聚丙烯纤维陶粒混凝土力学性能试验研究.pdf

引用格式：引用格式：史阳光,刘磊,陈国新.聚丙烯纤维陶粒混凝土力学性能试验研究J.中国测试，2023,49(9):167-173.SHIYangguang,LIU Lei,CHEN Guoxin.Experimental study on mechanical properties of polypropylene fiber ceramsite concreteJ.ChinaMeasurement&Test,2023,49(9):167-173.DOI:10.11857/j.issn.1674-5124.2022050123聚丙烯纤维陶粒混凝土力学性能试验研究史阳光1,2，刘磊1，陈国新2(1.伊犁师范大学物理科学与技术学院新疆凝聚态相变与微观结构实验室，新疆伊宁835000;2.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐830052)摘要:为研究水灰比、砂率、聚丙烯纤维掺量对陶粒混凝土力学性能的影响，采用正交实验设计方法，开展陶粒混凝土常温抗压强度、低温抗压强度、劈裂抗拉强度的试验研究并进行极差和方差分析；从破坏形态、荷载-位移关系、细观尺度揭示纤维增韧机理和低温抗压强度的演变规律；建立常温抗压强度、劈裂抗拉强度预测模型。结果表明：纤维可改变轻骨料混凝土的破坏形态，延缓裂缝的发展；掺加纤维后位移荷-载曲线下降较为缓慢；砂率对抗压强度影响显著，水灰比、砂率是影响劈裂抗拉强度的显著性因素；低温抗压强度较常温抗压强度增长 1.6%21.9%；建立的抗压强度、劈裂抗拉强度的预测模型精度高。关键词:聚丙烯纤维混凝土;细观分析;抗压强度;劈拉强度;强度预测模型中图分类号:TU535文献标志码:A文章编号:16745124(2023)09016707Experimental study on mechanical properties of polypropylenefiber ceramsite concreteSHIYangguang1,2,LIULei1,CHENGuoxin2(1.XinjiangLaboratoryofPhaseTransitionsandMicrostructuresinCondensedMatters,CollegeofPhysicalScienceandTechnology,YiliNormalUniversity,Yining835000,China;2.CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi830052,China)Abstract:Inordertostudytheeffectsofwater-cementratio,sandrateandpolypropylenefibercontentonthemechanicalpropertiesofceramicconcrete,theorthogonalexperimentaldesignmethodwasusedtocarryoutexperimentalresearchonthenormaltemperaturecompressivestrength,lowtemperaturecompressivestrengthandsplittingtensilestrengthofceramicconcrete,andtherangeandvarianceanalysiswerecarriedout.Theevolutionoffibertougheningmechanismandlow-temperaturecompressivestrengthwasrevealedfromfailuremorphology,load-displacement relationship and mesoscale.The prediction model of normal