摻加不同纖維的活性粉末混凝土抗拉強(qiáng)度研究

張建雋， 趙貴哲， 趙源源

(1. 中北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 山西 太原 030051； 2. 太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 城建系， 山西 太原， 030027；3. 北京建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院， 北京 100044)

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摻加不同纖維的活性粉末混凝土抗拉強(qiáng)度研究

張建雋1,2， 趙貴哲1， 趙源源3

(1. 中北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 山西 太原 030051； 2. 太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 城建系， 山西 太原， 030027；3. 北京建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院， 北京 100044)

摘要:RPC被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外各類大型復(fù)雜工程. 為進(jìn)一步提高RPC抗拉力學(xué)性能， 通過試驗探討不同養(yǎng)護(hù)方式下不同纖維種類對RPC抗拉強(qiáng)度的影響. 具體纖維種類包括鋼纖維、 聚丙烯纖維及碳纖維， 養(yǎng)護(hù)方式包含標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、 蒸汽養(yǎng)護(hù)及熱水養(yǎng)護(hù). 結(jié)果表明， 鋼纖維對提高RPC抗拉強(qiáng)度最為顯著， 同時鋼纖維的摻加對改善RPC脆性破壞有一定效果. 0%～1.5%摻量的碳纖維可以提高RPC抗壓強(qiáng)度， 但效果不及鋼纖維. 當(dāng)碳纖維摻量高于1.5%時， RPC抗拉強(qiáng)度隨著碳纖維摻量的增大而降低. 聚丙烯纖維對RPC抗拉強(qiáng)度影響相對較小， 0%～0.1%摻量的聚丙烯纖維可以使得RPC抗拉強(qiáng)度有微小提升， 當(dāng)摻量為0.1%～0.4%時， RPC抗拉強(qiáng)度隨著聚丙烯纖維摻量的增加而減小.

關(guān)鍵詞:活性粉末混凝土； 抗拉強(qiáng)度； 鋼纖維； 聚丙烯纖維； 碳纖維

活性粉末混凝土(RPC)是由水泥、 石英砂、 礦物摻合料、 減水劑、 外摻纖維等配制而成的新型水泥基復(fù)合材料， 具有較高強(qiáng)度、 較好的韌性及耐久性能[1]. 在RPC硬化過程中， 可以輔以預(yù)壓、 加熱等方式進(jìn)一步提高強(qiáng)度， 降低混凝土孔隙率. 自RPC問世以來， 各國研究人員對它一直給予了充分關(guān)注， 并在國內(nèi)外核電、 市政、 軍事等實際工程中得以應(yīng)用[2-4].

當(dāng)前， 國內(nèi)外對RPC基本力學(xué)性能的研究已經(jīng)日趨成熟， 并取得了一定成果. 法國研究人員Pierre Richard等[5]率先通過材料優(yōu)選、 養(yǎng)護(hù)方式改進(jìn)及組分變更等方式成功配制出200 MPa和800 MPa的RPC. 法國Dugat等[6]基于試驗探討了200 MPa及800 MPa等級RPC的抗壓強(qiáng)度、 抗折強(qiáng)度及斷裂性能， 試驗結(jié)果表明RPC 200斷裂能高達(dá)40 000 J/m2， 遠(yuǎn)高于普通混凝土斷裂能. 馬亞峰等[7]基于試驗對RPC單軸抗壓及變形性能展開研究， 給出了RPC抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線計算公式. 土耳其Halit等[8]探討了不同養(yǎng)護(hù)方式對RPC力學(xué)性能的影響， 研究證實蒸壓和蒸汽對提高RPC抗壓強(qiáng)度效果顯著， 但對RPC韌性有不利影響.

養(yǎng)護(hù)制度及外摻纖維是影響RPC力學(xué)性能的重要因素， 同時也決定著RPC的綜合成本及利用價值. 當(dāng)前， 鋼纖維摻量對RPC力學(xué)性能影響已得到充分研究， 結(jié)果證實了鋼纖維摻入對RPC抗壓強(qiáng)度、 韌性、 抗折強(qiáng)度、 高溫抗爆裂性能等方面的積極作用[9-11]， 而關(guān)于聚丙烯纖維、 碳纖維等對RPC基本力學(xué)性能的影響的相關(guān)研究則相對缺乏. 本文基于試驗對摻加鋼纖維、 聚丙烯纖維、 碳纖維的RPC抗拉力學(xué)性能展開研究， 養(yǎng)護(hù)方式采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、 熱水養(yǎng)護(hù)、 蒸汽養(yǎng)護(hù)三種， 基于試驗結(jié)果對不同纖維種類及其摻量對RPC抗拉強(qiáng)度的影響做出評價.

