研究
通过可持续混合设计提高纤维增强混凝土的机械性能:纤维类型和剂量的影响
萨巴哈特·艾哈迈德·汗 ^(1){ }^{1}
收稿日期: 2024-07-8 / 录用日期: 2024-09-17
在线发布:2024 年 9 月 27 日
© 作者 2024 OPEN
抽象
本研究通过改变纤维含量并将补充胶凝材料加入 M20 级混凝土中,调查了纤维增强混凝土 (FRC) 的机械性能。该研究的重点是四种纤维的影响——钩头钢、短切玻璃、来自回收瓶的 PET 纤维和黄麻纤维——以体积分数引入 0%,1%,2%0 \%, 1 \%, 2 \% 3%3 \% 和 。此外, 30%30 \% 水泥被粉煤灰取代, 25%25 \% 粗骨料被回收混凝土骨料 (RCA) 取代,以提高可持续性。本研究的主要目的是评估这些纤维在各种纤维剂量下对抗压强度、弯曲强度和分裂拉伸强度的影响。结果为优化 FRC 配方以实现可持续建筑提供了宝贵的见解,强调了使用回收材料和各种纤维类型来提高混凝土性能和耐久性的好处。该研究得出的结论是,最佳纤维用量是 3%3 \% 钢纤维和 1%1 \% 玻璃纤维。PET 纤维在一定 1%1 \% 剂量下提高了抗压强度和分裂拉伸强度,但随着纤维含量的增加,导致弯曲强度降低。相比之下,发现黄麻纤维会随着纤维含量的增加而降低强度,这支持了先前的发现,即黄麻纤维的最佳剂量低于 1%1 \% 。
关键词 纤维增强混凝土 • 再生混凝土骨料 • 粉煤灰 • 可持续建筑
1 引言
纤维增强混凝土 (FRC) 是一种复合材料,由水泥、骨料和离散纤维组成,可增强其机械性能 [1]。这些纤维,如钢、玻璃和 PET 纤维,被添加到混凝土中,以提高其抗拉强度、韧性和耐久性 [2]。FRC 通过减轻开裂和提高能量吸收能力,在增强混凝土构件的结构完整性方面发挥着至关重要的作用 [3]。纤维,尤其是钢纤维,可以提高混凝土的延展性和机械性能 [4]。同样,玻璃纤维已被证明可以提高混凝土的冻融耐久性 [5]。来自回收瓶的 PET 纤维也显示出增强 FRC 性能的潜力,通过使用回收材料为可持续发展做出贡献 [4]。此外,FRC 通过利用 PET 纤维和粉煤灰等回收材料提供可持续的解决方案,这与人们对环保建筑实践日益增长的兴趣相一致 [6]。黄麻纤维等天然纤维是一种很好的替代品,因为它们价格低廉且易于以纤维形式获得,并且它们还可以用于混凝土以提高其强度和耐久性 [7]。
除了改变纤维剂量外,这项研究还采用了粉 30%30 \% 煤灰固定替代水泥的方法,以提高混凝土的可持续性。由于其各种优点,粉煤灰是一种常见的工业副产品,是
常用于混凝土混合物中作为水泥替代品。研究表明,在混凝土配方中加入粉煤灰可以提高抗压强度、耐久性和抗硫酸盐侵蚀能力 [8]。含有高质量粉煤灰的混凝土具有增强的耐久性,例如降低氯化物渗透性、降低吸附率和降低吸水率 [9]。
此外,通过使用回收材料,FRC 的可持续性得到了强调。本研究采用再生 25%25 \% 混凝土骨料 (RCA) 固定替代天然骨料,以提高混凝土的可持续性。RCA 和粉煤灰在混凝土混合物中的混合已被证明可以增强对氯化物进入的抵抗力,并增强由回收骨料制成的混凝土的强度 [10]。
尽管文献提供了关于纤维、粉煤灰和回收材料对混凝土影响的见解,但仍然存在差距,需要进一步研究以确定 FRC 混合物的最佳纤维剂量。本研究旨在开发可持续的建筑材料,以提高混凝土的性能和耐久性 [11],特别是通过研究不同纤维类型和剂量对 FRC 机械性能的影响。
根据美国混凝土研究所关于纤维增强混凝土的报告 [12],增强纤维可以由钢、玻璃和有机聚合物(合成纤维)制成。此外,还使用天然存在的石棉纤维和植物纤维,例如剑麻和黄麻纤维。在这项研究中,我们使用了钢、玻璃、PET 和黄麻纤维。该报告规定,FRC 的纤维长度和直径通常分别不超过 3 英寸(76 毫米)和 0.04 英寸(1 毫米)。
在我们的研究中,我们保持了 30 毫米的恒定纤维长度,并在 0%,1%,2%0 \%, 1 \%, 2 \% 和 处改变了剂量 3%3 \% 。为了提高可持续性,我们用粉煤灰代替了水泥,用 25%25 \% 回收的混凝土骨料代替 30%30 \% 了天然骨料。
