混杂纤维混凝土

混杂纤维混凝土（精选7篇）

混杂纤维混凝土 第1篇

近年来,我国在北京、上海、广州、南京等大城市进行了大规模的地铁建设。在这些地铁建设中,有相当一部分标段采用了盾构法施工。盾构法中,隧道衬砌结构体是由若干预制管片或砌块拼装而成,必须根据工程需要满足结构的强度和刚度要求,能承受隧道经过的土层压力、水压力以及一些特殊荷载,满足工程所提出的安全质量指标要求,如裂缝开展宽度,接缝变形和直径变形的允许量,隧道抗渗防漏指标,结构安全度,衬砌内表面平整度要求等[1]。这些要求使得隧道管片的设计比较复杂,如此,管片材料的选择就显得非常重要。

目前的盾构管片主要以钢筋混凝土管片为主。由于混凝土为脆性材料,其抗拉性能较差,在运输和安装中容易破损和开裂,管片的破损和裂缝对隧道的安全性和耐久性会产生不利影响;另一方面,对于地下结构而言,结构物的碳化以及侵蚀性介质的腐蚀是影响其耐久性的重要因素;此外,地铁隧道中杂散电流的电化学腐蚀也是其重要的影响因素。地铁工程处于复杂的地下环境,这就要求管片有足够好的抗渗性、耐腐蚀性、耐火性等耐久性能,这些都是盾构法中较棘手但又必须解决的问题。

混杂纤维混凝土(HFRC)是上世纪90年代发展起来的新型复合建筑材料,具有优良的物理力学性能,与普通混凝土相比,其抗拉、抗弯强度及耐磨、耐冲击、耐腐蚀、耐疲劳性、韧性和抗裂、抗爆等性能都得到了提高。近年来,国外已开展了在地铁盾构管片中采用混杂纤维混凝土方面的研究与实践,并取得了部分成功经验。

本文综合分析了混杂纤维混凝土管片的技术、经济优越性,以及其取代传统钢筋混凝土管片的必要性和可行性。

1 普通钢筋混凝土管片的技术缺陷

在国内,较为常用的普通钢筋混凝土管片宽度是1.2m或1.5m。随着工程实践的增多,混凝土材料的脆性也让其缺陷逐渐暴露出来,钢筋混凝土管片在运输和安装过程中边缘容易破损,特别是箱型管片,在盾构千斤顶的作用下容易顶裂。普通钢筋混凝土管片主要在隧道衬砌内外两侧发生破损,其中,衬砌外侧破损主要位于管片与盾构机外壳的接触部位,内侧破损则普遍产生于管片的角部,主要是局部混凝土的崩裂、爆脱。这类破坏情况既受盾构机的设计合理性以及施工工艺的影响,又与工程所处的地质条件等多因素有关。

管片的破损和裂缝使得地铁衬砌结构发生整体性破坏、渗漏和腐蚀现象时有发生,这对控制工程安全质量指标是很大的挑战。根据多个城市地铁的调查,普通钢筋混凝土管片的破损主要原因是冲击力和拉应力过大[2],因此,除了减小外界冲击力和拉应力之外,最有效的方法就是提高管片自身的抗冲击性能和抗拉强度。

防水是钢筋混凝土管片存在的突出问题,例如,广州地铁一号线黄沙站到长寿路站一个区间出现渗漏的管片比例达到总安装管片环数的16%[3]。这主要受管片生产工艺、接缝防水材料等方面的制约。在设计时要合理地选择抗渗指标、配合比、使用塑化剂等,还要合理地控制含钢量和钢筋保护层厚度;同时,在管片生产时要注意振捣密实性、养护条件等,尽量防止因温度应力而导致的裂缝产生。

抗火性能是衡量隧道安全性能的一个重要指标,普通钢筋混凝土管片未考虑火灾因素,其抗火能力未能得到改善,存在严重的火灾隐患,因此,对普通管片进行抗火性能的改善是非常必要的。同时,钢筋混凝土管片的生产需要较大的生产场地,且钢筋配置工序繁琐,生产效率很难提高,对模具的耗损也非常大。

2 混杂纤维混凝土管片的技术优势

鉴于普通钢筋混凝土管片的诸多缺陷,新型的混杂纤维混凝土管片应运而生,其主要是利用高弹性模量的钢纤维与低弹性模量的聚丙烯纤维混杂,取代普通管片中的部分或全部钢筋。混杂纤维在混凝土基体中主要发挥三个方面的作用:提高基体开裂的应力水平;改善基体的应变能及延展性;阻止裂纹扩展或改变其前进方向[4]。混杂纤维对于混凝土整体力学性能和耐久性能的提高作用显著,混杂纤维混凝土管片的主要技术优势在于能显著改善管片的整体品质,特别是在抗冲击性能和抗火性能方面,使地铁隧道的安全性和耐久性能得到显著的提高。

2.1 钢纤维对混杂纤维混凝土管片性能的影响

钢纤维掺量通常为30~200kg/m2,主要为直径0.3~0.7mm、长度15~60mm、长径比为40~100的钢纤维。

(1)钢纤维对混凝土管片力学性能的改善

混凝土本身的抗压强度高,但其抗拉、抗折、抗冲击性能均较差。钢纤维加入后,混凝土的抗拉、抗折、抗冲击性能均得到提高,抗爆及耐疲劳性能也显著增强。钢纤维对混凝土力学性能的影响主要取决于形状、品种、掺量、长径比、基体混凝土性能等因素。

在弹性阶段,混杂纤维混凝土的受压弹性模量和泊松比与普通混凝土没有明显差别,但在塑性阶段其变形性能有显著提高。钢纤维对混凝土基体抗压强度的影响主要取决于混凝土基体强度等级[5]。钢纤维对普通混凝土的抗压强度影响不大,对高强混凝土的抗压强度影响比较明显。对于高强混凝土,聚丙烯掺量不变,当钢纤维体积率从0增加到2%时,混杂纤维高强混凝土立方体抗压强度较基体增长4.48%~30.54%,轴心抗压强度增长l1.76%~40.57%,抗拉强度提高40%~80%[6]。由于混杂纤维混凝土的抗拉强度较普通混凝土较大的提高,从而可以制备少筋或不使用钢筋的混杂纤维混凝土结构构件。

(2)钢纤维对混凝土管片耐久性能的改善

混杂纤维混凝土的抗弯性能最能反映钢纤维的增韧效果。由于钢纤维的跨接和桥连作用限制了宏观裂纹的失稳扩展,缓解了裂缝尖端的应力集中,增加了裂缝的扩展阻力,提高了混凝土的断裂能,使其承载力随裂缝宽度而不断增大,体现了延性破坏的特征。在一定掺量范围内,随着钢纤维掺量的增加,混杂纤维增强混凝土材料的循环应变发展起始和疲劳前的残余变形均可提高,其抗弯疲劳寿命次数约为普通混凝土的10倍左右。同时,混杂纤维能明显提高混凝土的抗渗性能,纤维混杂层次越多,混凝土的抗渗性能越好,相对抗渗系数可降低56%[7]。

2.2 聚丙烯纤维对混杂纤维混凝土管片性能的影响

(1)聚丙烯纤维对混凝土管片抗收缩性能的改善

聚丙烯加入后,在混凝土内部形成均匀密集分布的三维乱向搭接牵扯体系,加强了混凝土材料介质的连续性和匀质性,在混凝土硬化收缩和自由水分挥发收缩时,聚丙烯纤维能够阻止微裂缝的发展,有效抑制混凝土的早期干缩裂纹和离析裂纹的产生和发展,大大提高混凝土抗裂性能[8]。同时,优化了混凝土的孔隙结构,减少了毛细孔个数及内部空隙率,使材料更加密实,从而有效地降低了收缩,在相当程度上消除或减少了非结构性有害裂缝[9]。

(2)聚丙烯纤维对混凝土管片抗冲击性能的改善

聚丙烯纤维能与水泥基材紧密的结合在一起,在混凝土受到冲击时,聚丙烯纤维能大量吸收能量,有效减少应力集中,阻止裂缝扩展,即使在初裂后,其抗冲击性能下降幅度也较小,材料不易被冲击断裂,有效地提高了混凝土的抗冲击能力。有试验表明,混杂纤维混凝土破坏次数和冲击能为素混凝土的12~14倍[10]。

(3)聚丙烯纤维对混凝土管片抗渗性能的改善

聚丙烯的掺入能大大减少混凝土中直径介于50mm~100mm的孔隙,有效降低混凝土的孔隙率,避免连通毛细孔的产生,从而有效抑制连通裂缝的形成,其乱向支撑体系起了“承托”骨料的作用,减小了混凝土的析水与离析,提高了混凝土的抗渗性能[11]。

(4)聚丙烯纤维对混凝土管片抗冻性能的改善

200次冻融循环后,混杂纤维混凝土的抗压强度损失、劈拉强度损失、韧性损失均比普通混凝土小[12],这主要是因为聚丙烯起着温差补偿作用,减小因温度变化而引起的混凝土内部应力,阻止温度裂缝的扩展,从而减小冻融对其工作性能的影响。