1試驗方案

1.1試驗原材料

1) 水泥： 某廠生產(chǎn)的42.5級普通硅酸鹽水泥， 密度3 080 kg/m3， 28 d抗壓強(qiáng)度62.3 MPa；

2) 石英砂： 40～70目， SiO2含量98.4%；

3) 硅灰： 某廠生產(chǎn)的非凝聚硅粉， 比表面積14 266 kg/m3， 密度2.199 kg/m3， 硅灰化學(xué)成分如表 1 所示；

4) 鋼纖維： 長度為12～15 mm， 斷面面積0.25 mm×0.25 mm， 抗拉強(qiáng)度2 240 MPa；

5) 聚丙烯纖維： 平均長度15 mm， 直徑30 μm， 密度0.94 kg/m3， 抗拉強(qiáng)度400 MPa；

6) 碳纖維： 平均長度12 mm， 直徑7 μm， 抗拉強(qiáng)度4 760 MPa；

7) 減水劑： 非萘系高性能減水劑；

8) 水： 自來水.

1.2配合比及試件制備

通過試配確定了不摻纖維的RPC基準(zhǔn)配合比為水泥∶硅灰∶石英砂=1∶0.43∶1.15， 水膠比固定為0.19， 減水劑為膠凝材料用量的2.5%. 試驗采用的RPC配合比如表 2 所示.

目前， 國內(nèi)尚無針對RPC力學(xué)性能試驗的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)， 考慮到RPC配比不含粗骨料， 其各組分混合較均勻， 采用100 mm×100 mm×100 mm的RPC抗壓強(qiáng)度測試試件可以很好地反映RPC力學(xué)性能. 本試驗采用100 mm的立方體試件作為RPC劈裂抗拉強(qiáng)度測試試件， 試件鋼纖維摻量取為0%, 1%, 2%, 3%, 4%， 聚丙烯纖維摻量取為0%, 0.1%, 0.2%， 0.3%, 0.4%， 碳纖維摻量取為0%, 0.5%, 1%, 1.5%, 2%.

試件制備時， 先將膠凝材料、 石英砂、 纖維倒入攪拌機(jī)內(nèi)攪拌4 min， 隨后將用水量的一半與減水劑混合倒入攪拌機(jī)內(nèi)攪拌5 min， 最后再將剩余的水加入攪拌1 min. 將攪拌完畢的水泥漿體倒入鋼模， 經(jīng)振動臺振動密實， 然后放入實驗室自然養(yǎng)護(hù)1 d后拆模. 拆除模具的試件采取三種不同的養(yǎng)護(hù)方式： ① 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)， 即類似于普通混凝土養(yǎng)護(hù)方式， 將試件直接移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d； ② 熱水養(yǎng)護(hù)， 即將試件置于50 ℃熱水中養(yǎng)護(hù)72 h， 隨后移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)25 d； ③ 蒸汽養(yǎng)護(hù)， 即置于養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)90 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù)72 h， 隨后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)25 d.

1.3試件力學(xué)性能測試

RPC力學(xué)性能測試參照普通混凝土力學(xué)性能測試試驗方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行， 加載設(shè)備為WAW-2 000 kN微機(jī)控制電液伺服萬能試驗機(jī)， 加載速率為0.1 MPa/s.

2試驗結(jié)果及分析

2.1RPC劈拉破壞形態(tài)

RPC試件劈裂破壞過程為： 首先在試件受壓面出現(xiàn)少數(shù)幾條微細(xì)裂縫， 其后隨著荷載的不斷增加， 裂縫迅速擴(kuò)展延伸， 直至貫穿整個受壓面， 試件被劈裂為兩部分. 對于未摻加任何纖維的RPC， 破壞呈現(xiàn)出明顯的脆性， 試件表面僅產(chǎn)生一條主裂縫， 試件破壞斷面平整規(guī)則， 斷裂面未出現(xiàn)明顯掉渣現(xiàn)象.

