CN110550908A - 一种高抗冲击性能混杂纤维混凝土 - Google Patents

一种高抗冲击性能混杂纤维混凝土 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高抗冲击性能混杂纤维混凝土，包括以下原料制成：水泥、硅灰、粉煤灰、矿渣、河砂、碎石、水、减水剂和混杂玄武岩‑聚丙烯纤维。本发明的高抗冲击性能混杂纤维混凝土改善了混凝土材料典型的脆性特征，具有较高的韧性、抗变形能力和抗冲击性能，一定程度上可解决混凝土结构在冲击加载条件下暴露出的严重的安全性问题，尤其可有效提高易遭受化学腐蚀和冲击荷载作用的海洋和近海工程结构的服役寿命。

Description

一种高抗冲击性能混杂纤维混凝土
技术领域
本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种高抗冲击性能混杂纤维混凝土。
背景技术
混杂纤维混凝土的研究始于20世纪70年代。具有不同几何尺寸和物理力学性能的纤维可在混凝土的不同层次和受力阶段内充分发挥各自的增强效果，与单一纤维相比，混杂纤维的掺加对混凝土韧性和抗冲击性能的改善更显著。混杂纤维混凝土在防护结构、地震区工程结构、机场跑道和海洋、近海工程结构等易遭受各种冲击、爆炸作用的工程结构中具有广阔的应用前景。其中，钢-聚丙烯纤维混杂是最常见的混杂纤维类型。钢纤维的弹性模量和强度较大，聚丙烯纤维的弹性模量较小、延性较好，两者混杂后掺入混凝土中可充分发挥它们的混杂效应，改善混凝土的力学性能和耐久性能。众所周知，钢纤维的性能与钢筋相似。当钢纤维掺入混凝土中时不仅增加了结构的自重，而且钢纤维易生锈，当其应用于海工混凝土结构时可严重降低混凝土结构的耐久性。
发明内容
针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种高抗冲击性能混杂纤维混凝土，解决混凝土结构在冲击加载条件下暴露出的严重的安全性问题。
为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：
一种高抗冲击性能混杂纤维混凝土，包括以下原料：水泥、硅灰、粉煤灰、矿渣、河砂、碎石、水、减水剂和混杂纤维；所述混杂纤维包括玄武岩纤维和聚丙烯纤维。
本发明还包括如下技术特征：
具体的，包括如下重量份的原料：水泥50～100份，硅灰4～10份，粉煤灰10～25份，矿渣10～25份，河砂150～250份，碎石250～350份，水40～50份，减水剂1～1.5份和混杂纤维0.5～1份；
所述混杂纤维中，玄武岩纤维和聚丙烯纤维按重量份之比为1:(0.3～0.4)。
具体的，包括如下重量份的原料：水泥67～95份，硅灰4.5～8份，粉煤灰14～22.6份，矿渣17～21份，河砂195～221份，碎石293～333份，水40～46份，减水剂1～1.4份，混杂纤维0.52份；
所述混杂纤维中，玄武岩纤维和聚丙烯纤维按重量份之比为1:0.38。
具体的，包括如下重量份的原料：水泥95份，硅灰8份，粉煤灰14份，矿渣21份，河砂221份，碎石293份，水40份，减水剂1.4份，混杂纤维0.52份。
所述混杂纤维中，玄武岩纤维和聚丙烯纤维按重量份之比为1:0.38。
具体的，所述水泥为P·O 42.5R级普通硅酸盐水泥；
所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰；
所述矿渣为S95级磨细矿渣；
所述河砂为细度模数为2.8的河砂；
所述碎石为粒径为5～20mm的碎石；
所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂。
具体的，所述的玄武岩纤维的单丝直径为15μm，长度为18mm，密度为2.56g/cm3；
所述的聚丙烯纤维的直径为30μm，长度为19mm，密度为0.91g/cm3。
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
