超高分子量聚乙烯纖維混凝土的基本力學(xué)性能

超高分子量聚乙烯纖維混凝土的基本力學(xué)性能晏麓暉;張玉武;朱林【摘要】針對(duì)C70等級(jí)高強(qiáng)混凝土，設(shè)計(jì)了4種超高分子量聚乙烯纖維摻量混凝土，通過立方體抗壓、劈裂抗拉和四點(diǎn)彎曲抗折試驗(yàn)，分析了纖維摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：超高分子量聚乙烯纖維對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)作用不明顯，但較大提高了混凝土的抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，且對(duì)混凝土有很好的阻裂、增韌效果。在纖維體積摻量為0.3%~0.5%時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度提高25%以上；摻量0.5%時(shí)，彎曲抗折強(qiáng)度提高率超過23%。％BasedontherankC70highstrengthconcrete,theexperimentsofthecubiccompression,splittingtensileandfour-pointbendingforfourkindsofultrahighmolecularweightpolyethylene(UHMWPE)concretewithdifferentfibercontentswereconductedtoresearchtheeffectsofthefibercontentonmechanicalpropertiesofconcrete.TheresultsshowthattheenhancementeffectoftheUHMWPEfiberonthecompressivestrengthofconcreteisnotobvious.However,theaddedUHMWPEfibergreatlyimprovesthesplittingtensilestrengthandbendingstrengthofconcreteandithasexcellenteffectsontoughnessandcrackresistanceofconcrete.Thesplittingtensilestrengthincreasesmorethan25%whenthefibercontentisbetween0.3%and0.5%;thebendingstrengthincreasesmorethan23%whenthefibercontentis0.5%.【期刊名稱】《國防科技大學(xué)學(xué)報(bào)》年(卷),期】2014(000)006【總頁數(shù)】5頁(P43-47)【關(guān)鍵詞】超高分子量聚乙烯纖維;混凝土;力學(xué)性能;試驗(yàn)【作者】晏麓暉;張玉武;朱林【作者單位】國防科技大學(xué)指揮軍官基礎(chǔ)教育學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410073;國防科技大學(xué)指揮軍官基礎(chǔ)教育學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410073;國防科技大學(xué)指揮軍官基礎(chǔ)教育學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410073【正文語種】中文【中圖分類】TU528.572混凝土作為建筑材料已經(jīng)普遍應(yīng)用于各類基礎(chǔ)設(shè)施，但由于拉伸強(qiáng)度低、韌性差，使其不僅在爆炸、沖擊等極端荷載作用時(shí)易產(chǎn)生剝落、破碎，降低防護(hù)能力，且在正常工作狀態(tài)下也經(jīng)常開裂，導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性不足［1］。在混凝土中摻入短纖維，能夠起到阻裂、增強(qiáng)和增韌作用，很好地改善混凝土性能［2］。研究表明［2-5］:纖維的增強(qiáng)效果主要取決于纖維的性質(zhì)，也與纖維在混凝土基體中的摻量、分布形式以及纖維自身界面特性有關(guān)。高強(qiáng)、高彈模纖維增強(qiáng)效果較好，低彈模纖維早期阻裂和增韌效應(yīng)突出。高性能纖維混凝土中較理想的纖維應(yīng)具備細(xì)度小、強(qiáng)度高、韌性好、剛度大的特性［6］。超高分子量聚乙烯(UltraHighMolecularWeightPolyethylene,UHMWPE)纖維是一種抗沖擊性能優(yōu)良的防彈纖維［7］，既具有比鋼纖維、碳纖維更高的強(qiáng)度和相當(dāng)?shù)哪Ａ?