纖維網(wǎng)增強混凝土(FRC)力學性能試驗
1. 概述
為了維護鐵路混凝土橋涵結構的耐久性,有必要為防水層發(fā)展一種更為經(jīng)濟有效的保護層,從而使防水層經(jīng)久耐用,有效地保護梁體不受雨水的侵蝕。
纖維網(wǎng)(Fibermesh)增強混凝土是在普通混凝土中摻入網(wǎng)狀聚丙烯纖維網(wǎng)而形成的纖維增強混凝土。它不僅具有普通混凝土的特性,還具有較高的抗折強度和抗沖擊強度及抗疲勞強度、耐磨、優(yōu)良的韌性,特別是抗早期塑性收縮裂紋的能力。纖維網(wǎng)質(zhì)輕,摻量低,易于分散,施工簡便。
本試驗一共選擇三種纖維網(wǎng)摻量,即1袋0.9kg,2袋1.8kg和3袋2.7kg,均屬低摻量。結果表明,當摻量每立方混凝土達到2袋,即正1.8公斤時,材料性能滿足了防水層的技術要求。
以下全面介紹纖維網(wǎng)增強混凝土的試驗結果。
2. 材料
2.l網(wǎng)狀聚丙烯纖維網(wǎng)
纖維網(wǎng)是由非再生聚丙烯材料,以纖維束的方式生產(chǎn)的一種混凝土增強材料,由美國合成工業(yè)纖維網(wǎng)公司獨家生產(chǎn)。纖維網(wǎng)纖維在混凝土攪拌過程中被撕裂成一根根單獨纖維,例如當每立方米混凝土摻入0.9kg,攪拌后將有710萬根獨立的纖維,以三維方式均勻分布在混凝土中。該產(chǎn)品于80年代中后期推向全球,目前已在60多個國家和地區(qū)得到廣泛應用。纖維網(wǎng)在混凝土中應用發(fā)揮以下功能:有效地抑制混凝土早期塑性收縮裂紋,增加混凝土的韌性和抗沖擊能力,抗腐蝕,耐磨耗,減少滲透性。由于纖維網(wǎng)混凝土具有上述優(yōu)點而被廣泛應用于公路和高速公路的路面和護攔,橋梁的主體結構及橋面,飛機場跑道、停機坪,隧道和礦井用噴射混凝土,以及板材及管材等。聚丙烯纖維網(wǎng)纖維性能見表一1。
比重 |
抗拉強度 |
彈模 |
燃點 |
融點 |
長度 |
吸水性 |
熱傳導 |
電傳導 |
抗腐蝕 |
` |
MPa |
GPa |
℃ |
℃ |
mm |
` |
` |
` |
` |
0.91 |
560-570 |
3.50 |
590 |
160-170 |
19 |
無 |
低 |
低 |
高 |
2.2 水泥
525普通硅酸鹽水泥,太行山牌。
2.3 粗骨料
碎石,5-10mm
2.4 砂
中粗砂
2.5 減水劑
FDN高效減水劑
3. 配合比
表-2 配合比(kg/m3)
編號 | 水 | 水泥 | 砂 | 碎石 | 纖維網(wǎng) | 減水劑 |
1-基準 | 222 | 500 | 810 | 810 | 0 | 2.5 |
2-1袋 | 222 | 500 | 810 | 810 | 0.9 | 2.5 |
3-2袋 | 222 | 500 | 810 | 810 | 1.8 | 2.5 |
4-3袋 | 222 | 500 | 810 | 810 | 2.7 | 2.5 |
4.試樣制備
4.1攪拌方法
*將粗骨料,砂子和水泥放入攪拌機中,攪拌lmin,
*將水和減水劑放人攪拌機中,攪拌lmin成均勻狀態(tài),
*將聚丙烯纖維網(wǎng)放入攪拌機中,攪拌4-5min,均勻后,澆制試樣
*將試模放在振動臺振動4-5min,成型。
4.2養(yǎng)護
在標準養(yǎng)護室,即溫度20±30℃,濕度為90%以上,養(yǎng)護一天脫模,然后養(yǎng)護到所需齡期。
5.試驗結果
5.l 抗折強度
試樣尺寸為 100×100×400mm,三點彎曲,跨度為 360mm,齡期為7和28天。每組三個試樣,取均值。結果見表一3。
5.2 斷裂能