(5)聚丙烯纤维对混凝土管片抗火性能的改善

隧道防火性能是衡量隧道安全性能的重要指标。火灾发生时,若隧道内水蒸汽和热量无法排除,则会引起管片爆裂,承载起突降,甚至引起坍塌。加入聚丙烯纤维后的混杂纤维混凝土地铁管片,能提高混凝土的比热,改善其在高温下的爆裂性能。当温度超过聚丙烯熔点时,管片内的聚丙烯会挥发逸出,并在混凝土中留下其原来所占体积的无数孔穴,使隧道内的水蒸汽和热量能从孔道中排出,避免了管片爆裂的产生[13];同时还可以提高混凝土高温后的压剪破坏值。有实验表明,在一定范围内,随着聚丙烯纤维掺量的增加,混杂纤维混凝土内部温度梯度变化逐渐变小,可见聚丙烯能大大改善混凝土管片的抗火性能[14]。

2.3 钢纤维与聚丙烯纤维的混杂效应

钢纤维与聚丙烯纤维两组分复合,不是多余重复叠加,而是互为补充,相互加强。他们从不同层面、以不同方式对混凝土性能做出最有效的贡献。钢纤维在混凝土中按随机状态均匀分布,主要作用在于阻碍混凝土内部微裂缝的扩展和阻滞宏观裂缝的发生和发展,可以明显改善混凝土的强度和韧性[15],适用于半承重及承重结构。聚丙烯纤维在混凝土中的乱向分布可以削弱混凝土的塑性收缩,减少混凝土塑性收缩引起的裂缝;无数纤维丝形成的支撑体系可以有效阻碍骨料的离析,从而阻碍沉降裂缝的形成,有效地降低了混凝土的孔隙率,避免了连通毛细孔的形成,提高了混凝土的抗渗性能;在混凝土中掺入聚丙烯纤维,可改善混凝土构件的防火性能。

将钢纤维与聚丙烯纤维混杂,既充分利用钢纤维良好的抗拉、抗剪、抗冲击和抗疲劳性能,又兼有聚丙烯纤维对非结构性裂缝的控制、弯曲韧性和抗火性能,两者优势互补,使得混杂纤维混凝土地铁管片具有钢筋混凝土管片无法比拟的优势。

3 混杂纤维混凝土管片的经济优势

(1)节约管片生产原材料:普通管片中加入钢纤维和聚丙烯纤维后,可取代部分甚至全部钢筋,降低钢材成本,同等强度下减少水泥用量15%左右。

(2)节约生产成本:取代钢筋就减少甚至免去了钢筋网加工,降低了加工的人工费用,同时,混杂纤维混凝土养护周期短,可减少生产耗能。

(3)降低设备磨损,提高生产效率:混杂纤维混凝土管片的生产可以降低钢模具的损耗,同时简化生产工序,产量可提高1倍以上。

(4)节约后期维护费用:在已应用的北京上海等混杂纤维混凝土地铁管片中,其良好的防水性和耐久性,显著降低了后期维护费用。

4 混杂纤维混凝土管片的应用与研究现状

4.1 国外混杂纤维混凝土管片应用情况

为了克服地铁隧道钢筋混凝土管片技术的诸多缺陷,西方国家已经开展了混杂纤维混凝土管片技术的研究,尤其在欧洲各国,混杂纤维混凝土管片技术日趋成熟,在隧道工程中应用较多,国际主要工程实例见表1[16~18]。

4.2 国内混杂纤维混凝土管片应用情况

与国外相比,国内混杂纤维混凝土的研究起步较晚,应用与研究还远落后于发达国家,但近年来发展异常迅速,已经进入实质性的试验研究阶段。例如,上海地铁建设公司与同济大学混凝土材料研究国家重点实验室携手合作开展了混杂纤维混凝土管片的技术研究[19],从材料选择、制造要求、结构监测三个方面着手,综合研究地铁隧道混杂纤维混凝土管片新技术,并于上海M6地铁线建设了50m的钢纤维混凝土管片试验段,通过不同功能的应变膜系统、光纤光栅传感器系统和钢筋计系统组合成隧道安全型监控系统,实时收集管片在施工及运行过程中的数据(变形、应力),系统分析了钢纤维管片的优越性。监测数据表明,该试验段工作状况良好,安全可靠。北京城建设计研究总院有限责任公司等单位在北京地铁10号线“北土城站芍药居站”盾构区间已尝试应用混杂纤维混凝土管片技术[20],混杂纤维混凝土管片外观光滑、平整、棱角整齐,在装卸车和安装过程中未发现开裂现象,减少了大量的后期维修费用。

4.3 混杂纤维混凝土管片研究展望

(1)设计与计算:首先钢筋混凝土的强度与变形计算体系在结构设计中已不适合于纤维混凝土。在隧道衬砌设计中,其极限状态之一是在裂纹开始产生和延伸以后断面的断裂,而在纤维混凝土衬砌中,峰值荷载过后的最大合力可望增大,韧度也会更大。这就意味着需要一种新的设计方法来代替传统的不考虑对拉应力的设计方法,可以选择断裂力学进行理论研究,其对极限状态下裂缝生长和应力传递控制适用。

(2)施工控制方面:纤维混凝土在搅拌、运输、浇筑过程中,应是纤维均匀分布在混凝土基体中,避免局部成团,保证纤维与基体间的粘结力,这就对施工机具与工艺水平有高要求。新设备、新工艺、如何达到最佳增强效果及进行完善的质量检验都是需要考虑解决的问题。

(3)效益方面:目前,纤维价格较高,混杂纤维混凝土管片的显性成本可能会在一定范围内高于普通混凝土管片,但是在对于给定的荷载下进行少筋+纤维的方式,成本差额不大。HFRC可以延长使用年限和维护周期,从全周期投资成本效益分析,可以预测HFRC的经济效益更明显。所以,进行纤维混凝土与普通混凝土的效益比较分析是非常有必要的。

5 结语

混杂纤维混凝土地铁管片作为一种新型的盾构管片,国外已有应用,在我国北京上海地铁也有少数试验段,其具有普通钢筋混凝土管片无法企及的技术与经济优势。目前,我国正在进行大规模的基础建设,越来越多的城市都在进行地铁建设,混杂纤维混凝土地铁管片的研制迫在眉睫,此研究成果将会填补国内无筋管片的技术空白,对节省工程投资、提高工程质量具有重要意义。

摘要：从技术和经济角度分析了混杂纤维混凝土管片取代传统管片的必要性和可行性,介绍了国内外混杂纤维混凝土管片的工程应用情况,并从设计计算、施工控制、经济效益等方面提出了混杂纤维混凝土管片存在的问题及解决方法。

混杂纤维混凝土 第2篇

浮石,又名轻石或浮岩,因其孔隙率大、质量轻、表观密度小且能浮于水面而得名。我国浮石资源丰富,分布广泛,北方地区更多。将其作为粗骨料加入混凝土中可减轻混凝土的自重,改善混凝土自重大的缺点。

目前,轻骨料混凝土的应用越来越广泛,然而,对其性能影响的因素很多,这些因素的影响程度也有所不同。为了能够准确快速地寻求混杂纤维轻骨料混凝土的最佳性能,可以利用数学方法建立混杂纤维轻骨料混凝土的力学性能及其影响因素之间的数学关系,从而探索其最优配合比[1,2]。主成分分析法在对高维变量降维与简化的过程中,可以最大限度地保留原始数据的基本信息,客观地确定各指标的权重,避免主观随意性[3]。基于此,本研究通过主成分分析法的运用,建立了一个评价混杂纤维轻骨料混凝土的综合模型,并对试验样本进行了优化,可为混杂纤维轻骨料混凝土配合比设计提供理论依据。

1 主成分分析的基本原理

主成分分析是通过对高维变量进行降维,把众多与混凝土性能相关联的因素转化为几个不相关的综合因素的一种统计方法,即通过转化后可以用较少的几个因素来取代并综合反映原有较多的复杂信息,这些转化后的综合因素就是原有众多复杂因素的主要成分[4]。主成分分析降维的目的主要有:(1)通过较少的几个潜在因素,分析原有众多影响因素的相关性;(2)分类处理众多影响因素,经过处理后的几个影响因素能够用来表达尽可能多的信息量[5]。基于主成分分析法的这两个优点,将混凝土性能评价集中到所选出的几个因素上来,由此可以通过混凝土性能的优劣来选出最佳的配合比。

1.1 主成分分析的数学模型

假设从n个样本中,测得p项(p<n)指标,则原始数据资料阵就可以表示为:X=(X1,X2,…,Xp)。如果将协差阵表示为Σ,则令λ1≥λ2≥…≥λp为Σ的特征根,所以有Var(F1)≥Var(F2)≥…Var(Fp)≥0,向量l1,l2,…,lp为相应的单位特征向量,则X的第i个主成分为:

通常可以用样本协差阵S来代替未知的协差阵Σ。同时,为消除各项指标量纲不同带来的影响,需要将原始数据进行标准化[6],即:

得出相关阵后,便可得到特征值进而做主成分分析。从理论上说,全部变量都可以被作为主成分而提取出来,然而这样做就失去了该方法简化数据的意义。通常来说,当前k个主成分(通常为前2~3个主成分)的累计贡献率已能够表达90%以上的信息时,可以人为地忽略其他成分[6]。

1.2 主成分分析步骤

(1)为消除数量或者量纲对变量的影响,首先将原来的p个指标进行标准化

式中:为xi的平均值,σx,i为xi的标准差。则,标准化矩阵为

(2)根据标准化后的数据矩阵求出协方差或相关阵

式中:rij(i,j=1,2,…,p)为原来变量ri和rj的相关系数,rij=rji,其计算式为:

式中:分别为xi、xj的平均值。

(3)求出协方差矩阵的特征根和特征向量

通过对R的特征方程进行求解,可得到p个特征值(i=1,2,…,p),且这些特征值均是非负的,由大到小的顺序排列为:λ1≥λ2≥…λp≥0;求得的特征向量为αi(i=1,2,…,p),且,其中αij是向量αi的第j个分量。

(4)主成分贡献率及累计贡献率

得到特征根和特征向量后,需要分别对主成分贡献率μi和主成分Fi的累计贡献率υF,i进行如下的计算:

根据累计贡献率值的大小来提取主成分,通常,能够表达混凝土综合性能的主成分的累计贡献率需要达到一个较高值(如85%)[7]。

(5)主成分载荷δij的计算

(6)样本的综合得分

经过前五步的计算,混杂纤维轻骨料混凝土的综合性能便可以得到,进而得到最优组以寻找最佳配合比。

2 轻骨料混凝土试验样本模型的建立

本试验着重研究了聚丙烯纤维、木质素纤维和粉煤灰三个变量对轻骨料混凝土性能的影响。文中选取的试验样本为能够基本全面反映掺纤维轻骨料混凝土信息指标的部分试验数据,如表1所示。

2.1 KMO检验和Bartlett球形检验

利用SPSS软件对试验数据进行主成分分析时,必须忽略混凝土各指标量纲的影响,因此,在分析前需要对数据进行标准化处理。首先,要确定一组数据是否能够采用主成分分析的方法,需要进行KMO检验与Bartlett球形检验。KMO检验是用于检查各个变量间的偏相关性的,通常在实际分析中,KMO统计量在0.5以上时,主成分分析的效果比较好;Bartlett球形检验用于检查各变量间是否具有相关性,它是建立在原有变量的相关系数矩阵上,检验假设的单位相关阵和实际的相关阵是否存在差异。如果两者之间的差异性是显著的,则可以表明变量之间存在显著的相关性,该组数据具备做主成分分析条件[6],检验结果见表2。

由表2的检验结果可以看出,该组混凝土试验样本的K>0.6,说明可以进行主成分分析。同时,又因为Sig<0.05,再一次验证该试验样本做主成分分析是合理的。

2.2 共同度

公因子提取之后便可计算各个变量的共同度。变量的共同度表示各个变量所含有的原始信息能够被提取出的公因子表示的程度,变量的共同度如表3所示。

由表3提取的共同度可知:所提取变量的共同度均大于80%,由此可知,提取的公因子可以强有力地解释所有变量。

2.3 主成分的特征值和贡献率

计算混杂纤维轻骨料混凝土8个影响因素的特征值和累计贡献率,计算结果见表4。

从表4可以看出,前3个成分的累计贡献率已经达到了较高的水平92.976%,在所有影响混凝土的因素中的累计贡献率最大,因此,提取这3个成分作为所有影响因素的主成分,图1为8个影响因素的碎石图。从图中可以看出,用3个主成分来代替8个影响因素是合理的。

同时,由主成分因子载荷图(图2)和因子载荷矩阵(表5)可知:隶属于主成分F1的指标有7d抗压强度、14d抗压强度、28d抗压强度、60d抗压强度和粉煤灰;隶属于主成分F2的是木质素;隶属于主成分F3的是聚丙烯纤维。从混凝土专业知识的角度来看,F1代表混凝土强度,F2和F3分别代表掺入混凝土的不同性质的纤维种类。

2.4 混杂纤维轻骨料混凝土综合性能指标的计算

各成分的得分系数计算结果见表6,并且各因子的权重均以其作为依据,由此得到混凝土的综合性能指标。

根据筛选出的可以反映混凝土综合性能的3个主成分,可以计算出各主成F1、F2和F3的权重,计算结果见表7,由表7可得出评价混凝土综合性能的表达式为:

2.5 轻骨料混凝土综合评价结果

借助EXCEL计算试验样本的综合评价结果,前三名排序结果见表8。由表8可知,样本4的综合评价是最高的,可以考虑该组配合比作为最优配合比。由此可知,可以确定第4组为最优配合比。

3 结论

(1)主成分分析法通过对原有变量进行降维处理,提取出少数综合影响因素为混杂纤维轻骨料混凝土的综合性能评价提供了一种快捷的方法。

(2)由主成分分析以及综合性能表达式可以得出:聚丙烯纤维对轻骨料混凝土综合性能的影响略强于木质素纤维的影响。

(3)运用数理统计的方法,对试验样本进行合理选取,通过建立的模型可得到混杂纤维轻骨料混凝土的最佳性能,实现配合比的优化设计。

摘要：主成分分析法是通过降维的过程,在保证原始数据信息损失最小的条件下,用较少的综合变量代替原有多维变量对混凝土的综合性能进行评价。试验选取了聚丙烯纤维、木质素纤维和粉煤灰为变量,并选取轻骨料混凝土的其他五项主要测试指标,采用主成分分析法对这些指标进行数值处理,得出评价轻骨料混凝土综合性能的数学模型。

关键词：主成分分析法,轻骨料混凝土,数学模型

参考文献

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[3]潘怀兵.基于主成分分析法的沥青路面使用性能评价[J].重庆交通大学学报:自然科学版,2010(6):888-890.

[4]宇传华.SPSS与统计分析[M].北京:电子工业出版社,2006.

[5]汪海东,曾志兴.基于主成分分析法的高性能再生混凝土性能优化设计[J].混凝土,2011(4):51-53.

[6]张文彤.SPSS统计分析高级教程[M].北京:高等教育出版社,2004.

混杂纤维混凝土 第3篇

关键词：再生混凝土,混杂纤维,强度,弹性模量

随着建筑业的快速发展, 越来越多的旧房屋拆除重建高层、超高层, 随之产生的建筑垃圾不断增多, 严重污染及破坏了环境[1]。其中作为建筑垃圾之一废弃混凝土的处理成为了人们关注的焦点。在国内把废弃混凝土作为骨料推广应用还处于研究阶段, 大量研究资料表明[2,3], 由于再生骨料的诸多缺陷致使再生混凝土的力学性能及抗裂性能低于普通混凝土, 导致这些再生骨料的推广应用受到限制。有研究表明纤维在混凝土中可改善混凝土强度及抗裂等性能, 即聚丙烯纤维可消除或减少早期混凝土原生裂缝的发生和发展[4,5,6], 钢纤维可阻止硬化混凝土破坏时的裂缝扩展。本文通过在再生混凝土中单掺及混掺聚丙烯纤维和钢纤维来探讨再生混凝土的力学性能及抗裂性能, 为再生混凝土的扩大应用提供参考。

1 试验方案设计及方法

1.1 试验方案设计

本试验采用水胶比为0.4, 再生粗骨料的取代率为30%, 砂率采用0.4, 单位用水量为185 kg/m3, 聚丙烯纤维 (简称PP纤维) 及钢纤维 (简称SF纤维) 掺合方法为单掺及混掺, 共计划8组试验。本试验的混凝土配合比如表1所示。

kg

1.2 试验原材料

1) 水泥。本试验采用的水泥为延边朝鲜族自治州庙岭牌P.O42.5型号普通硅酸盐水泥, 其物理化学性能指标如表2所示。2) 粉煤灰。粉煤灰为吉林省延吉市发电厂生产, 密度为2 200 kg/m3。3) 纤维。本试验使用辽宁省辽阳市巨欣化纤有限公司生产的单丝聚丙烯纤维, 见图1a) , 长度16 mm、直径20μm, 密度为1 360 kg/m3, 断裂强度不小于500 MPa;使用的钢纤维为河北省唐山市玉田县致泰钢纤维制造有限公司生产的两种端钩剪切型钢纤维:两端两次弯钩 (A) 和两端一次弯钩 (B) , 长度为50 mm, 长径比为60, 见图1b) , 图1c) 。4) 骨料。试验用细骨料为延吉市本地产天然黄砂, 品级为中砂, 级配良好, 物理性能如表3所示。试验用再生粗骨料为废弃试块用颚式破碎机破碎而成, 废弃混凝土的强度为20 MPa~40 MPa, 破碎的再生骨料粒径为5 mm~25 mm;天然粗骨料采用延边诚信混凝土有限公司提供的碎石, 粒径为5 mm~25 mm, 其物理性能指标如表4所示。5) 外加剂。本试验采用棕黄色粉末状聚羧酸非引气型高效减水剂, 减水率为10%, 密度为550 kg/m3。

%

1.3 试验方法

本试验中混凝土的制备经过三次搅拌:即, 首先骨料与纤维进行一次干搅拌, 然后加入水泥、粉煤灰进行第二次干搅拌, 最后加入拌合水和减水剂进行第三次搅拌。抗压强度和劈拉强度试验试块均为边长150 mm的标准立方体试块, 弹性模量试验试块为边长150 mm, 高300 mm的棱柱体, 具体试验测试参考GB/T50081-2002普通混凝土力学性能试验方法标准。

