一种多尺寸聚丙烯纤维混凝土的制作方法

本发明属于混凝土领域，具体涉及一种多尺寸聚丙烯纤维混凝土。
背景技术：
：混凝土通常是由水泥、颗粒状骨料、水以及化学外加剂和矿物掺合材料(矿物外加剂)按适当比例配合，经均匀搅拌、密实成型和养护硬化而成的人工石材，它具有原材料来源广泛、价格低廉、力学性能优良、生产工艺简单等特点成为当代应用最广泛的土木工程材料。聚丙烯纤维是以等规聚丙烯为原料纺丝制得的合成纤维，是化学纤维中最轻的品种；强度为35～62cN/dtex；耐磨性仅次于聚酰胺纤维；耐腐蚀性良好，尤其是对无机酸、碱稳定性很好。随着现代工程技术的高速发展，水工建筑物，西部高原地区，大跨度等复杂特殊环境对建筑材料提出越来越高要求。普通混凝土难以满足特殊环境条件对其强度、耐久性等方面的要求。然而，由水泥基材料的多尺度特性及其破坏过程可知，微裂缝的持续扩展是水泥材料破坏的根源，因此，针对其多尺度结构特点，提出掺加多尺寸纤维使其在不同尺度下抑制裂纹扩展，可以有效改善水泥基材料的力学性能。纵观纤维混凝土的研究现状，多数采用单掺或混掺2种不同弹性模量的纤维，有关多尺寸聚丙烯纤维混凝土较优纤维掺量的研究鲜有报道。技术实现要素：有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多尺寸聚丙烯纤维混凝土，本发明选用2种尺寸的聚丙烯细纤维与1种聚丙烯粗纤维，在相同拌合工艺，相同配合比条件下进行单掺及混掺，通过对不同纤维掺量混凝土试件进行单轴抗压，劈裂抗拉，快速冻融，切口梁三点弯曲试验，研究了多尺寸聚丙烯纤维混凝土的单轴抗压强度，劈裂抗拉强度，抗冻性，断裂能及断裂韧度，提出多尺寸聚丙烯纤维混凝土的一种纤维较优掺量。为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多尺寸聚丙烯纤维混凝土，由聚丙烯纤维、混凝土和减水剂组成，所述聚丙烯纤维为束状单丝聚丙烯纤维，由FF1、FF2和CF1组成；所述FF1和FF2是聚丙烯细纤维，直径分别为0.026mm和0.10mm，长度均为19mm；所述CF1是聚丙烯粗纤维，直径为0.8mm，长度为50mm；掺量为FF1＝0.50～0.65kg/m3，FF2＝0.50～0.65kg/m3，CF1＝4.0～5.0kg/m3。优选的，所述掺量为FF1＝0.6kg/m3，FF2＝0.6kg/m3，CF1＝4.8kg/m3。优选的，所述FF1、FF2和CF1的抗拉强度分别不小于620MPa、300MPa和700MPa，弹性模量分别不小于4.3GPa、4.5GPa和7.0GPa。优选的，所述FF1、FF2和CF1的断裂伸长率分别不大于40％、15％和10％，密度分别不小于0.91g/cm3、0.91g/cm3和0.95g/cm3。优选的，所述减水剂掺量为水泥质量的0.9％～1.1％。优选的，所述减水剂掺量为水泥质量的1％。优选的，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂。进一步，所述混凝土由水泥、砂、石子和水组成，所述水泥：砂：石子：水的重量比为1.0～1.2:1.8～1.9:3.0～3.1:0.4～0.5。优选的，所述水泥为标号42.5R的硅酸盐水泥；所述石子为粒径5～20mm的碎石，连续级配；所述砂为人工砂和特细砂，细度模数分别为2.8～3.0和0.7～0.9，砂中粒径小于0.075mm的颗粒不应超过砂总重量的20％，特细砂与人工砂质量比为0.24～0.26，砂率为37％～38％。优选的，砂率为38％。