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轻集料混凝土添加纤维添加剂的改性试验

来源:原创论文网 添加时间:2019-07-19

  摘    要: 混凝土材料是人类应用最广泛的建筑材料, 其固有缺点是自重大与脆性突出, 改善混凝土的脆性、实现混凝土的减重及强化性能, 是提高混凝土材料使用效能, 节约建筑材料资源与能源的最有效技术途径之一, 也是混凝土材料科学基础理论研究与应用技术开发的主要目标。本文采用显微机械原理和分析方法来研究轻骨料混凝土的断裂力学。数值模拟分析和实验验证证明轻骨料混凝土的脆性机制。在此基础上, 提出轻质高强混凝土韧化设计方法, 系统研究了高韧性轻质高强混凝土的配比优化设计方法。

  关键词: 轻集料; 轻质混凝性机理; 断裂行为; 增韧技术;

  1、 前言

  钢筋混凝土是目前世界上应用最为广泛的建筑材料, 但是其结构仍旧存在着自重大、承载力较低、脆性高、施工复杂、难进行修复加固以及早期容易开裂的缺点。随着混凝土强度的进一步提高, 其高脆性化的特征也越来越显着, 这一矛盾限制了混凝土的发展与应用。如何在保证混凝土强度的前提下解决其高脆性的问题成为现代高强混凝土应用研究的重点。轻集料混凝土相对于普通混凝土具有轻质高强、隔热蓄温效果优良、抗震性能好等优点。将各类纤维与纤维类材料加入轻集料混凝土中对其进行改性有利于提升混凝土的性能。为探索改性轻集料混凝土抗压强度的微观机理与宏观效果, 本试验将通过向轻集料混凝土中添加不同纤维添加剂用以改善混凝土的物质组成, 以期提高其物理力学性能, 并采用微观观测与力学性能试验等手段从微观和宏观两个层面研究其作用机制和性能特征。

  2、 试验方案

  2.1、 试验原材料

  研制高性能填充。轻集料混凝土应主要考虑低密度、高强度、大流动性和一定膨胀性, 本部分从密度控制、强度控制、易性控制和硬化变形控制4个方面考虑。由此确定原材料及其配比如下:

  2.1.1、 试验原材料的选定

  强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥;最大粒径不大于20mm, 针片状颗粒含量小于5%, 含泥量小于0.5%, 泥块含量小于0.2%的连续级配的碎石;细度模数为1.84, 含泥质量分数为1.75%, 质量好的天然河砂;多元羧酸减水剂, 要求水还原率为20.6%, 固体含量在33%和35%之间。所述剂量是0.8%;添加II级煤粉灰、硅粉, 利用粉煤灰和硅粉进行双掺杂从而提高混凝土的强度和韧性;增韧材料分别为改性钢纤维、聚丙烯纤维和改性玄武岩纤维。

轻集料混凝土添加纤维添加剂的改性试验

  2.1.2、 试验原材料的配比选定

  根据JGJ 51-2002《轻集料混凝土技术规程》, 除纤维掺量外的主要材料配比确定如表1。

  表1 轻集料混凝土配合比 (单位:kg/cm3)
表1 轻集料混凝土配合比 (单位:kg/cm3)

  2.2 、试验方法

  2.2.1、 强度测试

  试验以《普通混凝土力学性能试验方法》 (GB-T5008-2002) 为标准, 配比分别成型150mm×150mm×150mm抗压强度试件及150mm×150mm×300mm轴心抗压强度试件。由于改性纤维材料不易分散, 为了避免在制作试件中纤维过于集中, 采取直接加入并进行人工机械分散的方法。在制作所需混凝土立方之前, 需要把陶粒进行24h的预湿处理, 测出浸泡后的轻集料混水率, 用以控制搅拌处理时的用水量。把陶粒、砂、水泥按配合比例放入搅拌机中, 然后将掺料纤维分散地撒在骨料上干拌1min左右, 之后加入水与发泡剂搅拌4min左右。最后将搅拌好的材料注入标准试模中、在震动台上充分震动后进行成型操作。最后把成型试样放于标准养护室养护, 采用NYL-2000D型压力试验机进行抗压强度实验, 测试7d, 28d抗压强度。混凝土立方体试件抗压强度计算:

  式⑴中,

  fcu———混凝土立方体试件抗压强度, MPa;

