少至0 1 0 2 。2 0 世纪8 0 年代初，美国若干公司通过表面处理技术 成功地开发了可均匀分布于混凝土中的直径为2 3 6 2 9 i n 的聚丙烯、尼龙等单丝 纤维，在纤维体积率为o 0 5 0 2 时即有明显的抗裂与增韧效果。近十几年来， 美国与加拿大己在混凝土工程中广泛使用加有低掺率合成纤维( 聚丙烯单丝、聚 丙烯膜裂纤维与尼龙纤维等) 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。 在美国，纤维混凝土被大量使用于地下工程防水、工业和民用建筑的屋面、 墙体、地坪、水池、道路以及桥梁等工程中。以美国希尔兄弟化工公司生产的杜 拉纤维( d u r a f i b e r ) 为例，从诞生至今只有2 0 多年，却在美国、加拿大、澳大 利亚、日本、韩国、墨西哥以及东南驱的混凝土工程中得到了相当广泛的应用， 其销量的稳定增长充分说明了高科技建筑材料无法低估的商业价值。 1 1 3 纤维混凝土在中国的发展概况 在中国，纤维混凝土的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。中国土木工程学会纤维水泥与纤维混凝 土委员会于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。 郑卅l 大学硕士学位论文第一章引言 此后在哈尔滨( 1 9 8 8 ) 、武汉( 1 9 9 0 ) 、南京( 1 9 9 2 ) 、南海( 1 9 9 4 ) 、重庆( 1 9 9 6 ) 、 井冈山( 1 9 9 8 ) 、济南( 2 0 0 0 ) 、郑州( 2 0 0 2 ) 及上海( 2 0 0 4 ) 又先后召开了纤维 水泥与纤维混凝土学术会议，并于1 9 9 7 年1 1 月在广州召开了国际纤维混凝土学 术会议。1 9 8 7 年出版的混凝土实用手册( 第1 版) 中已有”纤维混凝土“章节， 其中列出了增强水泥基材所用纤维如金属纤维、无机纤维和有机纤维，这说明中 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，当时没有投入大规模的工程实践。 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。1 9 9 8 年5 月1 5 同，由国家建设部科技发展促进中心主办、香港恒律发展有限公司协办的“美国 杜拉纤维技术研讨会”在北京举行，北京、重庆、广州、郑州、唐山等地科研、 设计及施工单位的数十位专家出席了会议。同年6 月2 6 目，建设部科技发展促 进中心以( 9 8 ) 建发信便字第0 7 号文向全国各省市建设科技推广中心( 站) 印 发美国杜拉纤维技术研讨会纪要，由此打开了纤维混凝土应用的新局面。 在中国工程界应用合成纤维混凝土的局面正在形成。2 0 0 0 年1 0 月，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 0 年1 2 月，宁波自溪水库二期工程采用聚丙烯纤维混凝土浇 筑面板坝获得成功，总共浇筑面板3 3 块，混凝土浇筑量近1 0 ，0 0 0 立方米。不仅 为提高白溪水库面板堆石坝的质量和耐久性起到了重要的作用，也是我国水工混 图1 1 1 聚丙烯纤维混凝土应用举例 4 郑州大学硕士学位论文 第一章引言 凝土技术的一项具有创新意义的突破。2 0 0 1 年1 1 月6 曰，北京市建委城建科 技促进会组织召开了合成纤维混凝土工程应用防渗抗裂技术交流会。到目前为 止，中国境内已经出现了许多个可应用于纤维混凝土的合成纤维生产厂家，虽然 产品质量、生产规模尚有待提高，但这些都充分说明了中国土木工程界对于纤维 混凝作用的肯定，以及对于发展纤维混凝土的热情。可以预见，纤维混凝土在 中国工程界应用的新高潮正在到来。 