本发明通过掺加玄武岩纤维和聚丙烯纤维优化混凝土的性能。玄武岩纤维和聚丙烯纤维物理力学性能的差异使两者能在混凝土不同的受力阶段内充分发挥增强作用，提高混凝土的力学性能。同时，通过掺加矿物掺合料提高混杂纤维与混凝土基体的粘结强度，降低界面过渡区对混凝土性能的影响，制备出具有高抗冲击性能的混杂纤维混凝土。在混凝土强度不发生明显改变的条件下，改善混凝土材料典型的脆性特征、极大地提升混凝土的韧性、抗变形能力和抗冲击性能，一定程度上可解决混凝土结构在冲击加载条件下暴露出的严重的安全性问题，尤其可有效提高易遭受化学腐蚀和冲击荷载作用的海洋和近海工程结构的服役寿命。此外，本发明通过采用工业废弃料，取材容易，原材料价格低廉，降低了混凝土制备成本，经济性和环保性都较高。
附图说明
图1为各实施例和对比例不同应变率条件下试件的动态抗压应力-应变曲线。
图2为各实施例和对比例不同应变率下高抗冲击性能混杂纤维混凝土的破坏形态。
图3为各实施例和对比例动态抗压强度随应变率的变化规律。
图4为各实施例和对比例韧性随应变率的变化规律。
具体实施方式
玄武岩纤维是以天然玄武岩矿石为原料，经熔融、拉丝制成，其制作过程能耗较低，是一种环境友好型纤维。玄武岩纤维不仅具有较好的力学性能，而且具有较好的化学稳定性和热稳定性。另外，玄武岩纤维与水泥基材料之间也具有较好的亲和性。在一定的条件下，玄武岩纤维可替代钢纤维作为混凝土的增强、增韧材料。当玄武岩纤维和聚丙烯纤维混杂掺入混凝土中时，由于物理力学性能的差异，可使玄武岩纤维和聚丙烯纤维在混凝土的不同力学尺度上发挥作用，有效地提高混凝土的力学性能。特别是在易遭受化学腐蚀和冲击荷载作用的海洋和近海工程结构中，混杂玄武岩-聚丙烯纤维具有广阔的应用前景。因此，一种高抗冲击性能的混杂玄武岩-聚丙烯纤维混凝土亟待研发。
本实施方式公开了一种高抗冲击性能混杂纤维混凝土，包括以下原料：水泥、硅灰、粉煤灰、矿渣、河砂、碎石、水、减水剂和混杂纤维；所述混杂纤维包括玄武岩纤维和聚丙烯纤维。具体的，包括如下重量份的原料：水泥50～100份，硅灰4～10份，粉煤灰10～25份，矿渣10～25份，河砂150～250份，碎石250～350份，水40～50份，减水剂1～1.5份和混杂纤维0.5～1份；混杂纤维中，玄武岩纤维和聚丙烯纤维按重量份之比为1:(0.3～0.4)。更具体的，包括如下重量份的原料：水泥67～95份，硅灰4.5～8份，粉煤灰14～22.6份，矿渣17～21份，河砂195～221份，碎石293～333份，水40～46份，减水剂1～1.4份，混杂纤维0.52份；混杂纤维中，玄武岩纤维和聚丙烯纤维按重量份之比为1:0.38。
具体的，本实施方式中，水泥为P·O 42.5R级普通硅酸盐水泥；粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰；矿渣为S95级磨细矿渣；河砂为细度模数为2.8的河砂；碎石为粒径为5～20mm的碎石；减水剂为聚羧酸高性能减水剂。玄武岩纤维的单丝直径为15μm，长度为18mm，密度为2.56g/cm3；聚丙烯纤维的直径为30μm，长度为19mm，密度为0.91g/cm3。
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例给出一种高抗冲击性能混杂纤维混凝土，按每单位体积下重量份数计，其原料包括以下组份：P·O 42.5R级普通硅酸盐水泥67份，硅灰6.3份，Ⅱ级粉煤灰21份，S95级矿渣10.5份，细度模数为2.8的河砂195份，粒径为5～20mm的碎石333份，水46份，聚羧酸高性能减水剂1份，混杂纤维0.52份；混杂纤维为玄武岩纤维和聚丙烯纤维按重量份之比为1：0.38的组合。
本实施例中的玄武岩纤维选用市售四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司生产的玄武岩纤维，单丝直径15μm，长度18mm，密度2.56g/cm3；
本实施例中的聚丙烯纤维选用市售江苏苏博特新材料股份有限公司生产的聚丙烯纤维，直径30μm，长度19mm，密度0.91g/cm3。
本实施例高抗冲击性能混杂纤维混凝土的制备方法包括以下步骤：首先，河砂和碎石加入搅拌机中搅拌30s，然后将水泥、硅灰、粉煤灰和矿渣加入并继续搅拌2min。随后，将聚丙烯纤维和玄武岩纤维依次加入拌合物中，并分别搅3min和2min。最后加入预先搅拌均匀的水与减水剂的混合溶液，继续搅拌2min。搅拌均匀后，将新拌混凝土拌合物倒入预先准备好的试模中，并用振动台振捣密实。迅速将试件连同试模一起放入温度为20±2℃、相对湿度大于95％的标准养护室中。静置24h后拆模，并继续养护至28d进行试验测试。
