摘 要:针对聚丙烯腈纤维混凝土的基本力学性能进行室内试验研究,研究纤维掺量与混凝土的轴压强度、劈拉强度、抗折强度以及弹性模量之间的关系。试验结果表明,与素混凝土相比,聚丙烯腈纤维混凝土的轴压强度、劈拉强度、抗折强度以及弹性模量均随纤维体积率的增加而提高,尤其是劈拉强度和抗折强度的提高幅度更大。此外,在低掺量的情况下,聚丙烯腈纤维混凝土存在一个最佳的纤维体积率。
关键词: 复合材料 聚丙烯腈纤维 混凝土 力学性能 室内试验
中图分类号: TU5281572 文献标识码:A 文章编号: 1004 - 6135 (2007) 05 - 0050 - 03
1 引言
聚丙烯腈纤维混凝土( Polyacrylonitrile Fiber ReinforcedConcrete)是近年来发展起来的一种性能优异且应用广泛的新型复合材料。已有的研究表明,与普通混凝土相比,聚丙烯腈纤维混凝土在延性、耐久性、抗冲击性、抗疲劳性、抗折强度、抗弯强度等方面具有优异的特性[ 1 - 3 ]。本文通过室内试验,研究聚丙烯腈纤维混凝土的基本力学性能,并探讨纤维掺量对聚丙烯晴纤维混凝土的轴心抗压强度、劈拉强度、抗折强度以及受压弹性模量等的影响规律,为工程应用提供参考。
2 试验概述
2. 1 试验材料
水泥:福建炼石牌42. 5普通硅酸盐水泥;
细骨料:细度模数为2. 41的中砂;
粗骨料:碎石, 5～16mm连续级配;
纤维:深圳海川公司的路威2002 - II型聚丙烯腈纤维,其主要性能指标如表1所列。
2. 2 试验设计
本文开展的聚丙烯晴纤维混凝土基本力学性能的试验研究,包括轴心抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度、静力受压弹性模量试验等四个方面内容。参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB /T50081 - 2002) [ 4 ]进行试验试件设计:轴压强度和弹性模量试验采用150mm ×150mm ×300 mm标准试件,劈拉强度试验采用150mm ×150mm ×150mm标准试件,抗折强度是按采用100mm ×100mm ×400 mm非标准试件。
聚丙烯腈纤维分为两种,长12mm的长纤维和长6mm的短纤维。
本试验主要探讨纤维长度和掺量对聚丙烯晴纤维混凝土基本力学性能的影响规律,试验采用的纤维长度和掺量(纤维体积率)如表2所示。所有试件混凝土配制等级均为C30,配合比为W: C: S: G = 220: 449: 482: 1239。试验共设计7组试件,其中A1组为素混凝土试件,A2～A4组试件采用的纤维长度为12mm (下文称为长纤维) ,A5～A7组试件采用的纤维长度为6mm (下文称为短纤维) ;每组试件数为12个,分别用于轴心抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度、静力受压弹性模量试验;本试验共制作了84个试件。
由于聚丙烯腈纤维具有良好的分散性和亲水性,因此,本试验在搅拌混凝土的时候,将聚丙烯腈纤维和砂子、石子以及水泥掺加到一起先进行干拌;干拌30秒之后,加入所需的水,再拌和150秒后出锅。试件制作完成后,在20℃ ±5℃的环境下静置24小时后拆模并进行编号,然后送到标准养护室,在20℃ ±3℃、湿度为95%的条件下养护28天。
3 试验结果与分析
参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》( GB /T50081- 2002) ,进行聚丙烯腈纤维混凝土的轴心抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度、静力受压弹性模量等基本力学性能试验。试验结果汇总于表3中;表中,轴压强度、劈拉强度和抗折强度的单位均为MPa,弹性模量的单位为GPa;“提高值”均是指与素混凝土试件相比较的结果。
根据表3所列试验结果,绘出了聚丙烯腈纤维混凝土的各项基本力学性能与纤维长度和纤维体积率之间的关系曲线,分别如图1～图4所示。
