玄武岩纤维混凝土与聚丙烯及其它纤维混凝土性能测试研究报告Word下载.doc
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玄武岩纤维混凝土与聚丙烯及其它纤维混凝土性能测试研究报告Word下载.doc
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因此,玄武岩纤维增强混凝土可以在房屋、桥梁、高速公路、高速铁路、城市高架道路、飞机跑道、海港码头、地铁隧道、沿海防护工程、核电站设施、军事设施等等建筑领域起到加固补强、防渗抗裂、延长使用寿命等作用。
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表1:
连续玄武岩纤维的主要技术指标
编号
性能指标
数值
1
热物理性能
使用温度℃
—269~700℃
粘结温度℃
1050℃
导热系数w/m°
k
0.03~0.038
2
物理性能
单丝直径µ
m
7~15
密度(kg/)
2650
弹性模量(kg/)
10000~11000
拉伸强度(MPa)
4150~4800
热处理下拉神强度%
20℃
100
200℃
95
400℃
82
3
化学稳定性(在3小时沸腾条件下失重%)
2NHCL
2.2
2NNaOH
6.0
O
0.2
表2:
连续玄武岩与其它纤维的指标对比
纤维类型
纤维密度
(g/)
力学强度
(MPa)
弹性模量
(GPa)
伸长率
(%)
玻璃纤维类
A型玻纤
C型玻纤
E型玻纤
S—2型玻纤
2.46
2.60
2.49
3310
3450
4830
69
76
97
4.8
4.76
5.15
硅土纤维
2.16
206—412
——
石英纤维
2.20
3438
碳纤维
大丝束
中丝束
小丝束
1.74
1.80
3620
5100
6210
228
241
297
1.59
2.11
芳香族聚酰胺纤维类
Kevlar29
Kevlar149
1.44
1.47
3480
41.4
186
3.6
1.5
聚丙烯纤维
0.91
270—650
38
15—18
聚丙烯腈纤维
1.18
500—910
75
11—20
连续玄武岩纤维
2.65
4150—4800
100—110
3.3
3.实验研究
3.1研究内容
按委托方要求,从以下几个方面研究不同掺量纤维对混凝土性能影响:
(1)玄武岩纤维掺入后对混凝土工作性(坍落度)的影响;
(2)玄武岩纤维对混凝土立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、静力受压弹性模量的影响;
(3)玄武岩纤维对混凝土抗冲击性的影响;
(4)玄武岩纤维对混凝土抗渗性能、抗冻性能、收缩性能的影响;
(5)玄武岩纤维对混凝土早期抗收缩缝的影响;
(6)结合以往实验结果,对玄武岩纤维与聚丙烯纤维混凝土、聚丙烯腈纤维混凝土性能进行对比。
3.2试验用原材料
(1)水泥:
江苏金猫水泥有限公司生产;
(2)粗集料:
花岗石碎石,粒径为5—25mm;
(3)细集料:
长江砂,细度模数为2.6;
(4)水:
普通自来水;
(5)外加剂:
高效减水剂;
(6)粉煤灰:
I级粉煤灰;
(7)短切玄武岩纤维:
由横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司提供,2#配合比玄武岩纤维规格直径为17mm,长度12mm,掺量:
1kg/;
3#配合比玄武岩纤维规格直径为15µ
m,长度18mm,掺量:
3kg/;
(8)聚丙烯纤维,国内某厂生产,纤维规格直径为31µ
m,长度19mm,三叶异型截面,纤维密度0.91(kg/),掺量:
0.9kg/;
(9)聚丙烯腈纤维,国内某单位经销,纤维规格直径为13µ
m,长度6mm,纤维密度1.18(kg/),掺量:
1kg/。
表3:
连续玄武岩纤维主要参数
性能
含水率(%)
0.1
比重(相对密度)
纤维长度
>
5万米
延伸率(%)
受热反应及燃烧状态
不燃
抗酸碱性
较好
抗拉强度(Mpa)
780
3.3试验方法
(!
