纖維網(wǎng)增強(qiáng)混凝土（FRC）力學(xué)性能試驗(yàn)
1. 概述
為了維護(hù)鐵路混凝土橋涵結(jié)構(gòu)的耐久性，有必要為防水層發(fā)展一種更為經(jīng)濟(jì)有效的保護(hù)層，從而使防水層經(jīng)久耐用，有效地保護(hù)梁體不受雨水的侵蝕。
纖維網(wǎng)（Fibermesh）增強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度及抗疲勞強(qiáng)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(jiǎn)便。
本試驗(yàn)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(jié)果表明，當(dāng)摻量每立方混凝土達(dá)到2袋，即正1.8公斤時(shí)，材料性能滿足了防水層的技術(shù)要求。
以下全面介紹纖維網(wǎng)增強(qiáng)混凝土的試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)材料，由美國(guó)合成工業(yè)纖維網(wǎng)公司獨(dú)家生產(chǎn)。纖維網(wǎng)纖維在混凝土攪拌過(guò)程中被撕裂成一根根單獨(dú)纖維，例如當(dāng)每立方米混凝土摻入0．9kg，攪拌后將有710萬(wàn)根獨(dú)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(gè)國(guó)家和地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。纖維網(wǎng)在混凝土中應(yīng)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(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于公路和高速公路的路面和護(hù)攔，橋梁的主體結(jié)構(gòu)及橋面，飛機(jī)場(chǎng)跑道、停機(jī)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(jiàn)表一1。
|
比重 |
抗拉強(qiáng)度 |
彈模 |
燃點(diǎn) |
融點(diǎn) |
長(zhǎng)度 |
吸水性 |
熱傳導(dǎo) |
電傳導(dǎo) |
抗腐蝕 |
|
` |
MPa |
GPa |
℃ |
℃ |
mm |
` |
` |
` |
` |
|
0.91 |
560-570 |
3.50 |
590 |
160-170 |
19 |
無(wú) |
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(hào) | 水 | 水泥 | 砂 | 碎石 | 纖維網(wǎng) | 減水劑 |
| 1-基準(zhǔn) | 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(jī)中，攪拌lmin，
*將水和減水劑放人攪拌機(jī)中，攪拌lmin成均勻狀態(tài)，
*將聚丙烯纖維網(wǎng)放入攪拌機(jī)中，攪拌4－5min，均勻后，澆制試樣
*將試模放在振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)4－5min，成型。
4.2養(yǎng)護(hù)
在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，即溫度20±30℃，濕度為90％以上，養(yǎng)護(hù)一天脫模，然后養(yǎng)護(hù)到所需齡期。
5．試驗(yàn)結(jié)果
5.l 抗折強(qiáng)度
試樣尺寸為 100×100×400mm，三點(diǎn)彎曲，跨度為 360mm，齡期為7和28天。每組三個(gè)試樣，取均值。結(jié)果見(jiàn)表一3。
5.2 斷裂能
斷裂能是基于斷裂力學(xué)概念發(fā)展而來(lái)一種反映混凝土抗裂能力和抗沖擊能力的力學(xué)性能指標(biāo)。采用國(guó)際材料與結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究所協(xié)會(huì)、國(guó)際予應(yīng)力協(xié)會(huì)和歐洲混凝土委員會(huì)聯(lián)合建議的方法，RILEM－50－FMC進(jìn)行實(shí)驗(yàn)［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(shí)驗(yàn)是在德國(guó)產(chǎn)SCHENCK PSB 250KN電液伺服材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)機(jī)剛度為3μm/kN。計(jì)算機(jī)控制位移加載，夾頭位移速度100μm/min。同時(shí)用x－y記錄儀記錄下載荷一位移曲線，斷裂試驗(yàn)測(cè)試裝置見(jiàn)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(kāi)位移 |
 |
| 圖2 混凝土斷裂試驗(yàn) 載荷-還將夾頭位移曲線Y（1）為基準(zhǔn)試樣（不摻）Y（2）為 |
| 纖維網(wǎng)試樣（每m3摻2袋）。計(jì)算斷裂能面積的時(shí)在位移2mm處截止 |
RILEM-50-FMC定義的斷裂能為擴(kuò)展單位面積裂紋所吸收的能量。由定義得混凝土梁三點(diǎn)彎曲時(shí)斷裂能的計(jì)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(diǎn)之間梁的質(zhì)量，
g：重力加速度，
σ0：梁斷裂時(shí)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(píng)價(jià)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(gè)重要指標(biāo)。表一3為抗折強(qiáng)度MOR和斷裂能的試驗(yàn)結(jié)果。
表-3抗折強(qiáng)度MOR和斷裂能的試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度
試樣尺寸為100×100×100mm，結(jié)果見(jiàn)表-4。
表-4抗壓強(qiáng)度 *三個(gè)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(yàn)
眾所周知聚丙烯纖維網(wǎng)有良好的耐久性，我們驗(yàn)證其耐久性，進(jìn)行了聚丙烯纖維網(wǎng)的加速老化試驗(yàn)。
試樣為40×40×160mm3三點(diǎn)彎曲砂漿抗折試樣，525#普通硅酸鹽水泥，標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)養(yǎng)3天后，將試樣浸放80℃熱水中3，7和14天后測(cè)定其抗折強(qiáng)度MOR。在80℃熱水浸放一晝夜相當(dāng)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(dāng)于大氣暴露15年、45年和70年。加速老化試驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)表一5和圖5。
表5 聚丙烯纖維網(wǎng)的加速老化試驗(yàn)
| 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(yàn)
7. 討論
●根據(jù)以往觀察，混凝土橋涵結(jié)構(gòu)防水層的保護(hù)層所產(chǎn)生的裂紋，大部分是由于保護(hù)層混凝土的早期塑性收縮引起的。眾所周知纖維網(wǎng)增強(qiáng)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(qiáng)混凝土作保護(hù)層能發(fā)揮防水層的保護(hù)層作用。
●斷裂能是基于斷裂力學(xué)概念發(fā)展而來(lái)一種反映混凝土抗裂能力和抗沖擊能力的力學(xué)性能指標(biāo)。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(qiáng)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(qiáng)度，當(dāng)試驗(yàn)梁跨中位移為lmm時(shí)，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(shuō)明了，纖維網(wǎng)增強(qiáng)混凝土有優(yōu)良的抗裂能力。就防水層的保護(hù)層的應(yīng)用狀況而言，其材料斷裂性能遠(yuǎn)比抗折性能重要。
●纖維網(wǎng)摻量為2袋和3袋時(shí)，其抗折強(qiáng)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(qiáng)度和斷裂能幾乎相同，從斷口L分析，摻量為3袋時(shí)，纖維網(wǎng)有結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，這說(shuō)明當(dāng)摻量增至每方混凝土3袋時(shí)，纖維網(wǎng)在混凝土中分布不夠均勻。
●當(dāng)纖維網(wǎng)的摻量由1袋增至2袋時(shí)，其28天的抗折強(qiáng)度已滿足6.0MPa的要求，見(jiàn)附錄表-6。從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)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(jié)構(gòu)防水層的保護(hù)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(jiàn)表-5和圖5。
8. 結(jié)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(shù)、經(jīng)濟(jì)和工藝出發(fā)，就鐵路混凝土橋涵結(jié)構(gòu)防水層的保護(hù)層而言，每方混凝土2袋纖維網(wǎng)為最佳摻量。
源自：中國(guó)混凝土網(wǎng)http:// www.chinahnt.com
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