含钢纤维和聚丙烯纤维高强混凝土的力学与耐久性研究外文翻译资料

 2022-08-06 14:35:08

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含钢纤维和聚丙烯纤维高强混凝土的力学与耐久性研究

作者：Vahid Afroughsabet a , Togay Ozbakkaloglu b,

摘要：本文研究了钢纤维和聚丙烯纤维的加入对高强混凝土(HSC)的力学性能和耐久性能的影响。在四种不同纤维体积分数(0.25%、0.50%、0.75%和1.0%)下使用了60mm的钩端钢纤维。在四种不同纤维体积分数(0.25%、0.50%、0.75%和1.0%)下使用了12mm长的聚丙烯纤维。为了研究纤维混杂的效果，生产了一些具有总纤维体积分数为1.0%(体积分数)的钢纤维和聚丙烯纤维的组合的混合物。所有纤维混凝土中都含有10%的硅灰作为水泥替代物。实验测试了混凝土混合料的抗压强度、劈拉强度、弯曲强度、电阻率和吸水率。试验研究结果表明，硅灰的掺入提高了素混凝土的力学性能和耐久性。结果还表明，钢纤维和聚丙烯纤维的掺入改善了本研究所考虑的各个体积分数下的高强混凝土的力学性能。此外，1%钢纤维的掺入显著提高了混凝土的劈裂抗拉强度和抗折强度。在所考察的不同的钢纤维和聚丙烯纤维组合中，钢含量为0.85%，聚丙烯纤维含量为0.15%时性能最佳。最后，研究结果表明，在混凝土中引入纤维可以降低吸水率。此外，与普通混凝土电阻率的比较，根据纤维类型的不同，电导率显著或或多或少也有降低。

亮点：1.当纤维含量为1.0%时，钢纤维和聚丙烯纤维单独和组合使用

2.引入硅灰改善混凝土的力学性能和耐久性能

3.钢纤维的加入显著提高了FRC的劈拉、抗折强度

4.钢纤维和聚丙烯纤维的掺入降低了混凝土的吸水率

5.聚丙烯纤维替代钢降低混凝土力学性能

关键词：钢纤维、聚丙烯纤维、混杂纤维混凝土、高强混凝土、力学性能、电阻率、吸水率

1.引言：

混凝土是使用最广泛的建筑材料，因为它提供了几个众所周知的优点，如低成本、可普遍获得和广泛的适用性。然而，混凝土是一种准脆性材料，其脆性随强度的增加而增加。传统混凝土的主要缺点是抗拉强度较低，抗裂缝张开和扩展能力较差。

现代土木工程建设的发展对新型混凝土提出了本质要求，要求混凝土具有高强度、高韧性、高耐久性等优良性能。新型混凝土的例子包括高强混凝土(HSC)、高性能混凝土(HPC)和高性能纤维混凝土(HPFRC)。这种混凝土的性能比传统混凝土有了很大的改善。然而，高强混凝土比普通强度混凝土(NSC)脆性大，限制了其应用。此外，众所周知，使用生产高强混凝土需要硅灰(SF)、磨细高炉矿渣(GGBS)和粉煤灰(FA)等辅助胶凝材料作为粘结剂的一部分。一般情况下，用火山灰取代普通硅酸盐水泥(OPC)可以降低混凝土的孔隙率，特别是在长期使用的情况下。另一方面，硅灰等矿物掺合料也会增加混凝土的脆性。裂缝通常会随着时间的推移而发展，原因有很多，如预硬化状态下的塑性收缩以及硬化混凝土中的干燥收缩。随后，这些裂缝削弱了混凝土的防水能力，使混凝土的微观结构暴露在水分、氯化物、硫酸盐、溴等破坏性物质中，因此，提高硬化混凝土的性能是混凝土科学的重要目标。