temperaturecompressivestrengthandsplittingtensilestrengthwasestablished.Theresultsshowthatthefiberchangesthefailureformoflightaggregateconcreteanddelaysthedevelopmentofcracks.Thedisplacementload-load收稿日期:2022-05-19；收到修改稿日期:2022-08-23基金项目:新疆维吾尔自治区自然科学基金资助项目（2022D01C339）；伊犁师范大学科研项目（2017YSYY18）；新疆维吾尔自治区高校科研计划项目（XJEDU2022P095）作者简介:史阳光（1990-），男，河南周口市人，讲师，博士，研究方向为新型建筑材料。通信作者:刘磊（1989-），男，河南周口市人，讲师，博士，研究方向为新型建筑材料。第49卷第9期中国测试Vol.49No.92023年9月CHINAMEASUREMENT&TESTSeptember,2023curvedecreasedslowlyafterfiberwasadded；Thesandratehasasignificanteffectoncompressivestrength,andthewater-cementratioandsandratearesignificantfactorsaffectingthetensilestrengthofsplitting.Thecompressivestrengthatlowtemperatureincreasedby1.6%-21.9%comparedwiththecompressivestrengthatroomtemperature.Thepredictionmodelofcompressivestrengthandsplittingtensilestrengthestablishedhashighaccuracy.Keywords:polypropylenefiberceramsiteconcrete;microstructure;compressivestrength;splittingtensilestrength;strengthpredictionmodel0 引言在混凝土中掺加聚丙烯纤维可改善其脆性、韧性、耐火性能，现已广泛应用在道路、房建、水利等土木工程领域1-2。陶粒混凝土是一种轻骨料混凝土，具有质轻、耐火、保温、隔热、隔音、工程造价低、脆性突出等特点；目前，纤维改善陶粒混凝土的力学性能已成为研究的热点3-4。权长青等5分析了钢纤维、聚丙烯纤维体积分数和粉煤灰掺量对 C40混凝土力学性能的影响规律，发现聚丙烯纤维对劈裂抗拉强度的提升幅度最大为 5.4%，并建立了上述因素与抗压强度和劈拉强度的回归方程。杨圣飞等6应用正交试验法探讨了玄武岩纤维掺量、陶粒和粉煤灰替代率对抗压强度、劈拉强度、抗折强度的影响，结果表明：玄武岩纤维可显著提高轻骨料混凝土的强度，尤其是在增强抗折强度方面，建立了三种因素与强度的高精度预测模型。Seeni等7、陈守开等8研究表明，聚丙烯纤维对混凝土劈裂抗拉强度的影响显著优于对抗压强度的影响。梁宁慧等9发现聚丙烯纤维长径比为 47.5 时，混凝土的和易性与力学性能最优。在耐久性方面，张秉宗等10研究发现聚丙烯纤维能够有效抑制毛细孔和非毛细孔的增多，增加了混凝土在复盐溶液中的循环次数，提高了耐侵蚀性能。在高温方面，李兵等11研究了不同纤维掺量、纤维长度对混凝土高温性能的影响，发现随着温度的升高，峰值应力和弹性模量减小，峰值应变与泊松比先降后增，当纤维长度 9mm，掺量为 0.5kg/m3时，高温后的性能最优。从上述研究成果可知，聚丙烯纤维混凝土可提高建筑物或构筑物全寿命周期内的耐久性和力学性能，因此可降低后期工程的维修费用，其经济效益显著。我国北部地区冬期时间长，混凝土结构长期处于低温环境中，为探明低温对混凝土力学性能的影响，时旭东等12研究了不同低温条件对抗压强度、劈拉强度的影响，结果表明：随着温度的下降，抗压强度呈增大趋势，但劈拉强度的变化率表现为先增大后减小的趋势。