掺加不同纤维的活性粉末混凝土抗拉强度研究

张建隽， 赵贵哲， 赵源源

(1. 中北大学 材料科学与工程学院， 山西 太原 030051； 2. 太原城市职业技术学院 城建系， 山西 太原， 030027；3. 北京建筑大学 环境与能源工程学院， 北京 100044)



掺加不同纤维的活性粉末混凝土抗拉强度研究

张建隽1,2， 赵贵哲1， 赵源源3

(1. 中北大学 材料科学与工程学院， 山西 太原 030051； 2. 太原城市职业技术学院 城建系， 山西 太原， 030027；3. 北京建筑大学 环境与能源工程学院， 北京 100044)

摘要:RPC被广泛应用于国内外各类大型复杂工程. 为进一步提高RPC抗拉力学性能， 通过试验探讨不同养护方式下不同纤维种类对RPC抗拉强度的影响. 具体纤维种类包括钢纤维、 聚丙烯纤维及碳纤维， 养护方式包含标准养护、 蒸汽养护及热水养护. 结果表明， 钢纤维对提高RPC抗拉强度最为显著， 同时钢纤维的掺加对改善RPC脆性破坏有一定效果. 0%～1.5%掺量的碳纤维可以提高RPC抗压强度， 但效果不及钢纤维. 当碳纤维掺量高于1.5%时， RPC抗拉强度随着碳纤维掺量的增大而降低. 聚丙烯纤维对RPC抗拉强度影响相对较小， 0%～0.1%掺量的聚丙烯纤维可以使得RPC抗拉强度有微小提升， 当掺量为0.1%～0.4%时， RPC抗拉强度随着聚丙烯纤维掺量的增加而减小.

关键词:活性粉末混凝土； 抗拉强度； 钢纤维； 聚丙烯纤维； 碳纤维

活性粉末混凝土(RPC)是由水泥、 石英砂、 矿物掺合料、 减水剂、 外掺纤维等配制而成的新型水泥基复合材料， 具有较高强度、 较好的韧性及耐久性能[1]. 在RPC硬化过程中， 可以辅以预压、 加热等方式进一步提高强度， 降低混凝土孔隙率. 自RPC问世以来， 各国研究人员对它一直给予了充分关注， 并在国内外核电、 市政、 军事等实际工程中得以应用[2-4].

当前， 国内外对RPC基本力学性能的研究已经日趋成熟， 并取得了一定成果. 法国研究人员Pierre Richard等[5]率先通过材料优选、 养护方式改进及组分变更等方式成功配制出200 MPa和800 MPa的RPC. 法国Dugat等[6]基于试验探讨了200 MPa及800 MPa等级RPC的抗压强度、 抗折强度及断裂性能， 试验结果表明RPC 200断裂能高达40 000 J/m2， 远高于普通混凝土断裂能. 马亚峰等[7]基于试验对RPC单轴抗压及变形性能展开研究， 给出了RPC抗压应力-应变曲线计算公式. 土耳其Halit等[8]探讨了不同养护方式对RPC力学性能的影响， 研究证实蒸压和蒸汽对提高RPC抗压强度效果显著， 但对RPC韧性有不利影响.

养护制度及外掺纤维是影响RPC力学性能的重要因素， 同时也决定着RPC的综合成本及利用价值. 当前， 钢纤维掺量对RPC力学性能影响已得到充分研究， 结果证实了钢纤维掺入对RPC抗压强度、 韧性、 抗折强度、 高温抗爆裂性能等方面的积极作用[9-11]， 而关于聚丙烯纤维、 碳纤维等对RPC基本力学性能的影响的相关研究则相对缺乏. 本文基于试验对掺加钢纤维、 聚丙烯纤维、 碳纤维的RPC抗拉力学性能展开研究， 养护方式采用标准养护、 热水养护、 蒸汽养护三种， 基于试验结果对不同纤维种类及其掺量对RPC抗拉强度的影响做出评价.