斷裂能是基于斷裂力學概念發(fā)展而來一種反映混凝土抗裂能力和抗沖擊能力的力學性能指標。采用國際材料與結構試驗研究所協(xié)會、國際予應力協(xié)會和歐洲混凝土委員會聯(lián)合建議的方法,RILEM-50-FMC進行實驗[2],試樣尺寸100×100×400mm帶中心裂紋。用混凝土鋸切割裂紋,裂紋深度為30mm。實驗是在德國產(chǎn)SCHENCK PSB 250KN電液伺服材料實驗機上進行的。實驗機剛度為3μm/kN。計算機控制位移加載,夾頭位移速度100μm/min。同時用x-y記錄儀記錄下載荷一位移曲線,斷裂試驗測試裝置見圖1及像片1和2。圖2為所記錄的載荷一夾頭位移曲線。
P-載荷 L-跨度 AE-聲發(fā)射 a-裂紋深 △-位移 |
CMOD-裂紋嘴張開位移 |
圖2 混凝土斷裂試驗 載荷-還將夾頭位移曲線Y(1)為基準試樣(不摻)Y(2)為 |
纖維網(wǎng)試樣(每m3摻2袋)。計算斷裂能面積的時在位移2mm處截止 |
RILEM-50-FMC定義的斷裂能為擴展單位面積裂紋所吸收的能量。由定義得混凝土梁三點彎曲時斷裂能的計算公式為:Gf=W0-mgσ0/Alig
式中:
Gf:為斷裂能,
W0:為載荷一夾頭位移曲線下的面積,如圖 2所示
m:為支承點之間梁的質(zhì)量,
g:重力加速度,
σ0:梁斷裂時的位移,
Alig:韌帶面積,即,
Alig=b×(h-σ0)
b:梁寬,
h:梁高,
σ0:切口深度。
從斷裂能的定義可以看出:斷裂能能夠直接評價混凝土韌性的高低,斷裂能越高,表明材料在斷裂前吸收的能量越多,因而材料具有良好的韌性和抗沖擊能力。斷裂能是表征混凝土材料抗斷裂能力的一個重要指標。表一3為抗折強度MOR和斷裂能的試驗結果。
表-3抗折強度MOR和斷裂能的試驗結果
Samples |
7days |
28days | ||
No |
MOR |
Gf |
MOR |
Gf |
MPa |
N/m |
MPa |
N/m | |
1a |
5.51 |
114.00 |
5.55 |
141.00 |
1b |
5.00 |
99.00 |
5.74 |
147.00 |
1c |
5.32 |
113.00 |
5.15 |
134.00 |
1-ref |
5.28 |
108.67 |
5.48 |
140.67 |
2a |
5.64 |
152.00 |
5.93 |
226.00 |
2b |
5.57 |
146.80 |
5.58 |
211.00 |
2c |
5.63 |
164.00 |
5.37 |
199.00 |
2-1bag |
5.61 |
154.27 |
5.63 |
212.00 |
3a |
5.76 |
196.00 |
6.00 |
329.00 |
3b |
5.79 |
200.50 |
5.82 |
331.00 |
3c |
6.03 |
202.00 |
6.38 |
359.00 |
3-2bags |
5.86 |
199.50 |
6.07 |
339.67 |
4a |
5.55 |
194.00 |
6.45 |
364.00 |
4b |
6.15 |
201.00 |
6.21 |
` |
` |
` |
` |
6.19 |
344.00 |
4-3bags |
5.85 |
197.50 |
6.33 |
354.00 |
5.3 抗壓強度
試樣尺寸為100×100×100mm,結果見表-4。
表-4抗壓強度 *三個試樣的平均值
No |
7days* |
28days* |
MPa |
MPa | |
1-ref. |
490 |
527 |
2-1bag |
526 |
576 |
3-2bags |
612 |
627 |
4-3bags |
491 |
539 |
6. 耐久性試驗
