2024-01-01 07:00

混杂聚丙烯纤维高性能混凝土性能优化研究


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摘要。

本研究的目的是评估和优化混杂聚丙烯纤维(粗单丝和短纤维)对高性能混凝土力学特性和耐高温性能的影响。采用响应面法下的中心组合设计进行混凝土配合比设计。对混凝土进行了坍落度试验、抗压强度试验、抗折强度试验、冲击试验、耐高温试验和微观结构试验。随着聚丙烯纤维的加入,坍落度值略有下降。混杂聚丙烯纤维增强混凝土混合料在56天龄期的抗压强度和抗弯强度分别显著提高1.96% ~ 12%和14.28% ~ 41.9%。5 kg单丝与0.75 kg短纤维杂交后,其抗压强度最高(84.6 MPa),抗弯强度最高(14.9 MPa),抗冲击性能最佳(56 d)。粗单丝纤维的增加显著提高了抗剥落性能。含有5 kg单丝和0.75 kg短纤维的混合料在800℃下的残余抗压强度可达初始强度的63.8%。混杂聚丙烯纤维混凝土抗压、抗弯强度的预测与优化具有较强的相关性。

介绍

混凝土技术以新的方式发展,克服了自密实混凝土(SCC)、高性能混凝土(HPC)和超高性能混凝土(UHPC)等传统混凝土的局限性[1,2]。对于传统混凝土的结构应用,两个主要的弱点已经引起了问题:张力下的弱点,以及导致低延性的脆性行为[3,4,5,6,7]。众所周知,混凝土的抗拉强度远低于抗压强度,因此,裂缝可以更快地扩展[8]。高性能混凝土(HPC)和高强混凝土(HSC)的应用越来越广泛。除了更高的强度外,HPC还以其高和易性、耐久性、抗各种外部剂和快速硬化率而著称[9,10]。主要缺点是脆性,抗拉强度低,抗裂纹张开和扩展能力差。近年来,超高性能纤维增强混凝土(UHPFRC)与其他类型的混凝土相比具有显著的优势。Akeed等人对UHPC进行了全面的综述:发展、新鲜和硬化性能、微观结构和耐久性[12,13,14,15,16]。纤维被要求施加结构安全所需的压缩延展性。在拉伸试验开始之前,混凝土体就已经存在许多贯穿全身的微裂缝,这些微裂缝阻碍了试验过程中拉应力的适当传递,从而导致裂缝的扩展[17,18]。纤维增强混凝土(FRC)概念的提出是为了用钢纤维、玄武岩纤维、合成纤维、碳纤维、天然纤维等多种纤维对脆性水泥基浆体进行加固而提出的[19]。Tahwia[20]着重研究了聚丙烯(PP)纤维替代钢纤维的潜力。PP纤维作为牺牲剂,在UHPC基体中产生空隙,降低内部压力,防止(或延缓)高温下混凝土的剥落。

向混凝土中添加纤维是对材料进行的几种修改之一,目的是通过提高其抗拉强度来减少其弱点。含有聚丙烯和钢混杂纤维的高强混凝土,其抗弯韧性、抗拉强度和抗压强度优于普通混凝土和所有含有单、双或三种纤维的frp[21]。纤维杂交是最近受到广泛关注的一个概念。其思路是在混凝土中随机加入钢筋纤维,以防止荷载引起的早期开裂[22]。纤维增强已被证明可以提高混凝土的抗冲击性、断裂韧性、抗疲劳性和吸收能量的能力[23]。当不同类型的纤维被适当地组合在一起时,就会产生一种混合纤维,它可以利用每种纤维的特殊品质并协同反应[23]。在现实中,单纤维增强混凝土的最佳力学特性是不存在的[24]。最好的FRC特性是通过结合两种不同类型的纤维提供的。柔性的单纤维提高了FRC的延性和韧性,而刚性强的离散纤维提高了FRC的初始断裂强度和极限承载力[25]。聚丙烯纤维的掺量为0.5 ~ 3kg /m3,可改善混凝土的高温性能[26]。

暴露在高温下的混凝土的实际性能取决于多种环境参数,包括所用材料的特性、混凝土的构造方式、混凝土的升温速度、暴露的最高温度、暴露的时间、达到最高温度后的冷却方式以及冷却时的加载水平[27]。根据以往的研究[28],采用聚丙烯(PP)纤维可以降低并完全消除高温下HPC发生爆炸剥落的风险。