本发明的有益效果在于：将多尺寸聚丙烯纤维按本发明所述掺量加入到水泥基体中，得到的多尺寸聚丙烯纤维混凝土与现有技术相比具有以下优点：(1)明显提高混凝土抗压和劈裂性能；(2)有效提高混凝土抗冻性；(3)能大幅度提高混凝土的断裂性能。附图说明为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：图1为混凝土单轴抗压强度图。图2为混凝土劈裂抗拉强度图。图3为冻融后混凝土单轴抗压强度图。图4为冻融后混凝土劈裂抗拉强度图。图5为混凝土抗压强度损失率图。图6为混凝土劈裂抗拉强度损失率图。图7为质量损失率与冻融循环次数的关系图。图8为相对动弹性模量与冻融循环次数的关系图。图9为混凝土断裂能图。图10为混凝土断裂韧度图。具体实施方式下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。1、一种多尺寸聚丙烯纤维混凝土，由聚丙烯纤维、混凝土和减水剂组成，所述聚丙烯纤维为FF1+FF2+CF1，掺量为FF1+FF2+CF1＝0.50～0.65kg/m3+0.50～0.65kg/m3+4.0～5.0kg/m3。其物理力学指标见表1。表1聚丙烯纤维的物理力学指标2、混凝土强度等级为C30，配合比见表2。试验中粗聚丙烯纤维(CF1)、细聚丙烯纤维(FF1、FF2)的掺量是根据大量试验和工程经验确定，单掺聚丙烯细纤维(FF1、FF2)的最佳掺量为0.9kg/m3，单掺聚丙烯粗纤维(CF1)的最佳掺量为6kg/m3。表2C30混凝土配合比(kg/m3)3、拌合工艺：聚丙烯纤维在混凝土中的分散性非常重要。试验采用双卧轴混凝土试验用搅拌机，本试验采用先掺法，搅拌流程如下：1)首先将砂、石子倒入搅拌筒内，开动搅拌机，并将聚丙烯纤维均匀撒入搅拌筒内，搅拌约2min；2)将水泥缓慢倒入搅拌筒，搅拌约2min，此时可见聚丙烯细纤维在搅拌筒上方飘动；3)将水缓慢均匀倒入，搅拌时间约2min。搅拌完成后测试混凝土坍落度，测试后发现聚丙烯纤维在混凝土中的分布较均匀，和易性也满足施工要求。4、试验采用100mm×100mm×100mm正方体试件，100mm×100mm×400mm棱柱体试件及100mm×100mm×515mm棱柱体试件。混凝土正方体试件共9组，每组6个，直接用于测试抗压和劈裂抗拉强度；混凝土100mm×100mm×400mm棱柱体试件共9组，每组3个试件，用于冻融循环试验；混凝土100mm×100mm×515mm棱柱体试件共9组，每组3个试件，用于三点弯曲加载试验。5、混凝土抗压及劈裂抗拉试验按照(GB/T50081—2002)《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。6、混凝土冻融试验按照(GB/T50082-2009)《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行。7、混凝土切口梁三点弯曲加载试验按照(DL/T5332-2005)《水工混凝土断裂试验规程》进行。实施例1、混凝土抗压和劈裂抗拉强度试验本次试验采用100mm×100mm×100mm立方体非标准试件，测得的单轴抗压强度值均应乘以尺寸换算系数0.95，劈裂抗拉强度值需乘以0.85的尺寸换算系数。