纤维网增强混凝土（FRC）力学性能试验
1. 概述
为了维护铁路混凝土桥涵结构的耐久性，有必要为防水层发展一种更为经济有效的保护层，从而使防水层经久耐用，有效地保护梁体不受雨水的侵蚀。
纤维网（Fibermesh）增强混凝土是在普通混凝土中掺入网状聚丙烯纤维网而形成的纤维增强混凝土。它不仅具有普通混凝土的特性，还具有较高的抗折强度和抗冲击强度及抗疲劳强度、耐磨、优良的韧性，特别是抗早期塑性收缩裂纹的能力。纤维网质轻，掺量低，易于分散，施工简便。
本试验一共选择三种纤维网掺量，即1袋0.9kg，2袋1.8kg和3袋2.7kg，均属低掺量。结果表明，当掺量每立方混凝土达到2袋，即正1.8公斤时，材料性能满足了防水层的技术要求。
以下全面介绍纤维网增强混凝土的试验结果。
2. 材料
2.l网状聚丙烯纤维网
纤维网是由非再生聚丙烯材料，以纤维束的方式生产的一种混凝土增强材料，由美国合成工业纤维网公司独家生产。纤维网纤维在混凝土搅拌过程中被撕裂成一根根单独纤维，例如当每立方米混凝土掺入0．9kg，搅拌后将有710万根独立的纤维，以三维方式均匀分布在混凝土中。该产品于80年代中后期推向全球，目前已在60多个国家和地区得到广泛应用。纤维网在混凝土中应用发挥以下功能：有效地抑制混凝土早期塑性收缩裂纹，增加混凝土的韧性和抗冲击能力，抗腐蚀，耐磨耗，减少渗透性。由于纤维网混凝土具有上述优点而被广泛应用于公路和高速公路的路面和护拦，桥梁的主体结构及桥面，飞机场跑道、停机坪，隧道和矿井用喷射混凝土，以及板材及管材等。聚丙烯纤维网纤维性能见表一1。
|
比重 |
抗拉强度 |
弹模 |
燃点 |
融点 |
长度 |
吸水性 |
热传导 |
电传导 |
抗腐蚀 |
|
` |
MPa |
GPa |
℃ |
℃ |
mm |
` |
` |
` |
` |
|
0.91 |
560-570 |
3.50 |
590 |
160-170 |
19 |
无 |
低 |
低 |
高 |
2.2 水泥
525普通硅酸盐水泥，太行山牌。
2.3 粗骨料
碎石，5-10mm
2.4 砂
中粗砂
2.5 减水剂
FDN高效减水剂
3. 配合比
表-2 配合比（kg/m3）
| 编号 | 水 | 水泥 | 砂 | 碎石 | 纤维网 | 减水剂 |
| 1-基准 | 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．试样制备
4.1搅拌方法
*将粗骨料，砂子和水泥放入搅拌机中，搅拌lmin，
*将水和减水剂放人搅拌机中，搅拌lmin成均匀状态，
*将聚丙烯纤维网放入搅拌机中，搅拌4－5min，均匀后，浇制试样
*将试模放在振动台振动4－5min，成型。
4.2养护
在标准养护室，即温度20±30℃，湿度为90％以上，养护一天脱模，然后养护到所需龄期。
5．试验结果
5.l 抗折强度
试样尺寸为 100×100×400mm，三点弯曲，跨度为 360mm，龄期为7和28天。每组三个试样，取均值。结果见表一3。
5.2 断裂能
断裂能是基于断裂力学概念发展而来一种反映混凝土抗裂能力和抗冲击能力的力学性能指标。采用国际材料与结构试验研究所协会、国际予应力协会和欧洲混凝土委员会联合建议的方法，RILEM－50－FMC进行实验［2］，试样尺寸100×100×400mm带中心裂纹。用混凝土锯切割裂纹，裂纹深度为30mm。实验是在德国产SCHENCK PSB 250KN电液伺服材料实验机上进行的。实验机刚度为3μm/kN。计算机控制位移加载，夹头位移速度100μm/min。同时用x－y记录仪记录下载荷一位移曲线，断裂试验测试装置见图1及像片1和2。图2为所记录的载荷一夹头位移曲线。
 |
| P-载荷 L-跨度 AE-声发射 a-裂纹深 △-位移 |
| CMOD-裂纹嘴张开位移 |
 |
| 图2 混凝土断裂试验 载荷-还将夹头位移曲线Y（1）为基准试样（不掺）Y（2）为 |
| 纤维网试样（每m3掺2袋）。计算断裂能面积的时在位移2mm处截止 |
