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    鋼—聚乙烯醇纖維對機制砂機場道面混凝土性能的影響研究

    2022-05-10來源:環球破碎機網

       引言

     
      隨著我國航空業的發展、機場建設的擴展及機場航班密度的增加,機場道面混凝土也隨之面臨更大程度的挑戰。相較于其他位置的混凝土,機場道面混凝土處于干濕交替、凍融循環的惡劣復雜環境,有時可能還要遭受火焰和高溫氣流的傷害 [1] 。
     
      機場道面,特別是飛機起降區域,要長期承受飛機起降而帶來的巨大的沖擊荷載 [2-3] 。機場道面混凝土表面的開裂對其性能、耐久性以及飛機行駛安全都有很大程度的影響 [4] 。由于機場道面混凝土所處的環境特點以及工作服役特性,要求機場道面混凝土具有良好的耐磨性能、較高的韌性(折壓比)以及較強的抗沖擊性能。
     
      機場道面混凝土面臨反復沖擊荷載時,裂縫呈現“引發—開展—回復”的循環。在反復荷載作用下,原生裂縫的數量與尺寸對于后續裂縫的發展可起到關鍵性作用 [3] 。因此,在混凝土中摻入纖維形成一種高韌性材料,可以有效控制裂縫的產生,提高道面混凝土的耐久性,延長道面混凝土的服役年限。
     
      不同彈性模量的纖維對于不同尺寸裂縫的阻礙開展的效果是不同的 [5] 。此外,四川、貴州等西南地區天然砂較為稀缺,機制砂資源豐富,采用機制砂替代天然砂制備機場道面混凝土可充分利用當地資源,有效降低材料成本。
     
      本項研究主要通過對比單獨摻入 PVA 纖維與鋼—PVA 纖維混摻對于機制砂機場道面混凝土的彎韌性、耐磨性以及抗沖擊性能的影響,給出纖維摻量的合理建議值,并為機制砂混凝土在機場建設中提供參考數據。
     
            01、纖維混凝土原材料及試驗方法
     
      1.1 原材料
     
     ?。?)水泥:海螺 P·O52.5 水泥,基本性能指標見表 1。
     

     
     
     ?。?)集料:粗集料選用 5~10mm 和 10~40mm 石灰石碎石,細集料采用石灰石精品機制砂,基本性能如表 2 所示。
     
     ?。?)外加劑:北京科寧豐外加劑有限公司 ADD-3 緩凝減水劑,減水率為 14%。
     
     ?。?)水:自來水。
     
     ?。?)PVA 纖維:上海鍇源化工生產的 PVA 纖維,呈單絲狀,具體性能參數見表 3。
     
     ?。?)鋼纖維:采用浙江省嘉興市經緯鋼纖維有限公司生產的 DW-20 鋼纖維。具體性能參數見表 4。
     
      1.2 試驗方法
     
      抗壓、抗折試驗參照 GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行;耐磨試驗參照JTG E 30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》進行;抗沖擊試驗參照 GB/T 21120—2018《水泥混凝土和砂漿用合成纖維》中附錄 G《混凝土沖擊性能試驗方法》進行。
     
      抗折試驗試件為 150mm×150mm×550mm 的標準試件,抗壓、耐磨試驗試件為 150mm×150mm× 150mm 的標準立方體試件,抗沖擊試驗試件為直徑 152mm、高 64mm 的圓柱體標準試件。
     
      02、試驗配合比
     
      為研究單獨摻入 PVA 纖維和復合摻入鋼—PVA 纖維對機場道面機制砂混凝土彎韌性及耐磨抗沖擊性能的影響,采用 7 組配合比進行研究,具體的配合比見表 5。其中 SP01 為普通道面機制砂混凝土,作為比較基準。SP02~SP04 為單獨摻入 PVA 纖維的機場道面混凝土,PVA 的體積摻量分別為 0.15%、0.3% 和 0.45%。SP05-07 為按梯度復合摻入鋼—PVA 纖維的機場道面混凝土。
     
     
      03、實驗結果及分析
     
      3.1 力學性能
     
      7 組混凝土的力學性能測試結果見表 6 和圖 1、2。
     
     
     
     
      從混凝土力學性能的數據圖表中可以看出:
     
     ?。?)根據 SP01~SP04 共四組試件的力學性能測試結果,在混凝土中摻入 PVA 纖維后,混凝土的 7 天以及 28 天抗壓強度都有所下降,且隨著 PVA 摻量的增加,抗壓強度下降程度越大;混凝土 7 天及 28 天抗折強度呈現先增加后減少的變化趨勢,其中抗折強度最高的一組為 PVA 體積摻量為 0.15% 的 SP02 組試塊,其 7 天和 28 天抗折強度可達到 5.12MPa 和 6.76MPa。相較基準混凝土 SP01,抗折強度提升了 4.3% 和 13.1%。結合 28 天抗壓強度及抗折強度的試驗結果,可以看出在混凝土中摻入 PVA 纖維,能夠提升混凝土的折壓比,有效提高道面混凝土的韌性。
     
