摘 要:針對聚丙烯腈纖維混凝土的基本力學性能進行室內試驗研究,研究纖維摻量與混凝土的軸壓強度、劈拉強度、抗折強度以及彈性模量之間的關系。試驗結果表明,與素混凝土相比,聚丙烯腈纖維混凝土的軸壓強度、劈拉強度、抗折強度以及彈性模量均隨纖維體積率的增加而提高,尤其是劈拉強度和抗折強度的提高幅度更大。此外,在低摻量的情況下,聚丙烯腈纖維混凝土存在一個最佳的纖維體積率。
關鍵詞: 復合材料 聚丙烯腈纖維 混凝土 力學性能 室內試驗
中圖分類號: TU5281572 文獻標識碼:A 文章編號: 1004 - 6135 (2007) 05 - 0050 - 03
1 引言
聚丙烯腈纖維混凝土( Polyacrylonitrile Fiber ReinforcedConcrete)是近年來發展起來的一種性能優異且應用廣泛的新型復合材料。已有的研究表明,與普通混凝土相比,聚丙烯腈纖維混凝土在延性、耐久性、抗沖擊性、抗疲勞性、抗折強度、抗彎強度等方面具有優異的特性[ 1 - 3 ]。本文通過室內試驗,研究聚丙烯腈纖維混凝土的基本力學性能,并探討纖維摻量對聚丙烯晴纖維混凝土的軸心抗壓強度、劈拉強度、抗折強度以及受壓彈性模量等的影響規律,為工程應用提供參考。
2 試驗概述
2. 1 試驗材料
水泥:福建煉石牌42. 5普通硅酸鹽水泥;
細骨料:細度模數為2. 41的中砂;
粗骨料:碎石, 5～16mm連續級配;
纖維:深圳海川公司的路威2002 - II型聚丙烯腈纖維,其主要性能指標如表1所列。
2. 2 試驗設計
本文開展的聚丙烯晴纖維混凝土基本力學性能的試驗研究,包括軸心抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度、靜力受壓彈性模量試驗等四個方面內容。參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB /T50081 - 2002) [ 4 ]進行試驗試件設計:軸壓強度和彈性模量試驗采用150mm ×150mm ×300 mm標準試件,劈拉強度試驗采用150mm ×150mm ×150mm標準試件,抗折強度是按采用100mm ×100mm ×400 mm非標準試件。
聚丙烯腈纖維分為兩種,長12mm的長纖維和長6mm的短纖維。
本試驗主要探討纖維長度和摻量對聚丙烯晴纖維混凝土基本力學性能的影響規律,試驗采用的纖維長度和摻量(纖維體積率)如表2所示。所有試件混凝土配制等級均為C30,配合比為W: C: S: G = 220: 449: 482: 1239。試驗共設計7組試件,其中A1組為素混凝土試件,A2～A4組試件采用的纖維長度為12mm (下文稱為長纖維) ,A5～A7組試件采用的纖維長度為6mm (下文稱為短纖維) ;每組試件數為12個,分別用于軸心抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度、靜力受壓彈性模量試驗;本試驗共制作了84個試件。
由于聚丙烯腈纖維具有良好的分散性和親水性,因此,本試驗在攪拌混凝土的時候,將聚丙烯腈纖維和砂子、石子以及水泥摻加到一起先進行干拌;干拌30秒之后,加入所需的水,再拌和150秒后出鍋。試件制作完成后,在20℃ ±5℃的環境下靜置24小時后拆模并進行編號,然后送到標準養護室,在20℃ ±3℃、濕度為95%的條件下養護28天。
3 試驗結果與分析
參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》( GB /T50081- 2002) ,進行聚丙烯腈纖維混凝土的軸心抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度、靜力受壓彈性模量等基本力學性能試驗。試驗結果匯總于表3中;表中,軸壓強度、劈拉強度和抗折強度的單位均為MPa,彈性模量的單位為GPa;“提高值”均是指與素混凝土試件相比較的結果。
根據表3所列試驗結果,繪出了聚丙烯腈纖維混凝土的各項基本力學性能與纖維長度和纖維體積率之間的關系曲線,分別如圖1～圖4所示。