，又具有聚丙?Polypropylene，PP)、聚乙烯醇(PolyvinylAlcohol，PVA)纖維相當(dāng)?shù)募?xì)度和密度，應(yīng)用于以水泥凈漿和砂漿為基體的水泥基纖維復(fù)合材料時(shí)，表現(xiàn)出了優(yōu)良的抗裂、增韌能力［8-10］。已有含粉煤灰-頁巖高強(qiáng)輕骨料的高強(qiáng)、高彈模聚乙烯纖維混凝土有效提高混凝土各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)[11]的相關(guān)報(bào)道，但含卵石粗骨料的UHMWPE纖維混凝土基本力學(xué)性能卻未見報(bào)道。本文研究了UHMWPE纖維混凝土的基本力學(xué)性能，針對(duì)C70等級(jí)高強(qiáng)混凝土，設(shè)計(jì)了4種纖維體積摻量的混凝土，通過與素混凝土對(duì)比，分析了纖維摻量對(duì)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和彎曲抗折強(qiáng)度及其韌性的影響，為進(jìn)一步開展該種纖維混凝土的研究提供了基礎(chǔ)。試驗(yàn)概況1．1原材料混凝土基體材料:長(zhǎng)沙坪塘42.5R級(jí)普通硅酸鹽水泥;粒徑為3~10mm連續(xù)級(jí)配卵石;細(xì)度模數(shù)2.8表觀密度2.68g/cm3中等河砂;湖南博賽特建材公司生產(chǎn)的微硅灰（SiO2含量不低于95%，比表面積25000m2/kg，粒徑0.1-0.3pm,堆積密度200~250kg/m3）;湖南博賽特建材公司的FDN-5早強(qiáng)高效減水劑;普通自來水。纖維材料:湖南中泰特種裝備有限責(zé)任公司的ZTX99-1200DUHMWPE纖維（分子量為1.0x108-5.0x108）,具體的物理、力學(xué)性能指標(biāo)見表1。表1UHMWPE纖維基本力學(xué)性能指標(biāo)Tab.1MechanicalpropertiesofUHMWPEfiber直徑/pm長(zhǎng)度/mm密度/g?m-3抗拉強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa極限延伸率/%20-50300.9730001002.5-4.0配合比按強(qiáng)度等級(jí)C70高強(qiáng)混凝土設(shè)計(jì)，配合比基本設(shè)計(jì)參數(shù)為:水膠比0.3,砂率42%,高效減水劑摻量2.5%,微硅灰摻量10%?？紤]纖維體積摻量0.1%、0.3%、0.5%和0.8%設(shè)計(jì)了4種纖維混凝土，具體配合比見表2,表中SO為素混凝土，F(xiàn)1、F3、F5、F8為4種纖維混凝土，Vf為纖維體積摻量，p為單位體積中各組分的質(zhì)量。1．3試件制備UHMWPE纖維是一種細(xì)長(zhǎng)軟纖維，為保證纖維的分散均勻，避免纏繞、結(jié)團(tuán)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部形成大缺陷，參考文獻(xiàn)［2,12］,經(jīng)多方案試制，采用制備流程為:①水泥、砂、石、微硅灰干拌30s;②摻入U(xiǎn)HMWPE纖維干拌，纖維小股分散摻入，邊摻邊攪拌，直到全部摻入攪拌均勻?yàn)橹?③加入水和減水劑攪拌120s；④卸料裝模，振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)密實(shí);⑤24h后拆模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d。1．4試驗(yàn)方法按照國家標(biāo)準(zhǔn)［13］進(jìn)行立方體抗壓、劈裂抗拉和彎曲抗折試驗(yàn)。抗壓和抗拉試驗(yàn)采用邊長(zhǎng)為150mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，抗折試驗(yàn)為150mmx150mmx550mm標(biāo)準(zhǔn)試件，每組3個(gè)。抗壓試驗(yàn)采用YAW-2000B壓力試驗(yàn)機(jī)，以0.8MPa/s的速率均勻加載;劈裂抗拉試驗(yàn)和彎曲抗折試驗(yàn)均采用WAW-G600D試驗(yàn)機(jī)，分別以0.08MPa/s和0.10mm/min的速率均勻加載。表2混凝土配合比Tab.2Mixproportionofconcrete編號(hào)Vf/%p/kg?m-3水水泥粗骨料細(xì)骨料微硅灰高效減水劑UHMWPE纖維SO0154495977.0708.055110F10.1154495976.4707.655110.97F30.3154495975.2706.855112.91F50.5154495974.0706.055114.85F80.8154495972.2704.855117.76試驗(yàn)結(jié)果圖1~3為素混凝土和纖維混凝土在立方體壓縮、劈裂和四點(diǎn)彎曲下的破壞形態(tài)，表3為不同纖維體積摻量下的UHMWPE纖維混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，表中fc,ft和fb分別為抗壓、抗拉和抗折強(qiáng)度，nc，nt和nb為3類強(qiáng)度提高率，定義為纖維混凝土強(qiáng)度相對(duì)素混凝土強(qiáng)度提高的百分?jǐn)?shù)。