综上所述，对聚丙烯纤维混凝土的研究主要集中在工作性能、常温、高温下的力学性能、耐久性能等方面；对低温下聚丙烯纤维陶粒混凝土的强度变化和破坏机理报道较为少见。目前，建立的抗压强度、劈拉强度预测模型多考虑骨料替代率和粉煤灰掺量6、纤维掺量5-6等因素，对于以砂率、水灰比、纤维掺量为因素的强度预测模型还未见报道。基于此，通过正交实验设计，研究砂率、水灰比、纤维掺量对陶粒混凝土力学性能的影响规律，最后，建立陶粒混凝土强度预测模型，以期为其在工程结构设计中提供参考。1 试验概况1.1 材料水泥：天山牌 PO42.5R 普通硅酸盐水泥。砂子：中砂，细度模数 2.7。粗骨料为陶粒，性能指标见表 1。纤维：单丝束状聚丙烯纤维，性能指标见表 2。减水剂：聚羧酸高效减水剂，减水率 25%。水：自来水。表 1 陶粒物理力学性能指标堆积密度/(kgm3)表观密度/(kgm3)吸水率/%筒压强度/MPa颗粒尺寸/mm85916705.12.5520表 2 聚丙烯纤维物理力学性能指标密度/(kgm3)直径/mm抗拉强度/MPa弹性模量/GPa规格长度/mm9100.454754.7121.2 试验设计正交试验是研究多因素多水平的一种高效、快速、经济的设计方法。采用正交试验方法，以水灰比（A）、砂率（B）、聚丙烯纤维掺量（C）为三因素，168中国测试2023年9月每个因素对应的三个水平分别为 A(0.4，0.44，0.48)、B(0.34，0.37，0.40)、C(0.8，1，1.2)。参照JGJ552011普通混凝土配合比设计规程和JGJ512002轻骨料混凝土技术规程设计配合比，9 组试验的配合比见表 3。表 3 配合比组号水/kg水泥/kg陶粒/kg砂子/kg减水剂/kg水灰比（A）砂率(B)聚丙烯纤维（C）/kg1155.00 390.00 788.07 649.081.00.400.340.82155.00 390.00 752.25 706.351.00.440.370.83155.00 390.00 716.43 763.621.00.480.400.84155.00 350.00 802.77 661.181.00.480.371.05155.00 350.00 766.28 719.521.00.440.341.06155.00 350.00 729.79 777.861.00.400.401.07155.00 320.00 813.79 670.261.00.400.371.28155.00 320.00 776.80 729.401.00.440.401.29155.00 320.00 739.81 788.541.00.480.341.21.3 试件制作和试验方法考虑到陶粒具有吸水性，试件制作前，将陶粒提前浸泡 24h。试件制作时，先将陶粒和砂子混合干拌 0.5min，随后加入水泥干拌 1.5min，然后加入纤维干拌 2min，最后加入水和减水剂搅拌2min，试件制作完成。拌合物和成型后的试件分别见图 1、图 2。每组制作 9 个 100mm100mm100mm 立方体试件，每 3 块试件分别测试常温抗压强度、低温抗压强度、劈裂抗拉强度。为对比分析含有纤维混凝土破坏模式与素混凝土破坏模式的不同，做同种配合比下抗压强度和劈裂抗拉强度对照试验。试件制作完成后放入标准养护室中养护28天。开展低温抗压强度试验前，将试件放入型号为 MCGS 的高低温箱（见图 3）冷冻至目标温度30 后，再恒温保持 6h 后将试件从低温箱中取出进行测试；常温抗压强度、低温抗压强度、劈裂抗拉强度试验参照GB/T500812002普通混凝土力学性能试验方法标准进行，其中抗压强度的荷载-位移曲线通过万能试验机的数据采集系统获取，在劈裂试件侧面中心处布置位移计以获得劈裂抗拉强度的荷载-位移曲线。图 2 陶粒混凝土试块图 3 MCGS 高低温试验箱2 试验结果及分析2.1 纤维对抗压破坏形态的影响素陶粒混凝土受压破坏过程中，加载初期，微裂缝首先出现在试件中部并逐渐向角部延伸，随着荷载的增加，中部的混凝土慢慢剥落，试块最终破坏形态为正倒相连的四棱锥状，如图 4(a)所示。