1 2 混凝土对纤维的要求 为使纤维对混凝土真正起到增强改性作用，而不对混凝土的品质产生不良影 响，工程用纤维必须满足下列要求： ( 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。玻璃纤维、矿棉与大多数植物纤维 缺乏足够的耐碱能力，于是转而要求所用水泥基体具有低碱度，以防止或减少基 体对纤维的化学侵蚀，这是纤维混凝土早期发展过程中由于纤维材料的限制所出 现的不得已的局面。随着合成纤维技术的飞速发展，各种化学性能稳定、能满足 纤维混凝土要求的纤维材料相继问世，那些化学性能欠稳定的纤维材料将退出历 史舞台。要求纤维具有高度的化学稳定性的另一个原因，是要保证纤维以物理的 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 ) 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 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。 有些纤维在某些方面可能具有相当令人振奋的特点，但是如果这种纤维在水泥基 体中难以分散，那么它的推广就只能停留在实验室的水平上。没有良好分散性的 纤维必定缺乏在实际工程中应用的可能性。纤维的分散性是纤维最关键的指标， 目前国内有许多单位在研究生产用于纤维混凝土的纤维产品，但是大多数产品的 内在质量，尤其是在纤维的分散性方面比较欠缺，这是国内厂家亟需突破的关键 问题。 ( 3 ) 较高的抗拉强度和较大的变形能力。纤维在混凝土中要发挥作用，必 郑州大学硕士学位论文第一章引言 须具有比较高的抗拉强度和较大的变形能力。与水泥基体相比，抗拉强度至少要 高出两个数量级，极限延伸率至少要高出一个数量级。 ( 4 ) 高粘结强度。纤维与水泥基体的界面粘结强度一般不应低于1 m p a 。 宏观地说，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，还受到 纤维表面形状和粗糙程度的影响。但值得注意的是，纤维的外观形状以及表面光 洁度可能影响纤维在混凝土中的分散性。由于纤维混凝土中所采用的大多数合成 纤维都比较细，过分刻意地强调所谓纤维的截面形状并无益处。另外，由于表面 张力的存在，过分复杂的截面形状可能还会产生某些无法预见和控制的负面作 用。 ( 5 ) 粗细适度。掺入混凝土中的纤维，其长度与直径的比值( 简称为径 比) 大于临界值时才能对水泥基体产生明显的增强效应。这就是说，纤维要有一 定的长度，而且不能太粗。在均匀分散的前提下，纤细而挺实的纤维具有更好的 抗裂增强性能。当然，纤维也不是越细越好，因为过细的纤维在混凝土中可能容 易结成纤维球团，起不到增强作用。 ( 6 ) 高弹性模量。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也就越大，纤维的作用也越明显。 1 3 纤维混凝土的研究现状 1 31 纤维混凝土的研究现状概述 纤维对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、分布、取向、纤维掺量等因素，这些都直接影响纤维增强混凝土 的微观结构。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 r g e 教授认为，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。 ( 1 ) 钢纤维混凝土。钢纤维是发展最早的一种纤维。早在1 9 1 0 年美国p o r t e r 就提出了把钢纤维均匀地撒入混凝土中以强化材料的设想，1 9 6 3 年美国r o m u l d i 等发表了一系列研究成果从理论上阐述了钢纤维对混凝土的增强机理。