1试验方案

1.1试验原材料

1) 水泥： 某厂生产的42.5级普通硅酸盐水泥， 密度3 080 kg/m3， 28 d抗压强度62.3 MPa；

2) 石英砂： 40～70目， SiO2含量98.4%；

3) 硅灰： 某厂生产的非凝聚硅粉， 比表面积14 266 kg/m3， 密度2.199 kg/m3， 硅灰化学成分如表 1 所示；

4) 钢纤维： 长度为12～15 mm， 断面面积0.25 mm×0.25 mm， 抗拉强度2 240 MPa；

5) 聚丙烯纤维： 平均长度15 mm， 直径30 μm， 密度0.94 kg/m3， 抗拉强度400 MPa；

6) 碳纤维： 平均长度12 mm， 直径7 μm， 抗拉强度4 760 MPa；

7) 减水剂： 非萘系高性能减水剂；

8) 水： 自来水.

1.2配合比及试件制备

通过试配确定了不掺纤维的RPC基准配合比为水泥∶硅灰∶石英砂=1∶0.43∶1.15， 水胶比固定为0.19， 减水剂为胶凝材料用量的2.5%. 试验采用的RPC配合比如表 2 所示.

目前， 国内尚无针对RPC力学性能试验的相关标准， 考虑到RPC配比不含粗骨料， 其各组分混合较均匀， 采用100 mm×100 mm×100 mm的RPC抗压强度测试试件可以很好地反映RPC力学性能. 本试验采用100 mm的立方体试件作为RPC劈裂抗拉强度测试试件， 试件钢纤维掺量取为0%, 1%, 2%, 3%, 4%， 聚丙烯纤维掺量取为0%, 0.1%, 0.2%， 0.3%, 0.4%， 碳纤维掺量取为0%, 0.5%, 1%, 1.5%, 2%.

试件制备时， 先将胶凝材料、 石英砂、 纤维倒入搅拌机内搅拌4 min， 随后将用水量的一半与减水剂混合倒入搅拌机内搅拌5 min， 最后再将剩余的水加入搅拌1 min. 将搅拌完毕的水泥浆体倒入钢模， 经振动台振动密实， 然后放入实验室自然养护1 d后拆模. 拆除模具的试件采取三种不同的养护方式： ① 标准养护， 即类似于普通混凝土养护方式， 将试件直接移入标准养护室养护28 d； ② 热水养护， 即将试件置于50 ℃热水中养护72 h， 随后移入标准养护室养护25 d； ③ 蒸汽养护， 即置于养护箱内90 ℃蒸汽养护72 h， 随后放入标准养护室养护25 d.

1.3试件力学性能测试

RPC力学性能测试参照普通混凝土力学性能测试试验方法标准进行， 加载设备为WAW-2 000 kN微机控制电液伺服万能试验机， 加载速率为0.1 MPa/s.

2试验结果及分析

2.1RPC劈拉破坏形态

RPC试件劈裂破坏过程为： 首先在试件受压面出现少数几条微细裂缝， 其后随着荷载的不断增加， 裂缝迅速扩展延伸， 直至贯穿整个受压面， 试件被劈裂为两部分. 对于未掺加任何纤维的RPC， 破坏呈现出明显的脆性， 试件表面仅产生一条主裂缝， 试件破坏断面平整规则， 断裂面未出现明显掉渣现象.

掺有钢纤维的RPC破坏则呈现出一定的韧性破坏， 试件裂缝的扩展逐渐破坏了钢纤维与水泥基体的粘结， 在试件劈裂破坏前， 可以明显听到钢纤维被拔出发出的撕裂声. 破坏的试件断裂面有掉渣现象， 断面钢纤维错乱分布， 钢纤维未被拔出的一侧仍与水泥基体粘结良好， 部分破坏后的试件未能完全分开， 两断裂面仍有钢纤维连接.

掺加碳纤维的RPC试件， 当掺量低于1%时， 尽管相对于素RPC破坏形态有所改善， 但试件仍呈现出脆性破坏， 即表现为裂缝出现后迅速延伸， 直至破坏. 当碳纤维掺量达到1.5%, 2%时， RPC破坏形态开始表现出一定的韧性， 试件破坏时出现掉渣现象， 破坏前有明显的撕裂声.