)新拌混凝土坍落度试验及结果评定参照GB50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》;
(2)混凝土立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度和静力受压弹性模量试验及结果评定按照GB50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》;
(3)混凝土抗渗性能、抗冻性能(慢冻法)、收缩试验及结果评定按照GBJ82-85《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》;
(4)水泥砂浆早期抗干缩开裂性能试验及结果评定按照JC/T951-2005《水泥砂浆抗裂性能试验方法》,抗开裂指数和限裂效能等级计算按CECS38:
2004《纤维混凝土结构技术规程》;
(5)混凝土抗冲击性能试验参照美国砼学会ACI-544“纤维增强混凝土的性能测试”技术报告中推荐的抗冲击性能试验方法。
锤重4.45kg,其自由落下高度1000mm,锤落在试件表面上的Ø
63.5mm钢球上,冲击荷载经过钢球传递到试件上。
抗冲击试件尺寸为Ø
150mm×
63.5mm(切割边长200mm立方体试件,去除成型表面50mm后切割而成),每组共三个试件。
实验结果评定:
经落锤冲击,当试件裂缝宽度大于3mm时,记录冲击次数,实验结果取3个数据的平均值。
3.4搅拌制度
混凝土:
细集料+水泥+纤维+水+外加剂+粗集料拌合三分钟,混凝土成型采用振动台振动成型。
3.5试验配合比见表4、表5
表4:
试验配合比(单位:
kg/)
配合比编号
水泥
(P.042.5)
粉煤灰
砂
石
水
JC-2
纤维
空白砼
420
60
656
1069
175
7.2
/
玄武岩纤维砼
1.0
3.0
4
聚丙烯纤维砼
0.9
表5:
(P.032.5)
外加剂
5
450
666
1184
150
4.5
6
聚丙烯腈纤维砼
4、实验结果
4.1不同纤维、不同纤维掺量与不掺纤维的混凝土坍落度试验结果见表6
表6:
纤维的掺入对新拌混凝土坍落度的影响
坍落度(mm)
190
180
185
165
4.2不同纤维、不同纤维掺量与不掺纤维的混凝土抗压强度比、抗折强度比、劈裂抗拉强度比、抗冻性能、抗渗性能提高系数、收缩性能、抗冲击性能及水泥砂浆抗干缩开裂性能的影响的实验结果见表4.
表7:
纤维的掺入对混凝土抗压强度比、抗折强度比、劈裂抗拉强度比、抗渗性能提高系数、收缩率、抗冻性和抗冲击性、水泥砂浆抗干缩开裂性能的影响
抗压强度比
抗折强度比
劈裂抗拉强度比
抗渗性能提高系数
收缩率比
抗冻性
抗冲击性能
水泥砂浆抗干缩开裂性能
强度损失率比
裂缝降低系数
限裂效能等级
92.8
93.8
98.3
35
90
133
47
三级
99.4
101.9
101.2
50
54
210
61
二级
99.8
100.9
100.2
40
48
193
58
99.0
100.0
102.6
56
86
11
162
73
一级
注:
①抗压强度比为掺纤维混凝土抗压强度与同期不掺纤维混凝土抗压强度的百分数;
②抗折强度比为掺纤维混凝土抗折强度与同期不掺纤维混凝土抗折强度的白分数;
③劈裂抗拉强度比为掺纤维混凝土抗拉强度与同期不掺纤维混凝土抗拉强度的百分数
④混凝土抗渗性能提高系数计算按式
(1)计算:
()×
100·
·
(1)
式中:
——混凝土抗渗性能提高系数,%;
——受检混凝土的渗水高度,mm
——基准混凝土的渗水高度,mm
⑤混凝土抗冲击性能按式
(2)计算:
×
(2)
——混凝土抗冲击性,%
——受检混凝土的破坏冲击次数,次;
——基准混凝土的破坏冲击次数,次。
⑥收缩率比为掺纤维混凝土的收缩率与同期不掺纤维混凝土的收缩率比的百分数;
⑦抗冻性中强度损失率比为掺纤维混凝土冻后强度损失率与不掺纤维混凝土冻后强度损失率的比值百分数;
⑧裂缝降低系数按CECS38:
⑨限裂效能等级按CECS38:
2004《纤维混凝土结构技术规程》。
5、实验结果分析
5.1纤维掺入后,由于它均匀分布于混凝土中,有效阻止了混凝土的离析,混凝土粘聚性能和抗泌水性大大提高,混凝土坍落度少有降低,但降低程度较小。
玄武岩纤维与聚丙烯纤维基本一致,而聚丙烯纤维下降幅度稍大些。
5.2在体积掺量基本一致的情况下,纤维的掺入对混凝土抗压强度略有降低,三种纤维下降幅度基本一致。
在玄武岩纤维掺量较少的情况下(1.0kg/)抗折强度下降幅度较大。
5.3在体积掺量基本一致的情况下,三种纤维的掺入对混凝土抗折强度、劈裂抗拉强度没有发生明显变化,在玄武岩纤维掺量较少的情况下(1.0kg/)抗折强度、劈裂抗拉强度有所下降。
纤维的掺入可以弥补混凝土脆性的不足。
5.4纤维的掺入明显提高混凝土的抗冲击性能。
在混凝土中掺入纤维,由于纤维比表面积大,单位体积内纤维根数多,在现为内部构成一种均匀的三维乱向分布的网络体系,这一均匀的乱向网络体系有助于提高混凝土受冲击时的动能的吸收。
