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聚丙烯纤维混凝土正交试验研究
发布者:维特耐 发布时间:2012-07-19 17:39:53

霍俊芳,申向东,曹  喜
(1.内蒙古工业大学,内蒙古 呼和浩特010051;2.内蒙古农业大学,内蒙古 呼和浩特010018)

摘要:本文针对寒冷地区的混凝土结构,采用正交试验方法研究在冻融交替作用下,水灰比、纤维掺量等因素对聚丙烯纤维混凝土主要性能的影响,在此基础上,结合北方寒冷地区的特点,优化混凝土的配合比,找出在满足强度、耐久性等方面性能优越时聚丙烯纤维混凝土在冻融情况下的较优配比。
关键词:聚丙烯纤维混凝土;正交试验;耐久性

0  引言

      在严寒地区,混凝土冻融破坏是引起混凝土建筑物老化病害的主要原因之一,严重影响混凝土建筑物的长期使用和运行安全,为使这些建筑物继续发挥作用,每年都要消耗巨额的维修费用。因此,开展对混凝土冻融的研究具有重要的使用价值和经济意义。
普通混凝土的抗冻性能较差,难以满足现代土木工程新的结构形式及特殊环境条件下建造的建筑物对轻质、高强、耐久性的要求。聚丙烯纤维在混凝土中可以起到次要增强筋的作用,补偿外界温度变化造成混凝土变形所产生的温度应力。由于聚丙烯纤维的优异性能,已在工程实践中广泛应用并取得了良好的技术经济效益。本文采用正交设计原理对混凝土的抗冻性能进行了试验研究,找到适合于北方地区聚丙烯纤维混凝土的一个较优配合比。

1  原材料

1.1  聚丙烯纤维:其物理性能见表1。
1.2  水泥:水泥物理性能见表2。
1.3  粉煤灰:内蒙II级灰。
1.4  拌合水:地下饮用水。
1.5  骨料:
         细骨料:中砂,Mk=2.72,
         粗骨料:卵石,Dmax=20mm。
1.6  外加剂:萘系高效减水剂。

2  试验设计

2.1  正交设计中因素与位级的确定
       影响混凝土强度和耐久性的因素很多,在综合考虑本试验研究的目的、施工条件及工程造价等后,选定水灰比、纤维含量、粉煤灰、减水剂四个因素建立L934正交表的因素与位级。其中水灰比作为主要考虑的因素;在混凝土中掺入一定量的聚丙烯纤维和适量的粉煤灰,以考查对混凝土的耐久性的影响;减水剂作为高耐久性混凝土不可缺少的组分,因此也作为本实验的一个主要因素。具体试验中因素与位级的确定见表3。

2.2  混凝土抗冻性试验
      混凝土抗冻性是指混凝土含水时抵抗冻融循环作用而不破坏的能力。寒冷地区,特别是接触水又受冻的环境下的混凝土要求具有较高的抗冻性,抗冻性良好的混凝土对于寒冷地区混凝土冬季施工是非常有意义的。
       本试验采用慢冻法研究混凝土的抗冻性。
2.2.1  主要试验设备
(1) 低温冰箱:装有试件后使箱内温度保持在‐15~‐20℃的范围内。
(2) 压力试验机:测定混凝土冻融前后破坏荷载。
2.2.2  试件
     试件尺寸:100mm×100mm×100mm
2.2.3  试验步骤
(1) 试件采用标准养护至试验前4天取出,放在15~20℃水中浸泡,试件浸泡4天后进行冻融试验。对比试件保留在标准养护室内,直到完成冻融循环后,与冻融试件同时试压。
(2) 取出浸泡完毕的试件,用湿布擦除表面水分并称重,置入框篮后放入冷冻箱,开始冻融试验,每次循环中试件的冻结时间不小于4h。
(3) 冻结试验结束后,取出试件立即将其放入水槽中进行融化。每次循环中试件在水中融化的时间不小于4h,融化完毕即为该次冻融循环结束,取出试件送入冷冻箱进行下一次冻融循环试验。
(4) 冻融循环25次后,取出试件,称重并进行抗压强度试验。
2.2.4  试验结果测试
      一般而言,混凝土受冻融作用后,由于内部开裂和表面剥落而导致强度下降,且其程序是决定该混凝土抗冻性能优劣的重要指标。所以试验测定试件的强度,并以此为依据计算25次冻融循环后的强度损失率。
试件冻融循环后的强度损失率:
式中,Δƒ-25次冻融循环后试件强度损失率,%;
           ƒ0-冻融循环试验前试件强度,以3个试件强度平均值计算,MPa;
           ƒ25-25次冻融循环试验后试件强度,以3个试件强度平均值计算,MPa;

2.3  混凝土拌和方法
      搅拌聚丙烯纤维混凝土时,采用强制式搅拌机拌和。搅拌过程中,为避免出现纤维接团现象,保证聚丙烯纤维拌和均匀,采用干拌法。先拌和除聚丙烯纤维和水以外的其他材料,再将聚丙烯纤维均匀撒入,全部投入后搅拌30~50秒左右,最后加入水和减水剂搅拌均匀。