3. 1 轴心抗压强度
聚丙烯腈纤维属于低弹模纤维,因此,它对混凝土轴心抗压强度的改善并不十分显著。从图1可以看到,与素混凝土相比,不论是掺入长纤维还是短纤维,轴心抗压强度均随着纤维体积率的增大而提高。在纤维体积率为0. 15%时,轴心抗压强度提高幅度最大,分别达9. 5% (长纤维)和5. 8% (短纤维) ;但当纤维体积率增加到0. 2%时,轴心抗压强度却相对下降。这说明对轴心抗压强度,存在一个最佳的纤维体积率,超过该体积率,聚丙烯晴纤维对轴心抗压强度的增强作用下降。
从图1还可以看出,掺入长纤维比掺入短纤维对轴心抗压强度的增强作用更明显,在纤维体积率为0. 15%时,前者比后者对轴心抗压强度的提高幅度增长了3. 7%。
3. 2 劈裂抗拉强度
聚丙烯腈纤维具有较高的延伸率和抗拉强度,因此,它对混凝土劈拉强度的改善较为明显。从图2可以看到,与素混凝土相比,不论是掺入长纤维还是短纤维,劈拉强度均随着纤维体积率的增大而提高。在纤维体积率为0. 15%时,劈拉强度提高幅度最大,分别达到17. 6% (长纤维)和16. 7% (短纤维) ;但当纤维体积率增加到0. 2%时,劈拉强度却相对下降。
这说明对劈拉强度,同样存在一个最佳的纤维体积率,超过该体积率,聚丙烯晴纤维对劈拉强度的增强作用下降。
从图2还可以看出,掺入长纤维与掺入短纤维对劈拉强度的增强作用基本相同,在纤维体积率为0. 15%时,两者对劈拉强度的提高幅度仅相差1%左右。
3. 3 抗折强度
从图3可以看到,与素混凝土相比,不论是掺入长纤维还是短纤维,抗折强度均随着纤维体积率的增大而提高。在纤维体积率为0115%时,抗折强度提高幅度最大,分别达到3015% (长纤维)和15. 2% (短纤维) ;但当纤维体积率增加到0. 2%时,抗折强度却相对下降。这说明对抗折强度,也存在一个最佳的纤维体积率,超过该体积率,聚丙烯晴纤维对抗折强度的增强作用下降。
从图3还可以看出,掺入长纤维对抗折强度的增强作用明显优于掺入短纤维,在纤维体积率为0. 15%时,前者比后者对抗折强度的提高幅度约增长了15%。
3. 4 受压弹性模量
从图4可以看到,与素混凝土相比,不论是掺入长纤维还是短纤维,弹性模量均随着纤维体积率的增大而提高。在纤维体积率为0. 15%时,弹性模量提高幅度最大,分别达到9.4% (长纤维)和8. 4% (短纤维) ;但当纤维体积率增加到0.2%时,弹性模量却相对下降。这说明了对弹性模量,也存在一个最佳的纤维体积率,超过该体积率,聚丙烯晴纤维对弹性模量的增强作用下降。
从图4还可以看到,在0. 15%及0. 2%的体积率下,长纤维的增强作用均优于短纤维;但在0. 1%的体积率下,短纤维的增强作用却优于长纤维。
4 结论
1)掺入低掺量的聚丙烯腈纤维,对混凝土的轴心抗压强度和弹性模量均有一定的提高作用。
2)掺入低掺量的聚丙烯腈纤维,可以明显提高混凝土的劈裂抗拉强度和抗折强度。
3)在低掺量的情况下,存在一个最佳的聚丙烯腈纤维体积率;超过该体积率,纤维对混凝土的轴心抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度和弹性模量等基本力学性能的增强作用相对下降。通过本文试验得到的最佳聚丙烯腈纤维体积率为0. 15%。
4)通过本文试验发现,掺入12mm长的聚丙烯腈纤维对混凝土基本力学性能的改善作用优于掺入6mm长的聚丙烯腈纤维。
参考文献
[1] 邓宗才,何唯平,张国庆. 高性能腈纶纤维混凝土韧性评价方法[ J ]. 混凝土, 2003 (11) : 11～13
[2] 国家水泥混凝土制品质量监督检测中心. 路威2002型、2003型纤维混凝土、砂浆性能检测报告. 2002. 12 (内部资料).
[3] 北京工业大学建工学院北京市重点实验室. 聚丙烯腈纤维混凝土抗裂性、抗弯韧性及疲劳特性的试验研究报告.2003. 1 (内部资料).
[4] GB /T50081 - 2002. 普通混凝土力学性能试验方法标准[ S]. 北京:中国建筑工业出版社, 2003