值得注意的是,传统的实验设计方法是在假设每个因素都可以独立于其他因素进行操作的基础上进行的[29,30]。寻找最优参数变得更加耗时和无效,特别是在考虑每个组件之间的相互作用时。响应面法(Response surface methodology, RSM)可以用来解决这个问题[31,32]。可以使用这些技术评估变量对响应值影响的显著性,并使用方差分析(ANOVA)来估计实验结果[33]。

研究意义重大

两种不同类型的纤维,如碳纤维和聚丙烯,玻璃和聚丙烯纤维,或碳和玻璃纤维结合的效果是早期研究的重点。然而,对于同类型不同规格纤维的掺入对混凝土性能的影响,研究并不多。此外,关于优化和预测混杂纤维增强混凝土(HFRC)性能的可能性,也缺乏可用的文献。本文研究了混杂聚丙烯纤维(粗单丝和短纤维)对高性能混凝土力学性能和耐高温性能的影响。此外,为了优化和预测混凝土的性能,采用响应面法下的中心组合设计(CCD)来设计混凝土配合比。该研究为HFRC合成纤维的最佳组合提供了见解,可用于提高强度的混凝土结构设计。

但Nse曲面法


近年来,应用最广泛的优化技术是响应面法(response surface methodology, RSM)[34,35]。响应面法的主要目的是确定变量的最优值。RSM能够估计自变量与响应之间的关系,并确定每个自变量或变量组合如何影响响应[36]。与传统方法相比,RSM还可以减少计划实验的次数。术语“RSM”来源于数学模型的图形化方法[37,38]。式(1)给出了输出与输入之间的关系。

(1)

式中,Y为预期响应,β0为模型截距,βi为线性系数,βii为二次系数,βij为变量相互作用系数,xi, xj为自变量。利用RSM划分最优研究可分为三个步骤。初始步骤是完成独立参数确定和水平确定的初始工作。下一步是选择实验策略,预测模型方程,并对其进行验证。下一步是确定最优点,得到作为独立参数函数的响应面图和响应等高线图[39,40,41,42]。图1说明了本研究中使用的优化技术的步骤。

图1
figure 1

优化方法的步骤

实验程序

材料

本研究采用符合BS EN 197-1:2011标准的普通硅酸盐水泥(OPC) CEM I 52.5 N[43]。水泥部分被硅灰(SF)取代,硅灰是一种胶凝物质。表1总结了硅灰和水泥的化学成分。粗骨料选用标称最大粒径为12 mm、比重为2.65、吸水率为0.98的破碎白云石和比重为2.65、吸水率为0.62%的天然砂。粗骨料和细骨料均满足BS EN 12620[44]的级配要求。图2分别展示了细骨料和粗骨料的级配曲线。选用比重为1.1,符合ASTM C494 [45] F型的高效减水剂。所有混凝土混合物的水灰比均为0.25。如图3所示,纤维为粗单丝(X1)和短纤维(X2)聚丙烯纤维。表2和表3说明了聚丙烯(PP)纤维的物理特性。

表1 OPC和SF的化学成分
图2
figure 2

使用骨料,a细骨料和b粗骨料级配曲线

图3
figure 3

聚丙烯纤维的照片。a短纤维,b单丝纤维

表2 Como的结构和物理性质nofilament纤维
表3短纤维的物理力学性能

配合比及实验设计

本试验共设计了16种混凝土配合比,根据式(2)在Minitab程序中采用响应面法下的中心复合设计设计了13种混凝土配合比,(3)添加额外的配合比(CO、CO- sf、CO- mf)作为参考配合比,其中CO为不含纤维的配合比,CO- sf为含0.75 kg/m3短聚丙烯纤维的配合比,CO- mf为含4 kg/m3单丝聚丙烯纤维的配合比。设计额外的混合料是为了在没有纤维的混凝土和使用一种聚丙烯纤维的混凝土与使用聚丙烯纤维混合的混凝土的性能之间进行很好的比较。对照料的选择采用试错法,龄期28天抗压强度为65±5 MPa,坍落度为20±2 cm,无离析。由于在生产高性能混凝土时,为了提高强度,建议使用低水灰比,因此水灰比(OPC + SF)维持在0.25。为了达到理想的和易性和消除聚丙烯纤维的预期负面影响,以胶凝材料重量的2.5%的比例使用了超级增塑剂。

(2)

