鋼-PP混雜纖維混凝土坍落度及基本力學(xué)強度試驗研究

朱海峰 黃建平 鄭坤炎

摘 要：利用正交試驗法對鋼-PP混雜纖維混凝土試塊進行試驗，研究鋼纖維摻量、鋼纖維長徑比、PP纖維摻量并考慮各因素混雜效應(yīng)對混雜纖維混凝土坍落度、立方體抗壓強度、劈裂強度的影響。研究表明鋼纖維摻量是影響坍落度、立方體抗壓強度、劈裂強度的主要因素。鋼纖維和PP纖維混雜效應(yīng)是影響坍落度、立方體抗壓強度和劈裂強度的次要因素。PP纖維摻量對劈裂強度以及鋼纖維長徑比對坍落度的影響也不容忽視。對于鋼-PP混雜纖維混凝土，鋼纖維的體積摻量宜控制在1.5%～1.75%之間;PP纖維體積摻量取0.1%較適宜，不宜超過0.12%;鋼纖維長徑比宜選擇在30～35左右比較恰當(dāng)。

關(guān)鍵詞：混雜纖維;正交試驗;混雜效應(yīng);坍落度;強度

中圖分類號：TU528.572

文獻標(biāo)識碼： A

混凝土材料由于其來源廣泛、價格低廉、可模性好等突出優(yōu)點，在相當(dāng)長一段時間內(nèi)仍然是土木工程、水力工程、地下工程等應(yīng)用最為廣泛的一種工程材料。但是由于混凝土自身的一些較難以克服的缺點，比如混凝土抗拉強度相對較低、自重又較大、易脆性開裂、抗?jié)B性差等，限制了混凝土在一些領(lǐng)域中的應(yīng)用。因此為了增強混凝土的阻裂、抗?jié)B能力，通常會在普通混凝土中摻入適量的各種纖維增強材料形成纖維混凝土，如摻入鋼纖維、PP纖維（聚丙烯纖維）、植物纖維、聚乙烯纖維、玻璃纖維等，如果在混凝土中摻入兩種或兩種以上的纖維，形成既能發(fā)揮各自纖維優(yōu)點、又能體現(xiàn)纖維之間協(xié)同工作效應(yīng)的新型復(fù)合材料，即混雜纖維混凝土[1-4]。

目前國內(nèi)外對單摻纖維的混凝土研究比較成熟，如摻加鋼纖維、PP纖維都能提高混凝土的抗裂性、抗?jié)B性和韌性。對不同纖維類型、特性以及摻量，特別是不同纖維的混雜效應(yīng)對混雜纖維混凝土工作性能、力學(xué)性能影響的研究成果還比較少[5-9]，AFROUGHSABET SUGANRAJ等[10-11]對鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土的力學(xué)性能進行試驗研究，結(jié)果表明，摻入混雜纖維的混凝土的抗拉強度和抗彎強度均高于單獨加入聚乙烯纖維的混凝土。楊成蛟、董振平等[12-13]也進行了鋼-聚丙烯纖維混凝土抗壓、劈拉、抗折強度等力學(xué)性能試驗研究，研究表明，在混雜纖維摻量為 0.5%、1%時，隨鋼纖維摻量增加，混雜纖維混凝土抗壓強度呈增長趨勢。孫小凱等[14]研究了混雜鋼纖維對超性能混凝土力學(xué)性能影響規(guī)律，試驗結(jié)果表明，端彎鋼纖維和超細(xì)鋼纖維混雜對超性能混凝土抗壓強度、抗彎強度、延性等性能都有明顯提高。華淵[15]通過試驗研究了長徑比對混雜纖維混凝土抗壓和抗彎強度的影響，發(fā)現(xiàn)碳纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維和聚乙烯纖維的長徑比對混凝土的抗壓強度影響較小，而對抗彎強度影響較大。梅國棟[16]基于試驗得出當(dāng)鋼纖維體積摻量為1%、聚丙烯纖維的體積摻量為0.1%時，能顯著提高混凝土的彎曲韌性及抗裂性能。張恒對單摻鋼纖維和聚丙烯纖維以及混雜纖維混凝土的彎拉強度及混雜效應(yīng)進行了研究，結(jié)果表明，不同尺度的聚丙烯纖維和鋼纖維混雜時，混凝土強度及抗裂性要比單摻纖維的高[17]。