  F———破坏荷载, k N;

  A———试件的承压面积, m3。

  2.2.2、 电子显微镜微观观测

  进行电子显微镜扫描以获取清晰的轻集料混凝土的微观结构, 对不同时期的混凝土进行形貌观察, 并对所得图像进行处理与分析, 以揭示轻集料混凝土微观结构与性能之间的作用机理, 用以探究结构性能改善方法。

  3 、试验结果及分析

  3.1、 强度测试试验

  3.1.1、 钢纤维改性轻集料混凝土

  根据表2中的试验数据, 绘制出玄武岩纤维掺量与轻集料混凝土抗压强度之间关系, 如图1所示。

  表2 钢纤维掺量与力学性能对照
表2 钢纤维掺量与力学性能对照

  图1 钢纤维混凝土力学性能试验结果
图1 钢纤维混凝土力学性能试验结果

  图1为钢纤维掺量对混凝土强度的影响。由图1可见, 钢纤维的掺入使得混凝土的抗压强度略有降低, 但变化均小于8%;混凝土中掺入钢纤维能够形成钢纤维网状体系, 随着混凝土承受荷载的增大, 混凝土中出现裂缝, 钢纤维能阻碍裂缝的扩展, 尤其是基体开裂后, 钢纤维从基体中拔出或拉断时会产生一定的应力, 从而使混凝土承受荷载能力增大。随着钢纤维掺量的增加, 相同长度的裂缝上桥接纤维数变多, 从而更好发挥了阻裂作用, 增大了混凝土的抗裂能力。由于混凝土的抗压强度主要取决于其基体的密实度和骨料界面的区域, 因此, 钢纤维对混凝土抗压强度改善作用不大。

  随着钢纤维掺量逐渐增大, 分散问题愈加凸显, 内部出现更多易产生应力集中的薄弱部分, 另一方面过多纤维的掺入同时也直接或间接导致了过多的内部缺陷, 故而宏观强度表现为出下降趋势。因此, 钢纤维的总掺量不宜过高。

  3.1.2 、玄武岩纤维轻集料混凝土

  根据表3中的试验数据, 绘制出玄武岩纤维掺量与轻集料混凝土抗压强度之间关系, 如图2所示。

  表3 玄武岩纤维掺量与力学性能对照
表3 玄武岩纤维掺量与力学性能对照

  图2 玄武岩纤维力学性能试验结果
图2 玄武岩纤维力学性能试验结果

  参考表4及图3可知, 玄武岩纤维掺入轻集料混凝土中对轻集料混凝土7d抗压强度提高相对更为显着。当玄武岩纤维掺量为0.05%、0.1%、0.15%、0.2%时, 轻集料混凝土7d抗压强度比不掺纤维轻集料混凝土分别提高4.15%、6.79%、10.19%、10.57%。玄武岩纤维对轻集料混凝土28d抗压强度影响不明显, 抗压强度值在33MPa附近上下波动, 但当纤维掺量超过0.15%时, 轻集料混凝土28d抗压强度会产生降低趋势。这主要与过量的纤维掺入混凝土拌合物中产生结团有关, 从而对其力学性能造成不利影响。可以看出, 玄武岩纤维在提高轻集料混凝土早期抗压强度上效果更为显着。

  3.1.3、 聚丙烯纤维轻集料混凝土

  根据表4中的试验数据, 绘制出玄武岩纤维掺量与轻集料混凝土抗压强度之间关系, 如图3所示。

  表4 聚丙烯纤维掺量与力学性能对照
表4 聚丙烯纤维掺量与力学性能对照

  图3 聚丙烯纤维力学性能试验结果
图3 聚丙烯纤维力学性能试验结果

  聚丙烯纤维掺量为0~0.3%时, 随着聚丙烯掺量的增加, 轻集料混凝土的抗压强度不断降低, 以28d组为参考, 在聚丙烯纤维掺量为0.3%时达到最低, 为29.1MPa;当聚丙烯纤维掺量为0.4%时, 轻集料混凝土的抗压强度急剧提高, 达到39.7MPa, 较素混凝土提高15.6%。少量聚丙烯纤维对轻集料混凝土的抗压强度有降低作用, 当掺量大于某一值后, 其抗压强度出现急剧提高的现象。