实施例2：
本实施例给出一种高抗冲击性能混杂纤维混凝土，按每单位体积下重量份数计，其原料包括以下组份：水泥69份，硅灰4.5份，粉煤灰22.6份，矿渣17份，河砂195份，碎石333份，水43份，减水剂1份，混杂纤维0.52份；所述的混杂纤维为玄武岩纤维和聚丙烯纤维按重量份之比为1：0.38的组合。
本实施例中各组分规格同实施例1。
本实施例中高抗冲击性能混杂纤维混凝土的制备方法与实施例1相同。
实施例3：
本实施例给出一种高抗冲击性能混杂纤维混凝土，按每单位体积下重量份数计，其原料包括以下组份：水泥95份，硅灰8份，粉煤灰14份，矿渣21份，河砂221份，碎石293份，水40份，减水剂1.4份，混杂纤维0.52份；所述的混杂纤维为玄武岩纤维和聚丙烯纤维按重量份之比为1：0.38的组合。
本实施例中各组分规格同实施例1。
本实施例中高抗冲击性能混杂纤维混凝土的制备方法与实施例1相同。
对比例1：
本对比例给出一种混凝土及其制备方法，按每单位体积下重量份数计，原料包括以下组份：水泥67份，硅灰6.3份，粉煤灰21份，矿渣10.5份，河砂195份，碎石333份，水46份，减水剂1份，混杂纤维0份。
本对比例中各组分规格同实施例1。
本对比例中混凝土的制备方法与实施例1相同。
对比例2：
本对比例给出一种混凝土及其制备方法，按每单位体积下重量份数计，原料包括以下组份：水泥69份，硅灰4.5份，粉煤灰22.6份，矿渣17份，河砂195份，碎石333份，水43份，减水剂1份，混杂纤维0份。
本对比例中各组分规格同实施例1。
本对比例中混凝土的制备方法与实施例1相同。
对比例3：
本对比例给出一种混凝土及其制备方法，按每单位体积下重量份数计，原料包括以下组份：水泥95份，硅灰8份，粉煤灰14份，矿渣21份，河砂221份，碎石293份，水40份，减水剂1.4份，混杂纤维0份。
本对比例中各组分规格同实施例1。
本对比例中混凝土的制备方法与实施例1相同。
性能测试实验：
动态抗压性能测试采用杆径为75mm的霍普金森压杆(SHPB)冲击测试，试件尺寸为φ75×37.5mm。根据一维应力波传播理论和三波法，动态抗压试验中的应力、应变和应变率可由下式计算，
式中：σ、ε、分别为应力、应变和应变率；Ab、As分别为SHPB压杆和试件的横截面积；Eb为SHPB压杆的弹性模量；Pb为SHPB压杆中的纵波波速；Ls为试件的长度。
实验结果及分析：
(A)动态抗压应力-应变曲线
各试件在不同应变率条件下的动态抗压应力-应变曲线如图1所示。如图1所示，所有试件的动态抗压应力-应变曲线在不同应变率条件下具有相似的变化形态。随着应变率的增大，动态抗压强度(峰值应力)、动态弹性模量和临界应变(峰值应力对应的应变)均呈增大趋势。动态抗压应力-应变曲线在峰值应力前的非线性变形阶段逐渐减小，峰值应力后下降部分的斜率逐渐增大，表明混凝土的脆性破坏特征越明显。当应变率相近时，与不掺纤维的混凝土相比，混杂纤维的掺加极大提高了混凝土的临界应变和最终应变。一方面，玄武岩纤维和聚丙烯纤维的桥联作用有效限制了混凝土基体裂缝的贯通速度，提高了混凝土的临界应变。另一方面，当裂缝贯通后，玄武岩纤维和聚丙烯纤维的桥联作用和延性降低了混凝土碎块剥落的速度，从而增大了混杂纤维增强混凝土的最终应变。
(B)动态抗压破坏形态
图2显示了混杂纤维混凝土在不同应变率加载条件下的动态抗压破坏形态。从图中可以看出，各试件的破坏程度随着应变率的增大而增大，与其他混凝土材料动态抗压破坏的变化规律一致。在本实施例的最低应变率加载条件下，试件只是沿纵向劈裂为尺寸较大的几个碎块或只是产生几条纵向裂缝，依然保持较好的整体性。当应变率最大时，所有试件均呈粉碎性破坏。另外，对比例的混凝土破坏后的碎块均为单个存在，而掺加纤维后，混杂纤维混凝土破坏后的碎块呈现较大碎块与小尺寸碎块相连的形貌。对于同一组中的对比例和实例，对比例的混凝土破坏后的碎块含有较多长条形的碎块，而当掺加混杂玄武岩-聚丙烯纤维后，由于纤维对混凝土横向变形的约束作用，试件破坏后的碎块中长条形碎块显著减少，表明混杂玄武岩-聚丙烯纤维提高了混凝土的抗冲击性能。