为了使生产的材料具有更高的抗拉强度、延展性、韧性和改善的耐久性。在水泥混凝土掺入纤维来克服其弱点。纤维的效率取决于诸如纤维基质的性质、纤维夹杂物的体积、纤维几何形状、纤维类型以及纤维在混凝土混合料中的取向等因素。有多种纤维可用于改善硬化混凝土的韧性和不同性能。纤维主要由钢、碳或聚合物制成。在聚合物纤维中，聚丙烯(PP)纤维因其成本低、韧性好、增强混凝土的抗缩裂性而备受研究人员的关注。然而，单一类型的纤维增强混凝土在有限的范围内改善了混凝土的性能。相反，混杂纤维增强混凝土用两种或两种以上的材料加固。精心挑选不同类型的纤维，提供优异的性能。由于混凝土中裂缝产生的阶段和大小不同，使用不同长度的各种纤维是解决这一问题的一个很好的方法。在设计良好的复合材料系统中，纤维之间存在有益的相互作用，这反过来导致混杂系统的性能比单纤维复合材料的性能更好。不同类型纤维组合的主要目的是控制胶凝材料不同区域、不同尺寸水平和不同加载阶段的裂缝。

在这项研究中，总共制造了12种不同的混合物，以考察钢纤维、聚丙烯纤维以及两种纤维的杂交效果。其中，配制了三种混杂纤维混凝土，研究了纤维总掺量为1.0%时的纤维混杂效果。评价了混凝土的抗压强度、劈拉强度和抗折强度等力学性能，确定了钢纤维和聚丙烯纤维的最佳掺量。本研究旨在研究低纤维掺量的纤维增强混凝土的性能，因为这种材料在各种应用中有着广泛的应用，但对这一课题的研究一直是有限的。此外，还研究了纤维混凝土的电阻率、吸水率等耐久性能一直很有限，已有的研究结果相互矛盾。本文的研究旨在对了解纤维混凝土的这些重要性能做出重要贡献。

2.测试程序和步骤

实验配制了水灰比为0.3的混凝土混合料。在纤维混凝土中掺入10%重量的硅灰作为水泥替代物。为了获得抗压强度、电阻率和吸水率，将新浇筑的混凝土浇注在100 mm的立方体试件中。对直径为100 mm、高度为200 mm的圆柱形试件进行了劈裂抗拉强度试验。对尺寸分别为80、100、400 mm的棱柱梁进行了弯曲试验。实验分别在恒温箱养护7、28和91天后进行。在所有的测试中，每个养护年限都测试了三个样品。

2.1材料与混合程序

生产的是普通硅酸盐水泥(ASTM I型)。本研究以赫克马坦工厂为研究对象。使用的硅灰是森南硅铁工厂的商业副产品。水泥和硅灰的化学和物理性能如表1所示。使用的粗集料最大粒径为19 mm，细集料的细度模量为3.4。粗骨料和砂的体积分数等于50%。粗集料和细集料的比重和吸水率分别为2.69%和0.56%和2.61%和1.92%。骨料的级配曲线如图1所示，合格率如表2所示。羧酸110M(BASF)被用作高效减水剂，以调整混凝土混合料的工作性。本研究采用长度为60 mm、高宽比为80的钩端钢纤维和长度为12 mm的聚丙烯纤维。图2和表3分别提供了纤维的几何形状和特性。

表4提供了混凝土配合比。表中给出了高效减水剂的含量占胶凝材料总重量的百分比。在配制混凝土混合料的过程中，按照ASTM C143进行坍落度试验，以确定新拌混凝土的工作性。

2.2试件成型和测试方法

试件在钢模中铸造，并在振动台上压实。它们在大约24小时后被拆除，然后暴露在23摄氏度和100%相对湿度的石灰饱和水中，直到它们的测试年龄。采用3000kN万能压力机对100 mm立方体试件进行压缩试验。图3显示了弯曲测试。用交流阻抗谱测量了比电阻率，频率为1.0 kHz，最终电容为1.0 M欧姆。根据BS 1881-122对立方体试样进行吸水试验。标本在水(22，C)中养护27天。随后，将样品在45摄氏度的烤箱中烘干至少14天。在从两次连续质量测量获得的值之间的差值超过较小值的0.5%的情况下，样品被送回烤箱。额外的24小时干燥期。然后在额外的几天测量样品的重量，直到任何两次连续测量之间的差异小于0.5%。固化后的样品在水箱中浸泡0.5和168h，用干纸巾擦拭后在0.01g天平上称重。在本研究中，0.5h的吸水率和7d的吸水率分别称为早期吸水率和终末吸水率。所有的实验分别于第7、28、91天进行。

