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輕集料混凝土添加纖維添加劑的改性試驗

來源:原創論文網 添加時間:2019-07-19

  摘    要: 混凝土材料是人類應用最廣泛的建筑材料, 其固有缺點是自重大與脆性突出, 改善混凝土的脆性、實現混凝土的減重及強化性能, 是提高混凝土材料使用效能, 節約建筑材料資源與能源的最有效技術途徑之一, 也是混凝土材料科學基礎理論研究與應用技術開發的主要目標。本文采用顯微機械原理和分析方法來研究輕骨料混凝土的斷裂力學。數值模擬分析和實驗驗證證明輕骨料混凝土的脆性機制。在此基礎上, 提出輕質高強混凝土韌化設計方法, 系統研究了高韌性輕質高強混凝土的配比優化設計方法。

  關鍵詞: 輕集料; 輕質混凝性機理; 斷裂行為; 增韌技術;

  1、 前言

  鋼筋混凝土是目前世界上應用最為廣泛的建筑材料, 但是其結構仍舊存在著自重大、承載力較低、脆性高、施工復雜、難進行修復加固以及早期容易開裂的缺點。隨著混凝土強度的進一步提高, 其高脆性化的特征也越來越顯著, 這一矛盾限制了混凝土的發展與應用。如何在保證混凝土強度的前提下解決其高脆性的問題成為現代高強混凝土應用研究的重點。輕集料混凝土相對于普通混凝土具有輕質高強、隔熱蓄溫效果優良、抗震性能好等優點。將各類纖維與纖維類材料加入輕集料混凝土中對其進行改性有利于提升混凝土的性能。為探索改性輕集料混凝土抗壓強度的微觀機理與宏觀效果, 本試驗將通過向輕集料混凝土中添加不同纖維添加劑用以改善混凝土的物質組成, 以期提高其物理力學性能, 并采用微觀觀測與力學性能試驗等手段從微觀和宏觀兩個層面研究其作用機制和性能特征。

  2、 試驗方案

  2.1、 試驗原材料

  研制高性能填充。輕集料混凝土應主要考慮低密度、高強度、大流動性和一定膨脹性, 本部分從密度控制、強度控制、易性控制和硬化變形控制4個方面考慮。由此確定原材料及其配比如下:

  2.1.1、 試驗原材料的選定

  強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥;最大粒徑不大于20mm, 針片狀顆粒含量小于5%, 含泥量小于0.5%, 泥塊含量小于0.2%的連續級配的碎石;細度模數為1.84, 含泥質量分數為1.75%, 質量好的天然河砂;多元羧酸減水劑, 要求水還原率為20.6%, 固體含量在33%和35%之間。所述劑量是0.8%;添加II級煤粉灰、硅粉, 利用粉煤灰和硅粉進行雙摻雜從而提高混凝土的強度和韌性;增韌材料分別為改性鋼纖維、聚丙烯纖維和改性玄武巖纖維。

輕集料混凝土添加纖維添加劑的改性試驗

  2.1.2、 試驗原材料的配比選定

  根據JGJ 51-2002《輕集料混凝土技術規程》, 除纖維摻量外的主要材料配比確定如表1。

  表1 輕集料混凝土配合比 (單位:kg/cm3)
表1 輕集料混凝土配合比 (單位:kg/cm3)

  2.2 、試驗方法

  2.2.1、 強度測試

  試驗以《普通混凝土力學性能試驗方法》 (GB-T5008-2002) 為標準, 配比分別成型150mm×150mm×150mm抗壓強度試件及150mm×150mm×300mm軸心抗壓強度試件。由于改性纖維材料不易分散, 為了避免在制作試件中纖維過于集中, 采取直接加入并進行人工機械分散的方法。在制作所需混凝土立方之前, 需要把陶粒進行24h的預濕處理, 測出浸泡后的輕集料混水率, 用以控制攪拌處理時的用水量。把陶粒、砂、水泥按配合比例放入攪拌機中, 然后將摻料纖維分散地撒在骨料上干拌1min左右, 之后加入水與發泡劑攪拌4min左右。最后將攪拌好的材料注入標準試模中、在震動臺上充分震動后進行成型操作。最后把成型試樣放于標準養護室養護, 采用NYL-2000D型壓力試驗機進行抗壓強度實驗, 測試7d, 28d抗壓強度。混凝土立方體試件抗壓強度計算:

  式⑴中,

  fcu———混凝土立方體試件抗壓強度, MPa;