对于掺加聚丙烯纤维的RPC， 试件劈裂破坏时呈现明显的脆性， 试件开裂即断， 断面规则平整. 虽然断面可见部分被拉断的聚丙烯纤维， 但由于聚丙烯纤维抗拉强度相对较小， 远低于钢纤维及碳纤维的抗拉强度， 其对于试件断裂瞬时能量的耗散作用微小， 对RPC受拉脆性破坏并无显著改善效果.

2.2钢纤维掺量对RPC抗拉强度影响

图 1 所示为钢纤维掺量对RPC抗拉强度的影响曲线. 从图1中可知， 随着钢纤维掺量的增加， RPC抗拉强度不断增大. 对于标准、 热水及蒸汽三种养护方式的RPC抗拉强度， 4%掺量钢纤维的RPC较RPC-0抗拉强度分别提升了44.14%, 36.15%, 28.14%. 钢纤维掺量为0%～1%时， 掺量的变化仅对抗拉强度有微小提升， 而当钢纤维掺量为1%～2%时， RPC抗拉强度增幅较大. 当钢纤维掺量大于3%时， 钢纤维掺量的变化对RPC抗拉强度贡献相对减小.

钢纤维掺量的提升对RPC抗拉强度的改善主要归结于钢纤维较高的弹性模量及抗拉强度. 在等拉应变状况下， 钢纤维对混凝土有较强的约束作用， 进而阻止RPC裂缝的形成及发展. 同时， 钢纤维与水泥基体之间良好的粘结也是RPC抗拉强度增大的原因， 钢纤维可以起到桥接裂缝的作用， 钢纤维与水泥基体之间的粘结可以将开裂面荷载传递至未开裂面， 进而有利于RPC抗拉强度的提升.

钢纤维的掺加很好地改善了RPC抗拉强度， 然而这并不意味着钢纤维掺量的不断增加对RPC力学性能一直起着积极作用. 现有相关研究已经表明[9]， 当钢纤维掺量高于3.5%时， RPC抗压强度便开始随着钢纤维掺量的增加而降低. 此外， 钢纤维掺量的增加会导致RPC流动性急剧降低， 这些都不利于RPC在实际工程中的应用， 制约了RPC的使用范围. 综合本实验及已有关于钢纤维对RPC力学性能影响的相关研究， 建议RPC一般构件钢纤维掺量取2%， 而对于受拉力学性能要求较高的构件则可适当提高钢纤维用量， 但建议用量不高于3%.

2.3聚丙烯纤维掺量对RPC抗拉强度影响

掺加聚丙烯纤维对RPC抗拉强度影响曲线如图 2 所示. 从图 2 可知， 聚丙烯纤维掺量的变化对RPC抗拉强度影响较小. 当聚丙烯纤维掺量为0.1%时， RPC抗拉强度略有提升， 对于标准、 热水、 蒸汽三种养护方式， RPC抗拉强度分别较RPC-0增大2.40%, 4.99%, 3.16%. 随着聚丙烯纤维掺量的进一步增加， RPC抗拉强度逐渐呈现下降趋势， 但降幅相对较小. 当聚丙烯纤维掺量为0.4%时， 对于标准、 热水及蒸汽三种养护方式的RPC抗拉强度分别较RPC-0降低了8.95%, 2.59%, 4.74%.

聚丙烯纤维对RPC抗拉强度的影响较小， 聚丙烯纤维掺加的积极作用主要表现为其可以增强混凝土塑性变形能力， 增强混凝土介质的连续性， 缓和试件承载产生的应力集中， 抑制混凝土早期裂缝的形成及发展. 然而， 另一方面， 聚丙烯纤维弹性模量较低， 具有一定的弱界面效应[12]， 同时， 聚丙烯纤维具有一定的引气效果， 这也使得水泥基材料与骨料之间的粘结强度有所降低. 此外， 聚丙烯纤维的掺加对RPC的增稠作用也是不可忽略的一面， 导致RPC试件难以振动密实， 对RPC抗拉力学性能产生明显不利影响.