摻有鋼纖維的RPC破壞則呈現(xiàn)出一定的韌性破壞， 試件裂縫的擴(kuò)展逐漸破壞了鋼纖維與水泥基體的粘結(jié)， 在試件劈裂破壞前， 可以明顯聽到鋼纖維被拔出發(fā)出的撕裂聲. 破壞的試件斷裂面有掉渣現(xiàn)象， 斷面鋼纖維錯亂分布， 鋼纖維未被拔出的一側(cè)仍與水泥基體粘結(jié)良好， 部分破壞后的試件未能完全分開， 兩斷裂面仍有鋼纖維連接.

摻加碳纖維的RPC試件， 當(dāng)摻量低于1%時， 盡管相對于素RPC破壞形態(tài)有所改善， 但試件仍呈現(xiàn)出脆性破壞， 即表現(xiàn)為裂縫出現(xiàn)后迅速延伸， 直至破壞. 當(dāng)碳纖維摻量達(dá)到1.5%, 2%時， RPC破壞形態(tài)開始表現(xiàn)出一定的韌性， 試件破壞時出現(xiàn)掉渣現(xiàn)象， 破壞前有明顯的撕裂聲.

對于摻加聚丙烯纖維的RPC， 試件劈裂破壞時呈現(xiàn)明顯的脆性， 試件開裂即斷， 斷面規(guī)則平整. 雖然斷面可見部分被拉斷的聚丙烯纖維， 但由于聚丙烯纖維抗拉強(qiáng)度相對較小， 遠(yuǎn)低于鋼纖維及碳纖維的抗拉強(qiáng)度， 其對于試件斷裂瞬時能量的耗散作用微小， 對RPC受拉脆性破壞并無顯著改善效果.

2.2鋼纖維摻量對RPC抗拉強(qiáng)度影響

圖 1 所示為鋼纖維摻量對RPC抗拉強(qiáng)度的影響曲線. 從圖1中可知， 隨著鋼纖維摻量的增加， RPC抗拉強(qiáng)度不斷增大. 對于標(biāo)準(zhǔn)、 熱水及蒸汽三種養(yǎng)護(hù)方式的RPC抗拉強(qiáng)度， 4%摻量鋼纖維的RPC較RPC-0抗拉強(qiáng)度分別提升了44.14%, 36.15%, 28.14%. 鋼纖維摻量為0%～1%時， 摻量的變化僅對抗拉強(qiáng)度有微小提升， 而當(dāng)鋼纖維摻量為1%～2%時， RPC抗拉強(qiáng)度增幅較大. 當(dāng)鋼纖維摻量大于3%時， 鋼纖維摻量的變化對RPC抗拉強(qiáng)度貢獻(xiàn)相對減小.

鋼纖維摻量的提升對RPC抗拉強(qiáng)度的改善主要歸結(jié)于鋼纖維較高的彈性模量及抗拉強(qiáng)度. 在等拉應(yīng)變狀況下， 鋼纖維對混凝土有較強(qiáng)的約束作用， 進(jìn)而阻止RPC裂縫的形成及發(fā)展. 同時， 鋼纖維與水泥基體之間良好的粘結(jié)也是RPC抗拉強(qiáng)度增大的原因， 鋼纖維可以起到橋接裂縫的作用， 鋼纖維與水泥基體之間的粘結(jié)可以將開裂面荷載傳遞至未開裂面， 進(jìn)而有利于RPC抗拉強(qiáng)度的提升.

鋼纖維的摻加很好地改善了RPC抗拉強(qiáng)度， 然而這并不意味著鋼纖維摻量的不斷增加對RPC力學(xué)性能一直起著積極作用. 現(xiàn)有相關(guān)研究已經(jīng)表明[9]， 當(dāng)鋼纖維摻量高于3.5%時， RPC抗壓強(qiáng)度便開始隨著鋼纖維摻量的增加而降低. 此外， 鋼纖維摻量的增加會導(dǎo)致RPC流動性急劇降低， 這些都不利于RPC在實際工程中的應(yīng)用， 制約了RPC的使用范圍. 綜合本實驗及已有關(guān)于鋼纖維對RPC力學(xué)性能影響的相關(guān)研究， 建議RPC一般構(gòu)件鋼纖維摻量取2%， 而對于受拉力學(xué)性能要求較高的構(gòu)件則可適當(dāng)提高鋼纖維用量， 但建議用量不高于3%.