  F———破壞荷載, k N;

  A———試件的承壓面積, m3。

  2.2.2、 電子顯微鏡微觀觀測

  進行電子顯微鏡掃描以獲取清晰的輕集料混凝土的微觀結構, 對不同時期的混凝土進行形貌觀察, 并對所得圖像進行處理與分析, 以揭示輕集料混凝土微觀結構與性能之間的作用機理, 用以探究結構性能改善方法。

  3 、試驗結果及分析

  3.1、 強度測試試驗

  3.1.1、 鋼纖維改性輕集料混凝土

  根據表2中的試驗數據, 繪制出玄武巖纖維摻量與輕集料混凝土抗壓強度之間關系, 如圖1所示。

  表2 鋼纖維摻量與力學性能對照
表2 鋼纖維摻量與力學性能對照

  圖1 鋼纖維混凝土力學性能試驗結果
圖1 鋼纖維混凝土力學性能試驗結果

  圖1為鋼纖維摻量對混凝土強度的影響。由圖1可見, 鋼纖維的摻入使得混凝土的抗壓強度略有降低, 但變化均小于8%;混凝土中摻入鋼纖維能夠形成鋼纖維網狀體系, 隨著混凝土承受荷載的增大, 混凝土中出現裂縫, 鋼纖維能阻礙裂縫的擴展, 尤其是基體開裂后, 鋼纖維從基體中拔出或拉斷時會產生一定的應力, 從而使混凝土承受荷載能力增大。隨著鋼纖維摻量的增加, 相同長度的裂縫上橋接纖維數變多, 從而更好發揮了阻裂作用, 增大了混凝土的抗裂能力。由于混凝土的抗壓強度主要取決于其基體的密實度和骨料界面的區域, 因此, 鋼纖維對混凝土抗壓強度改善作用不大。

  隨著鋼纖維摻量逐漸增大, 分散問題愈加凸顯, 內部出現更多易產生應力集中的薄弱部分, 另一方面過多纖維的摻入同時也直接或間接導致了過多的內部缺陷, 故而宏觀強度表現為出下降趨勢。因此, 鋼纖維的總摻量不宜過高。

  3.1.2 、玄武巖纖維輕集料混凝土

  根據表3中的試驗數據, 繪制出玄武巖纖維摻量與輕集料混凝土抗壓強度之間關系, 如圖2所示。

  表3 玄武巖纖維摻量與力學性能對照
表3 玄武巖纖維摻量與力學性能對照

  圖2 玄武巖纖維力學性能試驗結果
圖2 玄武巖纖維力學性能試驗結果

  參考表4及圖3可知, 玄武巖纖維摻入輕集料混凝土中對輕集料混凝土7d抗壓強度提高相對更為顯著。當玄武巖纖維摻量為0.05%、0.1%、0.15%、0.2%時, 輕集料混凝土7d抗壓強度比不摻纖維輕集料混凝土分別提高4.15%、6.79%、10.19%、10.57%。玄武巖纖維對輕集料混凝土28d抗壓強度影響不明顯, 抗壓強度值在33MPa附近上下波動, 但當纖維摻量超過0.15%時, 輕集料混凝土28d抗壓強度會產生降低趨勢。這主要與過量的纖維摻入混凝土拌合物中產生結團有關, 從而對其力學性能造成不利影響。可以看出, 玄武巖纖維在提高輕集料混凝土早期抗壓強度上效果更為顯著。

  3.1.3、 聚丙烯纖維輕集料混凝土

  根據表4中的試驗數據, 繪制出玄武巖纖維摻量與輕集料混凝土抗壓強度之間關系, 如圖3所示。

  表4 聚丙烯纖維摻量與力學性能對照
表4 聚丙烯纖維摻量與力學性能對照

  圖3 聚丙烯纖維力學性能試驗結果
圖3 聚丙烯纖維力學性能試驗結果

  聚丙烯纖維摻量為0~0.3%時, 隨著聚丙烯摻量的增加, 輕集料混凝土的抗壓強度不斷降低, 以28d組為參考, 在聚丙烯纖維摻量為0.3%時達到最低, 為29.1MPa;當聚丙烯纖維摻量為0.4%時, 輕集料混凝土的抗壓強度急劇提高, 達到39.7MPa, 較素混凝土提高15.6%。少量聚丙烯纖維對輕集料混凝土的抗壓強度有降低作用, 當摻量大于某一值后, 其抗壓強度出現急劇提高的現象。