相较于素陶粒混凝土的破坏形态，常温（低温）纤维陶粒混凝土抗压试件，中部混凝土几乎不出现剥落现象，只有些许碎屑掉落，如图 4(b)、4(c)所示，试件破坏时基本保持完整，说明纤维起到了一定的约束作用；加载初期，微裂缝出现在试件中部的两侧，且随着荷载的增加，裂缝慢慢变宽并未向角部伸，如图 4(d)所示；峰值荷载过后，继续加载至破坏的过程中，应力的下降速率较素混凝土缓慢。素陶粒混凝土和常温下纤维陶粒混凝土破坏时均没有发出响声。低温下的抗压试件破坏与常温抗压明显不同的图 1 纤维陶粒混凝土拌合物第49卷第9期史阳光，等：聚丙烯纤维陶粒混凝土力学性能试验研究169是，试件受压过程中，伴随着吱吱的响声，试件破坏时发出爆裂声；试件破坏时的峰值荷载高于常温抗压时的峰值荷载。(a)素混凝土(b)常温下纤维混凝土(c)低温下纤维混凝土(d)纤维混凝土裂缝扩展图 4 抗压破坏形态2.2 纤维对抗拉破坏形态的影响图 5(a)给出了素混凝土的劈裂抗拉破坏形态，混凝土从产生裂缝到最终破坏的速度很快，初始裂缝一旦出现，试件很快在应力集中下劈裂成两部分，并产生较宽的断面。图 5(b)展示了纤维陶粒混凝土的破坏形态，试件破坏过程较为缓慢，破坏峰值应力较素混凝土有所提高，破坏时裂缝较窄，试件没有断裂成独立的两部分。在裂缝处可观察到纤维被拉断或处于绷紧状态。由于陶粒筒压强度低，试件抗压破坏和劈裂破坏时，都出现陶粒的破碎现象，如图 5(c)所示。2.3 细观成像分析对于抗压强度，当聚丙烯掺量为 1kg/m3时，混凝土内部的纤维分布不均匀，拌和过程中出现了团聚现象，图 6(a)给出了纤维堆叠、聚集的现象，且在纤维附近孔洞较多，图 6(b)展示了聚丙烯纤维交错排列形成空间网状的结构特征，上述纤维的分布特征均会导致混凝土内部缺陷增多，密实度降低，纤维与水泥基体的接触面积减少，水化产物不能充分填充空隙，使得纤维陶粒混凝土在宏观力学方面表现出抗压强度降低。而其他纤维掺量下的混凝土，纤维分布相对均匀，见图 6(c)、6(d)，由于聚丙烯纤维可以承受微裂缝端部的部分应力，吸收能量，抑制微裂缝的进一步发展，纤维起到了桥接作用，当纤维被拉断，聚丙烯纤维降低了混凝土的弹性应变能释放速率，增大了混凝土的耗散能13，从而提高了混凝土的延性和韧性，使得抗压强度提高。(a)纤维搭接(b)纤维网状分布(c)纤维桥接(d)纤维断裂图 6 抗压破坏时的纤维分布图 7 给出了聚丙烯纤维在劈裂断开处的 3 种分布形态，单根聚丙烯纤维穿插在水泥基质中如图 7(a)所示，部分纤维被拉断如图 7(b)所示，纤维处于拉伸绷紧状态如图 7(c)所示。上述纤维分布均与砂浆界面形成一定的机械咬合力，纤维的桥接作用加强了纤维与基体的黏结，劈拉破坏时，随着微裂缝的发展，聚丙烯纤维发挥二次加筋作用；而且，聚丙烯纤维可作为水泥基质的粘结基础，如(a)素混凝土(b)纤维混凝土(c)陶粒破碎图 5 劈拉破坏形态和陶粒破碎图170中国测试2023年9月图 7(d)所示，水泥基质附着在聚丙烯纤维上，不断固结更多的胶结物质，在混凝土内部薄弱孔隙处起到锚固加强作用进而提高混凝土的劈裂抗拉强度14。(a)纤维穿过水泥基质(c)纤维绷紧(d)水泥基质附着纤维(b)纤维断裂图 7 劈裂断开处纤维分布2.4 荷载-位移曲线图 8 给出了纤维混凝土的荷载-位移曲线；由图 8（a）、（b）可知，同一配合比下，低温下的压缩峰值荷载均高于常温下的峰值荷载，峰值荷载过后，低温下的荷载下降速率与常温条件下相近，但常温下的下降段位移值均大于低温下的位移值，说明低温条件下，纤维混凝土的极限荷载有所提高，但脆性破坏较为突出。由图 8（c）可知，不掺纤维时，试件最先达到极限荷载，并迅速失效，掺加纤维后试件曲线下降较为缓慢，说明纤维阻碍了裂缝的扩展。2.5 抗压强度、劈裂抗拉强度变化规律分析根据试验设计和相关试验规程，试验结果见表 4。从表 4 可知，组 9 的常温抗压强度、低温抗压强度值最大，分别为 37.3MPa，38.7MPa；低温抗压强度较常温抗压强度提高 1.6%21.9%，当砂率（水灰比）相同时，两种抗压强度随着水灰比（砂率）的增大而增加。