2 试验结果与分析

2.1 力学性能分析

1) 抗压强度。图2为纤维种类及掺合率变化下的抗压强度。从图中可知, 纤维再生混凝土的抗压强度均高于未掺入纤维的P0S0抗压强度, 即纤维的掺入可不同程度的提高再生混凝土的强度。一般再生混凝土基体内部存在不同尺度的微裂纹, 在结构形成过程中, 纤维阻止了这些微裂纹的引发, 减少裂缝源的数量, 缩小裂缝尺度, 从而降低了裂缝尖端的应力强度因子, 缓和了裂缝尖端应力集中。并且在结构受力过程中, 纤维抑制了裂缝的引发和扩展, 致使混凝土强度得到提高[7]。图3为纤维种类及掺合率变化下的相对抗压强度百分比。从图中可看出, 聚丙烯纤维对再生混凝土的抗压强度增强效果并不明显, 而随着钢纤维掺量增加再生混凝土的强度有较为明显的增大趋势, 单掺钢纤维的增强效果均高于混掺纤维的增强效果。

2) 劈拉强度。图4及图5分别为纤维种类及掺合率变化下的劈拉强度和相对劈拉强度百分比。从图中可知, 掺入纤维的再生混凝土劈拉强度均高于未掺入纤维的P0S0劈拉强度。当单掺聚丙烯纤维时几乎无增强效果, 而单掺钢纤维和混掺纤维的混凝土有不同程度的强度提高。即, 单掺钢纤维可大幅提高再生混凝土的劈拉强度, 并随着钢纤维掺量的增加劈拉强度有逐渐增大趋势, 当混掺聚丙烯—钢混合纤维时混凝土的劈拉强度比相对应的单掺钢纤维混凝土发挥高一些。在本试验范围内同时掺合聚丙烯纤维0.1%及钢纤维0.75%时再生混凝土的劈拉强度达到最高值。试验结果表明, 聚丙烯纤维和钢纤维取长补短, 产生复合效应, 致使再生混凝土的性能得到改善。

3) 应力—应变曲线及弹性模量。图6为纤维种类及掺量变化下的应力—应变曲线。从图中可知, 不掺纤维的P0S0应力—应变曲线斜率最小, 脆性较大。随着纤维种类及掺合率的变化聚丙烯—钢纤维混掺混凝土组的斜率均大于其他试验组, 其中P0.1S0.5和P0.1S0.75的斜率较大。试验结果表明掺入纤维后混凝土的韧性增加, 降低了再生混凝土的脆性。图7为纤维种类及掺量变化下的弹性模量。弹性模量越大, 表明混凝土的刚度越大, 脆性也就越大。从图中可知, 掺入纤维的各试验组弹性模量均不同程度的小于P0S0, 并且混掺纤维的试验组弹性模量也均小于相对应的单掺纤维试验组。

2.2 抗裂性能分析

本文利用拉压比和弹强比[8]来分析纤维再生混凝土的抗裂性能。

图8为纤维种类及掺量变化下的拉压比。从图中可知, 除了P0.1S0外其他试验组的拉压比均高于未掺合纤维的P0S0。当单掺钢纤维时, 拉压比随着纤维掺量的增加而增大。当混掺纤维时P0.1S0.75的拉压比达到最大值, 且混掺纤维试验组的拉压比均大于相对应的单掺钢纤维的试验组。试验结果表明, 掺入纤维可不同程度的提高再生混凝土抗裂性能, 而且混掺聚丙烯纤维和钢纤维时效果更好。图9为纤维种类及掺量变化下的弹强比。从图中可知, 掺入纤维可降低再生混凝土的弹强比。在本试验范围内混掺纤维的P0.1S1.0的弹强比达到最小值, 抗裂性能达到比较良好的效果。

3 结语

本文通过在再生混凝土中掺入聚丙烯纤维和钢纤维来分析再生混凝土的力学性能及抗裂性能, 其结果如下:

1) 在再生混凝土中单掺或混掺聚丙烯纤维和钢纤维对抗压强度有所提高, 但效果不显著。2) 在再生混凝土中单掺或混掺聚丙烯纤维和钢纤维时可不同程度的提高混凝土劈拉强度, 其中混掺纤维P0.1S0.75的劈拉强度达到最大值。3) 掺入纤维的各试验组弹性模量均不同程度的小于P0S0, 且混掺纤维的试验组弹性模量也均小于相对应的单掺纤维试验组。4) 通过分析各试验组的拉压比和弹强比, 在P0.1S0.75试验组得到比较良好的效果。

参考文献

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混杂纤维混凝土 第4篇

随着我国城市化的快速推进,骨料、水泥等原材料的消耗逐年增多,使得部分混凝土用资源面临紧缺或枯竭的问题。为了解决这一问题,国内外诸多学者利用废弃混凝土、粉煤灰等部分取代天然骨料或水泥配制再生混凝土。但再生混凝土由于再生材料自身的缺陷,其力学性能有不同程度的降低[1]影响了再生混凝土的推广应用。国内外很多研究表明,钢纤维能有效提高再生混凝土的劈拉、抗折、冲击韧性等力学性能[2]。为此,本文研究了不同掺入率混杂钢纤维对混凝土力学性能的影响。

1 试验方案

1.1 方案设计

本试验在胶凝体中掺入20%(胶凝体总质量中所占百分比)粉煤灰取代部分水泥,粗骨料中掺入30%(粗骨料总质量中所占百分比)再生骨料取代部分天然骨料,水胶比为0.35,砂率为0.45,减水剂掺率为2.0%(胶凝体总质量中所占百分比),拌制基准再生混凝土(简称BF0组)。在BF0组配合比的基础上改变混杂钢纤维(钢纤维总体积中钢纤维A种占25%,B种占75%[3])掺入率,分别以0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的钢纤维掺量,设计5组混凝土配合比,并在塑性状态下测定混凝土的坍落度,在硬化状态下测定混凝土28d抗压强度、劈拉强度、弹性模量、抗折强度、荷载与应变关系。本试验采用的再生混凝土配合比见表1。

kg/m3

1.2 原材料

水泥:P·O 42.5级普通硅酸盐水泥;粉煤灰:密度为2200kg/m3的Ⅱ级粉煤灰;细骨料:细度模数2.18,密度为2650kg/m3的天然细砂;再生粗骨料:用颚式粉碎机破碎而成,并经试验室严格筛分出的强度等级为C30~C40废弃混凝土,粒径5~25mm,表观密度2460kg/m3,吸水率6.0%;天然粗骨料:粒径5~25mm,表观密度2700kg/m3,含水率为2.0%的碎石;减水剂:液态聚羧酸高效减水剂,减水率为20%;钢纤维:端钩型一次弯钩(简称A型)和二次弯钩(简称B型)二种钢纤维,长度均为50mm,直径0.62mm,二种钢纤维的端部构造如图1所示。

1.3 试验方法

混凝土搅拌时,先把骨料、水泥、粉煤灰和混杂钢纤维干拌30s,再加水和减水剂一起搅拌3min;测定混凝土塑性状态下的坍落度,然后装模、振捣成型,成型后置于标准养护室养护24h脱模,脱模后在标准养护条件下继续养护至28d。根据GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》规定的方法,测定各组混凝土28d龄期的抗压强度、抗劈拉强度、弹性模量,并使用电液伺服压力机进行三点式抗折强度及荷载与应变关系试验,测点及加载位置如图2所示。

2 试验结果与分析

2.1 混凝土坍落度

图3为不同掺入率混杂钢纤维再生混凝土的坍落度。由图3可见,BF0组混凝土的坍落度为210mm,具有较好的流动性,这主要由于粉煤灰表面致密的球形颗粒改善了混凝土的和易性,有效抑制混凝土坍落度降低[4]。随着混杂钢纤维掺入率的增加,钢纤维在混凝土中逐渐形成网布式结构,阻止混凝土的流动,当混杂钢纤维掺入率超过1.5%时,混凝土坍落度急剧下降,混杂钢纤维掺入率为2%时,混凝土坍落度下降了57.1%。

2.2 抗压强度

图4为不同掺入率混杂钢纤维再生混凝土的28d抗压强度。由图4可见,BF0组的抗压强度为40.6MPa,随着混杂钢纤维掺入率的增加,混凝土抗压强度均匀增加,当混杂钢纤维掺入率为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%时,抗压强度分别增加了9.9%、20.9%、31.8%、40.1%。这主要由于钢纤维在混凝土中的贯穿作用,在受压初裂后阻止了裂缝的发展,从而提高了混凝土的抗压强度。当钢纤维掺入率超过1.5%时,由于分布不均,使得混凝土内部出现较多孔隙[5],因而混凝土抗压强度增加幅度有所下降。

2.3 劈拉强度

图5为不同掺入率混杂钢纤维再生骨料混凝土试件28d劈拉强度。由图5可见,BF0组再生混凝土劈拉强度仅为2.52MPa,加入混杂钢纤维显著提高了混凝土的劈拉强度,钢纤维掺量为0.5%时,劈拉强度提高20.2%,钢纤维掺量为1.0%、1.5%、2.0%时,劈拉强度分别提高了50.4%、84.1%、124.6%。主要原因是分布在混凝土中的混杂钢纤维有效地起到了连接裂缝作用,防止了裂缝的继续扩大。

2.4弹性模量

图6为不同掺入率混杂钢纤维再生骨料混凝土28d弹性模量。由图6可见,BF0组混凝土的弹性模量为32723MPa,混杂钢纤维的掺入明显提高了混凝土的弹性模量,混杂钢纤维掺量0.5%的BF0.5组,其弹性模量比BF0组提高了12.6%;钢纤维掺量为1.0%、1.5%、2.0%时,混凝土弹性模量分别较BF0组提高了22.3%、32.9%、38.1%。