上述研究中，鋼纖維體積摻量水平大多集中在0.5%、1%、1.5%，PP纖維體積摻量水平005%、0.1%、0.15%，鋼纖維長徑比水平取30、60、80。本文在之前研究的基礎(chǔ)上，對鋼纖維體積摻量、PP纖維體積摻量以及鋼纖維長徑比設(shè)計不同的水平，并考慮不同因素交互作用影響，研究混雜纖維混凝土的工作及基本力學(xué)性能，確定更為合適的纖維摻量，對之前的研究成果是一個探索和補充。

1 試驗簡況

1.1 正交試驗設(shè)計

考慮到纖維的不同摻量對試驗結(jié)果有影響，因此采用“正交試驗法”只進行少量的試驗就能夠取得比較有代表性的結(jié)果，從而節(jié)約成本[18]。本試驗考慮3個因素（依次用A、B、C表示）：A.鋼纖維的體積摻量;B.PP纖維的體積摻量;C.鋼纖維的長徑比。3個因素分別考慮3個水平，見表1。由于各因素之間存在交互作用影響，故采用A×B、A×C和B×C來分別表示各因素之間的交互作用影響，本試驗選用的正交表是L27（313）。此外本試驗還設(shè)計了1組無纖維的普通混凝土試件。本試驗評價指標(biāo)為坍落度、立方體抗壓強度和劈裂強度。

1.2 試驗材料

本試驗采用混凝土的基體強度為C60。水泥采用江西萬年青水泥有限公司生產(chǎn)的P.O52.5普通硅酸鹽水泥。粗骨料為粒徑10～20 mm的碎石，含水摻量不超過0.2%。細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.7的河砂，含水摻量不超過0.5%，含泥量控制在1%以下。減水劑采用工程上比較常用的萘系高效減水劑。鋼纖維采用河北衡水某建材公司生產(chǎn)的波浪形微鋼絲纖維。PP纖維采用河北石家莊某纖維公司生產(chǎn)的高強PP纖維。鋼纖維和PP纖維的性能參數(shù)分別見表3和表4。

1.3 基準(zhǔn)混凝土配合比

本試驗共設(shè)計了1組無纖維普通混凝土試塊和27組鋼-PP混雜纖維混凝土試塊。根據(jù)有關(guān)規(guī)程對混凝土配合比的規(guī)定，水灰比是0.31，砂摻量是0.42，基準(zhǔn)混凝土的配合比見表5。

1.4 試驗方法

根據(jù)《纖維混凝土試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（CECS 13：2009）中試驗要求，立方體抗壓強度試塊為邊長150 mm的立方體試件，劈裂強度試塊為100 mm×100 mm×400 mm試件，標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護28天，采用200 KN試驗機進行加載，速率為0.05 MPa/s。坍落度測試時，將拌合物分三層均勻地裝入坍落度筒內(nèi)，每層均勻插搗25次，沿筒口抹平后垂直平穩(wěn)地提起坍落度筒;當(dāng)試樣不再繼續(xù)坍落或坍落時間達30 s時，測坍落度大小，過程應(yīng)連續(xù)進行，并應(yīng)在150 s內(nèi)完成。測量精度5 mm。

2 試驗結(jié)果及分析

試驗完成后測得各組試件的坍落度、28天立方體抗壓強度和劈拉強度，詳細(xì)試驗結(jié)果見表6。

對試驗數(shù)據(jù)的處理主要有兩種方法，即直觀分析法和方差分析法。本試驗采用直觀分析法來分析各因素對混凝土坍落度、28天立方體抗壓強度、劈拉強度的影響，其核心是求解各因素試驗結(jié)果的極差，并根據(jù)極差R的大小來判定各因素對試驗結(jié)果的影響程度[19]。坍落度、立方體抗壓強度、劈拉強度的直觀分析結(jié)果見圖1-3。