圖1壓縮破壞形態(tài)Fig.1Compressivefailureforms圖2劈裂破壞形態(tài)Fig.2Splitfailureforms圖3四點(diǎn)彎曲破壞形態(tài)Fig.3Failureformsatfour-pointbending表3混凝土抗壓、抗拉和抗折強(qiáng)度Tab.3Strengthsofcompression,tensionandbending編號(hào)fc/MPanc/%ft/MPan"%fb/MPanb/%S005.3006.300F178.58.736.1015.096.716.51F374.12.636.6826.047.4618.41F571.1-1.526.6625.097.7723.33F870.1-2.916.2117.177.4418.10立方體壓縮下，素混凝土在達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí)發(fā)生崩裂破壞，如圖1(a)所示。而纖維混凝土基本保持正六面體形狀，表面呈現(xiàn)多裂紋和脫皮，但裂而不散，如圖1(b)所示。劈裂作用下，素混凝土當(dāng)裂紋出現(xiàn)后迅速劈裂成兩半，如圖2(a)所示，且伴有劈裂聲;而纖維混凝土從裂紋出現(xiàn)到劈裂破壞的時(shí)間明顯增加，斷裂面纖維呈現(xiàn)被拉斷特征，且當(dāng)纖維摻量較高時(shí)，試件沒有劈成兩半，如圖2(b)所示。四點(diǎn)彎曲時(shí)，素混凝土也是一旦裂紋出現(xiàn)便迅速斷裂，如圖3(a)所示;而纖維混凝土首先在底部出現(xiàn)許多小裂縫，隨著荷載增加，裂縫逐漸增多增寬，并形成一條主裂縫，最后試件沿主裂縫發(fā)生破壞;隨著纖維摻量的增加，主裂紋開裂點(diǎn)由試件中央向兩端發(fā)展，且為非直線貫通，如圖3(b)至圖3(e)所示。綜上表明纖維具有很好的阻裂作用。UHMWPE纖維對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度作用不明顯:當(dāng)摻量為0.1%時(shí)，提高了8.73%;摻量增加，影響在±3%范圍內(nèi)。纖維對(duì)混凝土的抗拉和抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)不同程度的提高作用:在所研究的纖維摻量范圍內(nèi)，對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的提高率都在15%以上，當(dāng)摻量為0.3%~0.5%時(shí)，達(dá)到25%以上;摻量為0.3%-0.8%時(shí)，抗折強(qiáng)度提高率為18%以上，其中摻量為0.5%時(shí)，達(dá)到23.33%。結(jié)果分析3.1纖維體積摻量對(duì)強(qiáng)度影響分析UHMWPE纖維混凝土強(qiáng)度提高率隨纖維體積摻量的變化，如圖4所示。圖中還給出了PP纖維高強(qiáng)混凝土(素混凝土壓縮強(qiáng)度68.5MPa,PP纖維長(zhǎng)度19mm)的相關(guān)強(qiáng)度隨纖維的變化情況［5］。由圖4可知，兩種纖維混凝土強(qiáng)度隨纖維摻量的變化規(guī)律一致，即纖維摻量增加，強(qiáng)度先增大后減小。本文研究的UHMWPE纖維混凝土抗壓強(qiáng)度最大值在摻量為0．1%左右，抗拉強(qiáng)度最大時(shí)纖維摻量為0.3%,抗折強(qiáng)度相應(yīng)在0?5%纖維摻量時(shí)達(dá)到最大;而文獻(xiàn)［5］研究的PP纖維混凝土抗壓、抗拉和抗折強(qiáng)度的較優(yōu)摻量分別為0．05%、0．35%和0．22%。顯然，UHMWPE纖維混凝土較優(yōu)摻量大于PP纖維混凝土，而且超過較優(yōu)摻量后，強(qiáng)度提高率下降平緩，即使摻量達(dá)到0?8%時(shí)，UHMWPE纖維混凝土抗壓強(qiáng)度也還有素混凝土水平的0.97倍，而PP纖維混凝土當(dāng)纖維摻量為0?55%時(shí)，抗壓強(qiáng)度只有相應(yīng)素混凝土的0.77倍。所以，UHMWPE纖維混凝土性能明顯優(yōu)于PP纖維混凝土。圖4強(qiáng)度與PP纖維混凝土對(duì)比Fig.4ComparisononstrengthofUHMWPE-FCandPPFC根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，UHMWPE纖維混凝土抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度提高率n隨纖維摻量Vf的變化可用式(1)擬合。