2.5 抗折强度

2.5.1 破坏形态分析

图7为不同掺入率混杂钢纤维再生混凝土抗折试验破坏形态。由图7可见,不掺钢纤维的BF0组再生混凝土试件发生脆性破坏;混杂钢纤维的掺入使混凝土试件具有一定的韧性,在试件发生初裂之后,仍可继续承受荷载,裂缝不断延伸至试件完全破坏。钢纤维掺量从0.5%增加到1.5%时,裂缝发展的速度逐渐变得缓慢,当发生破坏时,试件未完全断为两半;钢纤维量为2.0%的BF2.0组试件破坏时,其裂缝相比于BF0.5、BF1.0及BF1.5组试件的裂缝较小。同时,混杂钢纤维再生混凝土和普通钢纤维混凝土的破坏过程相似,大致可分为初始损伤、裂纹形成与发展、最终破坏三个阶段。

2.5.2 抗折强度分析

图8为不同掺入率混杂钢纤维混凝土的抗折强度。由图8可见,混杂钢纤维的掺入显著提高了混凝土的抗折强度。相对BF0组而言,当混杂钢纤维掺入率为0.5%时,混凝土的抗折强度提高了31.2%;当钢纤维掺入率为1.0%、1.5%、2.0%时,混凝土抗折强度分别提高111.9%、178.2%、286.1%。这是由于混杂钢纤维在试件初裂之后能够跨越裂缝形成桥接作用的缘故[6]。

2.5.3 荷载与应变的关系

图9为不同掺入率混杂钢纤维混凝土荷载-应变曲线图。由图9可见,初始阶段随着荷载的增加,不同掺入率混杂钢纤维混凝土应变变化范围很小;随着荷载的继续增大,BF0组曲线终止,发生破坏;在相同荷载作用下,BF0.5组相对BF0组应变较小;BF1.0、BF1.5、BF2.0组的曲线均随着荷载的增加而延伸,当荷载达到60k N时,BF1.0组发生破坏,BF1.5组曲线坡度较大,直至破坏;BF2.0组在荷载达到65k N后,曲线坡度降低,随着荷载的增加,应变均匀增加。产生该结果的原因主要是:随着混杂钢纤维掺入率的增加,钢纤维混凝土底部受拉发生初裂,其过程与普通混凝土相似,但随着荷载的增加,钢纤维能够有效地连接裂缝,此时主要是钢纤维承受拉力,因此,当钢纤维掺入率为2.0%时,即使荷载很大,应变量仍很小,当纤维被拉断或拉出时,曲线趋于平缓,直至破坏。

3 不同掺入率混杂钢纤维混凝土抗折强度计算

3.1 计算公式

根据纤维间距定理,将钢纤维混凝土试件视作由基体混凝土和钢纤维两部分混杂成的整体[7],在试件发生初裂之后,高丹盈[8]提出以下公式:

式中:M为试件总弯矩;Mc为混凝土基体弯矩;Mf为钢纤维弯矩。

式中:rm为基体混凝土截面抵抗矩塑性影响系数;ft为混凝土抗拉强度;W0为矩形截面弯曲系数。

由于混杂钢纤维的存在,其不同长度组合对混凝土截面有一定影响,故高丹盈提出的钢纤维混凝土抗折强度计算公式的计算结果与试验结果存在较大误差,故提出如下计算公式:

式中:α为钢纤维影响系数。

文献[9]提出了如下公式:

式中:σf为钢纤维应力;τ为混杂钢纤维和混凝土基体平均黏结力;Vf为混杂钢纤维掺入率;l为钢纤维长度;d为钢纤维直径。

因此,得:

式中:W为承受弯矩钢纤维的有效截面弯曲系数。

因此,得:

对试验结果进行线性拟合回归分析,得出本文混杂钢纤维混凝土抗折强度计算公式:

根据上式及试验结果的回归分析,rm取1.024。

3.2 公式比较

图10是公式计算结果、试验结果、高丹盈式计算结果数据处理做出的比较。由图10可见,本文修正公式计算值和试验值相差不大;高丹盈公式的计算结果和试验结果相差较大,主要是混杂钢纤维对混凝土抗折强度影响较为显著的缘故。

4 结论

(1)随着钢纤维掺入率的增加,再生混凝土的坍落度下降,并在钢纤维掺入率为1.5%后急剧下降,混凝土和易性大幅度降低。

(2)不同掺入率的混杂钢纤维可有效提高再生混凝土的抗压强度及弹性模量,随钢纤维掺入率的增加,抗压强度增加9.9%~40.1%,弹性模量增加12.6%~38.1%。

(3)不同掺入率的混杂钢纤维能显著提高再生混凝土劈拉、抗折强度,随着钢纤维掺入率的增加,劈拉强度增加20.2%~124.6%,抗折强度增加31.2%~286.1%。

(4)对高丹盈提出的钢纤维混凝土抗折强度计算公式进行修正,得到了适合混杂钢纤维不同掺入率的抗折强度计算公式。

摘要：利用粉煤灰、废弃混凝土再生粗骨料分别代替部分水泥及部分天然粗骨料,拌制基准组再生混凝土,并对基准组再生混凝土改变混杂钢纤维掺入率,分析了其流动性及力学性能。试验结果表明,随着混杂钢纤维掺入率的增加,混凝土的流动性急剧降低,但对混凝土抗压强度、弹性模量均有不同程度的增强作用,尤以改善混凝土劈拉、抗折强度最为显著,并且随着混杂钢纤维掺入率的增加,增强作用更加明显。

关键词：再生混凝土,混杂钢纤维,劈拉强度,抗折强度

参考文献

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混杂纤维混凝土 第5篇

采用单一纤维增强混凝土往往只能在某些方面发挥自己的优点[1,2], 而多种纤维混杂可以弥补单一纤维的不足, 充分发挥各种纤维的优点达到逐级阻裂和强化的功能, 于是混杂纤维混凝土 (HFRC, Hybrid Reinforced Fiber Concrete) 开始受到学者们的关注, 即将高弹模纤维 (如钢纤维、碳纤维) 与低弹模纤维 (如聚丙烯纤维、尼龙等) 进行混杂, 相互取长补短, 在不同层次和受荷阶段发挥“正混杂效应”来增强混凝土。华渊[3,4]等研究了碳纤维-聚丙烯纤维, 钢纤维-聚丙烯纤维的混杂效应。同济大学姚武[5]等研究并讨论了碳纤维-钢纤维混杂对高性能混凝土力学性能的影响。本文中提出玄武岩-聚丙烯混杂纤维混凝土的混杂模式, 通过试验研究混掺玄武岩-聚丙烯纤维对混凝土基本力学性能 (主要是抗压强度和抗折强度) 的增强效果, 获取混掺玄武岩-聚丙烯纤维混凝土提高抗压强度和抗折强度的最适配合比。

1 原材料与试验配合比设计

水泥:采用42.5普通硅酸盐水泥。

砂:采用细度模数为2.98、表观密度为2650kg/m3的中砂。

石子:最大粒径为20mm、表观密度为2700kg/m3的石灰碎石。

纤维主要物理性能见表1。

本文混凝上配合比按普通混凝土配合比设计方法设计, 混凝土的强度等级采用C40, 配合比见表2。

2 混掺玄武岩-聚丙烯纤维混凝土抗压与抗折试验

2.1 抗压强度试验

纤维对混凝土抗压强度的影响如图1所示。

由图1可知, (1) 当玄武岩纤维掺量较小时, 立方体抗压强度随着聚丙烯纤维掺量的增加有一个先增长后递减的趋势, 合理掺量在0.9kg/m3左右, 此时, 聚丙烯纤维掺量加大反而不利于混凝土强度的提高; (2) 当玄武岩纤维掺量较大时, 加大聚丙烯纤维掺量的效果才得以显现, 两种纤维混杂使得混凝土的强度得到很大提高; (3) 聚丙烯纤维掺量一定时, 玄武岩纤维掺量超过3.0kg/m3, 随着纤维掺量的提高, 混凝土的抗压强度基本呈上升趋势, 最大增幅约16%; (4) 尽管玄武岩纤维掺量为3.5kg/m3, 聚丙烯纤维掺量为1.2kg/m3时, 对抗压强度的增强最大, 但综合考虑经济效率等方面因素, 合理掺量为:玄武岩纤维掺量为2.5kg/m3, 聚丙烯纤维掺量为0.9kg/m3。

2.2 抗折强度试验

混杂纤维对混凝土抗折强度的影响如图2所示。

从图2中可以发现, (1) 当玄武岩纤维掺量一定时, 聚丙烯纤维掺量的变化对混凝土抗折强度几乎没有什么影响; (2) 当聚丙烯掺量较小时, 随着玄武岩纤维掺量的加大, 其抗折强度呈现增长的趋势, 平均增长约14%, 最大增幅达到17.5%; (3) 聚丙烯掺量较大时, 玄武岩纤维的加入对混凝土强度并没有太大的贡献; (4) 由 (2) (3) 可以得出其合理掺量为:玄武岩纤维掺量为3.0kg/m3, 聚丙烯纤维掺量为0.9kg/m3; (5) 相比于素混凝土, 抗折强度显著提高, 平均增幅约73.4%。此时, 由于纤维的粘结作用使混凝土产成了多裂纹效应, 从而显著提高了混凝土的抗折强度。