我国对钢 纤维的应用研究相对于其他几种纤维较早。高丹盈教授等人的钢纤维混凝土基 邦州人学硕士学位论文第一章引言 本理论、赵国藩院士等人的钢纤维混凝土结构，对钢纤维混凝土组成材料与 工艺特性、基本力学性能、结构强度计算、抗剪承载力计算、复杂应力下钢纤维 混凝土的性能和计算、正常使用极限状态验算方法及其应用施工等内容都作了较 全面的说明。 ( 2 ) 玻璃纤维混凝土。尽管玻璃纤维已用于铺设混凝土路面，但是对玻璃 纤维混凝土的物理性能研究得较少，这是因为玻璃纤维混凝土在使用中暴露出很 大的缺点，即玻璃纤维混凝土暴露于大气中一段时间以后，其强度和韧性会有大 幅度下降，加之其耐碱性不过关，目前应用较少。 ( 3 ) 碳纤维混凝土。碳纤维是2 0 世纪6 0 年代开发研制的一种高性能纤维， 具有抗拉强度和弹性模量高、化学性质稳定、与混凝土粘结好等优点。但由于碳 纤维生产成本较高，应用受到一定限制。同济大学纤维混凝土应用研究所曾对碳 纤维增强混凝土的机理、基本力学性能、碳纤维增强混凝土框架节点的抗震性能 以及碳纤维增强混凝土的生产工艺等诸方面进行比较系统的研究。 ( 4 ) 合成纤维混凝土。合成的聚合纤维来源于有机聚合物，在波特兰水泥 混凝土中进行过试验并使用的聚合纤维有聚丙烯、尼龙( 酰胺纤维) 、聚脂和聚 乙烯等。尼龙、聚乙烯、聚丙烯纤维的弹性模量均较低，属于低弹模纤维，加入 混凝土后的研究主要集中于对混凝土改性方面。高弹模聚乙烯醇纤维( p v a ) 是 一种比较新的纤维，较之上述几种纤维具有弹性模量和抗拉强度高的特点，对其 加入混凝土后的性能研究目前还处于起步阶段。 132 聚丙烯纤维混凝土的研究现状 聚丙烯原材料从单体c 3 h 6 而得，是一种高分子碳氢化合物。它的化学稳定 性好，和大多数化学物质不发生作用，表面疏水性，不会被水泥浆浸湿。但聚丙 烯纤维与基体间的粘结较差，拔出强度较低。 从目前国内研究现状来看，主要集中于对纤维混凝土的物理、力学性能的研 究。华渊、刘荣华等人的研究表明，与基准混凝土相比，随着纤维掺量的增加， 纤维混凝土的抗压强度变化较小，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、 郑州大学硕士学位论文第一章引言 抗渗性、热老化稳定性及收缩性。 从国外研究近况来看，对于聚丙烯纤维混凝土，在基本性能研究的基础上已 有一定延伸。s y d n e yf u r l a nj r 等对1 4 根梁做了抗剪试验，指出与素混凝土梁 相比，聚丙烯纤维混凝土梁的抗剪强度、刚度( 特别是在开裂初期后) 和韧性都 有提高，同时还研究了箍筋对聚丙烯纤维混凝土梁的影响。g d m a n o l i s 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。试验结果显示，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。 1 4 聚丙烯纤维混凝土物理力学性能的研究意义 目| j i 把耐久性作为混凝土追求的主要目标的高性能混凝土研究正是高潮时 期，聚丙烯纤维混凝土与其他纤维混凝土一样是在对混凝土改性过程中应运而生 的。在混凝土中掺入适量的聚丙烯纤维，提高混凝土材料介质的连续性、整体性， 改善混凝土性能，是使混凝土高性能化、提高混凝土耐久性的有效途径。但聚丙 烯纤维混凝土研究起步较晚，它是上个世纪末美国生产的杜拉纤维引入我国后才 丌始兴起、逐步被使用的一种新型材料，在理论研究方面尚需进一步深入，特别 是与水工混凝土工作环境和条件有关的性能研究尚需深入，以便聚丙烯纤维在水 利工程中推广和使用。水工混凝土结构如混凝土坝、水闸、溢洪道、导流隧洞等 建筑物是在静水或动水作用的条件下工作，其工作环境比其他建筑物更为恶劣和 复杂，它不仅要承受正常的使用荷载，还要承受环境水的各种作用，存在裂缝渗 漏、渗漏溶蚀、环境水侵蚀、冻融破坏、磨损和气蚀等病害，对于这些建筑物， 采用一定方式改善水工混凝土性能，提高混凝土的耐久性，意义非常重大。