纖維網(wǎng)增強(qiáng)混凝土（FRC）力學(xué)性能試驗(yàn)

摘要:纖維網(wǎng)增強(qiáng)混凝土（FRC）力學(xué)性能試驗(yàn)

1. 概述

為了維護(hù)鐵路混凝土橋涵結(jié)構(gòu)的耐久性，有必要為防水層發(fā)展一種更為經(jīng)濟(jì)有效的保護(hù)層，從而使防水層經(jīng)久耐用，有效地保護(hù)梁體不受雨水的侵蝕。

纖維網(wǎng)（Fibermesh）增強(qiáng)混凝土是在普通混凝土中摻入網(wǎng)狀聚丙烯纖維網(wǎng)而形成的纖維增強(qiáng)混凝土。它不僅具有普通混凝土的特性，還具有較高的抗折強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度及抗疲勞強(qiáng)度、耐磨、優(yōu)良的韌性，特別是抗早期塑性收縮裂紋的能力。纖維網(wǎng)質(zhì)輕，摻量低，易于分散，施工簡(jiǎn)便。

本試驗(yàn)一共選擇三種纖維網(wǎng)摻量，即1袋0.9kg，2袋1.8kg和3袋2.7kg，均屬低摻量。結(jié)果表明，當(dāng)摻量每立方混凝土達(dá)到2袋，即正1.8公斤時(shí)，材料性能滿足了防水層的技術(shù)要求。

以下全面介紹纖維網(wǎng)增強(qiáng)混凝土的試驗(yàn)結(jié)果。

2. 材料

2.l網(wǎng)狀聚丙烯纖維網(wǎng)

纖維網(wǎng)是由非再生聚丙烯材料，以纖維束的方式生產(chǎn)的一種混凝土增強(qiáng)材料，由美國(guó)合成工業(yè)纖維網(wǎng)公司獨(dú)家生產(chǎn)。纖維網(wǎng)纖維在混凝土攪拌過(guò)程中被撕裂成一根根單獨(dú)纖維，例如當(dāng)每立方米混凝土摻入0．9kg，攪拌后將有710萬(wàn)根獨(dú)立的纖維，以三維方式均勻分布在混凝土中。該產(chǎn)品于80年代中后期推向全球，目前已在60多個(gè)國(guó)家和地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。纖維網(wǎng)在混凝土中應(yīng)用發(fā)揮以下功能：有效地抑制混凝土早期塑性收縮裂紋，增加混凝土的韌性和抗沖擊能力，抗腐蝕，耐磨耗，減少滲透性。由于纖維網(wǎng)混凝土具有上述優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于公路和高速公路的路面和護(hù)攔，橋梁的主體結(jié)構(gòu)及橋面，飛機(jī)場(chǎng)跑道、停機(jī)坪，隧道和礦井用噴射混凝土，以及板材及管材等。聚丙烯纖維網(wǎng)纖維性能見(jiàn)表一1。

比重 抗拉強(qiáng)度 彈模 燃點(diǎn) 融點(diǎn) 長(zhǎng)度 吸水性 熱傳導(dǎo) 電傳導(dǎo) 抗腐蝕

` MPa GPa ℃ ℃ mm ` ` ` `

0.91 560-570 3.50 590 160-170 19 無(wú) 低 低 高

2.2 水泥

525普通硅酸鹽水泥，太行山牌。

2.3 粗骨料

碎石，5-10mm

2.4 砂

中粗砂

2.5 減水劑

FDN高效減水劑

3. 配合比

表-2 配合比（kg/m3）

編號(hào) 水 水泥 砂 碎石 纖維網(wǎng) 減水劑

1-基準(zhǔn) 222 500 810 810 0 2.5

2-1袋 222 500 810 810 0.9 2.5

3-2袋 222 500 810 810 1.8 2.5

4-3袋 222 500 810 810 2.7 2.5

4．試樣制備

4.1攪拌方法

*將粗骨料，砂子和水泥放入攪拌機(jī)中，攪拌lmin，

*將水和減水劑放人攪拌機(jī)中，攪拌lmin成均勻狀態(tài)，

*將聚丙烯纖維網(wǎng)放入攪拌機(jī)中，攪拌4－5min，均勻后，澆制試樣

*將試模放在振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)4－5min，成型。

4.2養(yǎng)護(hù)

在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，即溫度20±30℃，濕度為90％以上，養(yǎng)護(hù)一天脫模，然后養(yǎng)護(hù)到所需齡期。