3  试验结果与讨论

3.1  正交极差表
[L934]9组正交设计及极差分析见表4。

3.2  结果分析与讨论
       正交设计中,极差的大小可反映因素作用的大小。试验中影响混凝土强度损失率的因素由大到小的顺序为:水灰比>减水剂>粉煤灰>纤维含量。
我们可以看出,四因素在选定水平范围内均能满足混凝土施工配制强度。在等量用水情况下,水灰比越小,水泥用量越大,水泥水化产物越多,混凝土的强度就越高,表4的极差值表明,混凝土强度的四个因素中,水灰比是最为显著的。
      此外,从正交表中可以看出掺合料粉煤灰取代水泥的量也是至关重要的,粉煤灰对混凝土强度的贡献主要来自在其“活性效应”和“微集料效应”,随着粉煤灰掺量的增加,混凝土的强度提高,如图1所示。
这主要是随粉煤灰掺量增加,拌合物内浆量增加,不仅能包裹纤维和粗骨料,而且能更好地填充骨料间的空隙,使混凝土形成连续相,即形成密实结构,掺入粉煤灰对改善纤维混凝土的聚丙烯纤维-基材的弱界面性能有利,提高纤维的界面脱结强度,有利于强度的提高。但是粉煤灰的作用随掺量增加并不总是呈现正的效应。当掺量为25%左右时,效果最佳。当粉煤灰掺量超过一定值(25%左右)后,就会降低混凝土的强度。因为粉煤灰量越多,取代的水泥量越多,混凝土中的胶凝材料就越少,这样就会降低骨料的粘结力,从而影响混凝土的强度。
       极差表的结果还表明减水剂对混凝土强度的影响也是比较显著的。减水剂与水泥品种的适应性很关键,如果二者配合不当,减水剂的效用就会很弱,本试验表明蒙西复合水泥与萘系减水剂之间有良好的适应性。
       对于极差最小的纤维掺量,对混凝土强度影响较小。从图1可以看出,随纤维掺量的增加,强度损失率有所减小,超过一定值,强度损失率反而略有增大。由于本试验侧重于混凝土抗冻耐久性的研究,而纤维掺量对混凝土强度的影响很小,故选用1.2kg/m³。在实际工程中,应考虑具体情况选用合适的纤维掺量,使其发挥应有的效应。此外图1还表明减水剂也有类似的情形。
通过对试验结果进行研究分析,在基准配合比的基础上,以混凝土的耐久性指标为主,强度指标为辅,综合考虑施工技术、经济指标等因素,得到适合北方寒冷地区的混凝土的较优配合比为A2B3C2D2。

3.3  试块破坏形式
       在强度试验中,对破坏后的素混凝土和纤维混凝土两种混凝土进行观察发现,素混凝土破坏后,试块侧面通常都有一至两条大的贯通裂缝,而且裂缝均是竖向发展的,破坏后通缝处及试块的棱角处的混凝土块大量剥落;而聚丙烯纤维混凝土破坏后,只有零星的碎粒掉下,试块也没有大的裂缝产生,更没有看到贯通的裂缝,四个侧面均产生锯齿形裂纹,且微向外凸,略成拱形,试块仍是一个整体,这充分表明聚丙烯纤维在混凝土中的阻裂作用。

4  聚丙烯纤维对混凝土冻融破坏的阻裂机理

       在冻融循环过程中,当混凝土基体冻胀开裂以后,掺入混凝土基体的聚丙烯纤维的限裂作用发挥得更加充分,按照纤维阻裂理论的解释,当纤维均匀分布在混凝土块之中时,由于纤维与混凝土有极强的结合力和抗拉强度,每立方米混凝土中含有数千万条的高抗拉强度的纤维,从而产生了全方位的加强效果,削弱了混凝土的收缩应力,大大减少了混凝土的收缩裂缝,起到阻断块体中微裂缝发展的作用。假定混凝土块体内部存在有发生微裂缝的倾向,当任何一条微裂缝发生,并且可能向任何方向发展时,这条裂缝在最远不超过纤维混凝土块体内纤维平均中心距s的路程之内就会遇到横亘在它前面的一条纤维。由于这些纤维的存在,使微裂缝发展受阻,只能在混凝土块体内部形成类似于无害孔洞的封闭的空腔或者非常细小的孔。

5  结论

(1) 经冻融循环后,混凝土的抗压强度有所降低,聚丙烯纤维的加入对冻融循环后混凝土的抗压强度没有明显的影响。
(2) 在影响混凝土强度的四个因素中,水灰比最为显著,粉煤灰和减水剂次之,纤维掺量影响最小。
(3) 在基准配合比基础上,得到适合北方寒冷地区的混凝土的较优配合比为A2B3C2D2。
(4) 通过对破坏的试块对比发现,聚丙烯纤维能有效地阻止塑性裂缝的产生和发展,尤其是连通的裂缝,对改善混凝土的抗冻性有益。
(5) 掺用纤维的同时掺用粉煤灰,可提高纤维与基材的界面粘结力,可明显改善混凝土拌合物的流变性能,因而有利于提高混凝土的施工质量,减少混凝土的原始缺陷。

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