混凝土单轴抗压强度如表3和图1所示，劈裂抗拉强度如表4和图2所示：表3混凝土单轴抗压强度测定记录表表4混凝土劈裂抗拉强度测定记录表从表3、表4、图1和图2可知：与素混凝土相比，掺加纤维的混凝土抗压、劈裂抗拉强度均有所提高，抗压强度提高2％～63.5％，抗拉强度提高6.5％～29.1％；单掺聚丙烯细纤维混凝土的抗压、劈裂强度提高较小，而单掺聚丙烯粗纤维混凝土的抗压、劈裂强度提高较大；A4～A6均为混掺两种聚丙烯纤维的试件，其在纤维总掺量相同的情况下，细纤维比例越多，混凝土的抗压、劈裂抗拉强度提高越大；对比纤维掺量及粗细纤维比例均相同的A5和A7试件以及A6和A8试件，与A5试件相比，A7试件抗压强度提高12.2％，抗拉强度提高5.2％；与A6试件相比，A8试件抗压强度提高22.5％，抗拉强度提高6.3％；A7、A8试件为2种尺寸细纤维与1种粗纤维混掺的多尺寸聚丙烯纤维试件，从结果可看出，总掺量相同条件下，细纤维比例较多的A8试件抗压、劈裂抗拉强度分别比细纤维比例较少的A7试件提高11.7％和3.3％；在A1～A8试件中，A8试件的抗压、劈裂抗拉强度相比素混凝土提高幅度最大，分别达到63.5％和29.1％。综上可知：多尺寸聚丙烯纤维混凝土的抗压、劈裂抗拉强度与不掺、单掺及2种聚丙烯纤维混掺的混凝土相比要高。从试验数据可以看出，在纤维总掺量相同条件下，细纤维比例越高，效果越好，所以本次试验较优掺量的试件为A8。根据大量试验和工程经验可知聚丙烯细纤维的允许掺量范围为0.6kg/m3～1.2kg/m3，本试验中A8试件的细纤维掺量总和为1.2kg/m3，若继续提高细纤维掺量，纤维在混凝土基体中的平均间距减小，导致其相互重叠、缠绕、搭接、交叉，从而降低聚丙烯纤维在混凝土中的分散性，影响拌合质量，产生负面效应。机理分析：针对混凝土多尺度结构特点掺加多尺寸纤维，在不同尺度下分别抑制裂纹扩展。并且在其受力过程中多尺寸聚丙烯纤维能与混凝土共同作用，协同变形，在混凝土试件开始产生裂纹时，多尺寸聚丙烯纤维能形成空间支撑体系使得混凝土裂而不坏，保持混凝土试件整体性，产生“箍筋效应”。从而提高了混凝土的抗压、拉能力。实施例2、混凝土冻融循环试验冻融循环200次后混凝土单轴抗压强度如表5和图3所示，劈裂抗拉强度如表6和图4所示：表5冻融后混凝土单轴抗压强度测定记录表表6冻融后混凝土劈裂抗拉强度测定记录表由表5、表6、图3和图4可知：纤维的加入对冻融后混凝土的抗压、劈裂抗拉强度有所提高，分别为抗压强度提高3.0％～85.0％，抗拉强度提高8.2％～42.0％；与A0D相比，单掺聚丙烯细纤维对冻融后混凝土抗压、劈裂抗拉强度提高较小，而单掺聚丙烯粗纤维对其抗压、劈裂抗拉强度提高较大；A4D～A6D均为混掺聚丙烯纤维的冻融后混凝土试件，相比A0D，在纤维总掺量相同的情况下，细纤维比例越多，其抗压、劈裂抗拉强度提高越大；对比纤维掺量及粗细纤维比例均相同的A5D和A7D试件以及A6D和A8D试件，与A5D试件相比，A7D试件抗压强度提高26.1％，抗拉强度提高9.5％；与A6D试件相比，A8D试件抗压强度提高44.4％，抗拉强度提高14.4％；A7D、A8D试件为2种尺寸细纤维与1种粗纤维混掺的多尺寸聚丙烯纤维试件，从结果可看出，总掺量相同条件下，细纤维比例较多的A8D试件抗压、劈裂抗拉强度分别比细纤维比例较少的A7D试件提高22.6％和6.2％；与A0D相比，A8D试件抗压、劈裂抗拉强度提高幅度比A1D～A7D都高，提高量分别达到85.0％和42.0％。