  随着聚丙烯纤维掺量的增加, 轻集料混凝土的抗压强度先降低后提高。造成抗压强度降低主要有两方面的原因:一是当少量纤维加入轻集料混凝土时, 纤维的表面会附着一层水泥砂浆, 也就是说轻集料混凝土中胶凝分子总含量减少, 从而导致材料的力学性能表现为减弱;二是由于纤维掺量较少, 还不足以在轻集料混凝土内部形成成形三维网状结构来增强轻集料混凝土的力学性能, 使得纤维对轻集料混凝土的补强效果不足以抵消削弱效果, 轻集料混凝土的力学性能就会有所下降。而当纤维掺量继续增加时, 纤维能够在轻集料混凝土内部形成可观程度的三维网状结构, 发挥其增强作用, 即纤维的增强效果总体大于消弱效果, 此时, 轻集料混凝土的力学性能即外在表现为增强。

  3.2、 微观观测结果

  混凝土的内部缺陷导致混凝土破坏的诱导因素, 也是混凝土各种性能降低的症结所在。纤维的加入不仅可以阻止原有微裂纹的继续扩展延伸, 还能有效延阻新微裂纹的出现。纤维是否能在混凝土基体中发挥增韧阻裂作用取决于纤维与混凝土界面的黏结表现表现。

  图4 (a) 、 (b) 、 (c) 为玄武岩纤维、聚丙烯纤维、钢纤维与混凝土基体的黏结界面微观形貌。

  图4
图4

  由图4可知, 玄武岩纤维轻骨料混凝土中玄武岩纤维与水泥胶接物材料间接触紧密, 各相之间均匀分布。

  其中, 玄武岩纤维呈现针片状或圆柱状, 而水泥胶接材料表观呈现层片状。玄武岩矿物具有潜在的火山灰活性, 能与混凝土基体中的碱溶液发生反应, 反应产物沉积在纤维与基体界面处, 改善了纤维与混凝土的黏结度, 提高了混凝土整体密实性, 并且在混凝土中纤维呈现乱序排布状态, 形成连续而致密的网络结构, 该网络体系能够锁定稳定骨料, 有助于延缓混凝土脆性折断与裂缝发展效应。同时, 纤维受力横截面积减小, 减弱了纤维在基体中的抗拉强度。

  钢纤维为柱体形状呈现, 水泥水化物包裹在纤维柱体表面, 两者之间处于牢固的黏结状态, 界面处连续、均匀、饱满。通过掺入钢纤维改性的轻集料混凝土, 在微观状态下的物相空间布置均匀, 各相体形成稳定的骨架网络结构, 从材料的水化反应与微观组织体形成等方面加速轻骨料混凝土的致密结构、交叉网架构造的生成, 能有效延缓混凝土微裂缝的生成与恶化, 并且提高其宏观力学性能。

  聚丙烯纤维在拌合物中相互桥接, 有效阻碍混凝土硬化过程中裂缝的产生, 减少了裂缝的数量。同时, 在受力状态下, 纤维之间的作用可以分散受力, 延阻裂缝的发展, 缓和了应力集中的程度。但聚丙烯纤维的弹性模量及断裂拉伸强度最小, 并且与混凝土界面的黏结表现较差, 故而聚丙烯纤维对基体的总体增强程度有限。

  4 、结论

  ⑴结合微观扫描试验与抗折强度试验可知, 钢纤维改性轻骨料混凝土微观状态下物相空间布置均匀, 形成稳定的网络与骨架结构, 水化反应与微观结构形成等方面促进轻骨料混凝土的致密结构、交叉网架构造生成。⑵当钢纤维的含量跨越最佳含量而继续提高时, 钢纤维由于表面光滑摩擦系数低, 水泥水化凝结物不足以包裹富余的钢纤维, 从而富余的钢纤维在混凝土中处于滑移和流动状态, 在应力作用下促进混凝土的快速变形和脆裂。

  ⑶玄武岩纤维在提高轻集料混凝土早期抗压强度上效果更为显着, 而过量的纤维掺入混凝土拌合物中会产生结团, 所以后期抗压表现不是特别突出。

  ⑷掺入一定量的聚丙烯纤维能够有效增强混凝土的抗压强度, 而纤维量过多而超过某个值时, 不仅对增强强度没有作用, 反而会降低其强度。

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