2.1 坍落度影響分析

從表6、圖1可知鋼纖維體積摻量、長徑比是影響混雜纖維混凝土坍落度的主要因素，鋼纖維體積摻量和鋼纖維長徑比混雜效應(yīng)是次要因素。隨著鋼纖維的摻量增加，坍落度下降顯著。相比鋼纖維，PP纖維摻量增大時，混凝土的坍落度下降較平緩。當(dāng)鋼纖維體積摻量由0.75%增大到1.25%時，坍落度下降12%，增大到1.75%時，坍落度下降36%。當(dāng)PP纖維從0.06%增大到0.12%時，坍落度下降約12%，增大到0.18%時，坍落度下降17%。鋼纖維長徑比從35增大到50時，坍落度下降約11%，增大到70時，坍落度下降28%。坍落度降低直接影響混雜纖維混凝土的工作性能，綜合考慮最佳纖維組合是A1B1C1。

2.2 立方體抗壓強度影響分析

從表6和圖2可知鋼纖維體積摻量和鋼纖維與PP纖維的混雜效應(yīng)是影響混雜纖維混凝土立方體抗壓強度的主要因素，鋼纖維長徑比、PP纖維體積摻量影響程度相對較低。當(dāng)鋼纖維體積摻量從0.75%增大到1.75%時，抗壓強度提高約13.5%。而摻入PP同樣也會提高混凝土的抗壓強度，但是當(dāng)PP纖維體積摻量超過0.12%后，抗壓強度非但沒有繼續(xù)增長，反而還有所下降。鋼纖維長徑比過大也會使混凝土不易振搗密實，混凝土內(nèi)部有空隙，抗壓強度反而會降低一些。鋼纖維和PP纖維混雜效應(yīng)對混凝土抗壓強度影響也比較突出，且隨著纖維體積摻量的增大下降趨勢顯著。對于立方體抗壓強度，綜合考慮最佳纖維組合是A3B3C2。

2.3 劈裂強度影響分析

從表6和圖3可知鋼纖維體積摻量、PP纖維體積摻量以及鋼纖維和PP纖維的混雜效應(yīng)是影響混雜纖維混凝土劈裂強度的主要因素，隨著纖維摻量增加，混凝土劈裂強度提高幅度比較明顯。當(dāng)鋼纖維體積摻量增大到1.75%時，劈裂強度提高約21.4%。當(dāng)PP纖維體積摻量增大到0.18%時，劈裂強度提高約19.2%。鋼纖維體積摻量和PP纖維的體積摻量混雜效應(yīng)對混凝土劈裂強度影響也比較顯著。對于劈裂強度，綜合考慮最優(yōu)纖維組合是A3B3C2。

3 結(jié)語

通過試驗研究，可以得出如下結(jié)論：

（1）鋼纖維體積摻量和長徑比是影響混雜纖維混凝土坍落度的主要因素。鋼纖維和長徑比有一定的混雜效應(yīng)。纖維的摻加降低了混凝土的坍落度，直接影響到混凝土的工作性能，因此在滿足增強混雜纖維混凝土抗裂性等目標(biāo)的前提下，應(yīng)優(yōu)化纖維的體積摻量，保證混雜纖維混凝土的工作性能。

（2）對于混雜纖維混凝土28d立方體抗壓強度，鋼纖維體積摻量是影響其主要因素，鋼纖維體積摻量和PP纖維的體積摻量混雜效應(yīng)也比較突出，這種混雜效應(yīng)影響隨著纖維體積摻量的增大下降趨勢顯著。

（3）影響混雜纖維混凝土劈裂強度的因素主要是鋼纖維體積摻量和PP纖維體積摻量，隨著纖維摻量增加，混凝土劈裂強度提高幅度比較明顯，當(dāng)鋼纖維體積摻量增大到1.75%時，劈裂強度提高約21.4%。當(dāng)PP纖維體積摻量增大到0.18%時，劈裂強度提高約19.2%。

（4）從改善混凝土受拉性能差、提高抗?jié)B、抗裂水平，同時又具有良好的工作性能的目標(biāo)來看，結(jié)合經(jīng)濟、施工條件等方面，對于鋼-PP混雜纖維混凝土，鋼纖維的體積摻量宜控制在1.5%～1.75%之間;PP纖維體積摻量不超過0.1%左右，不超過0.12%;由于鋼纖維長徑比對力學(xué)強度影響并不突出，但是對坍落度影響很大，因此，鋼纖維長徑比盡量采用較小的長徑比，宜控制在30～35左右比較恰當(dāng)。

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（責(zé)任編輯：于慧梅）