随着混凝土抗压强度等级的提高，低温下的抗压强度较常温下增长率逐渐减少。低温抗压强度较常温抗压强度升高的原因：混凝土孔隙中的溶液不断结冰，空隙被冰逐渐填充，冰的强度高于溶液强度，且孔溶液中所包含的溶解物可以提高冰的强度15；而且，纤维和纤维之间、纤维与水化产物之间都形成空间网状结构以及纤维与砂浆界面存在孔隙，使得常温时水化产物不能完全填充的部分，在低温时，自由水结冰不但可以填充水化产物之间的空隙，也可填充纤维与砂浆界面形成的空隙，使得混凝土的有效受压面逐渐增大。因此，低温下混凝土抗压强度有所增强。随着水灰比的增大，较大毛细孔被冰体完全填充，冰的体积持续增大，混凝土表现出膨胀行为，冰体的生长增加400350300250200荷载/kN150100500400350300250200荷载/kN150100500253020荷载/kN151050246810位移/mm(a)常温下的压缩荷载-位移曲线(b)低温下的压缩荷载-位移曲线12141618246810位移/mm0.10.20.30.40.5位移/mm(c)劈拉荷载-位移曲线组 1组 2组 3组 4组 5组 6组 7组 8组 9组 1组 2组 3组 4组 5组 6组 7组 8组 9组 1无纤维组 2组 3组 4组 5组 6组 7组 8组 9图 8 荷载-位移曲线第49卷第9期史阳光，等：聚丙烯纤维陶粒混凝土力学性能试验研究171了孔壁应力并诱发微裂缝，但是由于纤维的存在，在一定程度上抑制了微裂纹的扩展，造成混凝土抗压强度的增加幅度降低。对于劈裂抗拉强度的变化，组 3 配合比下的强度达到最大 1.8MPa，当聚丙烯掺量为 0.8kg 时，随着砂率和水灰比增加其劈裂抗拉强度逐渐增长；当聚丙烯掺量为 1kg，1.2kg 时，劈裂抗拉强度没有表现出明显的一致性变化规律，其原因是劈裂抗拉强度还受到聚丙烯纤维分布方向的影响。2.6 极差分析对试验结果进行极差分析，如表 5 所示。表 5 极差分析因素 常温抗压强度/MPa 劈裂抗拉强度/MPa 低温抗压强度/MPaA5.600.204.10B8.900.175.80C1.700.131.37由表 5 极差分析可知，影响常温抗压强度因素主次顺序：砂率水灰比聚丙烯纤维；影响低温抗压强度主次顺序：砂率水灰比聚丙烯纤维。影响劈裂抗拉强度主次顺序：水灰比砂率聚丙烯纤维。2.7 方差分析为比较各因素对测试指标的影响程度，设置显著性水平=0.05 和=0.1，F0.05(2.2)=19，F0.1(2,2)=9，方差分析结果如表 6 所示。由表 6 可知，各因素对试块常温抗压强度的影响显著程度：水灰比，砂率对抗压强度的影响显著，纤维对抗压强度影响不显著。各因素对低温抗压强度的影响显著程度：砂率对抗压强度的影响显著，水灰比对抗压强度有影响；纤维掺量对抗压强度影响不显著。各因素对劈裂抗压强度的影响，水灰比、砂率对劈拉强度的影响均表现为高度显著，纤维掺量对劈裂抗拉强度有一定影响。3 聚丙烯纤维陶粒混凝土强度预测模型由复合材料力学理论，假定混凝土强度与基体材料强度，纤维含量、骨料、水灰比有关，根据前述方差分析，纤维掺量对抗压强度影响不显著，因此其常温、低温抗压强度预测模型仅考虑砂率和水灰比两种因素，见式（1）；纤维、水灰比、砂率均对劈裂抗拉强度有影响，建立式（2）的预测模型。fcu=0+1x1+2x2+3x1x2+4x12+5x22(1)fts=0+1x1+2x2+3x3+4x12+5x22(2)fcu式中：混凝土抗压强度；fts劈裂抗拉强度；012345、回归系数；x1水灰比；x2砂率；x3纤维掺量。利用 SPSS 软件中的多元非线性统计分析模块，对常温、低温抗压强度、劈裂抗拉强度进行回归分析，得出各回归系数值及决定系数 r2见表 7 所示。并计算出实测值与预测值的相对误差列于表 8。