2.4碳纤维掺量对RPC抗拉强度影响

碳纤维掺量对RPC抗拉强度的影响如图 3 所示. 从图3可知， 当碳纤维掺量为0%～1.5%时， RPC抗拉强度随着碳纤维掺量的增加而变大. 对于标准、 热水、 蒸汽三种养护方式， 碳纤维掺量为1.5%时， RPC抗拉强度分别较RPC-0提升19.17%, 21.28%和15.81%.当碳纤维掺量为1.5%～2%时，RPC抗拉强度呈现出降低趋势.低掺量的碳纤维对RPC抗拉强度改善作用主要由于碳纤维与水泥基体之间粘结力较强，其对于RPC早期裂缝的形成及开展抑制作用较为显著. 随着碳纤维掺量的进一步增大，碳纤维掺入引起的混凝土界面薄弱层也逐渐增多，这直接导致RPC抗拉强度急剧降低.同时，碳纤维的掺加对RPC流动性及和易性也产生明显不利影响，影响了RPC试件的密实性，制约了RPC抗拉强度的发展.

将碳纤维、 钢纤维及聚丙烯纤维对比可以发现， 钢纤维对提高RPC抗拉强度作用最为明显， 4%掺量的钢纤维可使得RPC强度提高28.14%～44.14%. 碳纤维对改善RPC抗拉强度有一定积极作用， 但效果不及钢纤维， 聚丙烯纤维对RPC抗拉强度影响最小. 三种不同纤维对RPC抗拉强度影响的差异主要取决于各自的力学性能， 钢纤维有着较高的抗拉强度和弹性模量， 对于抑制混凝土裂缝的开展， 促进开裂面荷载之间的传递有积极作用. 对于碳纤维， 尽管其有着较高的抗拉强度， 但其弹性模量及抗剪强度均较低， 这些都导致碳纤维阻裂作用不及钢纤维. 对于聚丙烯纤维， 其抗拉强度、 弹性模量均相对较低， 掺加聚丙烯纤维增加了水泥基体与骨料之间的界面薄弱层， 这些都制约了RPC抗拉强度.

3结论

1) 掺加钢纤维对RPC受拉脆性破坏改善效果显著， 掺加钢纤维的RPC试件呈现一定的韧性破坏. 0.5%～1%掺量的碳纤维对RPC受拉脆性破坏改善作用并不明显， 而当掺量达到1.5%～2%时， RPC试件韧性有所增强.

2) 由于聚丙烯纤维抗拉强度和弹性模量都较低， 其阻裂效果并不显著， 掺加聚丙烯纤维的RPC受拉破坏形态呈现明显脆性破坏.

3) 随着钢纤维掺量的增加， RPC抗拉强度不断增大. 钢纤维掺量为0%～1%时， RPC抗拉强度仅有微小提升； 钢纤维掺量1%～2%时， RPC抗拉强度增幅较大. 当钢纤维掺量高于3%时， RPC抗拉强度受钢纤维掺量变化影响相对较小. 综合本试验及已有相关研究成果， 建议一般RPC构件钢纤维掺量取2%.

4) 聚丙烯纤维掺量的变化对RPC抗拉强度影响较小. 聚丙烯纤维掺量为1%时， RPC抗拉强度提升2.40%～4.99%； 当聚丙烯纤维掺量高于1%时， RPC抗拉强度开始随着聚丙烯纤维掺量的增加逐渐降低.

5) 0%～1.5%掺量的碳纤维对RPC抗拉强度提高效果较为明显. 碳纤维掺量为1.5%时， RPC抗拉强度提升15.81%～21.28%. 当碳纤维掺量为1.5%～2%时， RPC抗拉强度有所降低.

6) 钢纤维、 聚丙烯纤维、 碳纤维对提升RPC抗拉强度排序为： 钢纤维>碳纤维>聚丙烯纤维.

参考文献:

[1]Pierre Richard, Marcel Cheyrezy. Composition of reactive powder concretes[J]. Cement and concrete Research, 1995, 25(7)： 1501-1511.

[2]Gerard B, Jerome D, Arnnud B. The use of RPC in cross-flow cooling towers[A]. The International Symposium on High-performance Concrete and Reactive Powder Concrete[C]. Sherbrooke, Canada： University of Sherbrooke, 1998, 59-73.

[3]Bonneau O, Poulin C, Dugat J, et al. Reactive powder concrete： from theory to particle[J]. Concrete International, 1996, 18(4)： 47-49.