本文 就是以此为切入点，进一步研究聚丙烯纤维对混凝土的抗裂性能、抗冻性能以及 韧性等方面的影响规律，为理论研究积累试验数据，为聚丙烯纤维混凝土在工程 中进一步推广和使用提供依据。 郑州大学硕十学位论文第一章引言 1 5 本文的主要研究内容 本文以聚丙烯纤维的掺量和长度为变化参数，参照纤维混凝土和砂浆收缩 裂缝试验方法( 送审稿) 、钢纤维混凝土试验方法( c e c s 3 8 ：9 2 ) 、o k 工混 凝土试验规程( d l t 5 1 5 0 2 0 0 1 ) 等对聚丙烯纤维水泥砂浆抗裂性能、聚丙烯纤 维混凝土力学性能及抗冻性能进行了试验研究，通过试验找出聚丙烯纤维的掺量 和长度对砂浆及混凝土物理力学性能的影响规律，对聚丙烯纤维砂浆的阻裂机理 和对混凝土增强增韧机理进行分析和探索。以上研究将为聚丙烯纤维混凝土的推 广使用提供更多的参考结论，并为聚丙烯纤维混凝土的进一步研究提供数据支持 和试验基础。通过试验分析和对比可以发现聚丙烯纤维混凝土是一种在技术上可 行、备方性能优越，适合于工程推广应用的建筑材料。 9 郑州大学硕士学位论文第二章 聚丙烯纤维水泥砂浆抗裂性能试验研究 第二章聚丙烯纤维水泥砂浆抗裂性能试验研究 摘要：通过聚丙烯纤维水泥砂浆早期塑性收缩性能试验，研究不同掺量、不同长度的聚丙 烯纤维对砂浆早期塑性收缩性能的影响。试验结果表明乱向分布的聚丙烯纤维掺 入水泥砂浆后，可以减少浇筑后水泥砂浆的水分散失有效地控制水泥砂浆早期塑 性收缩裂缝的发生和发展。 关键词：聚丙烯纤维；纤维水泥砂浆；抗裂：收缩 2 1概述 大面积砂浆在浇注后，表面在材料硬化前往往会失水收缩引起拉应力，因而 产生不可恢复的塑性收缩裂缝，这是由于砂浆表面水的蒸发速率超过内部水渗透 到表面的速率，以及砂浆的早期抗拉强度达不到砂浆收缩所产生的应力造成的。 实际施工中，砂浆浇注后，暴露在低湿度大气中，首先出现浅层均裂，这种均裂 可能从几厘米延伸到几米，而且还逐渐变深、变宽，造成构筑物在使用前就产生 非结构性损坏，严重影响砂浆的耐久性。本章对聚丙烯纤维水泥砂浆的早期塑性 收缩性能进行试验研究和理论分析，研究不同掺量、不同长度的聚丙烯纤维对水 泥砂浆早期塑性收缩性能的影响。 2 2 试验概况 2 2 1 试验原材料 ( 1 ) 水泥采用鹤壁市水泥厂生产的豫鹤牌4 2 5 普通硅酸盐水泥； ( 2 ) 细骨料采用中粗天然河砂，级配良好； ( 3 ) 聚丙烯纤维采用洛阳海惠工贸有限公司研 制开发的聚丙烯纤维，长度有1 0 m m 、2 0m m 两种， 其形貌特征见图2 2 1 ，基本性能见表2 2 1 。图2 _ 2 1 聚丙烯纤维 郑州大学硕士学位论文笫二章聚丙烯纤维水泥砂浆抗裂性能试验研究 表2 2 1聚丙烯纤维主要物理力学性能 材料纤维类型密度长度极限延伸率抗拉强度杨氏模量吸水性熔点 聚丙烯柬状单丝0 9 11 0 2 01 5 5 0 0 m p a 4 5 0 0 m p a无 16 5 g c m 3 m m 导电性导热性吸湿率燃点安全性耐酸性耐碱性分散性其它 板低极低 0 1 1 6 5 无毒材料极高极高好抗老化 2 2 2 试件设计 聚丙烯纤维砂浆试验以长度1 0f i l m 的聚丙烯纤维为主，其掺量为0 6 k g m 3 、 0 9 k g m 3 和1 2k g m 3 。长度2 0 r a m 聚丙烯纤维砂浆的聚丙烯纤维掺量为0 9 k g m 3 ， 与长度为1 0m i l l 、掺量为0 9 k g m 3 聚丙烯纤维砂浆作为对比，研究聚丙烯纤维长 度对砂浆抗裂性能的影响。每一组聚丙烯纤维水泥砂浆试验均进行相同条件下的 素砂浆试件对比试验。 