眾所周知聚丙烯纖維網(wǎng)有良好的耐久性,我們驗證其耐久性,進行了聚丙烯纖維網(wǎng)的加速老化試驗。
試樣為40×40×160mm3三點彎曲砂漿抗折試樣,525#普通硅酸鹽水泥,標準砂,灰砂比為回2:2.5,F(xiàn)ibermesh摻量為每m3兩袋,即1.8kg。試樣標養(yǎng)3天后,將試樣浸放80℃熱水中3,7和14天后測定其抗折強度MOR。在80℃熱水浸放一晝夜相當于大氣暴露4-6年[3]。所以,試樣浸放80℃熱水中3天,7天和14天,相當于大氣暴露15年、45年和70年。加速老化試驗的結果見表一5和圖5。
表5 聚丙烯纖維網(wǎng)的加速老化試驗
No | MOR | No | MOR | No | MOR |
` | MPa | ` | MPa | ` | MPa |
1-3days | ` | ` | 2-7days | ` | 3-14days |
1.a | 6.98 | 2.a | 6.57 | 3.a | 6.73 |
1.b | 5.45 | 2.b | 6.49 | 3.b | 8.38 |
1.c | 6.94 | 2.c | 6.22 | 3.c | 7.96 |
Mean values | 6.46 | ` | 6.43 | ` | 7.69 |
圖5 聚丙烯纖維網(wǎng)的加速老化試驗
7. 討論
●根據(jù)以往觀察,混凝土橋涵結構防水層的保護層所產(chǎn)生的裂紋,大部分是由于保護層混凝土的早期塑性收縮引起的。眾所周知纖維網(wǎng)增強混凝土具有優(yōu)良的抗早期塑性收縮裂紋的能力,所以用纖維網(wǎng)增強混凝土作保護層能發(fā)揮防水層的保護層作用。
●斷裂能是基于斷裂力學概念發(fā)展而來一種反映混凝土抗裂能力和抗沖擊能力的力學性能指標。在普通混凝土中摻入低摻量的網(wǎng)狀聚丙烯纖維網(wǎng)后,其28天的抗折強度僅提高 2.7%(l袋),10.7%(2袋)和 15.5%(3袋),而斷裂能則分別提高引51%,142%和153%。從圖2可以看出,在峰值載荷后,梁體出現(xiàn)了宏觀裂紋,纖維網(wǎng)混凝土仍有一定強度,當試驗梁跨中位移為lmm時,不摻纖維網(wǎng)的混凝土其抗力消耗殆盡,而摻2袋纖維網(wǎng)的混凝土其抗力仍有800N,這充分說明了,纖維網(wǎng)增強混凝土有優(yōu)良的抗裂能力。就防水層的保護層的應用狀況而言,其材料斷裂性能遠比抗折性能重要。
●纖維網(wǎng)摻量為2袋和3袋時,其抗折強度和斷裂能有所差別,但不顯著和不穩(wěn)定。2袋和3袋其7天的抗折強度和斷裂能幾乎相同,從斷口L分析,摻量為3袋時,纖維網(wǎng)有結團現(xiàn)象,這說明當摻量增至每方混凝土3袋時,纖維網(wǎng)在混凝土中分布不夠均勻。
●當纖維網(wǎng)的摻量由1袋增至2袋時,其28天的抗折強度已滿足6.0MPa的要求,見附錄表-6。從技術、經(jīng)濟和工藝出發(fā),每方混凝土2袋纖維網(wǎng)為最佳摻量。就鐵路混凝土橋涵結構防水層的保護層而言,建議每方混凝土摻2袋纖維網(wǎng)為宜。
●纖維網(wǎng)有十分優(yōu)良的耐久性,見表-5和圖5。
8. 結論
●纖維網(wǎng)能有效地抑制混凝土早期塑性收縮裂紋,有效地增加混凝土的韌性和抗沖擊能力,抗腐蝕,耐磨耗,減少滲透。
●從技術、經(jīng)濟和工藝出發(fā),就鐵路混凝土橋涵結構防水層的保護層而言,每方混凝土2袋纖維網(wǎng)為最佳摻量。
源自:中國混凝土網(wǎng)http:// www.chinahnt.com
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