式中,N为实验次数;K为所研究变量的麻木;N为重复次数[46]。在测试程序中,有两个独立的变量。包括单丝(X1)和短纤维(X2)。部分编码值设置为α = = = 1.414,有五个不同的级别—1.414,−1,0,+ 1,+ 1.414表示最终编码值。变量的值和编码值如表4所示。HPC混合料比例(kg/m3)见表5。

表4因子限值及编码值
表5混合物比例(kg/m3

样品的准备

为了确定抗压强度和湿密度,浇筑了100毫米立方的新混凝土样品。冲击试验是在高30厘米、直径15厘米的圆柱形样品上进行的。弯曲试验在尺寸为10 × 10x50 cm的棱柱梁上进行。在每次测试中,每个固化年龄检查三个样品。混凝土对高温的抵抗力是通过将棱柱梁和混凝土立方体暴露在200°C、400°C和800°C的不同温度下来确定的。

混合和固化

所有混凝土混合料均在容量为0.07 m3的固定水平锅中配制。粗、细骨料在混合前先干混一分钟。加入水泥后,继续干拌1分钟。加水后,再继续搅拌两分钟。然后将所需量的纤维添加到湿混凝土中。为了确保纤维均匀地分布在整个混凝土中,混合了三分钟。24 h后,去除所有霉菌,将样品置于水柜中固化。

测试方法

对于新拌混凝土,坍落度试验按照ASTM C143[47]进行。抗压强度按ASTM C39[48]进行,采用边长为10 cm的立方体,在常温下湿养护7、28、56天。试验在容量为1000 kN的电子伺服试验机上以0.4 MPa/s的加载速率进行。根据ASTM C 1018[49],采用三点加载对10 cm × 10 cm × 50 cm的棱镜试件进行抗弯强度试验。这条梁的净跨度为40厘米。对于抗压强度和抗折强度试验,每个混合料检测三个样品,并报告平均值。优异的抗冲击性能是FRC最重要的特性之一(动态能量吸收和强度)。为了检验混杂聚丙烯纤维增强HPC的抗冲击性能,按照ACI 544.2R标准[50]制作混凝土盘。用砌体锯将15 × 30 cm的混凝土圆柱体切割成直径15 cm、厚度6 cm的4块,进行冲击试验。确定了所有组合在56天时开始第一个裂纹并最终导致失效所需的平均打击次数。坠重冲击试验使用标准的手动13.5公斤压实锤,从50厘米的高度落下。使用更大的质量,如13.5 kg,可以更好地传递冲击载荷,减少打击次数[51]。为研究高温对混凝土混合料抗压强度和抗弯强度的影响,分别在200℃、400℃和800℃条件下加热1 h,升温速率为20℃/min。经过这样的处理后,试样以2°C/min的速度冷却。然后在室温干燥条件下保存2 h,待试验。同时,用扫描电子显微镜(SEM)对生成的混合物进行了检测。


目录

摘要。
介绍
是重要的
但 Nse曲面法
实验程序
结果、分析和优化
结论
数据可用性
参考文献。

作者信息
道德声明





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结果、分析和优化

流动度试验

为保证聚丙烯纤维混凝土批次间的一致性,可采用坍落度试验作为质量控制试验。纤维在混凝土内部的均匀分布,它们如何与水泥基体相互作用,以及混凝土的浇筑或喷射效果如何,都会影响纤维的质量。为了在混凝土中发挥作用,混杂纤维必须被水泥膏完全覆盖。由于纤维类型和含量的不同,坍落度开始略有变化。对于无纤维混凝土,坍落度为20.5 cm。单丝或短纤聚丙烯纤维的加入使坍落度略有下降。聚丙烯混杂纤维-钢筋混凝土的坍落度也比无纤维和单纤维混凝土略有降低。结合两种不同的纤维可以创建一个网络结构,防止混合物分离和流动的混凝土,因此坍落度已经减少。由于纤维的高含量和高表面积,纤维会吸收更多的水泥浆缠绕在周围,混合料粘度的升高导致坍落度损失。图4为纤维掺量与坍落度的关系,可以看出,混杂聚丙烯纤维掺量越大,坍落度越小。这与A. A. Ramezanianpour等人的结论一致。[52],陈宝华,刘建军,等[53]。纤维增强混凝土配合比试验结果见表6。