在混凝土受冲击荷载作用时,纤维可以缓和混凝土内部裂缝尖端应力集中程度而有效地阻碍混凝土中裂缝的迅速发展,而吸收由于冲击荷载产生的动能,从而提高混凝土的抗冲击性能。
在体积掺量基本一致的情况下,玄武岩纤维混凝土抗冲击性能改善更明显。
5.525次冻融循环后掺入纤维的混凝土抗压强度损失率低于不掺纤维的混凝土抗压强度损失率,混凝土中掺入纤维,可以缓解温度变化而引起的混凝土内部应力的作用,防止温度裂缝的扩展。
同时混凝土中掺入纤维,在混合过程中引进了空气,使混凝土内空气含量增加,抗冻性能得以改善。
三种纤维以聚丙烯腈纤维抗冻性能最好,在体积掺量基本一致的情况下,聚丙烯纤维与玄武岩纤维25次冻融循环混凝土抗压强度损失率基本一致。
5.6掺入纤维的混凝土的抗渗透能力得到改善,均匀分布于混凝土中的大量纤维起了“承托”作用,降低了混凝土表面的析水与集料的离析,从而使混凝土中微孔隙含量大大降低;
同时纤维的掺入减少了混凝土中的初始原生裂缝,所带来的明显的阻裂效应使纤维混凝土的抗渗能力得以提高。
在体积掺量基本一致的情况下,玄武岩纤维较聚丙烯纤维有更好的抗渗透性能。
5.7掺入纤维的混凝土的28天收缩率与基准混凝土相比没有发生明显变化。
在混凝土中掺入乱向分布的纤维后有效抑制了混凝土的塑性收缩,收缩的能量被分散到具有高抗拉强度而弹性模量较低的纤维上,增加了混凝土的韧性,控制了混凝土微细裂缝的产生与发展。
原因是混凝土干燥收缩变形主要是混凝土中的水分散失而引起,掺入纤维后,由于表层材料中存在纤维材料,使得其失水面积有所减小,水分迁移困难,从而使毛细管失水收缩形成的毛细张力有所降低。
纤维与水泥基之间界面的粘结力、机械啮合力等,会增加材料抗收缩变形和开裂的能力,降低混凝土的收缩变形。
在体积掺量基本一致的情况下,聚丙烯腈纤维抗收缩变形能力最好,玄武岩纤维与聚丙烯纤维基本一致。
5.8掺入纤维后的水泥砂浆抗干缩性能明显提高。
纤维加入混凝土中经搅拌后纤维成乱向分布,一方面降低了混凝土的收缩应力,同时混凝土的粘聚性增大,有效阻止了混凝土的离析,水分迁移困难,减少了由于水泥砂浆体塑性收缩产生的可能性。
随着纤维掺量的增加,纤维砂浆塑性开裂随之减少。
纤维直径小,长度小,同等质量的纤维,其纤维根数越多,纤维的比表面积就越大,从而使纤维与水泥基材的粘结面积越大,粘结作用力会随之提高,纤维将承担更大一部分塑性开裂应力,所以其抗塑性开裂性能更为优越。
在体积掺量基本一致的情况下,玄武岩纤维与聚丙烯纤维抗干缩开裂性能基本一致。
而比较的聚丙烯腈纤维由于纤度小,单位体积内纤维根数多,造成早期抗干缩开裂效果更好。
5.9从试验结果来看,玄武岩纤维混凝土与聚丙烯纤维混凝土、聚丙烯腈纤维混凝土性能实验结果基本相似。
达不到一定掺量时混凝土性能改善情况不明显。
玄武岩纤维部分指标抗冲击性能优于聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维。
玄武岩纤维掺量以3.0kg/为佳。
6、结论
从测试数据来看:
(1)从实验的情况来看,玄武岩纤维完全可以代替聚丙烯纤维,在如今讲究绿色、环保、节约资源的今天,玄武岩纤维混凝土在建筑工程领域推广应用的意义重大;
(2)由于玄武岩纤维混凝土所具有的优良的抗裂、抗冻及抗渗性能,有利于混凝土耐久性的提高和延长混凝土工程的使用寿命。
尽管使用纤维后会使单方混凝土的成本有所增加,但考虑到掺入纤维后的混凝土使用性能的改善,使用寿命延长,综合成本下降;
(3)高强高性能混凝土在工程中越来越广泛的使用,但普通高强混凝土脆性易裂的问题更严重,纤维的掺入可有效阻碍早期塑性开裂和自收缩开裂,有效改善了高强混凝土的性能,具有广阔的应用前景;
(4)采用玄武岩纤维配置混凝土,在混凝土搅拌、浇筑成型时,对混凝土无不良影响,且能改善混凝土的粘聚性和稳定性;
(5)在混凝土中掺入玄武岩纤维,提高了混凝土的抗冲击性能,降低其脆性,可以用于道路路面及桥面层工程中,能改善混凝土的力学性能;
(6)在混凝土中掺入玄武岩纤维,可以改善混凝土的抗渗性能、抗冻融循环能力和抗收缩能力。
无机的玄武岩纤维与有机的聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维相比,抗老化的性能无疑更佳,因此,玄武岩纤维混凝土是一种有代表性的高性能混凝土,其耐久性能和长期性能的改善,可以拓宽用之于港口深水码头、跨海大桥以及严寒地区等领域。
7、说明
(1)由于实验条件下,试件体积一般较小,纤维的掺入的优势如纤维阻裂效应所带来的好处未能充分体现,造成对纤维实际使用效果的低估,有待于在工程应用中积累数据;
(2)由于比较的不同品种的纤维规格有所不同,而纤维的规格直接影响实验的最后结果,因此,在可能的情况下应比较同规格的不同品种纤维的影响。
——国家水泥混凝土制品质量监督检验中心
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