圖5給出了式(1)預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，吻合很好。其中，抗拉強(qiáng)度A=998.215、B=1.365、n=0.06886;抗折強(qiáng)度:A=490.219、B=1.5292、n=0.9753。圖5抗拉與抗折強(qiáng)度隨纖維摻量變化規(guī)律Fig.5Thechangerulesoftensionandbendingstrengthswithfibermixingamount纖維摻量對(duì)彎曲韌性影響分析根據(jù)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)得的荷載與中點(diǎn)撓度曲線(圖6)，參考我國《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程JGJ/T221-2010》［14］彎曲韌性指數(shù)法對(duì)纖維混凝土韌性進(jìn)行評(píng)定。表4給出了UHMWPE纖維混凝土的韌性指數(shù)，表中15,110,I20分別表示撓度為初裂撓度3.0倍、5.5倍和15.5倍時(shí)試件彎曲韌性指數(shù),R5,10,R10,20分別表示殘余強(qiáng)度指數(shù),其值越大說明韌性越好。圖6彎曲荷載撓度曲線Fig.6Curvesofdeflectionwithloadatbending表4彎曲韌性指數(shù)Tab.4Indicesofbendingtoughness編號(hào)I5I10I20R5,10R10,20S011100F111100F33.876.4010.9750.645.7F54.026.4710.6249.041.5F84.157.1911.4660.842.7由圖6和表4可知,素混凝土和纖維摻量為0.1%纖維混凝土,當(dāng)荷載達(dá)到極限時(shí),發(fā)生完全脆性破壞,直接喪失繼續(xù)承載能力;當(dāng)纖維摻量大于0.1%,混凝土的韌性明顯增加,且呈現(xiàn)纖維摻量增加,韌性增大趨勢(shì)。結(jié)論本文通過立方體壓縮、劈裂抗拉和彎曲抗折試驗(yàn)研究了一種由UHMWPE纖維增強(qiáng)的混凝土的基本力學(xué)性能,主要結(jié)論如下:DUHMWPE纖維對(duì)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的提高不明顯，對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度和彎曲抗折強(qiáng)度有較大增強(qiáng)作用。纖維體積摻量為0.3%-0.5%時(shí)，抗拉強(qiáng)度提高率達(dá)到25%以上;摻量為0.5%時(shí),抗折強(qiáng)度提高率超過23%。UHMWPE纖維對(duì)混凝土有很好的阻裂、增韌作用。當(dāng)纖維摻量大于0?1%,對(duì)混凝土的增韌效果較為明顯,隨著纖維摻量增加,韌性有增大趨勢(shì),但摻量超過0.3%后,趨勢(shì)變緩。與同強(qiáng)度等級(jí)PP纖維混凝土比較，UHMWPE纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)作用有較大改善。參考文獻(xiàn)(References)徐至鈞?纖維混凝土技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003．XUZhijun．Technologyandapplicationoffiberconcrete[M].Beijing:ChinaArchitecture&BuildingPress,2003.(inChinese)[2]張育寧?高強(qiáng)高性能纖維混凝土及其性能與應(yīng)用研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué)，2010.ZHANGYuning.Studyonperformanceandapplicationofhighstrengthhighperformancefiberreinforcedconcrete[D].Shanghai:TongjiUniversity，2010.(inChinese)[3]王成啟，吳科如?鋼纖維和碳纖維混凝土力學(xué)性能的研究[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2003,6(3):253-256.WANGChengqi,WUKeru.Studyonthemechanicalpropertiesofcarbonfiberandsteelfiberconcrete[J] 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