2.3聚丙烯纖維摻量對RPC抗拉強(qiáng)度影響

摻加聚丙烯纖維對RPC抗拉強(qiáng)度影響曲線如圖 2 所示. 從圖 2 可知， 聚丙烯纖維摻量的變化對RPC抗拉強(qiáng)度影響較小. 當(dāng)聚丙烯纖維摻量為0.1%時， RPC抗拉強(qiáng)度略有提升， 對于標(biāo)準(zhǔn)、 熱水、 蒸汽三種養(yǎng)護(hù)方式， RPC抗拉強(qiáng)度分別較RPC-0增大2.40%, 4.99%, 3.16%. 隨著聚丙烯纖維摻量的進(jìn)一步增加， RPC抗拉強(qiáng)度逐漸呈現(xiàn)下降趨勢， 但降幅相對較小. 當(dāng)聚丙烯纖維摻量為0.4%時， 對于標(biāo)準(zhǔn)、 熱水及蒸汽三種養(yǎng)護(hù)方式的RPC抗拉強(qiáng)度分別較RPC-0降低了8.95%, 2.59%, 4.74%.

聚丙烯纖維對RPC抗拉強(qiáng)度的影響較小， 聚丙烯纖維摻加的積極作用主要表現(xiàn)為其可以增強(qiáng)混凝土塑性變形能力， 增強(qiáng)混凝土介質(zhì)的連續(xù)性， 緩和試件承載產(chǎn)生的應(yīng)力集中， 抑制混凝土早期裂縫的形成及發(fā)展. 然而， 另一方面， 聚丙烯纖維彈性模量較低， 具有一定的弱界面效應(yīng)[12]， 同時， 聚丙烯纖維具有一定的引氣效果， 這也使得水泥基材料與骨料之間的粘結(jié)強(qiáng)度有所降低. 此外， 聚丙烯纖維的摻加對RPC的增稠作用也是不可忽略的一面， 導(dǎo)致RPC試件難以振動密實， 對RPC抗拉力學(xué)性能產(chǎn)生明顯不利影響.

2.4碳纖維摻量對RPC抗拉強(qiáng)度影響

碳纖維摻量對RPC抗拉強(qiáng)度的影響如圖 3 所示. 從圖3可知， 當(dāng)碳纖維摻量為0%～1.5%時， RPC抗拉強(qiáng)度隨著碳纖維摻量的增加而變大. 對于標(biāo)準(zhǔn)、 熱水、 蒸汽三種養(yǎng)護(hù)方式， 碳纖維摻量為1.5%時， RPC抗拉強(qiáng)度分別較RPC-0提升19.17%, 21.28%和15.81%.當(dāng)碳纖維摻量為1.5%～2%時，RPC抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)出降低趨勢.低摻量的碳纖維對RPC抗拉強(qiáng)度改善作用主要由于碳纖維與水泥基體之間粘結(jié)力較強(qiáng)，其對于RPC早期裂縫的形成及開展抑制作用較為顯著. 隨著碳纖維摻量的進(jìn)一步增大，碳纖維摻入引起的混凝土界面薄弱層也逐漸增多，這直接導(dǎo)致RPC抗拉強(qiáng)度急劇降低.同時，碳纖維的摻加對RPC流動性及和易性也產(chǎn)生明顯不利影響，影響了RPC試件的密實性，制約了RPC抗拉強(qiáng)度的發(fā)展.

將碳纖維、 鋼纖維及聚丙烯纖維對比可以發(fā)現(xiàn)， 鋼纖維對提高RPC抗拉強(qiáng)度作用最為明顯， 4%摻量的鋼纖維可使得RPC強(qiáng)度提高28.14%～44.14%. 碳纖維對改善RPC抗拉強(qiáng)度有一定積極作用， 但效果不及鋼纖維， 聚丙烯纖維對RPC抗拉強(qiáng)度影響最小. 三種不同纖維對RPC抗拉強(qiáng)度影響的差異主要取決于各自的力學(xué)性能， 鋼纖維有著較高的抗拉強(qiáng)度和彈性模量， 對于抑制混凝土裂縫的開展， 促進(jìn)開裂面荷載之間的傳遞有積極作用. 對于碳纖維， 盡管其有著較高的抗拉強(qiáng)度， 但其彈性模量及抗剪強(qiáng)度均較低， 這些都導(dǎo)致碳纖維阻裂作用不及鋼纖維. 對于聚丙烯纖維， 其抗拉強(qiáng)度、 彈性模量均相對較低， 摻加聚丙烯纖維增加了水泥基體與骨料之間的界面薄弱層， 這些都制約了RPC抗拉強(qiáng)度.