这项研究很重要,因为它通过优化纤维增强混凝土 (FRC) 的机械性能来满足对可持续建筑材料日益增长的需求。通过结合各种纤维和回收材料,如粉煤灰和再生混凝土骨料 (RCA),这项研究不仅提高了混凝土的强度和耐久性,还减少了对环境的影响。这些发现可能会影响行业标准,促进使用回收材料和各种纤维类型来提高混凝土性能。此外,这项研究可以指导 FRC 发展的未来方向,强调可持续材料和实践在建筑行业的重要性。
本文包括侧重于所用材料、混合比例、实验程序、结果和讨论的各个部分。实验程序将讨论执行的测试。结果部分以表格和图形形式展示了 FRC 的发现。讨论部分分析了在结果中观察到的趋势,还解决了成本和可持续性问题。结论总结了研究结果并讨论了本研究的局限性。
2 材料、混合和实验程序
2.1 材料
本研究中使用的材料是根据相关的印度标准规范精心挑选和测试的,以确保性能的合规性和一致性。采用符合印度标准 (IS) 代码 269:2015 [13] 的普通波特兰水泥 43 级,其性能按照 IS 4031(IV):1988 [14] 和 IS 4031(V):1988 [15] 进行评估,如表 1 所示。利用了从 Harduaganj 火力发电厂当地采购的飞灰,其特点是比重为 2.2,单位重量为 15.47kN//m^(3)15.47 \mathrm{kN} / \mathrm{m}^{3} ,液体极限为 26%26 \% 。
细骨料由当地可用的粗砂组成,符合IS 383:2016 [16]的II区级配。其特性,包括 3.05 的细度模量和 2.65 的比重,是通过 IS 383:2016 中规定的方法确定的 [16]。按照 IS 383:2016 [16],使用尺寸为 20 mm、比重为 2.71 的石英岩碎石作为粗骨料。为了促进可持续性, 25%25 \% 天然骨料被回收混凝土骨料 (RCA) 取代,符合 IS 383:2016 [16]。RCA 是从 Aligarh 穆斯林大学土木工程系的实验室废料中获得的。先前测试的混凝土立方体在使用前经过了破碎、筛分、清洗和晒干,其性能根据 IS 2386:1963 [17] 标准进行了测试,如表 2 所示。
用于混合和固化目的的水符合 IS 456:2000 [18] 中规定的要求,确保其不含有害物质。据此选择了饮用水。此外,各种纤维
表 1 混凝土混合物中使用的 OPC 43 水泥的性能
物理性质 |
实验值 |
建议的值 |
1. Normal consistency (% by wt. of cement)| 1. Normal consistency (% by wt. of cement) |
| :--- | |
33 |
30-3530-35 |
2. 设置时间(分钟)
i. 初始
2. Setting time (minutes)
i. Initial| 2. Setting time (minutes) |
| :--- |
| i. Initial | |
100 |
30 (最小值) |
ii. 决赛 |
290 |
600 (最大值) |
3. 抗压强度 (MPa) |
29 |
33 |
i. 7 天 |
44 |
43 |
ii. 28 天 |
|
|
Physical properties Experimental values Recommended values
"1. Normal consistency (% by wt. of cement)" 33 30-35
"2. Setting time (minutes)
i. Initial" 100 30 (minimum)
ii. Final 290 600 (maximum)
3. Compressive strength (MPa) 29 33
i. 7 -days 44 43
ii. 28 days | Physical properties | Experimental values | Recommended values |
| :--- | :--- | :--- |
| 1. Normal consistency (% by wt. of cement) | 33 | $30-35$ |
