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聚丙烯纤维对混凝土动力学特性的影响研究
来源:中国纤维网 添加人:service3 添加时间:2018-4-13

    

〔提 要〕测试了聚丙烯纤维混凝土的抗冲击和疲劳特性。通过和普通混凝土对比后得出结论:较低掺量的聚丙烯纤维能有效提高混凝土的冲击韧性和抗疲劳性能,改善混凝土的抗动载能力。对产生上述结果的机理文中也给予了分析。
  〔关键词〕聚丙烯纤维混凝土 冲击韧性 疲劳寿命 疲劳损伤

1. 前言

  聚丙烯纤维是一种新型的混凝土增强纤维。该纤维的特点是:直径小(10μm~100μm)、数量多、易分散,但弹性模量较低(3.5GPa~3.8GPa)。在混凝土中的通常用法是以较低的掺量(纤维体积率Vf一般不大于0.2%)直接投入混凝土拌合物中,依靠拌合物自身的摩擦和揉搓作用使纤维分散。由于聚丙烯纤维具有直径小、数量多、纤维间距小等特点,因而能减小混凝土因失水、温差、自干燥等作用因素引起的原生裂隙尺度,增强混凝土的抗塑裂能力。通常把聚丙烯纤维当作混凝土的防裂纤维或"次要增强筋"使用。聚丙烯纤 维的这种功能使其很适用于路面、桥面工程,对提高面板的整体性、改善使用功能有利。

  作为路用材料使用,应测试聚丙烯纤维对混凝土抗冲击、抗疲劳等抗动载能力的影响。由于微细的聚丙烯纤维对混凝土性能的改善是通过减小裂隙尺度、改善混凝土的内在品质实现的,该种纤维应对混凝土的抗动载能力有提高作用。本文测试了聚丙烯纤维掺入后对混凝土的冲击韧性、疲劳寿命和疲劳损伤过程的影响,并对作用 机理进行了分析。

2. 聚丙烯纤维混凝土的抗冲击性能

2.1 试验介绍

  冲击试验按ACI(美国混凝土协会)544委员会推荐的方法进行,其中:

  (1)按标准方法成型试件,尺寸150×64mm。标准养护28天?br>   (2)冲击锤重4.5kg,下落高度h=457mm。传力球直径64mm,测试挡板和试件间距5mm;
  (3)传力球和试件同心,并在冲击锤的中线上。测试时,冲击锤自由落下;

  该试验方法通过以下几项指标评价或比较混凝土的抗冲击能力:①出现第一条裂缝(初裂)的冲击次数n1;②初裂后,试件体积膨胀,当试件和4块挡板中任意3块接触时的冲击次数n2。n2被定为试件破坏次数;③试件初裂和破坏时冲击次数的差值(n2-n1);④冲击韧性W和ΔW,即试件破坏过程吸收的全部冲击能量和初裂后能继续吸收的冲击能量。计算式如下:
    W=n·mgh
 其中:h--冲击锤下落高度(457mm),
     g--重力加速度9.81m/s2。

  试验原材料为:19mm长聚丙烯纤维 (fibermesh),物性指标见表1;425#普通硅酸盐水泥;5~20连续级配石灰石;Mx=2.8河砂。基准试验配比见表2。
表1 聚丙烯纤维物性指标
密度(kg/m3)   抗拉强度(MPa)  纤维直径(μm)   抗拉弹性模量(GPa)
0.91   560~770  100  3.5

 

表2 抗冲击(抗折)试验基准混凝土配比(kg/m3)
试验编号  纤维  水泥   水   河砂  碎石
CCon.  0  435   200  580  1230

 

  掺入纤维后不改变基准配比。不同掺量的试验编号分别为:CFMl纤维掺量0.9kg/m3(体积率0.1%),CFM2纤维掺量1.8kg/m3(体积率0.2%)。标准抗压试件和抗冲击试件同时制作和养护至28天测试。

2.2 测试结果及分析

  按ACI 544委员会推荐的方法进行测试和评价,聚丙烯纤维混凝土的抗冲击性能测试和计算的结果见表3。表3示出:

表3 聚丙烯纤维混凝土的抗冲击试验结果
试验编号  抗压强度(MPa)   n1   n2  Δn=n2-n1  W(N·m)   ΔW(N·m)
CCon.  43.8  52  57  5  1150  101
CFM1   44.0  293  306  13  6173  262
CFM2  48.0  283  302  19  6092  383


  (1)较低掺量的聚丙烯纤维对混凝土的静态抗压强度无显著影响。以混凝土的冲击韧性W为指标进行评价可见,掺入0.1%~0.2%的聚丙烯纤维能使混凝土的抗冲击能力提高5倍以上。

  (2)以初裂后的ΔW进行评价可知,聚丙烯纤维体积率为0.1%和0.2%时,能使混凝土的裂后抗冲击能力分别提高2.62倍和3.83倍。

  (3)聚丙烯纤维掺量较高的CFM2并未显示出比掺量较低的CFM1更高的冲击韧性,但在初裂后继续吸收冲击能量的能力ΔW明显提高。

  聚丙烯纤维对混凝土的抗压强度无明显影响是因为掺量小,体积率低。纤维改善混凝土的抗冲击性的机理则主要体现在以下几个方面:①聚丙烯纤维虽然刚度较低,传递荷载的能力差,但能有效减小裂隙尺度,增强材料介质连续性,减小了冲击波被阻断引起的局部应力集中现象;②低模量的有机材料能吸收冲击能量;③纤维能有效约束裂缝的扩展。

  本试验中,CFM2未显示出比CFM1更高的冲击韧性似可解释为在室内理想的环境条件下,0.1%体积率的聚丙烯纤维已足于消除试件内裂隙的产生。但较高的纤维掺量显然