2 2 3 试件制作 试件制作过程中参考纤维混凝土和砂浆收缩裂缝试验方法( 送审稿) 的 有关规定，并根据试验过程中出现的 问题对水灰比、试件的厚度进行了适 当的调整。选用水泥砂浆配合比如 下：砂灰比为1 5 ，水灰比为0 6 ， 试件尺寸为6 0 0 m m 6 0 0 m m 4 0 m m 的平面薄板，模具边框用6 3 m m 4 0 n n n 6 3m m 的槽钢制作，边框 设有q 5 6 间距为6 0 r a m 的单排栓钉， 长度为1 0 0 m m ( 如图2 2 2 ) ，底板 采用5 r a m 厚的钢板，刷油后铺设聚 乙烯薄膜隔离层。制作过程如下： i【：】：；jii；：；ii怒一63。4。“8 图2 2 2 纤维砂浆开裂试验模具图 ( 1 ) 砂子和水泥人工拌合后，再j h x , 聚丙烯纤维进行二次拌合 ( 2 ) 加水后继续搅拌，使纤维均匀的疏散于基体中； t髫鼍， 郑州大学硕士学位论文第二章聚丙烯纤维水泥砂浆抗裂性能试验研究 ( 3 ) 将拌合料入模，铺平后用振动器振动，当表面出现水层时，用抹刀抹平 试件表面即可。 2 2 4 试验方法 试验时主要测定试件第一条裂缝出现的时间( 即试件初裂时间) 及每条裂缝 出现后在固定间隔时间的长度、宽度。为了让砂浆尽快失水产生裂缝，试件浇筑 后未加盖聚乙烯薄膜，立即利用排风扇进行强制干燥，每个试件采用了两个排风 扇，风向平行于试件表面。为了避免室外气候变化对试验影响，整个试验在有暖 气的室内进行。室内空气相对湿度小于6 0 ，温度为( 2 0 士2 ) 。 ( 1 ) 裂缝宽度和长度测定 试验过程中，连续观察裂缝开展情况，每条裂缝自出现时起间隔0 5 h 、1 h 、 2 h 、2 4 h 测试其宽度和长度。裂缝以肉眼可见缝为准。用钢尺测量长度，近似取 裂缝两端直线距离为裂缝长度，当裂缝出现明显的弯折时，以折线长度之和代表 裂缝长度。用读数显微镜( 分度值为0 0 0 5 m m ) 观测裂缝的宽度，取裂缝中点附 近的宽度代表裂缝的最大宽度。图2 2 3 是用数码相机拍摄的素砂浆与纤维长度 为1 0m m 、掺量为1 2k g m 3 试件第一条裂缝出现后2 7 5 h 的开裂形态。从图中 可以看出，纤维砂浆试件裂缝量少而细微，素砂浆试件裂缝比较宽，而且较长。 各观测时间最大裂缝宽度统计见表2 2 2 ( d ) 素砂浆试件( 6 ) v f = 1 2k g m 3 砂浆试件 图2 2 3 试件初裂2 7 5 h 后开裂形态 ( 2 ) 裂缝面积计算 依据实测的裂缝宽度、裂缝长度按下式计算裂缝面积： a 。，= 啊。正， 1 2 郑州人学硕士学位论文第二章聚丙烯纤维水泥砂浆抗裂性能试验研究 表22 2砂浆观测时间最大裂缝统计表 分组试件w 。a x ( m m ) 编号 初裂 o 5 h1 5 h3 5 h2 7 5 h p o o1 22 ，0 73 0 33 6 55 2 5 第p 0 6 1 0o 9 31 8 92 8 73 1 53 9 0 p 0 9 1 0o 4 10 9 71 3 61 51 7 9 组 p 1 2 1 00 2 70 4 90 9 5o 9 51 0 0 第p 0 01 22 0 73 0 33 6 53 2 8 p 0 9 1 00 4 1 0 9 71 3 61 5 1 7 9 组 p 0 9 2 00 3 50 8 31 1 51 2 41 3 6 表22 3砂浆裂缝面积计算表 分组试件初裂时间a 。