| 2. Setting time (minutes) <br> i. Initial | 100 | 30 (minimum) |
| ii. Final | 290 | 600 (maximum) |
| 3. Compressive strength (MPa) | 29 | 33 |
| i. 7 -days | 44 | 43 |
| ii. 28 days | | |
表 2 天然骨料和再生混凝土骨料 (RCA) 的性能
财产 |
天然骨料 |
回收
克里特岛集结-
盖茨
Recycled con-
crete aggre-
gates| Recycled con- |
| :--- |
| crete aggre- |
| gates | |
总影响值 (%) |
27.9 |
20.7 |
骨料破碎值 (%) |
33.7 |
22.5 |
洛杉矶磨损值 (%) |
48.1 |
28.4 |
比重 |
2.45 |
2.71 |
24 小时后的吸水率 (%) |
4.5 |
0.4 |
Property Natural aggregate "Recycled con-
crete aggre-
gates"
Aggregate Impact Value (%) 27.9 20.7
Aggregate Crushing Value (%) 33.7 22.5
Los Angeles Abrasion Value (%) 48.1 28.4
Specific Gravity 2.45 2.71
Water Absorption after 24 h (%) 4.5 0.4| Property | Natural aggregate | Recycled con- <br> crete aggre- <br> gates |
| :--- | :--- | :--- |
| Aggregate Impact Value (%) | 27.9 | 20.7 |
| Aggregate Crushing Value (%) | 33.7 | 22.5 |
| Los Angeles Abrasion Value (%) | 48.1 | 28.4 |
| Specific Gravity | 2.45 | 2.71 |
| Water Absorption after 24 h (%) | 4.5 | 0.4 |
包括钩头钢纤维、短切玻璃纤维、来自回收瓶的 PET 纤维和黄麻纤维,长度均为 30 毫米。钢和玻璃纤维的性能由制造商提供,而 PET 纤维的性能来自 Krishnamoorthy 等人 [19],黄麻纤维的性能来自 Kshatriya 等人 [20]。Gujplast PCT 135 是一种符合 IS 9103:1999 [21] 的合成聚羧醚性质的高效减水剂,用于提高可加工性。
2.2 混合配比
该过程首先定义混合配比的规定,指定使用 43 级 OPC 水泥的 M20 级混凝土,并在非常恶劣的暴露条件下指定 20 毫米的最大骨料尺寸。目标平均抗压强度为 19.95N//mm^(2)19.95 \mathrm{~N} / \mathrm{mm}^{2} 28 天。空气含量估计 1.0%1.0 \% 为 20 mm 骨料尺寸。通过根据 IS 10262:2019 [22] 指南计算水灰比 (w/c),选择 0.4 的 w/c 比,该比值在严重暴露的允许范围内。为所需的坍落度选择含水量涉及使用高效减水剂进行调整,以确保可加工性并减少用水需求。水泥含量对强度和耐久性至关重要,是通过考虑用粉煤灰 30%30 \% 代替水泥作为胶凝材料来确定的,确保它满足非常严重暴露的最低要求。粗骨料和细骨料的比例根据可泵送混凝土的体积要求和规格进行调整。为达到所需的混凝土性能,每立方米的水泥、粉煤灰、水、骨料和外加剂的最终掺量如下,详细的配合比设计步骤如下:
混合配比步骤
Step 1 配比规定
(a) 等级名称 M20
(b) 水泥类型,OPC 43 级,符合 IS 269:2015 [13]
© 骨料的最大标称尺寸 20 mm
(d) 非常严重的暴露条件