  隨著聚丙烯纖維摻量的增加, 輕集料混凝土的抗壓強度先降低后提高。造成抗壓強度降低主要有兩方面的原因:一是當少量纖維加入輕集料混凝土時, 纖維的表面會附著一層水泥砂漿, 也就是說輕集料混凝土中膠凝分子總含量減少, 從而導致材料的力學性能表現為減弱;二是由于纖維摻量較少, 還不足以在輕集料混凝土內部形成成形三維網狀結構來增強輕集料混凝土的力學性能, 使得纖維對輕集料混凝土的補強效果不足以抵消削弱效果, 輕集料混凝土的力學性能就會有所下降。而當纖維摻量繼續增加時, 纖維能夠在輕集料混凝土內部形成可觀程度的三維網狀結構, 發揮其增強作用, 即纖維的增強效果總體大于消弱效果, 此時, 輕集料混凝土的力學性能即外在表現為增強。

  3.2、 微觀觀測結果

  混凝土的內部缺陷導致混凝土破壞的誘導因素, 也是混凝土各種性能降低的癥結所在。纖維的加入不僅可以阻止原有微裂紋的繼續擴展延伸, 還能有效延阻新微裂紋的出現。纖維是否能在混凝土基體中發揮增韌阻裂作用取決于纖維與混凝土界面的黏結表現表現。

  圖4 (a) 、 (b) 、 (c) 為玄武巖纖維、聚丙烯纖維、鋼纖維與混凝土基體的黏結界面微觀形貌。

  圖4
圖4

  由圖4可知, 玄武巖纖維輕骨料混凝土中玄武巖纖維與水泥膠接物材料間接觸緊密, 各相之間均勻分布。

  其中, 玄武巖纖維呈現針片狀或圓柱狀, 而水泥膠接材料表觀呈現層片狀。玄武巖礦物具有潛在的火山灰活性, 能與混凝土基體中的堿溶液發生反應, 反應產物沉積在纖維與基體界面處, 改善了纖維與混凝土的黏結度, 提高了混凝土整體密實性, 并且在混凝土中纖維呈現亂序排布狀態, 形成連續而致密的網絡結構, 該網絡體系能夠鎖定穩定骨料, 有助于延緩混凝土脆性折斷與裂縫發展效應。同時, 纖維受力橫截面積減小, 減弱了纖維在基體中的抗拉強度。

  鋼纖維為柱體形狀呈現, 水泥水化物包裹在纖維柱體表面, 兩者之間處于牢固的黏結狀態, 界面處連續、均勻、飽滿。通過摻入鋼纖維改性的輕集料混凝土, 在微觀狀態下的物相空間布置均勻, 各相體形成穩定的骨架網絡結構, 從材料的水化反應與微觀組織體形成等方面加速輕骨料混凝土的致密結構、交叉網架構造的生成, 能有效延緩混凝土微裂縫的生成與惡化, 并且提高其宏觀力學性能。

  聚丙烯纖維在拌合物中相互橋接, 有效阻礙混凝土硬化過程中裂縫的產生, 減少了裂縫的數量。同時, 在受力狀態下, 纖維之間的作用可以分散受力, 延阻裂縫的發展, 緩和了應力集中的程度。但聚丙烯纖維的彈性模量及斷裂拉伸強度最小, 并且與混凝土界面的黏結表現較差, 故而聚丙烯纖維對基體的總體增強程度有限。

  4 、結論

  ⑴結合微觀掃描試驗與抗折強度試驗可知, 鋼纖維改性輕骨料混凝土微觀狀態下物相空間布置均勻, 形成穩定的網絡與骨架結構, 水化反應與微觀結構形成等方面促進輕骨料混凝土的致密結構、交叉網架構造生成。⑵當鋼纖維的含量跨越最佳含量而繼續提高時, 鋼纖維由于表面光滑摩擦系數低, 水泥水化凝結物不足以包裹富余的鋼纖維, 從而富余的鋼纖維在混凝土中處于滑移和流動狀態, 在應力作用下促進混凝土的快速變形和脆裂。

  ⑶玄武巖纖維在提高輕集料混凝土早期抗壓強度上效果更為顯著, 而過量的纖維摻入混凝土拌合物中會產生結團, 所以后期抗壓表現不是特別突出。

  ⑷摻入一定量的聚丙烯纖維能夠有效增強混凝土的抗壓強度, 而纖維量過多而超過某個值時, 不僅對增強強度沒有作用, 反而會降低其強度。

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