图4
figure 4

单丝纤维和短纤维对混凝土坍落度的影响

表6纤维增强混凝土配合比结果

抗压强度

抗压强度是硬化混凝土最重要的特性之一,通常作为混凝土分类的特征材料值。纤维含量对混凝土的性能有影响。混杂增强纤维混凝土比不掺聚丙烯纤维的混凝土具有更高的抗压强度。与不添加PP纤维的混凝土相比,添加4 kg/m3单丝纤维可使混凝土抗压强度提高1.2%,添加0.75 kg/m3短纤维可使混凝土抗压强度提高0.6%。聚丙烯混杂钢筋混凝土抗压强度显著提高,提高幅度在3.8 ~ 14.29%之间。因此,从观察中可以看出,混合物6中杂交(5 kg单丝和0.75 kg短纤维)的抗压强度增加百分比最大,与对照混合物(CO)相比,28日龄时的抗压强度增加百分比为14.29%,这一结果与M. Hsie等[55]一致。其原因是单丝纤维具有很高的弹性模量和刚性,适用于非常坚韧的形状。由于这些混合料中含有纤维,在轴向应力作用下对裂纹形成和扩展的控制得到改善,从而导致抗压强度的提高。硅灰的夹杂增强了骨料颗粒与水泥浆体之间的联系,同时也增加了水泥浆体的密度,从而提高了水泥强度。通过对试验结果的响应面分析,确定了自变量对混合料的影响。模型的估计和验证取决于p值。p值高于0.05被确认为不显著,而对于95%置信区间,p值低于0.05表示模型项显著。另一方面,图5、6、7为混杂聚丙烯纤维在7、28、56天抗压强度的影响。结果表明,随着混杂纤维掺量的增加,纤维的抗压强度有所提高。28天抗压强度方差分析见表7。利用式(3)建立模型的公式如下:

(3)
图5
figure 5

7天龄期单丝和短纤维抗压强度对照表

图6
figure 6

28天龄期单丝和短纤维抗压强度对照表

图7
figure 7

56天的抗压强度与单丝和短纤维的对照图

表7 28天抗压强度方差分析

图8给出了混凝土混合料在加热到200℃、400℃和800℃后的抗压强度。对于所有混合物,加热到200°C后,与室温相比,残余强度略有下降。在加热到400°C和800°C后,所有混合物的抗压强度都显著降低。这是因为由于化学和物理结合的水蒸发所产生的压力增加,这种致密结构经历了特别广泛的内部裂缝。根据一些专家的说法,氢氧化钙的分解是造成这种强度下降的主要原因。C- s - h、Ca(OH)2和CaCO3的分解是残余抗压强度在400℃以上下降的原因。

图8
figure 8

温度升高对56日龄抗压强度的影响

抗弯强度

聚丙烯混杂纤维的抗弯强度得到了有效的提高。这一结果与A. Nkem Ede和A. Oluwabambi Ige[26]一致。抗压强度显著低于纤维含量对抗弯强度的正向影响。当载荷施加到梁上时,混杂纤维可以在中性轴直接下方的拉伸区抵抗拉应力。粗大的单丝纤维可以分散微短纤维的宏观裂缝和桥梁破坏的应力,直到它们不再能够管理载荷。提高纤维含量和粘接效果是提高弯曲性能的最重要因素。由于反应的完成,聚丙烯浆料的抗弯强度随时间增加。聚丙烯纤维增强混凝土的断裂面及纤维分布如图9所示。混杂聚丙烯纤维对抗弯强度的高影响如图10所示。表8总结了56天抗弯强度的方差分析。

图9
figure 9

聚丙烯纤维增强混凝土的断裂面

图10
figure 10

56日龄抗弯强度主效果图

表8 56天抗弯强度方差分析

采用下式建立Eq.(4)中的模型,响应面设计分析得到帕累托图a。

如图11所示,以显示如何显示所有变量对抗弯强度的标准化影响。

(4)
图11
figure 11

输入参数对56日龄小鼠抗弯强度标准效应的帕累托图

研究了温度对钢筋混凝土养护56天后抗弯强度的影响。结果与D. Zeng等人[56]、H. U. Ahmed等人[57]、Tahwia等人[58]一致。抗弯强度随温度升高而下降。混合聚丙烯纤维可以帮助避免高温下混凝土的爆炸性剥落,因为它们在剥落之前溶解以减少孔隙压力。尽管单硫铝酸盐、钙矾石和C- s - h脱水,以及毛细管孔隙中游离水的蒸发,但在200℃时抗弯强度基本保持不变[58,59]。不同温度下的抗弯强度结果如图12所示。