3.结果与讨论

3.1抗压强度

使用不同纤维类型和体积分数的试样的抗压强度试验结果显示在图4和表5中。结果表明，硅灰的掺入提高了混凝土的抗压强度。在基质中添加硅灰改善了水泥浆体和集料颗粒之间的粘结，以及增加水泥浆体的密度，从而提高混凝土的抗压强度[42，43]。如表5所示，在养护7天、28天和91天后，这一增加分别等于6%、8%和11%，这表明添加硅灰导致的强度增加在较高的养护龄期变得更加显著。这与以前的研究结果一致，即用火山灰取代普通硅酸盐水泥(OPC)可以减少混凝土的孔隙率，特别是在较高龄期的情况下[44-47]。

纤维增强试件的试验结果表明，与不掺纤维的混凝土相比，使用任何形式和体积分数的纤维都可以提高混凝土的抗压强度。结果还表明，纤维体积分数的增加导致了抗压强度的提高。这种抗压强度的提高可以用纤维来解释。能够抑制裂纹的扩展，降低裂纹尖端的应力集中程度，改变裂纹的方向，延缓裂纹的扩展速度。表5所示的结果表明，由于在混合料中添加聚丙烯纤维，混凝土的抗压强度从5%提高到15%。在同一张表中也可以观察到钢材的作用。纤维在提高抗压强度方面比聚丙烯纤维更显著。这是由于钢纤维比聚丙烯纤维具有更高的强度和弹性模量，从而使钢纤维具有更高的抗冲击性能。桥联宏观裂纹，从而提高抗压强度。从表5可以看出，性能最好的混合料是钢纤维含量为1.0%的混合料，其91天的抗压强度为104.3MPa。

表5还显示，使用钢-聚丙烯纤维混杂生产的混凝土的强度比普通混凝土高出18%，这取决于钢纤维、聚丙烯纤维的替代水平和测试龄期。混杂纤维混凝土的试验结果表明，替代纤维混凝土。部分钢纤维与聚丙烯纤维混合会导致抗压强度降低。在本研究考虑的不同钢纤维和PP纤维组合中，当PP含量为0.15%，钢纤维含量为0.85%时，抗压强度最高。

3.2劈裂拉伸与抗折强度

不同纤维混凝土在7、28和91d的劈裂抗拉强度和抗折强度的变化分别如图5和图6所示，并如表5所示。从表5可以观察到，在混凝土中加入硅灰后，28天的劈拉强度和抗折强度分别提高了12%和7%。硅灰的掺入对强度的提高可归因于改善了水化水泥基质与集料之间的粘结。这种改进的结合是由于在活性二氧化硅的存在下，倾向于在骨料颗粒表面形成的氢氧化钙转变为水合硅酸钙。

纤维混凝土的试验结果表明，纤维尤其是钢纤维的掺入对混凝土的劈裂抗拉强度有显著影响。正如预期的那样，纤维体积分数的增加导致了劈裂抗拉强度的增加。例如，含0.15%，0.3%和0.45%聚丙烯纤维的混合物在28天的劈裂拉伸强度分别提高了13%，16%和20%，分别与参比混凝土进行了比较。结果还表明，在混合料中掺入钢纤维可使劈裂抗拉强度提高13%~58%，这取决于纤维含量和试验龄期。从表5可以看出，混凝土强度的提高在养护后期更高。这说明硅灰的存在，除了改善骨料-浆体界面层特性外，还增加了纤维与水泥基体之间的粘结。此外，这也可能归因于添加硅灰改善了纤维在混凝土中的分散[48]。混杂纤维混凝土的试验结果表明，与PP纤维相比，钢纤维在提高混凝土强度方面具有更高的效率。

