塑钢纤维轻骨料混凝土力学性能及微观结构试验研究

发布时间：2016-04-21 16:23

1 绪论

1.1 研究背景
轻骨料混凝土[1]是指用轻粗骨料、轻砂（或普通砂）等为骨料配制而成的干表观密度不大于 1950kg/m3的水泥混凝土。轻骨料混凝土是减轻结构自重最有效、最直接的措施，是高层与大跨度结构的理想建筑材料[2,3]。 人造轻骨料可由工业废弃物和建筑垃圾等烧制而成，可大大减少对天然集料资源的开采，因此轻骨料混凝土是一种生态环保型建筑材料；采用轻骨料混凝土替代普通混凝土具有显著的经济效益，能够增加建筑物的使用面积，降低基础造价；轻骨料混凝土具有一定的“自养护”功能[4]，有利于提高混凝土的强度及密实性，使得轻骨料混凝土具有比普通混凝土更好的抗渗性；轻骨料的多孔性可缓解混凝土内部因水结冰造成的膨胀压应力，提高其抗冻融破坏能力；此外，轻骨料混凝土还具有良好的抗震性能，相关研究表明[5]：轻集料混凝土相对抗震系数为 109，而普通混凝土仅为 84。 虽然轻骨料混凝土优点很多，但目前大多数轻骨料混凝土存在强度较低，易产生脆性破坏等性能缺陷[6,7]，所以我国轻骨料混凝土很少被应用于承重结构中[8,9]，而主要作为墙体的保温、隔热材料使用。研究表明，将纤维作为增强材料掺入轻骨料混凝土中能够显著提高其抗开裂能力，并能有效降低其脆性程度，改善各项力学性能及耐久性能[10,11]。塑钢纤维具有弹性模量大、抗拉强度高等特点，将塑钢纤维作为增强材料掺入轻骨料混凝土中，构成复合材料—塑钢纤维轻骨料混凝土，既能将轻骨料混凝土的轻质高强等独特性能优势传承下来，又能有效克服混凝土的脆性问题，符合混凝土材料科学发展方向[12]，极大地推动了轻骨料混凝土在承重结构中的发展与应用。 以往关于纤维轻骨料混凝土的研究并不全面，研究主要集中于某一项特定性能。由于轻骨料混凝土固有缺陷的存在，土木工程师不断尝试着将轻骨料混凝土应用于承重结构中，如将纤维作为增强材料掺加到轻骨料混凝土中，但是纤维轻骨料混凝土应用于工程结构时纤维掺量取值没有科学合理的依据，大多数时候是根据经验确定的，没有从纤维轻骨料混凝土宏观力学性能和微观结构机理上去提出合理纤维掺量。 
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1.2 轻骨料混凝土研究现状
Bui Le Anh Tuan 和台湾国立台湾科技大学 Chao-Lung Hwang 等人[ 13]采用污泥做主要材料，废弃玻璃碎片做添加剂煅烧轻质陶粒，研究了玻璃碎片掺量及烧结温度对陶粒特性的影响。研究结果表明：在陶粒中掺入玻璃碎片有助于提高窑内烧结温度，降低陶粒吸水率和堆积密度。 Payam  Shagh 等人[ 14]研究了采用油棕榈壳和粘土陶粒为原料配制而成的两种轻骨料混凝土在力学性能及干缩性方面的差异。研究结果表明：尽管油棕榈壳陶粒混凝土的干表观密度比粘土陶粒混凝土低 15%，但其 28 天抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度比粘土陶粒混凝土分别高 44%、30%、16%；油棕榈壳陶粒混凝土的强重比高于粘土陶粒混凝土及普通混凝土；在混凝土早期养护阶段，油棕榈壳陶粒混凝土的干缩值比粘土陶粒混凝土大将近一倍，而当养护龄期超过 90 天时，干缩值降低至原来的 35%。 
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2 试验概况