冻融循环200次后各试件抗压强度损失率如表7和图5，劈裂抗拉强度损失率如表8和图6：表7冻融后混凝土单轴抗压强度损失率记录表试件编号冻融前平均抗压强度(MPa)冻融后平均抗压强度(MPa)损失率(％)A029.623.420.9A130.324.419.5A230.224.120.2A335.629.417.4A432.626.817.8A538.631.917.4A639.532.916.7A743.338.012.2A848.443.310.5表8冻融后混凝土劈裂抗拉强度损失率记录表试件编号冻融前平均抗拉强度(MPa)冻融后平均抗拉强度(MPa)损失率(％)A02.922.4320.2A13.142.6717.6A23.112.6318.3A33.312.8914.5A43.122.7115.1A53.473.0713.0A63.503.1012.9A73.653.3010.6A83.773.459.3由表7、表8、图5和图6可见：掺入纤维的混凝土试件抗压、劈裂抗拉强度损失率均低于素混凝土试件；单掺聚丙烯细纤维的A1、A2试件抗压、劈裂抗拉强度损失率仅略低于素混凝土，单掺聚丙烯粗纤维强度损失率比单掺细纤维低；对比纤维总掺量相同的混掺试件A4～A8，多尺寸聚丙烯纤维混凝土试件A7、A8试件的强度损失率均低于混掺两种纤维的A4～A6试件；A4～A6均为混掺聚丙烯纤维的试件，纤维总掺量相同的情况下，细纤维比例越多，混凝土的抗压、劈裂抗拉强度损失率越小；对比粗细纤维掺量均相同的A5和A7试件以及A6和A8试件，多尺寸聚丙烯纤维混凝土试件A7抗压、劈裂抗拉强度损失率分别为12.2％和10.6％,远低于A5的17.4％和13.0％，而A8试件抗压、劈裂抗拉强度损失率仅为10.5％和9.3％，远低于A6试件的16.7％和12.9％；对比A7、A8两种多尺寸聚丙烯纤维混凝土试件，细纤维比例较多的A8试件，其抗压强度和劈裂抗拉强度损失率均低于A7试件；与素混凝土相比，A8试件抗压、劈裂抗拉强度损失率比A1～A7都低，分别为10.5％和9.3％。图7为不同纤维掺量聚丙烯纤维混凝土在200次冻融循环过程中的质量损失率变化曲线图，从图7可以看出：在冻融循环作用下，部分试件在25次冻融后，质量有略微增加，这是由于试件的内部裂纹产生，含水率增加，使质量轻微增加，但随着冻融次数的增加，试件表面剥落加剧，质量开始下降。在125次冻融前各试件的质量变化速率均较小，125次冻融循环之后，由于混凝土表面剥落开始加剧，使得其质量变化速率加快。200次冻融循环作用后，单掺粗纤维的A3试件质量损失率最大，达到0.7324％，素混凝土A0次之，达到0.6562％，多尺寸聚丙烯纤维混凝土A8试件质量损失率最低，仅为0.1215％；在175次冻融循环之后，混掺了2种及以上纤维的A4～A8试件的质量损失率均小于不掺和单掺纤维混凝土的A0～A3试件，并且在纤维总掺量相同的A4～A8试件中，细纤维掺量比例较多的A6及A8试件，其抗剥落能力更优，尤其是多尺寸聚丙烯纤维混凝土试件A8，表面几乎无剥落。图8反映了冻融循环对聚丙烯纤维混凝土试件相对动弹性模量的影响，从图8中可以看出：9组试件的相对动弹性模量均随着冻融循环的次数增加不断降低，在25次冻融前降低速率较快，之后变缓，约100次冻融循环后降低速率再次加快；整体来看，随冻融循环次数增加未掺入纤维的A0试件相对动弹性模量的下降速率最快，在200次冻融后其相对动弹性模量仅为86％，而掺入纤维的A1～A8试件相对动弹性模量降低量相比A0试件都有不同程度减小，可见掺入纤维能有效抑制试件内部因冻融循环而产生的损伤；掺入了纤维的A1～A8试件中，混掺2种及以上纤维的试件A4～A8，其在不同冻融循环次数下的相对动弹性模量明显高于单掺纤维试件A1～A3；在混掺纤维的试件A4～A8中，多尺寸聚丙烯纤维混凝土A7、A8试件在不同冻融循环次数下的相对动弹性模量明显高于混掺两种纤维的A4～A6试件，并且其降低速率也较慢，具有非常好的抗冻性，特别是细纤维比例较多的A8试件在200次冻融循环过程中，其相对动弹性模量始终比其他试件高，且在200次冻融循环后相对动弹性模量高达95.7％。