RILEM-50-FMC定义的断裂能为扩展单位面积裂纹所吸收的能量。由定义得混凝土梁三点弯曲时断裂能的计算公式为：Gf=W0-mgσ0/Alig
式中：
Gf：为断裂能，
W0：为载荷一夹头位移曲线下的面积，如图 2所示
m：为支承点之间梁的质量，
g：重力加速度，
σ0：梁断裂时的位移，
Alig：韧带面积，即，
Alig＝b×（h－σ0）
b：梁宽，
h：梁高，
σ0：切口深度。
从断裂能的定义可以看出：断裂能能够直接评价混凝土韧性的高低，断裂能越高，表明材料在断裂前吸收的能量越多，因而材料具有良好的韧性和抗冲击能力。断裂能是表征混凝土材料抗断裂能力的一个重要指标。表一3为抗折强度MOR和断裂能的试验结果。
表-3抗折强度MOR和断裂能的试验结果
|
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 抗压强度
试样尺寸为100×100×100mm，结果见表-4。
表-4抗压强度 *三个试样的平均值
|
No |
7days* |
28days* |
|
MPa |
MPa | |
|
1-ref. |
490 |
527 |
|
2-1bag |
526 |
576 |
|
3-2bags |
612 |
627 |
|
4-3bags |
491 |
539 |
6. 耐久性试验
众所周知聚丙烯纤维网有良好的耐久性，我们验证其耐久性，进行了聚丙烯纤维网的加速老化试验。
试样为40×40×160mm3三点弯曲砂浆抗折试样，525#普通硅酸盐水泥，标准砂，灰砂比为回2：2.5，Fibermesh掺量为每m3两袋，即1.8kg。试样标养3天后，将试样浸放80℃热水中3，7和14天后测定其抗折强度MOR。在80℃热水浸放一昼夜相当于大气暴露4－6年[3]。所以，试样浸放80℃热水中3天,7天和14天，相当于大气暴露15年、45年和70年。加速老化试验的结果见表一5和图5。
表5 聚丙烯纤维网的加速老化试验
| 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 |
 |
图5 聚丙烯纤维网的加速老化试验
7. 讨论
●根据以往观察，混凝土桥涵结构防水层的保护层所产生的裂纹，大部分是由于保护层混凝土的早期塑性收缩引起的。众所周知纤维网增强混凝土具有优良的抗早期塑性收缩裂纹的能力，所以用纤维网增强混凝土作保护层能发挥防水层的保护层作用。
●断裂能是基于断裂力学概念发展而来一种反映混凝土抗裂能力和抗冲击能力的力学性能指标。在普通混凝土中掺入低掺量的网状聚丙烯纤维网后，其28天的抗折强度仅提高 2.7％（l袋），10.7％（2袋）和 15.5％（3袋），而断裂能则分别提高引51％，142％和153％。从图2可以看出，在峰值载荷后，梁体出现了宏观裂纹，纤维网混凝土仍有一定强度，当试验梁跨中位移为lmm时，不掺纤维网的混凝土其抗力消耗殆尽，而掺2袋纤维网的混凝土其抗力仍有800N，这充分说明了，纤维网增强混凝土有优良的抗裂能力。就防水层的保护层的应用状况而言，其材料断裂性能远比抗折性能重要。
●纤维网掺量为2袋和3袋时，其抗折强度和断裂能有所差别，但不显著和不稳定。2袋和3袋其7天的抗折强度和断裂能几乎相同，从断口L分析，掺量为3袋时，纤维网有结团现象，这说明当掺量增至每方混凝土3袋时，纤维网在混凝土中分布不够均匀。
●当纤维网的掺量由1袋增至2袋时，其28天的抗折强度已满足6.0MPa的要求，见附录表-6。从技术、经济和工艺出发，每方混凝土2袋纤维网为最佳掺量。就铁路混凝土桥涵结构防水层的保护层而言，建议每方混凝土掺2袋纤维网为宜。
●纤维网有十分优良的耐久性，见表-5和图5。
8. 结论
●纤维网能有效地抑制混凝土早期塑性收缩裂纹，有效地增加混凝土的韧性和抗冲击能力，抗腐蚀，耐磨耗，减少渗透。
●从技术、经济和工艺出发，就铁路混凝土桥涵结构防水层的保护层而言，每方混凝土2袋纤维网为最佳掺量。
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