2.1 试验原材料
水泥：采用 P·O42.5R 级普通硅酸盐水泥； 细骨料：普通河砂，细度模数 2.9，含泥量 2.1%，堆积密度 1 547kg/m3； 塑钢纤维：选用浙江宁波大成新材料股份有限公司生产的异型塑钢纤维如图 2.1所示，其性能指标见表 2.1； 粗骨料：采用包头市精正建材公司生产的圆球型粉煤灰陶粒、碎石型粉煤灰陶粒及天津市武清区彤上轻质建材厂生产的页岩陶粒，外观形貌分别如图 2.2～2.4 所示，性能指标如表 2.2 所示； 减水剂：萘系高效减水剂，减水率为 20%； 
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2.2 试验配合比
由于建筑工程中强度等级为 C30 混凝土应用较为广泛，基于此，试验设计的轻骨料混凝土强度等级为 LC30。采用松散体积法对塑钢纤维轻骨料混凝土进行配合比设计，试验配合比如表 2.3 所示。 由于轻骨料混凝土在拌和过程中骨料容易上浮，掺纤维后不易搅拌均匀，宜采用强制式搅拌机进行搅拌，，试件制作具体步骤如下： （1）备料：根据试验设计配合比中数据分别称取水泥、塑钢纤维、陶粒、细砂备用。 （2）陶粒预湿：将称量好的陶粒倒入盛有水的容器中进行常压吸水处理，水面需高出陶粒表面一定高度，要保证陶粒常压吸水水面下降后仍能完全浸没陶粒，浸泡1h 后，将容器中的陶粒倒出，并处理成饱和面干状态。 （3）投料、拌和：将称量好的原材料投入搅拌机进行机械拌和，投料顺序为将经预湿处理过的陶粒、细砂、水泥依次投入搅拌机内；采用人工分散法加入塑钢纤维，尽量做到均匀分散，机械搅拌 1～2min；加入水和减水剂，拌和 2.5min。 （4）出料成模：在振动台上振动成型（振动 30～40s），24h后脱模，放置在标准养护室中养护至规定龄期。 
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3 塑钢纤维轻骨料混凝土力学性能试验研究 ...... 10 
3.1 抗压性能试验研究 ...... 10 
3.1.1 抗压破坏试验现象........ 10 
3.1.2 抗压强度试验结果及分析........ 11 
3.2 劈裂抗拉性能试验研究 .... 14 
3.2.1 劈裂抗拉破坏试验现象...... 14 
3.2.2 劈裂抗拉强度试验结果及分析...... 15 
3.3 抗折性能试验研究 ...... 16
3.4 弯曲韧性试验研究 ...... 21 
3.4.1 弯曲破坏试验现象........ 22 
3.4.2 弯曲韧性试验结果及分析........ 22 
3.5 冲击性能试验研究 ...... 24 
3.6 塑钢纤维用于轻骨料混凝土中的合理掺量 ........ 28 
3.7 本章小结 .... 31
4 塑钢纤维轻骨料混凝土微观结构研究 ........ 33 
4.1 微观试验试样制备与试验方法 .... 33 
4.2 陶粒表面及内部形貌特征 ...... 34 
4.3 骨料—浆体界面过渡区微观结构研究 .... 37
4.4 塑钢纤维—浆体界面过渡区微观结构研究 ........ 42
4.5 本章小结 .... 44 

4 塑钢纤维轻骨料混凝土微观结构研究

根据复合材料观点，纤维轻骨料混凝土可以看成由素轻骨料混凝土与塑钢纤维复合成的多相、多组分的复合材料。大量试验证明，材料的宏观力学性能与微观结构之间有密切联系[52]。 复合材料中不同材料之间的界面过渡区是将性质完全不同的两部分粘结成一个整体的关键环节。混凝土内骨料—砂浆界面过渡区是影响混凝土耐久性的主要因素，众多研究者对混凝土界面过渡区展开了研究，但多数的研究都集中在普通混凝土的范围内，对轻骨料混凝土界面过渡区的研究相对较少。 根据第三章塑钢纤维轻骨料混凝土各项力学性能试验可知，塑钢纤维对轻骨料混凝土可以起到良好的增强、增韧及阻裂效果，但上述作用效果主要与纤维—浆体界面过渡区的形貌及性能有关。 因此，对塑钢纤维轻骨料混凝土的微观结构进行试验研究十分必要。本章借助于扫描电镜重点观察了塑钢纤维轻骨料混凝土的骨料—浆体及纤维—浆体界面过渡区微观形貌，并从微观层面揭示了纤维对轻骨料混凝土的增强、增韧及阻裂机理。 

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结论 

本文选用同一种塑钢纤维对圆球型粉煤灰陶粒混凝土、碎石型粉煤灰陶粒混凝土、页岩陶粒混凝土进行基本力学性能试验研究，得出塑钢纤维掺入对轻骨料混凝土各项力学性能的基本影响规律，综合各项性能指标给出塑钢纤维轻骨料混凝土用于工程结构时塑钢纤维建议掺量，得出的试验结论更具有一般性、普遍性。
（1）塑钢纤维能在一定程度上改善轻骨料混凝土的抗压性能，尤其对早期抗压强度提高显著；塑钢纤维掺入轻骨料混凝土中还能够改善混凝土的受压破坏形态，使混凝土由脆性破坏转变为具有一定的塑性破坏形态。 
（2）塑钢纤维对轻骨料混凝土初裂强度无明显影响，却能够显著提高轻骨料混凝土的抗折强度、劈裂抗拉强度，弯曲韧性以及抗冲击性能。 
（3）未掺塑钢纤维轻骨料混凝土荷载—挠度曲线下降段几乎无法测得；塑钢纤维轻骨料混凝土荷载—挠度曲线比较完整，且随纤维掺量增加，曲线下降段趋于平缓，包裹面积呈增大趋势。 
（4）采用 JCI/JSCE 和剩余强度法评价弯曲韧性，所反映纤维对轻骨料混凝土的增韧效果是相一致的，曲线变化趋势均为先上升后降低，纤维掺量为 9kg/m3时均取得极大值。 
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参考文献(略)

本文编号：38939