3 结束语

尽管本文的试验数据有一定的离散性, 但总体来说还是具备了一定的规律性, 有一定的参考价值。得出的结论是: (1) 对于单掺玄武岩纤维混凝土, 玄武岩纤维的加入对其抗压强度几乎没有影响, 抗折强度大幅提高, 平均增幅为25.1%, 合理掺量应该在2.0kg/m3左右; (2) 玄武岩纤维掺量为2.5kg/m3, 聚丙烯纤维掺量为0.9kg/m3时, 对抗压强度的增强效果最好; (3) 玄武岩纤维掺量为3.0kg/m3、聚丙烯纤维掺量为0.9kg/m3时, 对抗折强度的增强效果最好。

摘要：多种纤维混杂可以弥补单一纤维的不足, 充分发挥各种纤维的优点。将玄武岩纤维与聚丙烯纤维进行混杂, 按一定比例混杂掺入混凝土中, 使其发生正混杂效应, 能有效地增强混凝土。

关键词：纤维混凝土,混杂纤维,纤维掺量,抗压强度,抗折强度

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混杂纤维混凝土 第6篇

关键词：混杂钢纤维,再生骨料,力学性能,抗裂性能

0 引言

随着建筑业的急速发展, 老旧建筑物拆除重建为高层、超高层建筑物, 随之大量产生建筑垃圾, 导致严重的环境污染。为了降低环境污染、提高建筑垃圾的再利用率, 人们把建筑垃圾中的废弃混凝土等加工后替代部分混凝土材料[1,2], 搅拌再生混凝土。但这些掺入再生材料的混凝土构件, 由于废弃物自身的缺陷, 其构件的实际强度、抗裂性等有不同程度的降低, 因此对实际结构中的应用受到一定的限制。据文献[3][4]可知:钢纤维掺入可以有效地提高混凝土的各项力学性能。

本文以废弃混凝土代替部分粗骨料、以粉煤灰[5]及硅灰代替部分水泥胶凝体拌制再生混凝土, 并对其改变由1次弯钩型 (简称A型) 和2次弯钩型 (简称B型) 组合的混杂钢纤维掺率[6], 分析其基本力学性能及抗裂性能, 为再生混凝土在结构中的扩大应用提供技术参考。

1 试验方案设计及方法

1.1 试验方案设计

本试验中混凝土的水胶比选用0.25, 在胶凝体中掺入20%的粉煤灰 (在胶凝体中所占的质量百分比) 和10%的硅粉 (在胶凝体中所占的质量百分比) , 粗骨料中掺入30%废弃混凝土粗骨料 (在粗骨料总量中所占质量百分比) , 拌制基准混凝土 (简称SF0) 。并对SF0混凝土改变在本文前期基础试验研究中效果比较优秀的A型钢纤维75%和B型钢纤维25%组合而成的混杂钢纤维掺率0.5%, 1%, 1.5%, 共设计4组再生混凝土梁。本试验中砂率均采用0.42, 减水剂掺率均采用0.9% (相对胶凝体的质量百分比) , 其详细的混凝土配合比详见表1。

kg

并在规定的龄期测定抗压强度、劈拉强度、梁的初始开裂荷载、极限荷载、梁的荷载—挠度曲线、荷载裂缝数量等。

1.2 试验原材料

本试验水泥采用延边朝鲜族自治州某水泥厂P.O42.5型号普通硅酸盐水泥, 密度为3 150 kg/m3, 粉煤灰采用吉林省延吉市某建材有限公司生产的一级粉煤灰, 密度为2 200 kg/m3, 硅灰采用长春某科技有限公司生产, 密度为2 700 kg/m3。本试验使用的钢纤维为河北玉田县致泰钢纤维制造有限公司生产的两种端钩剪切型钢纤维, 其长度为60 mm、长径比为80, 具体形状如图1所示。本试验使用的细骨料为延吉市本地产天然中砂, 密度为2 600 kg/m3。本实验中使用的再生粗骨料为废弃混凝土试块用颚式破碎机破碎而成, 破碎的再生骨料粒径为5 mm~25 mm, 吸水率为5.1%, 密度为2 460 kg/m3;天然粗骨料采用延边地区天然碎石, 粒径为5 mm~25 mm, 密度为2 600 kg/m3。本试验采用粘稠透明液态减水剂, 固含量为40%。

1.3 试验方法

本试验中混凝土搅拌选用了HJW-100型单卧轴强制式混凝土搅拌机。混凝土制备过程中, 先将胶凝材料与粗、细骨料混合干搅拌60 s, 然后将钢纤维均匀撒入搅拌机内干搅拌60 s, 最后将减水剂与水的混合溶液倒入搅拌机内湿搅拌180 s, 搅拌时间满足规范GB 50164—2011混凝土质量控制标准要求。并使用电液伺服压力试验机, 采用分级加载方式, 初始每级加载5 k N, 产生第一条裂缝起, 每级加载增至10 k N, 加载稳定至200 s后观察裂缝发展情况, 直至构件破坏。

2 试验结果与分析

2.1 力抗压强度

1) 抗压强度。

图2为混杂钢纤维掺率变化下再生混凝土的28 d抗压强度。首先, 未掺入混杂钢纤维的SF0组混凝土的抗压强度57.6 MPa, 随着混杂钢纤维掺率的增加混凝土强度先提高后降低。即当混杂钢纤维的掺率为0.5%, 1.0%, 1.5%时抗压强度分别为74.3 MPa, 83.0 MPa, 74.7 MPa, 其中在SF1.0组混凝土达到最高值时, 比SF0组混凝土提高44.2%。而在SF1.5组混凝土中, 相对SF1.0组抗压强度降低了10.0%, 这是因为随着混杂钢纤维的掺率增大, 混凝土的扩展度降低, 特别是在SF1.5组混凝土中其流动性发生急骤地降低, 随之混凝土密实性变差, 强度降低。

2) 劈拉强度。

图3为混杂钢纤维掺率变化下再生混凝土的28 d劈拉强度。从图中可知, 未掺入混杂钢纤维的SF0组混凝土劈拉强度为4.4 MPa得到比较小的值。当混杂钢纤维掺率为1.0%以下时, 随着钢纤维掺率的增加劈拉强度逐步得到提高, 并在钢纤维掺率1.0%时达到5.4 MPa, 比SF0组提高22.9%, 达到最高值。但当混杂钢纤维掺率为1.5%时由于混杂钢纤维的掺率增大, 和易性急剧降低, 纤维分散性变差, 继而劈拉强度有小幅度降低。

2.2 抗裂性能分析

1) 破坏形态分析。

图4为混杂钢纤维掺率变化下再生混凝土梁的破坏形状图。从图中得知:4根梁均发生正截面受弯破坏, 当梁的跨中受拉区应力达到开裂荷载时出现极细微的垂直裂缝。当荷载加载到80 k N左右时, 4根梁均在沿着支座向荷载方向出现细微的斜裂缝。随着荷载继续增大, 裂缝数量不断增加且裂缝向受压区发展。受拉区的纵向受拉钢筋屈服后, 裂缝的发展速度、梁的挠度均发展迅速。当梁的混凝土受压区开始快速出现裂缝, 最终被压碎时, 梁丧失承载力。通过4根梁的破坏形状比较分析可知, 在混凝土强度最大的SF1.0梁试件裂缝数量发生最少、裂缝宽度和长度最短, 得到比较良好的效果。

2) 初始开裂荷载。

图5为混杂钢纤维掺入率变化下再生混凝土梁的初始开裂荷载图。首先, 未掺入混杂钢纤维的SF0组梁, 由于再生骨料自身的缺陷, 随着荷载的增加在荷载为5 k N时发生了第一道裂缝。随着钢纤维掺率的增加混凝土梁初始开裂荷载有了大幅度提高, 即混杂钢纤维掺率在0.5%和1.5%时, 开裂荷载均在20 k N, 混杂钢纤维掺率在1.0%时开裂荷载最高, 达到30 k N, 说明混杂钢纤维掺入有效地提高了再生混凝土梁的初始开裂荷载。这是由于混杂钢纤维加入后, 其与受拉区混凝土产生摩擦作用, 且钢纤维的端钩与混凝土有咬合作用, 提高了受拉区混凝土的抗拉强度和抗变形能力。而当混杂钢纤维的掺率达到1.5%时, 由于钢纤维的分散性较差, 钢纤维没有起到有效的桥接作用, 继而初始开裂荷载降低。

3) 极限荷载。

图6为混杂钢纤维掺入率变化下再生混凝土梁的极限荷载。由图可知, 当未掺入混杂钢纤维时梁的极限荷载为139.9 k N。随着混杂钢纤维掺率的增加, 当钢纤维掺率为0.5%, 1.0%, 1.5%时极限荷载分别达到146.9 k N, 182.7 k N, 138.6 k N, 其中在钢纤维掺率为1.0%时极限荷载提高幅度最大, 说明合理掺率混杂钢纤维可以有效提高梁的强度和抗弯能力。

4) 荷载—挠度曲线。

图7, 图8分别为混杂钢纤维掺率变化下再生混凝土梁的荷载—挠度曲线和跨中最大挠度图。由图7可知, 未掺入混杂钢纤维的SF0梁在每级加载中挠度变化最为明显。SF0.5梁与SF1.5梁在加载到120 k N前挠度变化比较缓慢, 基本呈现一致, 而荷载在120 k N~130 k N之间时SF0.5梁有了较大挠度变化, SF1.5梁挠度虽有所增大但依旧较为平缓, 但加载到130 k N后挠度有突增。SF1.0梁的挠度变化一直较为平缓, 全程并无突增的挠度变化。