     ?。?)試件 SP04 與 SP05、SP03 與 SP06 以及 SP02 與 SP07 兩兩對比,發現加入鋼纖維后,混凝土的抗壓強度以及抗折強度都有所提高,但抗壓強度提升的程度更大,韌性得到削弱。其中,當混摻鋼纖維體積為 1.5% 時,抗折強度提升效果最好,其抗折強度增加量可達單摻同等數量 PVA 纖維混凝土抗折強度的 10.62%;當混摻鋼纖維體積比為 1.5% 時,抗壓強度提升效果最好,其抗壓強度增加量可達單摻同等數量 PVA 纖維混凝土抗壓強度的 16.22%。
     
     ?。?)摻入鋼纖維后,混凝土的折壓比會得到降低,但仍比不摻纖維的混凝土折壓比要大。結合抗壓強度、抗折強度以及折壓比的變化,可認為鋼纖維的摻入雖在一定程度上提高了混凝土的力學性能,但由于抗壓性能提升幅度遠大于抗折性能,導致折壓比有所下降,致使混凝土的韌性減弱。
     
      3.2 耐磨性能
     
      將 200N 負荷下耐磨試驗機磨 30 轉后試塊質量記為 m 1 ,然后在 200N 負荷下耐磨試驗機磨 60 轉后試塊質量記為 m 2 。7 組混凝土的耐磨性能測試結果見表 7 和圖 3。
     

     
     
      從混凝土耐磨性能的數據圖表中可以看出:
     
     ?。?)單獨摻加 PVA 纖維后,混凝土的耐磨效果呈現先減弱后增強的變化趨勢。其中,耐磨性能效果最好的時體積比為 0.3% 的 SP03 組試塊,其單位面積質量損失為 2.800kg/m 2 ,可減少基準混凝土單位面積質量損失的 10.23%。
     
     ?。?)對比相同 PVA 摻量的混凝土試塊,隨著鋼纖維的摻入,混凝土單位質量損失先減小再增加。摻入體積比為 0.5% 的鋼纖維能夠提升混凝土的耐磨效果,單位面積質量損失僅為單摻同等數量 PVA 纖維的 89.45%。
     
     ?。?)磨損試驗中,鋼纖維大多以“拔出”的形式抵抗磨損,未能提供更多的抗磨損的作用,因此摻入鋼纖維的混凝土的單位面積質量損失值會偏高,耐磨效果不如單摻 PVA 纖維的混凝土。經對比結果表明,加入少量鋼纖維能夠降低混凝土的質量磨損,提高耐磨性。
     
      3.3 抗沖擊性能
     
      纖維混凝土落錘試驗中重錘質量為 6.05kg,提升高度為 600mm,重力加速度記為 9.8N/kg。7 組混凝土的抗沖擊性能測試結果見表 8 和圖 4。
     
     
      從混凝土抗沖擊性能的數據圖表中可以看出:
     
     ?。?)單獨摻加 PVA 纖維后,混凝土的抗沖擊性能呈現先增強后減弱再增強的變化趨勢。其中,摻入體積比為 0.3% 的 PVA 纖維時,混凝土的抗沖擊性能最弱;摻入體積比為 0.15% 和 0.45% PVA 纖維時,抗沖擊效果相同??梢娺m量摻入 PVA 纖維可以在一定程度上提高混凝土的抗沖擊效果。
     
     ?。?)加入鋼纖維后,混凝土的抗沖擊性能得到提升,且隨著鋼纖維摻入量的增加,抗沖擊性能提升的幅度越大。其中,摻入體積比為 1.5% 的鋼纖維時,抗沖擊效果增幅最大,可達單摻同等數量 PVA 纖維的混凝土抗沖擊效果的 5.9 倍。
     
     ?。?)基準混凝土和單摻 PVA 纖維的混凝土的試件破壞時為試件完全裂開;摻鋼纖維的混凝土破壞時為試件僅有一條過大的裂縫不完全裂開,其破壞有一定的延性,且破壞面上有鋼纖維的連接。根據初裂與終裂的沖擊次數的差值和試件破壞效果,摻入鋼纖維后,鋼纖維能夠起到“橋梁”的作用,可連接裂縫兩端,延緩沖擊裂縫的開展,進而吸收更多的沖擊功。
     
      04、結論
     
     ?。?)單獨摻加 PVA 纖維,能降低混凝土的抗壓強度,提高混凝土的折壓比;耐磨性能隨著 PVA 纖維的摻量增加先減弱后加強,抗沖擊性能則先增強后減弱再增強。綜合三種性能,當摻入體積比為 0.3% 的 PVA 纖維時,混凝土的綜合性能可以達到較好的水平。
     
     ?。?)相同 PVA 纖維摻量時,鋼纖維摻量的增加,混凝土的折壓比減小,韌性減弱;耐磨性能先增強后減弱;抗沖擊性能得到提升。綜合折壓比、耐磨性以及抗沖擊性,當摻入體積比為 0.3% 的 PVA 纖維和 1.0% 的鋼纖維時,混凝土的性能可以達到較好的水平。
     
     ?。?)對比相同 PVA 纖維摻量時,摻入鋼纖維后,混凝土的抗壓強度、抗折強度以及抗沖擊性能有不同程度的提高,耐磨性能略有削弱??傮w上可認為鋼纖維的加入提升了摻 PVA 纖維混凝土的性能,鋼纖維與 PVA 纖維在提高混凝土彎韌性、抗沖擊性能方面有協同作用。

     


    責任編輯:王子祺
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