5．試驗(yàn)結(jié)果

5.l 抗折強(qiáng)度

試樣尺寸為 100×100×400mm，三點(diǎn)彎曲，跨度為 360mm，齡期為7和28天。每組三個(gè)試樣，取均值。結(jié)果見(jiàn)表一3。

5.2 斷裂能

斷裂能是基于斷裂力學(xué)概念發(fā)展而來(lái)一種反映混凝土抗裂能力和抗沖擊能力的力學(xué)性能指標(biāo)。采用國(guó)際材料與結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究所協(xié)會(huì)、國(guó)際予應(yīng)力協(xié)會(huì)和歐洲混凝土委員會(huì)聯(lián)合建議的方法，RILEM－50－FMC進(jìn)行實(shí)驗(yàn)［2］，試樣尺寸100×100×400mm帶中心裂紋。用混凝土鋸切割裂紋，裂紋深度為30mm。實(shí)驗(yàn)是在德國(guó)產(chǎn)SCHENCK PSB 250KN電液伺服材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)機(jī)剛度為3μm/kN。計(jì)算機(jī)控制位移加載，夾頭位移速度100μm/min。同時(shí)用x－y記錄儀記錄下載荷一位移曲線，斷裂試驗(yàn)測(cè)試裝置見(jiàn)圖1及像片1和2。圖2為所記錄的載荷一夾頭位移曲線。

P-載荷 L-跨度 AE-聲發(fā)射 a-裂紋深 △-位移

CMOD-裂紋嘴張開(kāi)位移

圖1 混凝土斷裂試驗(yàn)測(cè)試裝置

夾頭位移，mm

圖2 混凝土斷裂試驗(yàn) 載荷-還將夾頭位移曲線Y（1）為基準(zhǔn)試樣（不摻）Y（2）為

纖維網(wǎng)試樣（每m3摻2袋）。計(jì)算斷裂能面積的時(shí)在位移2mm處截止

RILEM-50-FMC定義的斷裂能為擴(kuò)展單位面積裂紋所吸收的能量。由定義得混凝土梁三點(diǎn)彎曲時(shí)斷裂能的計(jì)算公式為：Gf=W0-mgσ0/Alig

式中：

Gf：為斷裂能，

W0：為載荷一夾頭位移曲線下的面積，如圖 2所示

m：為支承點(diǎn)之間梁的質(zhì)量，

g：重力加速度，

σ0：梁斷裂時(shí)的位移，

Alig：韌帶面積，即，

Alig＝b×（h－σ0）

b：梁寬，

h：梁高，

σ0：切口深度。

從斷裂能的定義可以看出：斷裂能能夠直接評(píng)價(jià)混凝土韌性的高低，斷裂能越高，表明材料在斷裂前吸收的能量越多，因而材料具有良好的韌性和抗沖擊能力。斷裂能是表征混凝土材料抗斷裂能力的一個(gè)重要指標(biāo)。表一3為抗折強(qiáng)度MOR和斷裂能的試驗(yàn)結(jié)果。

表-3抗折強(qiáng)度MOR和斷裂能的試驗(yàn)結(jié)果

Samples 7days 28days

No MOR Gf MOR Gf

MPa N/m MPa N/m

1a 5.51 114.00 5.55 141.00

1b 5.00 99.00 5.74 147.00

1c 5.32 113.00 5.15 134.00

1-ref 5.28 108.67 5.48 140.67

2a 5.64 152.00 5.93 226.00

2b 5.57 146.80 5.58 211.00

2c 5.63 164.00 5.37 199.00

2-1bag 5.61 154.27 5.63 212.00

3a 5.76 196.00 6.00 329.00

3b 5.79 200.50 5.82 331.00

3c 6.03 202.00 6.38 359.00

3-2bags 5.86 199.50 6.07 339.67

4a 5.55 194.00 6.45 364.00

4b 6.15 201.00 6.21 `

` ` ` 6.19 344.00

4-3bags 5.85 197.50 6.33 354.00

5.3 抗壓強(qiáng)度

試樣尺寸為100×100×100mm，結(jié)果見(jiàn)表-4。

表-4抗壓強(qiáng)度 *三個(gè)試樣的平均值

No 7days* 28days*

MPa MPa

1-ref. 490 527

2-1bag 526 576

3-2bags 612 627

4-3bags 491 539

6. 耐久性試驗(yàn)