然而，可以观察到，与不含纤维的样品相比，含有任何纤维添加剂组合的样品表现出更好的性能。混杂纤维混凝土劈裂抗拉强度的提高幅度在23%~52%之间，具体取决于聚丙烯纤维取代钢纤维的水平和试验龄期。

同样，可以观察到在混凝土配合比中使用PP纤维对抗折强度有轻微的改善。

从表5可以看出，聚丙烯纤维增强混凝土的抗折强度比普通混凝土的抗折强度增加了5%到14%，这取决于纤维含量和试验龄期。另一方面，从表5的结果可以看出，在混凝土中掺入钢纤维可以显著提高混凝土的抗折强度。从表中可以看出，掺入钢纤维的混凝土的抗弯强度比与之配套的素混凝土的抗折强度提高了61%。

研究结果清楚地表明，钢纤维和聚丙烯纤维的存在对混凝土抗折强度的影响有很大不同。由于聚丙烯纤维较短，与钢纤维相比，其抗拉强度和弹性模量较低，因此它们桥联在一起。仅对微裂纹有影响，对抗折强度没有明显影响。另一方面，由于钢纤维具有较高的抗拉强度和弹性模量，对混凝土的抗折强度有显著影响。表5进一步表明，在混杂FRC中，由0.15%PP和0.85%钢纤维制成的混合料的抗折强度仅比ST1.0%的混合料低5%。然而，从表中可以看出，PP纤维含量的增加。在这些混合料中，混合料的抗弯强度显著降低。

图7显示了使用钢制造的弯曲梁。经过测试后的纤维混凝土。如图所示，在拔出阶段，一些钩端钢纤维在重载作用下变直。由于钢纤维的抗拉强度约为PP纤维的3倍，因此钢纤维对阻止混凝土宏观裂缝的作用更为有效。

此外，由于钢纤维的钩端产生的锚定机制，钢纤维。与直聚丙烯纤维相比，本研究中使用的聚丙烯纤维能够产生相当高的最大拔出力。因此，聚丙烯纤维替代钢纤维会降低混杂纤维混凝土的抗折强度。

3.3比电阻率

电阻率是最重要的特征之一。混凝土耐久性是影响钢筋混凝土腐蚀的重要因素。以前的研究表明，120欧姆的电阻率是钢筋内部锈蚀扩展的极限，超过这个极限，混凝土钢筋不可能发生锈蚀[49]。本研究的纤维混凝土电阻率测试结果如图8和表6所示。从表6可以看出，硅灰对混凝土的电阻率有主要影响。硅灰掺量为水泥重量的10%时，混凝土的电阻率在第7、28、91天分别比素混凝土提高3.1倍、6.7倍和5.3倍。硅灰的存在使混凝土的微观结构致密，其火山灰反应形成二次水化硅酸钙(C-S-H)。被认为是混凝土强度来源的C-S-H凝胶增加了。降低了固相体积，减少了混凝土中毛细孔隙系统的形成。这些现象改善了混凝土的耐久性能，如混凝土电阻率[50]。电阻率的增加会中断通过混凝土的离子。因此，电阻率越高，混凝土中钢筋的腐蚀率越低[51，52]。

先前建立的腐蚀率和电阻率之间的关系如表7[49]所示，表明硅灰混合物SF10将提供良好的保护，防止内部钢筋的腐蚀。从图8也可以看出，硅灰在晚年增强电阻方面更有效。这一结果与Alsadat Sabet等人报告的结果一致。[53]并且这可以归因于火山灰反应通常发生的较慢的速率。

聚丙烯纤维混凝土的试验结果表明，聚丙烯纤维的掺入使混凝土的电阻率略有降低，其幅度随纤维掺量的增加而增大。这可能是由于纤维夹杂导致混合物的孔隙率增加[54，55]。孔隙的连通性和大小对混凝土的传输特性有重要影响。因此，在孔隙率较高的混凝土中，

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