聚乙烯醇-纤维素混杂纤维增强混凝土性能试验研究

发布时间：2016-10-19 14:35

1   绪论 

1.1   研究背景及意义 
作为土木工程中使用最广泛的材料的混凝土具有悠久的历史，也是目前最大宗的人工石材。早期的混凝土采用的胶凝材料为黏土、石灰、石膏和火山灰等，自波特兰水泥诞生以来，水泥混凝土取得了迅速的发展，研究人员不断的从理论和应用上对水泥混凝土进行丰富和创新，诞生了各种各样的混凝土类型，如：膨胀混凝土，加气混凝土，纤维混凝土等。目前，混凝土已被广泛应用于工程中的各个领域，向着轻质、高强、多功能、高效能的方向发展，通过不断扩大资源，大力发展复合材料，起到节约资源提高混凝土性能的目的，预制混凝土和混凝土商品化已成为重要的发展方向。 众所周知，，混凝土具有一些固有的缺陷[1]即韧性差、脆性高、结构延性和抗裂能力较差，且随着混凝土强度的提高，这些缺陷显得更为显著，其不但降低了混凝土结构的力学性能和耐久性，而且会产生高昂的维修费用。目前，我国高速铁路发展迅速，双块式无砟轨道结构已被广泛应用于高速铁路的建设中，但是采用连续现浇道床板混凝土开裂现象严重，对无砟轨道结构的使用和寿命影响较大。经调查，材料性能是导致其开裂的主要因素之一[2]。地铁作为快速大运量城市轨道交通模式，已被越来越多城市所青睐，但是以钢筋混凝土管片为主的地铁盾构管片，在运输和安装中容易破损和开裂，从而对隧道的安全性和耐久性产生不利影响，有效的抑制破损和开裂成为人们关注的问题[3]。据相关报道，河南郑州的 BRT 路面破损严重，出现了许多大大小小的坑，但是政府并没有启动大修方案，原因是启动大修方案至少需要 1 个多亿。在国外，全欧洲最繁忙的苏格兰格拉斯哥市京斯顿大桥由于出现桥面铺装层破坏的现象，花费将近一千多万美元进行维修，比建桥时的投入还高出  5  倍之多[4]。为了改善混凝土的缺陷，人们在混凝土中掺入纤维，利用纤维具有高于混凝土的弹性模量或较好的延性，起到改善和增强混凝土的目的。
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1.2   国内外研究现状 
混杂纤维掺入混凝土中相互取长补短，产生正的混杂效应，相对于掺入单一纤维，混杂纤维使混凝土结构更加致密，薄弱区域基本消失，从而优化混凝土的性能。AC Aydin[18]通过坍落度、J 形环、L-BOX、V 型漏斗研究了高掺量下碳纤维和钢纤维混杂纤维混凝土的自密实性，试验结果表明：不同的方法测得的值虽然不同，但是混杂纤维混凝土都保持了良好的流动性和自密实性；通过增加水泥用量，外加剂等方法即能使混杂纤维混凝土获得较好的和易性又能提高纤维的分散性。 Bing Ghen 等[19]进行了混杂纤维对高强轻骨料混凝土和易性的研究，认为纤维在混凝土中形成网状结构，增加了拌合物内部的磨檫力且能吸收部分水分，结果表明：混杂纤维混凝土提高了基体混凝土拌合物的粘聚性和保水性，但是降低了拌合物的坍落度和扩展度，对扩展度的影响比坍落度要大。  孙俪[20]以 C40、C50、C60 强度等级的混凝土为基体，研究了不同体积分数钢纤维和不同掺量聚丙烯纤维混杂的混凝土的工作性，试验结果表明：混杂纤维混凝土具有较好的粘聚性和保水性，抑制了混凝土拌合物的泌水和离析；混杂纤维混凝土拌合物的坍落度随着聚丙烯纤维掺量的增加而下降，强度增加降幅变小，随钢纤维体积率的增加，拌合物的坍落度出现先下降在增加在下降的趋势。 丁一宁等[21]研究了两种不同掺量的钢纤维和玻璃纤维单掺和混掺对强度等级 C50 基体混凝土的坍落度的影响，认为混凝土中掺入纤维增加了拌合物内部的磨檫力，提高了粘聚性和保水性，但降低了流动性。结果表明：无论是单掺还是混掺，纤维混凝土的坍落度都出现了明显的的降低。 施磊等[22]进行了不同掺量和水灰比的钢-聚丙烯混杂纤维混凝土正交试验研究，认为 PF 加密了 SF 在混凝土中形成的网状结构，PF 相对于 SF 具有较小的比表面积更容易吸收混凝土拌合物中的水分，加之水灰比的变化，使混杂纤维混凝土的流动性降低，试验结果表明：不论是单掺还是混掺，混杂纤维混凝土的坍落度都出现了不同程度的降低，混掺降低幅度较大。
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2   试验概况 