表 7 拟合参数和决定系数值模型012345r2常温抗压强度141.78 707.291681.94 979.17 312.5 3055.56 0.985低温抗压强度138.05 234.581007.41 916.67 177.08 2037.04 0.991劈拉强度2.78120.833 16.4810.33320.833 18.519 0.922表 4 试验结果组号水灰比（A）砂率(B)聚丙烯纤维（C）/kg常温抗压强度/MPa低温抗压强度/MPa劈裂抗拉强度/MPa10.40.340.823.228.21.520.440.370.825.631.21.730.480.40.83436.31.840.480.37126.731.51.550.440.34129.532.41.660.40.4136.537.11.570.40.371.231.2351.480.440.41.231.134.31.490.480.341.237.338.71.6表 6 方差分析结果1)指标因素 离差平方和均方F值显著性常温抗压强度/MPaA47.5423.7726.12*B133.9466.9773.59*C4.742.372.6低温抗压强度/MPaA25.3812.699.03*B57.1828.5920.37*C2.821.411劈裂抗拉强度/MPaA0.060.03128*B0.040.02119*C0.040.01818*注:1)*显著影响；*有影响；影响不显著。172中国测试2023年9月表 8 预测值与实验值的相对误差%模型123456789常温抗压强度1.33 0.650.42 2.51.47 0.64 1.15 0.86 0.25低温抗压强度1.11.67 0.58 0.39 0.140.210.54 1.40.75劈拉强度0.671.18 0.56 40 0.632.672.860.71 3.75由表 7 可知，两种模型的决定系数均在 0.90 以上，说明建立的强度模型可靠。由表 8 可知，对于抗压强度、劈裂抗拉强度预测模型的相对误差在4%以内，强度模型精度高，可为优化实验室纤维陶粒混凝土配合比提供技术支持以及为工程化应用提供参考。4 结束语1）聚丙烯纤维陶粒混凝土在低温环境下抗压强度较常温抗压强度有所提高。2）聚丙烯纤维改变了混凝土破坏形态，抗压破坏时，纤维起到了桥接作用增强了混凝土的韧性，增大了混凝土的耗散能，表现出明显的塑性特征；劈拉破坏时，混凝土试件在纤维的桥联作用下断裂成相连接的两部分。3）常温抗压强度水灰比、砂率对其有显著影响，砂率对低温抗压强度有显著影响，水灰比有一定的影响，纤维对抗压强度的影响程度不显著。三种因素对劈裂抗拉强度均有影响，水灰比和砂率为显著影响因素。4）建立的强度预测模型预测值与实测值的相对误差在 4%以内，模型精度高，可为聚丙烯纤维陶粒混凝土工程化应用提供参考。参考文献庞建勇,徐道富.聚丙烯纤维混凝土喷层支护技术及其在顾桥矿区的应用J.岩石力学与工程学报,2007,184(5):1073-1077.1李永松,李建峰,刘颖,等.聚丙烯腈纤维混凝土在西部高寒地区水利工程中的应用研究J.水力发电,2018,44(11):121-124.2郝绍菊,马竞.混杂纤维协同增强轻骨料混凝土力学性能试验研究J.中国测试,2022,48(6):128-133.3杨春景,孙红霞,朱鹏宇.硫酸盐侵蚀玄武岩纤维轻骨料混凝土力学性能研究J.中国测试,2021,47(6):68-74.4权长青,焦楚杰,杨云英,等.混凝土力学性能的正交实验研究J.建筑材料学报,2019,22(3):363-370.5杨圣飞,李海艳,向杰.玄武岩纤维粉煤灰增强陶粒混凝土力学性能试验研究J.中国测试,2022,48(4):166-172.6SEENI B S,MURGAN M.Effect of aggregate size onproperties of polypropylene and glass fibre-reinforcedpervious concreteJ.International Journal of 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