( m m ) 编号 ( m l n ) 初裂 0 5 h 1 5 h 3 5 h 2 7 5 h p 0 0 3 0 55 8 1 71 2 8 6 83 3 6 5 2 3 7 7 7 4 4 8 2 5 0 第 p 0 6 1 03 2 02 6 2 81 1 8 1 92 8 7 2 72 9 5 7 73 4 2 4 2 p 0 9 1 03 9 07 9 35 2 2 27 8 4 59 1 3 81 1 3 5 5 l r p 1 2 1 03 4 11 8 29 9 31 8 1 31 8 1 32 0 0 4 第p 0 03 0 52 4 1 21 4 3 2 0 2 9 7 0 0 3 3 7 6 93 6 0 7 5 p 0 9 1 0 3 9 07 9 3 5 2 2 2 7 8 4 5 9 1 3 81 1 3 5 5 组 p 0 9 2 05 0 07 2 74 7 7 87 4 3 57 9 8 48 7 1 6 式中 a 。r _ 一试件裂缝名义面积，m m z ； 彬。一第f 条裂缝的名义最大宽度，i i l m ； 三广一第i 条裂缝的长度，姗。 按上述公式计算得到各个时段裂缝面积见表2 2 3 。 郑州大学硕士学位论文第二章聚丙烯纤维水泥砂浆抗裂性能试验研究 2 3 试验结果分析 2 31 纤维掺量和长度对试件初裂时间的影响 从表2 2 3 可以看出，加入聚丙烯纤维能延缓砂浆试件的第一条裂缝的产生 ( 即延缓试件初裂时间) ，纤维长度对砂浆试件第一条裂缝出现时间的影响比掺 量更为明显，掺量越大，纤维的长度越长，试件第一条裂缝出现的越晚。图2 3 1 图2 3 1v f 对t e 的影响图2 3 2l ，对t e 的影响 表示的是纤维掺量v f 对试件初裂时间t e 的影响，与素砂浆试件相比，其纤维砂 浆的初裂时间推迟了1 5 m i n 8 5 m i n 。图2 3 2 表示的是纤维长度l f 对试件初裂 时间t e 的影响，在纤维掺量为0 9 k g m 3 时，长度为2 0 m m 的纤维砂浆较长度为 1 0 m m 的纤维砂浆，初裂时间推迟了1 1 0r a i n 。 2 32 纤维掺量和长度对砂浆早期塑性裂缝开展速度的影响 试件裂缝发展速度见图2 3 3 、2 3 4 曲线的斜率。图2 3 3 为纤维掺量对试件 裂缝速度的影响，从图可以看出，试件裂缝的发展速度随着纤维掺量的增加而减 小。同时也可以看出，素砂浆试件裂缝发展速度比较均匀，纤维砂浆试件裂缝出 现后前3 5 h 开展速度较大，后期发展缓慢，纤维掺量越大，后期开裂速度越小， 当掺量为1 2k m 3 时后期裂缝发展速度为零。图2 3 4 纤维长度对试件裂缝速度 的影响，从图可以看出，试件裂缝的发展速度随着长度的增加而减小。其原因是 前期纤维与砂浆界面粘结力较小，随着龄期增加，粘结力增强，对裂缝的控制作 用增加，裂缝扩展速度减缓。并且纤维越长，桥接作用越明显。 1 4 郑十l i 大学硕士学位论文第一二章聚丙烯纤维水泥砂浆抗裂性能试验研究 b l 】 肴5 0 0 笃i 磊 量= b 加o n乏矧量 啪o i t ( h ) ! 篙t 雷 图2 3 3v t 对裂缝开展速度的影响 图2 3 4l f 对裂缝开展速度的影晌 2 3 3 纤维掺量对砂浆早期塑性裂缝的影响 图235 为长度为l o m m 的聚丙烯纤维不同掺量水泥砂浆试件在裂缝出现后 时间间隔为o 5 h 、1 h 、2 h 、2 4 h 的裂缝面积的对比情况。从图2 3 5 可以看出， 在不同的观测时间，其裂缝的面积都随着聚丙烯纤维掺量的增加而减小。以裂缝 出现后2 7 5 h 观测结果计算的裂缝面积为例，聚丙烯纤维掺量为0 6 k g m 3 、 0 9 k g m 3 、1 2k g m 3 裂缝面积相对于素沙浆试件分别降低了2 9 、7 6 5 、9 5 2 。 同时可以出到裂缝的扩展速度也随着纤维掺量的增加而减小。图2 3 6 为聚丙烯 纤维长度为l o n u n 、掺量分别为0 6 k g m 3 、0 9 k g m 3 、1 2k g m 3 在裂缝出现后 时间间隔为0 5 h 、1 h 、2 h 、2 4 h 测试的最大裂缝宽度的对比情况。从图2 3 6 可 以看出，试件的最大裂缝宽度随着聚丙烯纤维掺量的增加而减小，裂缝出现后 2 7 5 h 时纤