纤维对聚合物改性混凝土冲击韧性影响对比研究

梁 斌

(新疆筑路机械厂公路工程处，新疆 乌鲁木齐 830002)

0 引言

混凝土由于具有高强度、抗震、高耐久性等特点，在大跨桥梁、高层建筑等结构工程中已受到人们普遍重视，具有广阔的应用前景。然而由于混凝土的抗折强度和弹性模量较小，脆性大，严重影响结构材料的安全性与稳定性。因此，在保证抗压强度的前提下，如何提高混凝土的抗冲击韧性显得尤为重要。针对此类问题，目前相关学者也做出了大量的研究，主要通过掺入矿物掺合料、纤维以及聚合物等措施来提高混凝土的强度和韧性，但改善效果并不明显。基于此，本文研究了掺入聚合物乳液对单掺和复掺纤维增强混凝土韧性，并通过抗冲击性能试验，观察分析了聚合物乳液对不同纤维增强混凝土的改性效果。从而为此类材料在今后的工程应用中提供理论依据及技术支撑［1－3］。

1 原材料与配合比

1.1 原材料

水泥采用河南大地牌P.Ⅱ42.5 硅酸盐水泥，安定性检验合格，其各项指标见表1，集料采用高强页岩陶粒，主要技术指标见表2，矿物掺合料采用的花岗岩磨碎而成的矿粉，各项指标见表3，所用纤维的主要技术指标如表4所示;聚合物乳液:YTT 型白色水泥基复合材料。细集料:采用细度模数为2.8 的中砂，表观密度2 650 kg/m3，堆积密度1 400 kg/m3;减水剂:减水率约为20%的萘系高效减水剂;水:为普通自来水。

表1 水泥的各项指标

表2 集料的各项指标

表3 矿粉的各项指标

表4 纤维的主要技术指标

1.2 试验配合比

为研究聚合物对不同种类纤维增强轻集料混凝土的力学性能方面的影响，选择基准配合比不变，改变聚合物用量和纤维种类及掺量。固定胶凝材料总量 400 kg/m3，矿粉 100 kg/m3，砂石 1 800 kg/m3，水150 kg/m3，砂率40%，初始水胶比为0.31，减水剂为2%。通过调节高效减水剂的用量使所制备混凝土的坍落度控制在(140 ±10)mm 的范围内。

1.3 实验方案

方案一:固定纤维含量为1%为基准，变化聚合物乳液含量，测试分析聚合物乳液含量变化对混凝土冲击韧性的影响;

方案二:固定聚合物乳液含量为10%为基准，变化各种纤维含量，测试分析每种纤维含量对聚合物混凝土的冲击韧性的影响。

聚合物用量和各种纤维用量的变化如表5所示。

表5 试验配合比所用的聚合物及纤维含量比 %

2 抗冲击性能试验结果及分析

抗冲击性能的高低是评价混凝土动力性能以及韧性的一个重要指标［4，5］，尤其在大跨桥梁、高架桥等结构工程中，对混凝土的抗冲击性能提出了更高的要求。通常混凝土的脆性大韧性差，因此通过试件抗冲击性能评价混凝土的抗冲击韧性具有重要的意义。本次试验采用落重法，即将4.5 kg 的钢球提升到400 mm 高处后自由落下击打在试件中央，以混凝土的冲击韧性(即抗冲击能量)作为试件的抗冲击荷载能力。图1为冲击试验原理图。

图1 冲击试验原理图

轻集料混凝土冲击韧性按式(1)计算。

式中:W 为冲击韧性，N·m;N 为试件初次破坏时的冲击次数;m 为钢球重量，kg;h 为冲击球下落高度，m;g 为重力加速度，9.8 m/s2。

根据方案一要求，对不同掺量下聚合物对纤维增强混凝土冲击性能测试分析，试验结果见图2;根据方案二要求，对不同种类纤维含量对聚合物改性混凝土的冲击性能测试分析，试验结果见图3。

图2 聚合物对纤维增强混凝土冲击性能试验结果

图3 纤维对聚合物改性混凝土冲击性能试验结果

图2结果表明，随着聚合物掺量的增加，混凝土的抗冲击韧性逐渐增大。而在纤维增强的混凝土中，钢纤维混凝土的抗冲击韧性最大，两种有机纤维的冲击韧性次之，且相差不大。当聚合物掺量为15%时，钢纤维加强混凝土的抗冲击性能最好，与基准混凝土相比提高了近3 倍。分析原因主要是因为在水泥石－聚合物－纤维这个特殊的体系中，聚合物颗粒相互链接形成网状结构，在水泥浆和纤维共同作用下形成的结构变形中，当受到外部荷载时能够有效地吸收外部的冲击能量，显著提高了混凝土的抗冲击性能。此外，聚合物乳液的掺入还能够改善水泥石与纤维的界面粘结能力，从而大幅度增强混凝土的抗冲击性能。

由图3可知，固定聚合物掺量为10%，在钢纤维和有机纤维掺量变化条件下，随着纤维含量增加，聚合物改性混凝土的抗冲击性能都呈现增大趋势，钢纤维改善效果最佳，两种有机纤维的改善效果基本相同。

3 结论

聚合物乳液的掺入很大程度上提高混凝土的韧性，降低材料的脆性，添加纤维后能够更好的改善聚合物改性混凝土韧性。钢纤维对混凝土的增强增韧效果最显著，有机纤维的掺入对混凝土的韧性虽然不如钢纤维明显，但也有所提高。因此在实际工程中，结合混凝土的力学性能以及耐久性选用合适的纤维种类以及掺量来改善聚合物改性混凝土的抗冲击韧性。

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