眾所周知聚丙烯纖維網(wǎng)有良好的耐久性，我們驗(yàn)證其耐久性，進(jìn)行了聚丙烯纖維網(wǎng)的加速老化試驗(yàn)。

試樣為40×40×160mm3三點(diǎn)彎曲砂漿抗折試樣，525#普通硅酸鹽水泥，標(biāo)準(zhǔn)砂，灰砂比為回2：2.5，F(xiàn)ibermesh摻量為每m3兩袋，即1.8kg。試樣標(biāo)養(yǎng)3天后，將試樣浸放80℃熱水中3，7和14天后測(cè)定其抗折強(qiáng)度MOR。在80℃熱水浸放一晝夜相當(dāng)于大氣暴露4－6年[3]。所以，試樣浸放80℃熱水中3天,7天和14天，相當(dāng)于大氣暴露15年、45年和70年。加速老化試驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)表一5和圖5。

表5 聚丙烯纖維網(wǎng)的加速老化試驗(yàn)

No MOR No MOR No MOR

` MPa ` MPa ` MPa

1-3days ` ` 2-7days ` 3-14days

1.a 6.98 2.a 6.57 3.a 6.73

1.b 5.45 2.b 6.49 3.b 8.38

1.c 6.94 2.c 6.22 3.c 7.96

Mean values 6.46 ` 6.43 ` 7.69

圖5 聚丙烯纖維網(wǎng)的加速老化試驗(yàn)

7. 討論

●根據(jù)以往觀察，混凝土橋涵結(jié)構(gòu)防水層的保護(hù)層所產(chǎn)生的裂紋，大部分是由于保護(hù)層混凝土的早期塑性收縮引起的。眾所周知纖維網(wǎng)增強(qiáng)混凝土具有優(yōu)良的抗早期塑性收縮裂紋的能力，所以用纖維網(wǎng)增強(qiáng)混凝土作保護(hù)層能發(fā)揮防水層的保護(hù)層作用。

●斷裂能是基于斷裂力學(xué)概念發(fā)展而來(lái)一種反映混凝土抗裂能力和抗沖擊能力的力學(xué)性能指標(biāo)。在普通混凝土中摻入低摻量的網(wǎng)狀聚丙烯纖維網(wǎng)后，其28天的抗折強(qiáng)度僅提高 2.7％（l袋），10.7％（2袋）和 15.5％（3袋），而斷裂能則分別提高引51％，142％和153％。從圖2可以看出，在峰值載荷后，梁體出現(xiàn)了宏觀裂紋，纖維網(wǎng)混凝土仍有一定強(qiáng)度，當(dāng)試驗(yàn)梁跨中位移為lmm時(shí)，不摻纖維網(wǎng)的混凝土其抗力消耗殆盡，而摻2袋纖維網(wǎng)的混凝土其抗力仍有800N，這充分說(shuō)明了，纖維網(wǎng)增強(qiáng)混凝土有優(yōu)良的抗裂能力。就防水層的保護(hù)層的應(yīng)用狀況而言，其材料斷裂性能遠(yuǎn)比抗折性能重要。

●纖維網(wǎng)摻量為2袋和3袋時(shí)，其抗折強(qiáng)度和斷裂能有所差別，但不顯著和不穩(wěn)定。2袋和3袋其7天的抗折強(qiáng)度和斷裂能幾乎相同，從斷口L分析，摻量為3袋時(shí)，纖維網(wǎng)有結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，這說(shuō)明當(dāng)摻量增至每方混凝土3袋時(shí)，纖維網(wǎng)在混凝土中分布不夠均勻。

●當(dāng)纖維網(wǎng)的摻量由1袋增至2袋時(shí)，其28天的抗折強(qiáng)度已滿足6.0MPa的要求，見(jiàn)附錄表-6。從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和工藝出發(fā)，每方混凝土2袋纖維網(wǎng)為最佳摻量。就鐵路混凝土橋涵結(jié)構(gòu)防水層的保護(hù)層而言，建議每方混凝土摻2袋纖維網(wǎng)為宜。

●纖維網(wǎng)有十分優(yōu)良的耐久性，見(jiàn)表-5和圖5。

8. 結(jié)論

●纖維網(wǎng)能有效地抑制混凝土早期塑性收縮裂紋，有效地增加混凝土的韌性和抗沖擊能力，抗腐蝕，耐磨耗，減少滲透。

●從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和工藝出發(fā)，就鐵路混凝土橋涵結(jié)構(gòu)防水層的保護(hù)層而言，每方混凝土2袋纖維網(wǎng)為最佳摻量。