图12
figure 12

温度升高对56日龄仔猪抗弯强度的影响

图13 a、b、c、d显示了混杂聚丙烯纤维在不同温度下对抗弯强度的影响,结果表明混杂聚丙烯纤维在抗高温方面有非常显著的效果,这些结果与J. Xiao和H. Falkner[60]一致。图14显示了如何使用优化过程来确定因素的理想值,从而获得期望的响应值。建议混合物由单丝纤维5 kg/m3和短纤维1 kg/m3组成。预测结果为抗压强度81 MPa,抗折强度13.5 MPa,坍落度16.37 cm。此外,图15a显示了本研究中使用的电烤箱;图15b显示了加热后样品的形状。

图13
figure 13

20°C和b 200°C、C 400°C和d 800°C时的抗弯强度表面图

图14
figure 14

变量的最优含量以达到理想的响应值

图15
figure 15

观察了聚丙烯纤维熔化时试样的加热过程和试样中产生的通道

冲击试验

抗冲击性是FRC的重要特性之一。该试验可用于比较混杂聚丙烯纤维在混凝土上的性能。试件在冲击载荷作用下的破坏行为如图16所示。在初始裂纹和完全破坏时所需的击打次数见表9。结果表明,混合聚丙烯纤维的加入增加了吹塑次数。这一结果与O. A. Ahmad和M. Awwad[61]一致。素混凝土试件最终破坏的冲击次数与初始裂纹的冲击次数接近,表明素混凝土试件一旦出现裂纹即立即破坏。聚丙烯纤维的掺入成功地降低了混杂纤维混凝土的脆性,提高了其抗冲击性能。

图16
figure 16

混杂聚丙烯混凝土在冲击荷载作用下的破坏形态

表9冲击试验结果

微观结构

采用扫描电镜(SEM)对混凝土试件的微观结构进行了观察。材料的力学特性与其微观结构密切相关。混杂聚丙烯纤维和非纤维混凝土的SEM图像如图17所示。结果表明,所有混合料均具有粘性和压实性,且密度和空隙率较低,对照混合料(无纤维)中存在一些微裂纹,如图17a所示。然而,短纤维聚丙烯纤维(图17b)或单丝聚丙烯纤维(图17c)的存在改善了混凝土的微观结构。从图17d可以看出,混杂聚丙烯纤维的微观结构最为致密、均匀,C-S-H凝胶也表现出良好的发育。微裂纹的存在很难被察觉,这与Yuan Z. and Y. Jia的研究结果一致[62]。扫描电镜的结果与抗压和抗折强度的结果一致。SEM分析表明,聚丙烯纤维的杂化对改善混凝土的各项力学性能有重要作用。

图17
figure 17

a混合CO, b混合CO- sf, c混合CO- mf, d混合6的SEM图像

结论

本研究旨在评价、优化和预测混杂聚丙烯纤维(粗单丝和短纤维)对高性能混凝土力学特性和耐高温性能的影响。本文的主要结论总结如下:

  • 混杂聚丙烯纤维增强混凝土的抗压强度、抗弯曲强度、抗冲击性能和抗高温性能均有显著提高,但和易性略有下降。

  • 在龄期56 d时,聚丙烯纤维-增强混凝土的抗压强度和抗弯强度分别比无纤维混合料提高了1.9 ~ 12%和14.28 ~ 41.9%。

  • 5 kg单丝与0.75 kg短纤维杂交后,其抗压强度最高(84.6 MPa),抗弯强度最高(14.9 MPa),抗冲击性能最佳(56 d)。粗单丝纤维的增加显著提高了抗剥落性能。

  • 含有5 kg单丝和0.75 kg短纤维的混合料在800℃后的残余抗压强度可达初始强度的63.8%。

  • 利用扫描电镜(SEM)技术的研究表明,在混凝土中加入混杂聚丙烯纤维可以增强界面过渡区和集料与聚丙烯基体之间的基体。随后,提高了材料的力学性能。

  • 采用RSM回归模型,在选定的纤维体积分数范围内对混杂聚丙烯纤维-钢筋混凝土的性能进行了详细的分析。缺乏拟合检验的结果和多重决定系数(R2)的高值表明,多项式回归模型足以预测混杂聚丙烯纤维混凝土的必要性能。方差分析结果也证实,基于非常低的p值,所有模型参数的包含在统计上显着。

作者建议,未来的研究将考察混杂聚丙烯纤维对高性能混凝土和地聚合物混凝土的机械性能、耐久性和耐高温性的影响,以便通过研究协会的合作努力获得更深入的了解。