综上可知：聚丙烯纤维混凝土冻融后的抗压、劈裂抗拉强度、抗冻融剥落能力和相对动弹性模量与冻融后的素混凝土相比都有不同程度的提高，而且可以明显看出A8试件的抗冻性最好，因此，本次试验较优掺量的试件为A8。机理分析：研究已表明混凝土的冻融破坏主要受饱水度、孔结构以及含气量的影响。不同尺寸聚丙烯纤维的加入会阻碍混凝土搅拌和成型过程中内部空气的溢出，增加混凝土的内部孔隙，并使得其内部大孔隙更加细化，产生无数微小且不连通的气泡，提升混凝土的含气量，降低孔隙中的饱水程度。同时，由于混凝土内部闭合气泡的存在，可以缓解混凝土在冻融过程中因孔隙水结冰而产生的冻胀压力和渗透压力，从而降低混凝土损伤程度，提高其抗渗、抗冻性能。在粗、细纤维总掺量均相同的条件下，多尺寸聚丙烯纤维混凝土的抗冻性优于两种混掺纤维混凝土，这是由于多尺寸聚丙烯纤维级配更好，不同尺寸的纤维能分别作用于不同尺度的裂纹，有效地抑制了微裂纹的产生和发展，降低了损伤程度。从而更加提高了混凝土的抗冻性。实施例3、混凝土切口梁三点弯曲加载试验混凝土切口梁三点弯曲加载试验得到的混凝土断裂能如表9和图9所示:表9混凝土断裂能试验结果从表9和图9可见：纤维的掺入对混凝土断裂能提高幅度很大，与素混凝土相比，其断裂能提高46.8％～237.6％，其中，单掺聚丙烯细纤维的A1试件提高量最少，为46.8％，而多尺寸聚丙烯纤维混凝土A8试件提高的最多，为237.6％；多尺寸聚丙烯纤维混凝土A7、A8试件，从结果可看出，总掺量相同条件下，细纤维比例较多的A8试件断裂能比A7试件提高48.3％；在掺入纤维的混凝土试件A1～A8中，与素混凝土相比，A8试件混凝土断裂能提高量最大，高达237.6％。混凝土切口梁三点弯曲加载试验得到的混凝土断裂韧度如表10和图10所示:表10混凝土断裂韧度从表10和图10可见：单掺聚丙烯纤维混凝土A1、A2及A3试件和掺入2种聚丙烯纤维混凝土的A4、A5及A6试件与素混凝土相比，其对混凝土断裂韧度的提高量在1.9％～10.3％之间，提高量并不显著；多尺寸聚丙烯纤维混凝土A7和A8试件对混凝土断裂韧度的提高效果较明显，分别为23.1％和25.2％；在掺入纤维的混凝土试件A1～A8中，与素混凝土A0相比，A8试件混凝土断裂韧度提高量最大，达到25.2％。综上可知：掺加聚丙烯纤维的混凝土与素混凝土相比，其断裂能和断裂韧度都有不同程度的提高，而且可以明显看出A8试件断裂能和断裂韧度的提高量最大，因此，本次试验较优掺量的试件为A8。机理分析：不同尺寸聚丙烯纤维在混凝土基体裂缝发展的不同阶段发挥作用，细聚丙烯纤维改善混凝土开裂前的抗裂性能，粗聚丙烯纤维在混凝土开裂后具有较强的桥接作用，粗、细聚丙烯纤维的协同作用使得混凝土断裂能得到较大提高，增强了混凝土的断裂特性。聚丙烯纤维的掺入使得混凝土的断裂韧度有所提高。在试件宽度、高度、跨度及切口深度一致的情况下，断裂韧度只受峰值荷载影响，峰值荷载与混凝土基体强度相关，掺入的聚丙烯纤维可以在一定程度上改善混凝土基体的初始缺陷，使得混凝土的峰值荷载有所提高。混掺聚丙烯纤维混凝土断裂韧度的提高程度大于单掺聚丙烯纤维混凝土，且三种聚丙烯纤维混掺的混凝土试件断裂韧度的提高量最多，这也表明不同尺寸聚丙烯纤维的协同作用能较大程度的提高混凝土的断裂韧度。最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。当前第1页1 2 3