(C)动态抗压强度
在SHPB试验中，试件的加载应变率是通过氮气压力推导异形冲头冲击入射杆产生的应力脉冲形成的。在本试验中，氮气压力与对应的应变率可分为5组，即：Group 1with0.4MPa and 23～37s-1,Group 2with 0.6MPa and 47～69s-1,Group 3with 0.8MPa and79～89s-1,Group 4with 1.0MPa and 99～117s-1and Group 5with 1.2MPa and 115～133s-1.在每组加载条件下，试件的动态抗压强度如图3所示。混杂纤维的掺加显著增大了混凝土的动态抗压强度。在最低应变率加载条件下，实例1、2、3与对比例1、2、3的动态抗压强度的差值分别为4.51MPa、3.77MPa和4.12MPa，而当应变率达到最大时，动态抗压强度的差值分别增大到9.09MPa、9.04MPa和12.08MPa。由此可知，混杂玄武岩-聚丙烯纤维的掺加增大了混凝土动态抗压强度的应变率敏感性。
(D)韧性
混凝土的韧性或断裂能被定义为动态应力-应变曲线包围的面积。通过计算，各试件的韧性随应变率的变化规律如图4所示。总体而言，混杂纤维混凝土的韧性随应变率的增大而增大。通过对比同一组的对比例和实例可知，在相近应变率条件下，混杂纤维的掺加提高了混凝土的韧性。
此外，在本文的应变率范围内，混凝土韧性的增长幅值随混杂纤维的掺加而增大。例如，对比例1与实例1韧性的增长幅值分别为3.26×105J/m3和4.44×105J/m3。应变率的增大加速了裂缝的扩展速度，从而使桥联玄武岩纤维或聚丙烯纤维的拔出速率增加。纤维拔出速率的增加增大了纤维的滑移剪切阻抗，从而使纤维对裂缝的抑制作用增加，提高了裂缝扩展所需要的能量，并使纤维在拔出过程中的耗能增大。

Claims (6)

1.一种高抗冲击性能混杂纤维混凝土，其特征在于，包括以下原料：水泥、硅灰、粉煤灰、矿渣、河砂、碎石、水、减水剂和混杂纤维；所述混杂纤维包括玄武岩纤维和聚丙烯纤维。
2.如权利要求1所述的高抗冲击性能混杂纤维混凝土，其特征在于，包括如下重量份的原料：水泥50～100份，硅灰4～10份，粉煤灰10～25份，矿渣10～25份，河砂150～250份，碎石250～350份，水40～50份，减水剂1～1.5份和混杂纤维0.5～1份；
所述混杂纤维中，玄武岩纤维和聚丙烯纤维按重量份之比为1:(0.3～0.4)。
3.如权利要求2所述的高抗冲击性能混杂纤维混凝土，其特征在于，包括如下重量份的原料：水泥67～95份，硅灰4.5～8份，粉煤灰14～22.6份，矿渣17～21份，河砂195～221份，碎石293～333份，水40～46份，减水剂1～1.4份，混杂纤维0.52份；
所述混杂纤维中，玄武岩纤维和聚丙烯纤维按重量份之比为1:0.38。
4.如权利要求3所述的高抗冲击性能混杂纤维混凝土，其特征在于，包括如下重量份的原料：水泥95份，硅灰8份，粉煤灰14份，矿渣21份，河砂221份，碎石293份，水40份，减水剂1.4份，混杂纤维0.52份。
所述混杂纤维中，玄武岩纤维和聚丙烯纤维按重量份之比为1:0.38。
5.如权利要求1至4任一权利要求所述的高抗冲击性能混杂纤维混凝土，其特征在于，所述水泥为P·O 42.5R级普通硅酸盐水泥；
所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰；
所述矿渣为S95级磨细矿渣；
所述河砂为细度模数为2.8的河砂；
所述碎石为粒径为5～20mm的碎石；
所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂。
6.如权利要求1至4任一权利要求所述的高抗冲击性能混杂纤维混凝土，其特征在于，所述的玄武岩纤维的单丝直径为15μm，长度为18mm，密度为2.56g/cm3；
所述的聚丙烯纤维的直径为30μm，长度为19mm，密度为0.91g/cm3。
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