从图8可知, 未掺入钢纤维的SF0梁的跨中最大挠度为31 mm。当钢纤维掺率为0.5%, 1.0%, 1.5%时梁的最大挠度分别达到26 mm, 15.5 mm, 17 mm, 其中在SF1.0梁的挠度达到最小值, 相对SF0而言挠度减少50%, 说明钢纤维本身对混凝土有桥接作用, 且钢纤维两端的弯钩促进其与混凝土的摩擦与咬合, 有效控制混凝土梁的形变。

5) 荷载—裂缝数量。

图9为混杂钢纤维掺率变化下再生混凝土梁在不同荷载下裂缝数量增长点状图。由图可知, 混杂钢纤维不同掺率的变化, 所有组梁随着荷载的增长裂缝数量均呈现增多趋势, 且增长较为平缓, 并没有出现比突增现象。其中, SF0梁与SF0.5梁的裂缝数量增长情况较接近, 表现的比较缓慢。SF1.0梁开裂进展最为缓慢, 而荷载超过160 k N后裂缝增长速度发生加快。SF1.5在每级加载中裂缝数量增长最多, 在荷载超过100 k N后裂缝增长速度加快。

3 结语

本文通过研究混杂钢纤维不同掺率对再生骨料混凝土的基本力学性能及梁的抗裂性能影响, 得到以下结论:

1) 钢纤维的掺入可以有效提高混凝土的抗压强度, 在本试验中在SF1.0组得到最大值。

2) 混杂钢纤维总掺率低于1.0%时, 钢纤维掺率的增加可以有效提高混凝土的劈拉强度, 但当钢纤维掺率达到1.5%时, 由于混凝土的流动性降低, 纤维分散性变差, 使得劈拉强度有所降低。

3) 在所有组梁均发生正截面受弯破坏, 钢纤维的掺入可以有效延迟混凝土梁开裂, 阻碍裂缝发展。当钢纤维总掺率为1.0%时混凝土强度及抗裂性能提高比较明显, 开裂荷载及极限荷载都达到最大值。

4) 在本试验梁中, SF1.0梁随荷载增加挠度的发展最为缓慢, 且其在屈服时的最大挠度最小, 对再生混凝土梁抗裂性的提高幅度最为明显。

参考文献

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混杂纤维混凝土 第7篇

1 混杂纤维复合材料性能优势及其存在的问题

1.1 混杂纤维复合材料的性能优势

混杂纤维复合材料相较传统单一纤维增强的复合材料具有其明显的优势, 尤其是在力学性能方面尤为突出, 国内外学者对混杂纤维复合材料的力学性能进行研究时发现:不同纤维之间混杂后产生的混杂效应可让纤维之间扬长补短。以玻璃纤维和碳纤维混杂为例:玻纤与碳纤体积比为2的混杂纤维复合材料 (HFRP) 的断裂应变比CFRP高30%~50%;玻璃纤维复合材料的模量一般较低, 但如引入50%的碳纤维作为表层, 复合成夹芯形式, 其模量可达到碳纤维复合材料的90%;玻璃纤维复合材料疲劳寿命为非线性递减, 如引入50%的碳纤维, 其疲劳寿命将转变为线性递减, 其循环应力也有较大的提高[5,6,7]。

此外, HFRP还会改善构件的抗冲击性能、蠕变性能、疲劳性能等。Park等[8]在研究4层芳纶纤维/玻璃纤维混杂复合材料的冲击性能时, 发现当芳纶纤维在底层时, 表现出较单一玻璃纤维增强复合材料更高的冲击能。Maksimov等[9]研究了不同体积含量的芳纶/玻璃纤维混杂复合材料的蠕变性能, 在保持700MPa连续的力蠕变5.7年后, 复合材料中玻璃纤维的应力增加了1.85倍, 芳纶纤维的应力下降了10%, 表明在芳纶纤维中混入玻璃纤维, 可以有效地抑制蠕变。Cavatorta[10]对玻璃纤维/碳纤维混杂复合材料疲劳性能进行研究表明, 混杂纤维复合材料的抗疲劳性能较单一纤维增强复合材料更优。

混杂纤维不仅可以混杂传统意义中的有机无机合成纤维, 同时可以混杂植物纤维, 既可以弥补植物纤维强度低、吸湿率高的劣势, 还可以使复合材料获得意想不到优异特性, 如Rout等[11]用7%的玻纤与13%的椰子壳纤维增强聚酯树脂, 不仅提高了构件的弯曲强度, 而且使构件的吸湿性降低。

1.2 混杂纤维复合材料存在的不足

混杂纤维复合材料能够有效地弥补单一纤维增强复合材料所存在的缺点, 是复合材料将来的发展趋势之一。但是混杂纤维增强复合材料同时也存在相应的问题, 如混杂区域、混杂均匀性等, 不均匀的混杂区域或者局部的单一纤维堆积, 往往会导致复合材料整体性能不一, 容易出现局部的层间破坏或局部微裂纹;混杂纤维比例的不恰当也会导致构件在增加某一项性能时, 过多地降低了其他的性能, 导致构件顾此失彼;混杂比例的不当还会导致过高的成本而使构件在实际使用过程中受到限制。因此控制混杂纤维复合材料的工艺和合适的混杂比例是混杂纤维复合材料保持优异性能的前提, 其中尤为突出的便是混杂比例, 如何确定一个最优的纤维混杂比例, 不仅关系到构件的力学性能, 同时关乎成本, 在实际工程应用中, 往往是兼顾两者之间的关系, 择优选择, 即最优纤维混杂比例的确定。

2 最佳混杂比例研究

2.1 最佳性能混合比例研究

混杂纤维复合材料的研究早期主要集中于玻璃纤维与碳纤维的混杂, 以提供复合材料更强的力学性能, 并弥补碳纤维断裂延伸率低和价格昂贵的缺点。性能研究的基础是混杂纤维的混杂效应, Manders[12,13]对CFRP/GRPF混杂复合材料试样进行拉伸试验研究, 概括出如图1所示的强度与混杂比的关系。图1 (a) 中AD线对应相关混杂比例下的HFRP理论拉伸强度, A点、D点分别代表纯GFRP和纯CFRP的拉伸强度。CFRP体积含量在C点以前时, 由于碳纤维的延伸率低, 其先断裂, 碳纤维断裂后载荷传给玻璃纤维, 由玻璃纤维承载直到整体失效。即在C点以前, 材料呈多级破坏模式, 典型拉伸应力-应变曲线会出现线性段和曲线段;CFRP体积含量在C点以后, 碳纤维首先断裂后, 玻璃纤维的体积分数相对较少, 承载能力较低, 混杂纤维复合材料呈现单级破坏模式, 典型拉伸应力-应变曲线只包含线性段, 如图1 (b) 所示。即混杂纤维复合材料存在“混杂效应”。

图1混杂纤维复合材料的混杂效应 (a) 混杂纤维复合材料理论强度; (b) C点前后的典型应力-应变曲线Fig.1 Hybrid effect of hybrid composites (a) theoretical strength of HFRP; (b) typical stress-strain curves before and after point C

Marom等[14]对CFRP/GFRP混杂复合材料进行了研究表明, 混杂效应发生的前提条件是两种纤维不仅在力学性能上要有差异, 而且它们各自与基体形成的界面性能也要不同。在此基础之上, 混杂纤维复合材料的性能延伸出了很多理论模型来预测混杂纤维复合材料的力学性能。最典型的就是断裂力学模型[12,13]、微观力学模型[15]、断裂能模型[16]和随即临界核模型[17]。基于这一系列的理论, 学者们展开了最优混杂比例的理论研究和实验研究。

在理论研究方面, Nordin等[18]研究了混凝土板和混杂纤维工字梁组合结构的强度理论, 其中工字梁为拉挤工艺成型, 增强体为碳纤/玻纤混杂纤维, 碳纤维主要分布在梁的上下面板区域。针对碳纤维和玻璃纤维混杂区域, 定义了一个转化因数α:

其中, EC表示混凝土的弯曲模量;EGFRP和ECFRP分别表示玻璃纤维复合材料和碳纤维复合材料的弯曲模量。

使用平行轴定理和转化因数可得到惯性矩I:

其中EIflex表示混合结构风度, 推导可得到理论刚度:

其中:

其中, δ代表位移;p为加载在梁上的总载荷;L为两支点之间的距离;a为加载点到支点之间的距离, Aweb代表横截面积;kδV为制造商提供的常数。通过碳纤维与玻璃纤维混杂构件的理论刚度值以及对刚度值和构件尺寸的设定, 可以推导出碳纤维的最佳含量。

陈汝训[19]研究了碳纤维与玻璃纤维层间混杂复合材料拉伸性能, 得到了纤维临界体积分数的计算公式, 当存在刚度要求时:

当存在压缩强度要求时:

其中, E1, E2和E0分别表示纤维1, 2和基体的拉伸模量;Vf为纤维的总体积含量。通过两个公式的综合使用, 可以得到满足所需性能的最低碳纤维含量。

在实验研究方面, 汕头大学[20]对CF/GFHFRP的合理混杂比进行了实验研究, 采用大试件测得了HFRP试件的应力-应变曲线, 对于实验所选用的材料 (CF与高强GF) 而言, CF体积分数为0.198和0.247的两种HFRP强度高, 延性好, 且价格低, 仅刚度略低, 匹配相对合理。邓宗才[21]在研究玻璃纤维与有机纤维混杂增强混凝土的弯曲疲劳特性时发现, 玻璃纤维掺量2.7kgm-3与有机纤维掺量1.3kgm-3混掺时, 混杂纤维混凝土疲劳强度比素混凝土提高35.0%, 即混杂纤维能充分发挥各种纤维的优势, 对改善混凝土的疲劳性能比单掺玻璃纤维和有机纤维的作用都显著。此外, 张小东[22]、赵洪凯[23]、Hayes[24]、Barjasteh等[25]分别对混杂纤维复合材料在拉伸状态、弯曲状态、受热状态下的最佳混杂比例进行了研究, 得出了相应的最佳混杂比例。

目前对于满足最佳力学性能的混杂比例的研究, 多是先通过理论计算, 再通过实验验证的方式得到。通过对混杂纤维复合材料的刚度、强度等性能进行理论计算和实验, 可灵活搭配出满足工程应用的构件。

2.2 最佳成本混合比例研究

最优性能混杂比例的控制主要是为了获得优异的构件性能, 并没有过多地考虑成本。但是在混杂过程中, 过多地引入性能好的纤维虽然会大幅提升构件的力学性能, 但同时也会增加成本, 得不偿失。最优的混杂比例, 同时也是构件力学性能与成本之间的博弈, 使其不仅能够保证复合材料构件优异的力学性能, 满足工程应用要求, 同时最有效的控制成本, 达到成本与性能的双赢。

对于成本与性能的研究, 往往在实验的基础上加入相应的有限元模拟, 来减少实验的工作量, 节约成本。Deskovic等[26]在此领域起步较早, 他们测试了一个盒形GFRP梁与CFRP和混凝土结构组合使用, CFRP粘接在GFRP下翼板, 混凝土固定在梁上翼板。通过实验、理论分析和有限元分析的方法, 证明了混杂纤维复合材料和混凝土结构共同使用时, 可以达到性能和价格的充分有效利用。

此后, Pedro等[27]针对相同的结构, 设计研究了一个12m长的单跨桥, 其中梁结构采用拉挤工艺生产的玻纤增强复合材料工字梁。考虑在工字梁底部粘贴碳纤维复合材料来增加构件的刚度, 通过实验和有限元模拟, 分析计算了不同厚度的碳纤维片材和不同厚度的GFRP工字梁制件相互组合, 当使其达到相同的性能时, 在玻璃纤维底面粘贴预应力碳纤维片层复合材料, 获得同等性能时制品的总成本较纯玻璃纤维复合材料制品成本降低40%, 见示意图2 (a) 和成本图2 (b) , 图2 (b) 中 (Ⅰ) 为纯GFRP制件的成本, (Ⅱ) 为GFRP粘接GFRP板的成本, (Ⅲ) 为GFRP粘接CFRP板的成本。最终Pedro等确立了使用450mm200mm80mm GFRP工字梁粘接0.4mm预应力CFRP来作为桥梁结构。

Sorina等[28]也对此结构进行了相应的研究, 但并没有使用粘贴的方式, 而是使用拉挤工艺将玻璃纤维和碳纤维混杂在一起, 其中, 碳纤维主要分散区域为上下翼板。最终结果表明, 混入20%的碳纤维, 使构件的整体刚度提升了近40%, 同时可以有效控制成本。在此基础上, Sorina还发展了相应的理论来均衡性能与成本的关系, 定义了一个参数Km来表示制品性能提升与材料价格提升之间的关系。

(a) 混杂区域及形式; (b) 不同混杂形式成本对比 (a) costs of different hybrid forms; (b) hybrid area and form

式中:Δp为加入碳纤维导致的价格增加;ΔKxx为加入碳纤维导致的刚度增加;φ为任意参量 (体积含量、性能等) 。

当φ为体积含量时可以得到:

式中:Kca为加入碳纤维后的刚度;Pca为碳纤维加入后的价格;E为模量;I为惯性矩;ρ为密度;p为一公斤纤维价格;S为纤维面积。下标ca, gl分别代表加入碳纤维和纯玻璃纤维复合材料。

当Km>1时, 认为是最佳的性能与价格比, 依此可以计算出相应的碳纤维的体积含量。这种方法是一种简单的数值计算法, 其存在很多不足和值得商榷推敲的地方, 因此, 还有待提出更好的权衡价格与性能的计算公式。

3 混杂纤维复合材料应用

目前, 国内外混杂纤维复合材料的应用形式主要由以下四种:

(1) 不同纤维以铺层方式混杂; (2) 一种纤维拉挤型材与另一种纤维铺层共固化; (3) 两种纤维通过拉挤工艺混合; (4) 一种纤维拉挤型材与另一种纤维型材胶接。其混杂的区域位置包括夹芯混杂型、层间混杂型、层内混杂型、层间并层内混杂型和肋条增强型。

混杂纤维复合材料最早主要是应用于航空航天领域, 如卫星导弹等, 要求复合材料低的热膨胀系数, 多采用玻纤/碳纤混杂, 如20世纪70年代中期美国在Sprint导弹发动机壳体上采用了Kevlar249、碳纤维混杂复合材料, 使发动机的刚度和抗弯、抗压能力明显得到提高;美国海军F-14机翼表面的整流装置使用CF/GF织物混杂复合材料制作, 使飞机减重25%, 节约费用40%。目前, 俄罗斯等国家也已经开始对米格-29等机型所使用的碳纤维复合材料进行改进, 通过混杂的方式, 以期降低成本。商用飞机更是大量使用混杂纤维复合材料, 如下图3为商用航空飞机机翼蒙皮使用混杂纤维复合材料[29]。

20世纪80年代开始, 伴随着复合材料型材在土木建筑领域的大量使用, 混杂纤维复合材料也开始广泛应用于土木建筑。混杂纤维复合材料最早在桥梁中使用是2001年施工的日本冲绳岛大桥, 使用玻纤/碳纤混杂纤维作为桥体的横梁结构[29];此后, 美国的Tom’s Creek大桥使用混杂纤维;Arvid等[30]在2005年进行欧洲ASSET项目研究时, 设计并建造了一座全FRP桥梁, 桥梁尺寸7m10m。桥梁使用四个方形GFRP拉挤型材黏结在一起, 在上下表面使用真空辅助工艺将45层单向碳纤维混合7层玻璃纤维 (铺层:1G/6C/1G/6C/1G/6C/1G/6C/1G/7C/1G/7C/1G/7C) 与GFRP拉挤桁共固化在一起, 使其刚度提升了近50%;Mendes等设计研究了一个12m长的单跨桥, 其中梁结构采用拉挤工艺生产的玻璃纤维复合材料工字梁, 并在底面板粘贴碳纤维片材。

除此之外, 混杂纤维复合材料在其他领域也有着很广泛的应用, 如美军士兵使用的未来部队勇士 (Future Force Warrior, 简称FFW) 帽子[31], 见图4。采用碳纤维和芳纶纤维混杂, 不仅强度高, 而且耐冲击性能优异;碳纤维还可与记忆性金属纤维等组合成新型具有记忆性的形状记忆复合材料;玻纤/碳纤混杂复合材料在风力发电领域也有着广泛的应用;在汽车领域, GEC阿尔斯通公司/SNCF (法国铁路) 使用CF/GF强化环氧树脂包覆发泡蜂窝材料芯制造双层大容量高速客车, 并将轴重保持在17t, 与单层高速客车水平相同。

4 结束语

混杂纤维复合材料较单一纤维增强复合材料具有明显的优势, 是目前发展的重点方向之一。尤其是在土木建筑领域, 不仅需求量大, 而且强度、刚度的提高对建筑物的使用具有重要影响, 可以显著增加建筑物的使用寿命和承载性能。对于混杂纤维最佳混合比例的研究目前也主要集中于这一领域。在其他领域如汽车、船舶、电子电器等, 合理的搭配纤维的混杂比例可以有效地降低成本, 可以有效地统筹协调制品的价格与性能。对于混杂纤维复合材料的发展, 还存在一些可以研究和改进的空间, 其存在的问题主要有:

(1) 目前对于混杂纤维的研究和混杂效应的研究多集中于两种纤维混杂, 国内外鲜有3种或3种以上的连续纤维增强树脂基复合材料的研究报道。

(2) 对于混杂纤维价格和性能的综合考虑研究目前相对较少, 现存理论模型简单, 不能精准地确定最优混杂比例, 需要对理论模型进行进一步的开发。

(3) 连续型材的生产多依赖于拉挤成型工艺, 但对于拉挤成型工艺中纤维的混杂区域位置和混杂分散性的好坏对于构件性能的影响的相关研究较少, 需要对其进行进一步的系统研究, 以期获得可广泛使用的生产和混杂工艺。

(4) 国内对于混杂纤维的研究较多, 但是实际应用较少, 还存在很多可以借鉴学习的地方, 此外, 开拓混杂纤维在民用基础领域的应用, 可以降低成本, 提高性能。

摘要：混杂纤维复合材料以其性能和低成本等优势近期取得了快速发展和应用。纤维混杂比例不仅影响构件的性能, 同时关乎成本。本文介绍了混杂纤维复合材料的性能优势, 分别对复合材料最佳性能和最佳成本时的纤维混杂比例的研究进展进行了综述, 并介绍了混杂纤维复合材料的应用近况, 提出了混杂纤维复合材料目前在发展中的不足, 对其发展方向进行了展望。