3結(jié)論

1) 摻加鋼纖維對RPC受拉脆性破壞改善效果顯著， 摻加鋼纖維的RPC試件呈現(xiàn)一定的韌性破壞. 0.5%～1%摻量的碳纖維對RPC受拉脆性破壞改善作用并不明顯， 而當(dāng)摻量達(dá)到1.5%～2%時， RPC試件韌性有所增強(qiáng).

2) 由于聚丙烯纖維抗拉強(qiáng)度和彈性模量都較低， 其阻裂效果并不顯著， 摻加聚丙烯纖維的RPC受拉破壞形態(tài)呈現(xiàn)明顯脆性破壞.

3) 隨著鋼纖維摻量的增加， RPC抗拉強(qiáng)度不斷增大. 鋼纖維摻量為0%～1%時， RPC抗拉強(qiáng)度僅有微小提升； 鋼纖維摻量1%～2%時， RPC抗拉強(qiáng)度增幅較大. 當(dāng)鋼纖維摻量高于3%時， RPC抗拉強(qiáng)度受鋼纖維摻量變化影響相對較小. 綜合本試驗及已有相關(guān)研究成果， 建議一般RPC構(gòu)件鋼纖維摻量取2%.

4) 聚丙烯纖維摻量的變化對RPC抗拉強(qiáng)度影響較小. 聚丙烯纖維摻量為1%時， RPC抗拉強(qiáng)度提升2.40%～4.99%； 當(dāng)聚丙烯纖維摻量高于1%時， RPC抗拉強(qiáng)度開始隨著聚丙烯纖維摻量的增加逐漸降低.

5) 0%～1.5%摻量的碳纖維對RPC抗拉強(qiáng)度提高效果較為明顯. 碳纖維摻量為1.5%時， RPC抗拉強(qiáng)度提升15.81%～21.28%. 當(dāng)碳纖維摻量為1.5%～2%時， RPC抗拉強(qiáng)度有所降低.

6) 鋼纖維、 聚丙烯纖維、 碳纖維對提升RPC抗拉強(qiáng)度排序為： 鋼纖維>碳纖維>聚丙烯纖維.

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Research on Tensile Strength of Reactive Powder Concrete with Different Kind of Fibers

ZHANG Jian-jun1,2， ZHAO Gui-zhe1, ZHAO Yuan-yuan3

(1. School of Materials Science and Engineering， North University of China， Taiyuan 030051， China；2. Dept. of Urban Construction， Taiyuan City Vocational College， Taiyuan 030027， China；3. School of Environment and Energy Engineering,Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China)

Key words:reactive powder concrete; tensile strength; steel fiber;polypropylene fiber; carbon fiber

Abstract:RPC have been widely used in different kinds of large-scale complex engineerings. In order to further improve the tensile strength of RPC, experimental research was conducted to study the effect of different kinds of fiber on tensile strength of RAC. The curing methods used in this study were standard curing, hot water curing and steam curing. The fiber included steel fiber, polypropylene fiber and carbon fiber. The results showed that steel fiber to raise the tensile strength of RPC is the most significount, and it was also beneficial to improve the plastic crack of RAC. With 0%～1.5% percentage of carbon fiber, the tensile strength of RAC could be increased. However, the increased ratio created by carbon fiber was less than steel fiber. When carbon fiber content was higher than 1.5%, RPC tensile strength clecreased with the increase of carbon fiber content. Little change of tensile strength was caused by polypropylene fiber. The tensile strength increased at percentage of 0%～0.1%, while decreased at 0.1%～0.4%.

文章編號:1673-3193(2016)03-0318-05

收稿日期:2015-12-23

作者簡介：張建雋(1972-)， 女， 副教授， 博士生， 主要從事施工管理及建筑材料方面的研究.

中圖分類號:TU528

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

doi:10.3969/j.issn.1673-3193.2016.03.020