[4]Blais P Y, Couture M. Precast, prestressed pedestrian bridge-world’s first reactive powder concrete structure[J]. PCI Journal, 1999, 9(10)： 60-71.

[5]Pierre Richard, Marcel Cheyrezy. Reactive powder concrete with high ductility and 200MPa～800MPa compressive strength[J].ACISP144, 1994： 507-518.

[6]Dugat J, Roux N, Bernier G. Mechanical Properties of Reactive PowderConcretes[J]. Materials and Structures, 1996, 29(5)： 233-240.

[7]马亚峰. 活性粉末混凝土(RPC200)单轴受压本构关系研究[D]. 北京： 北京交通大学, 2006.

[9]鞠彦忠， 王德弘， 李秋晨， 等.钢纤维掺量对活性粉末混凝土力学性能的影响[J]. 实验力学， 2011, 26(3)： 254-260.

JuYanzhong, Wang Dehong, Li Qiuchen, et al. On the influence of steel fiber volume fraction on mechanical properties of reactive powder concrete[J]. Journal of Experimental Mechanics, 2011, 26(3)： 254-260. (in Chinese)

[10]安明喆， 宋子辉， 李宇， 等. 不同钢纤维含量RPC材料受压力学性能研究[J]. 中国铁道科学， 2009, 30(5)： 34-38.

AnMingzhe, Song Zihui, Liyu, et al. Study on mechanical performance of reactive powder concrete with different steel fiber contents under uniaxial compression[J]. China Railway Science, 2009, 30(5)： 34-38. (in Chinese)

[11]李海艳， 郑文忠， 罗百福. 高温后RPC立方体抗压强度退化规律研究[J]. 哈尔滨工业大学学报， 2012, 44(4)： 17-22, 49.

Li Haiyan, Zheng Wenzhong, Luo Baifu. Experimental research on compressive strength degradation of reactive powder concrete after high temperature[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2012, 44(4)： 17-22,49. (in Chinese)

[12]徐礼华， 夏冬桃， 夏广政， 等.钢纤维和聚丙烯纤维对高强混凝土的强度影响[J].武汉理工大学学报， 2007, 29(4)： 58-60, 98.

Xu Lihua, Xia Dongtao, Xia Guangzheng, et al. Effect of steel fiber and polypropylene fiber on strength of high strength concrete[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2007, 29(4)： 58-60, 98. (in Chinese)

Research on Tensile Strength of Reactive Powder Concrete with Different Kind of Fibers

ZHANG Jian-jun1,2， ZHAO Gui-zhe1, ZHAO Yuan-yuan3

(1. School of Materials Science and Engineering， North University of China， Taiyuan 030051， China；2. Dept. of Urban Construction， Taiyuan City Vocational College， Taiyuan 030027， China；3. School of Environment and Energy Engineering,Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China)

Key words:reactive powder concrete; tensile strength; steel fiber;polypropylene fiber; carbon fiber

Abstract:RPC have been widely used in different kinds of large-scale complex engineerings. In order to further improve the tensile strength of RPC, experimental research was conducted to study the effect of different kinds of fiber on tensile strength of RAC. The curing methods used in this study were standard curing, hot water curing and steam curing. The fiber included steel fiber, polypropylene fiber and carbon fiber. The results showed that steel fiber to raise the tensile strength of RPC is the most significount, and it was also beneficial to improve the plastic crack of RAC. With 0%～1.5% percentage of carbon fiber, the tensile strength of RAC could be increased. However, the increased ratio created by carbon fiber was less than steel fiber. When carbon fiber content was higher than 1.5%, RPC tensile strength clecreased with the increase of carbon fiber content. Little change of tensile strength was caused by polypropylene fiber. The tensile strength increased at percentage of 0%～0.1%, while decreased at 0.1%～0.4%.

文章编号:1673-3193(2016)03-0318-05

收稿日期:2015-12-23

作者简介：张建隽(1972-)， 女， 副教授， 博士生， 主要从事施工管理及建筑材料方面的研究.

中图分类号:TU528

文献标识码:A

doi:10.3969/j.issn.1673-3193.2016.03.020