3. 1 軸心抗壓強度
聚丙烯腈纖維屬于低彈模纖維,因此,它對混凝土軸心抗壓強度的改善并不十分顯著。從圖1可以看到,與素混凝土相比,不論是摻入長纖維還是短纖維,軸心抗壓強度均隨著纖維體積率的增大而提高。在纖維體積率為0. 15%時,軸心抗壓強度提高幅度最大,分別達9. 5% (長纖維)和5. 8% (短纖維) ;但當纖維體積率增加到0. 2%時,軸心抗壓強度卻相對下降。這說明對軸心抗壓強度,存在一個最佳的纖維體積率,超過該體積率,聚丙烯晴纖維對軸心抗壓強度的增強作用下降。
從圖1還可以看出,摻入長纖維比摻入短纖維對軸心抗壓強度的增強作用更明顯,在纖維體積率為0. 15%時,前者比后者對軸心抗壓強度的提高幅度增長了3. 7%。
3. 2 劈裂抗拉強度
聚丙烯腈纖維具有較高的延伸率和抗拉強度,因此,它對混凝土劈拉強度的改善較為明顯。從圖2可以看到,與素混凝土相比,不論是摻入長纖維還是短纖維,劈拉強度均隨著纖維體積率的增大而提高。在纖維體積率為0. 15%時,劈拉強度提高幅度最大,分別達到17. 6% (長纖維)和16. 7% (短纖維) ;但當纖維體積率增加到0. 2%時,劈拉強度卻相對下降。
這說明對劈拉強度,同樣存在一個最佳的纖維體積率,超過該體積率,聚丙烯晴纖維對劈拉強度的增強作用下降。
從圖2還可以看出,摻入長纖維與摻入短纖維對劈拉強度的增強作用基本相同,在纖維體積率為0. 15%時,兩者對劈拉強度的提高幅度僅相差1%左右。
3. 3 抗折強度
從圖3可以看到,與素混凝土相比,不論是摻入長纖維還是短纖維,抗折強度均隨著纖維體積率的增大而提高。在纖維體積率為0115%時,抗折強度提高幅度最大,分別達到3015% (長纖維)和15. 2% (短纖維) ;但當纖維體積率增加到0. 2%時,抗折強度卻相對下降。這說明對抗折強度,也存在一個最佳的纖維體積率,超過該體積率,聚丙烯晴纖維對抗折強度的增強作用下降。
從圖3還可以看出,摻入長纖維對抗折強度的增強作用明顯優于摻入短纖維,在纖維體積率為0. 15%時,前者比后者對抗折強度的提高幅度約增長了15%。
3. 4 受壓彈性模量
從圖4可以看到,與素混凝土相比,不論是摻入長纖維還是短纖維,彈性模量均隨著纖維體積率的增大而提高。在纖維體積率為0. 15%時,彈性模量提高幅度最大,分別達到9.4% (長纖維)和8. 4% (短纖維) ;但當纖維體積率增加到0.2%時,彈性模量卻相對下降。這說明了對彈性模量,也存在一個最佳的纖維體積率,超過該體積率,聚丙烯晴纖維對彈性模量的增強作用下降。
從圖4還可以看到,在0. 15%及0. 2%的體積率下,長纖維的增強作用均優于短纖維;但在0. 1%的體積率下,短纖維的增強作用卻優于長纖維。
4 結論
1)摻入低摻量的聚丙烯腈纖維,對混凝土的軸心抗壓強度和彈性模量均有一定的提高作用。
2)摻入低摻量的聚丙烯腈纖維,可以明顯提高混凝土的劈裂抗拉強度和抗折強度。
3)在低摻量的情況下,存在一個最佳的聚丙烯腈纖維體積率;超過該體積率,纖維對混凝土的軸心抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度和彈性模量等基本力學性能的增強作用相對下降。通過本文試驗得到的最佳聚丙烯腈纖維體積率為0. 15%。
4)通過本文試驗發現,摻入12mm長的聚丙烯腈纖維對混凝土基本力學性能的改善作用優于摻入6mm長的聚丙烯腈纖維。
參考文獻
[1] 鄧宗才,何唯平,張國慶. 高性能腈綸纖維混凝土韌性評價方法[ J ]. 混凝土, 2003 (11) : 11～13
[2] 國家水泥混凝土制品質量監督檢測中心. 路威2002型、2003型纖維混凝土、砂漿性能檢測報告. 2002. 12 (內部資料).
[3] 北京工業大學建工學院北京市重點實驗室. 聚丙烯腈纖維混凝土抗裂性、抗彎韌性及疲勞特性的試驗研究報告.2003. 1 (內部資料).
[4] GB /T50081 - 2002. 普通混凝土力學性能試驗方法標準[ S]. 北京:中國建筑工業出版社, 2003