2.1   试验方案 
本试验采用不掺纤维、单掺聚乙烯醇或纤维素纤维、双掺聚乙烯醇和纤维素纤维、不同强度等级的混凝土，研究混杂纤维混凝土的性能优势以及纤维掺量、强度等级、龄期的变化对混杂纤维混凝土性能的影响。对于试验性能指标本文着重研究了坍落度、抗压强度、劈裂强度、电阻率、氯离子渗透系数等，并对混杂纤维混凝土性能指标间的相关性进行分析研究。试验具体分组如表 2-1所示。试验前在认真阅读相关规范的前提下，进行基准混凝土 C30、C40、C50 的配合比设计，安排好所需试块儿的种类和数量。试验中所需要的试块儿种类和数量的具体安排如表 2-2 所示。 本试验依据规范《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)[48]，对基于 C40 不掺纤维、单掺纤维和 C30、C40、C50 双掺纤维的混凝土进行抗压强度和劈裂强度试验。试验龄期分别为 7 天、28 天、60 天、90 天。试验所用的试块尺寸为 100mm×100mm×100mm，每组 3 个试块。试验过程用相机拍摄关键的试验现象，并认真记录试验数据。 
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2.2   原材料及配合比
本试验基准混凝土所涉及的原材料有：水泥、细骨料（中砂）、粗骨料（碎石）、粉煤灰、矿渣微粉、减水剂。混凝土原材料性能对混凝土的性能具有很大的影响，为了保证原材料符合规范的要求，对其物理化学性能做了检测。水泥是一种粉状水硬性无机胶凝材料，加水搅拌后能把砂、石等材料牢固地胶结在一起，是混凝土中主要材料之一。水泥的各项性能指标直接影响到混凝土的性能指标，因此必须保证水泥的各项物理化学性能指标符合相关规范。试验中采用的水泥生产厂家是天瑞集团郑州水泥有限公司，强度等级为 P·O 42.5，各项指标的检测如表 2.3 所示。 矿渣微粉是符合规范要求的粒化高炉矿渣，经干燥、粉磨，达到相当细度且符合相当活性指数的粉体。作为混凝土的一种优质掺和料，可以提高混凝土的和易性、强度、耐久性和减少大体积混凝土的水化热。本试验采用河南省新乡市长城矿粉有限公司生产的品种等级为 S95，各项指标的检测如表 2.4 所示。 
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3  试验结果分析 ...... 24 
3.1  坍落度 ......... 24 
3.2  立方体抗压强度 ........ 26 
3.2.1  试验结果 .......... 26 
3.2.2  结果分析 .......... 27 
3.3  劈裂抗拉强度 .......... 30 
3.3.1  试验结果 .......... 30 
3.3.2  结果分析 .......... 31 
3.3.3  拉压比 ..... 35 
3.4  电阻率 ......... 41 
3.4.1  试验结果 .......... 41 
3.4.2  结果分析 .......... 41 
3.5  抗氯离子渗透性 ........ 45
3.5.1  试验结果 .......... 45 
3.5.2  结果分析 .......... 46 
4  混杂纤维混凝土性能指标间的相关性 ....... 50 
4.1  立方体抗压强度与劈拉强度的相关性 .... 50
4.2  电阻率和氯离子扩散系数之间的相关性 ......... 54
4.3  立方体抗压强度和电阻率之间的相关性 ......... 59 
4.4  立方体抗压强度和氯离子扩散系数之间的相关性 ........ 64
4.5  劈裂抗拉强度和电阻率之间的相关性 .... 67 
4.6  劈裂抗拉强度和氯离子扩散系数之间的相关性 .......... 72 
5  结论与展望 ........ 76 
5.1  结论 .... 76 
5.2  展望 .... 77 

4   混杂纤维混凝土性能指标间的相关性 

4.1   立方体抗压强度与劈拉强度的相关性 

从图 4.1 可以看出，7 天、28 天、60 天混杂纤维混凝土立方体抗压强度与劈拉强度为非线性回归关系，90 天时，呈现出良好的线性回关系。28 天、60 天、90 天时，混杂纤维混凝土劈拉强度随着抗压强度的增大而增大。7 天时，混杂纤维的劈拉强度并没有随着抗压强度的增大而增大，因为水胶比较小的混凝土前期胶凝材料水化相对缓慢，使纤维和水泥石的粘结力较小，而纤维的掺入又增加了混凝土的缺馅，负效应相对大些，从而使其劈拉强度降低。 4.1.2   不同龄期立方体抗压强度与劈裂抗拉强度的相关性 图 4.5-4.8 中，混杂纤维混凝土立方体抗压强度与劈拉强度为非线性回归关系，除图 4.5 外，总体上保持了劈拉强度随着抗压强度的增长而增长的趋势。 图 4.13-4.15 中,  混杂纤维混凝土立方体抗压强度与劈拉强度为非线性回归关系，图 4.16 为线性回归关系。除图 4.13 外，都保持了劈拉强度随着抗压强度增长而增长的趋势。 经综合分析，混杂纤维混凝土总体上劈拉强度与抗压强度的回归关系如图4.17 所示。 

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结论 

本文通过试验研究了聚乙烯醇纤维（PVA）和纤维素纤维两种非金属纤维进行混杂的纤维混凝土，对比分析了 PVA-纤维素混杂纤维混凝土的工作性、力学性能和耐久性，龄期和强度等级对混杂纤维混凝土力学性能和耐久性的影响；分析了力学性能和耐久性指标间的相关性，得出以下几条结论： 
（1）PVA-纤维素混杂纤维降低了基本混凝土的坍落度，其中 PVA 纤维发挥主要作用；双掺纤维混凝土的抗压强度、劈拉强度、电阻率、抗氯离子渗透性的最优掺量为 1.2kg/m3(PVA)和 0.9kg/m3(纤维素)。 
（2）PVA-纤维素混杂纤维混凝土7天抗压强度高于单掺纤维低于不掺纤维，劈拉强度、电阻率、抗氯离子渗透性高于单掺纤维和不掺纤维；28、60、90 天时混杂纤维混凝土抗压强度、劈拉强度、电阻率、抗氯离子渗透性高于单掺纤维和不掺纤维，拉压比在水化趋于稳定时（90 天）较大，韧性较好。 
（3）双掺、单掺、不掺纤维混凝土的抗压强度、劈拉强度、电阻率随着龄期的增大而增大，氯离子渗透系数随着龄期的增大而减小，其中双掺纤维混凝土性能指标随强度等级的变化和龄期的变化相似；各个指标在同一阶段不同纤维掺入情况或不同阶段同一纤维掺入情况的变化率不同；C40 较 C30、C50 双掺纤维混凝土拉压比在水化前期（7 天）和后期（90 天）较好。 
（4）保持一种纤维的掺量不变，改变另外一种纤维的掺量，各个指标随着龄期的增大而增大，  PVA 纤维和纤维素分别促进了双掺纤维混凝土的劈拉强度、拉压比在早期和后期发挥正的混杂效应；随着纤维掺量的改变双掺纤维混凝土电阻率和氯离子渗透系数的变化早期幅度较大后期趋于平稳。 
（5）混杂纤维混凝土的劈拉强度、电阻率随着抗压强度的增大而增大，氯离子渗透系数随着抗压强度的增大而减小，劈拉强度、电阻率、氯离子渗透系数与抗压强度同一龄期或不同龄期之间具有线性或非线性的回归关系；电阻率随着劈拉强度的增大而增大，氯离子渗透系数随着劈拉强度的增大而减小，电阻率、氯离子渗透系数与劈拉强度同一龄期或不同龄期之间具有线性或非线性的回归关系。 
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参考文献(略)

本文编号：145922