聚丙烯纖維的摻入對混凝土力學(xué)性能的影響研究

【摘要】通過對聚丙烯纖維混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度以及彈性模量的試驗(yàn)研究，得出摻入聚丙烯纖維對混凝土的抗壓強(qiáng)度影響不顯著，卻能顯著改善混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量。

【關(guān)鍵詞】聚丙烯纖維；混凝土；力學(xué)性能

前言

在混凝土的使用性能規(guī)定中其普通物理力學(xué)方面的性能是最根本的，但也是最重要的，不但是混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的直接依據(jù)，也是考察具體工程應(yīng)用的重要對象。諸如混凝土早期的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及彈性模量等，這些性能在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中都是非常重要的參考指標(biāo)，其在現(xiàn)階段的混凝土規(guī)范中的取值已不能很好的適用于現(xiàn)代混凝土工程，這方面的試驗(yàn)研究尚有些欠缺，正因?yàn)槿绱?，本文就聚丙烯纖維混凝土的物理力學(xué)方面的性能進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究，為降低混凝土結(jié)構(gòu)的早期裂縫提供有價(jià)值的參考[1～3]。

1、不同水膠比條件下聚丙烯纖維對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

1.1試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用試件為100mm×100mm×100mm的三聯(lián)立方體試件，在試驗(yàn)過程中應(yīng)采取措施以保證能達(dá)到連續(xù)均勻加載，根據(jù)現(xiàn)行《建筑材料試驗(yàn)手冊》，考慮尺寸效應(yīng)的影響，當(dāng)試驗(yàn)采用100mm×100mm ×100mm的立方體試件時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度的實(shí)測值需要乘以數(shù)值為0.95的系數(shù)以進(jìn)行折減，計(jì)算結(jié)果取三個(gè)試件的算數(shù)平均值作為該組試件的抗壓強(qiáng)度值。

根據(jù)圖1-1，在0.35水膠比時(shí)摻聚丙烯纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度在3d齡期時(shí)，基準(zhǔn)試驗(yàn)組混凝土的抗壓強(qiáng)度實(shí)測值最高，摻入聚丙烯纖維的各個(gè)試驗(yàn)組呈現(xiàn)出十分不明顯的規(guī)律，但所有抗壓強(qiáng)度實(shí)測值均略小于KB1試驗(yàn)組。伴隨著齡期的發(fā)展，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度值不斷增長，7d齡期時(shí)，1p15試驗(yàn)組抗壓強(qiáng)度實(shí)測值最高達(dá)到了48.14MPa，14d齡期時(shí)1p10試驗(yàn)組強(qiáng)度實(shí)測值最高，28d齡期時(shí)，摻入聚丙烯纖維的各試驗(yàn)組抗壓強(qiáng)度實(shí)測值都比基準(zhǔn)試驗(yàn)組混凝土抗壓強(qiáng)度實(shí)測值高，抗壓強(qiáng)度實(shí)測值隨聚丙烯纖維摻入量的變化尚無一致的趨勢，并沒有伴隨摻量的增加而呈現(xiàn)出嚴(yán)格的遞增趨勢，這中間在聚丙烯纖維摻量為1.0kg/m3時(shí)抗壓強(qiáng)度值最高。由圖1-2，在0.40水膠比條件下，3d齡期時(shí)各組聚丙烯纖維摻量的抗壓強(qiáng)度實(shí)測值非常接近，基準(zhǔn)試驗(yàn)組混凝土強(qiáng)度實(shí)測值位置靠近中間，7d齡期和28d齡期時(shí)，聚丙烯纖維摻量為2.0kg/m3時(shí)強(qiáng)度實(shí)測值明顯比其它各試驗(yàn)組強(qiáng)度實(shí)測值低。在14d齡期和28d齡期時(shí)，強(qiáng)度實(shí)測值出現(xiàn)非常大的離散性。根據(jù)圖1-3，在水膠比為0.55時(shí)，各試驗(yàn)齡期、各聚丙烯纖維摻量的混凝土試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度實(shí)測值都比基準(zhǔn)試驗(yàn)組混凝土強(qiáng)度實(shí)測值低，可見聚丙烯纖維的摻入不利于抗壓強(qiáng)度值的增長。14d齡期時(shí)基準(zhǔn)試驗(yàn)組混凝土強(qiáng)度值比摻入聚丙烯纖維組混凝土強(qiáng)度值高出5%以上，但隨著齡期的增長這種差距在逐漸減小。

1.3試驗(yàn)結(jié)果分析

在低水膠比條件下，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度值升高，合理摻入聚丙烯纖維的摻量可以增強(qiáng)混凝土試件的抗壓強(qiáng)度實(shí)測值，分析認(rèn)為在混凝土試件受壓時(shí)試件會發(fā)生橫方向的膨脹，因?yàn)榫郾├w維的摻入導(dǎo)致橫方向的膨脹將會受到纖維筋的約束作用，因此延緩了試件破壞的進(jìn)程，增強(qiáng)了纖維混凝土材料的延展性以及極限壓應(yīng)變值，實(shí)驗(yàn)過程中沒有發(fā)生類似于普通混凝土試件的突然碎裂和抗壓強(qiáng)度值的突然下降，而是在整個(gè)的試驗(yàn)過程中破壞趨于減緩。此外，在抗壓強(qiáng)度值較高的混凝土試件中，混凝土同聚丙烯纖維之間的界面接觸區(qū)域得到了加強(qiáng)，當(dāng)混凝土試件發(fā)生開裂以后，填充于裂縫中間的聚丙烯纖維筋可以依靠著同混凝土試件接觸界面間的黏結(jié)力發(fā)揮其作用，而不會輕易拔出，從而能夠充分發(fā)揮加強(qiáng)作用。

2、不同水膠比下聚丙烯纖維對混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

混凝土損傷理論認(rèn)為混凝土裂縫的出現(xiàn)一般是因?yàn)槔瓚?yīng)力超過了混凝土試件的極限抗拉強(qiáng)度值，故而，混凝土抗拉強(qiáng)度值對于研究摻聚丙烯纖維混凝土的抗裂性是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。我國的高等院校以及科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)行過許多直接拉伸破壞的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)混凝土的直接拉伸試驗(yàn)操作復(fù)雜，混凝土試件很難保證一直處于軸心受拉狀態(tài)，其破壞大部分均為偏心受拉狀態(tài)下的破壞。美國認(rèn)證協(xié)會（American Certification Institute，簡稱ACI）把劈裂抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)方法應(yīng)用在纖維混凝土抗壓強(qiáng)度值的測定，其測得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果離散性非常小，另一方面，劈裂抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)方法在操作方面更加簡單方便。中國高校大連理工大學(xué)在研究制定鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)所采用的也是劈裂抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)方法。對于聚丙烯纖維混凝土試件雖然還沒有統(tǒng)一的、專門的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)指導(dǎo)，但是參照鋼纖維混凝土試件的試驗(yàn)操作方法還是切實(shí)可行的。

2.1試驗(yàn)設(shè)備及方法

劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)采用100mm×100mm×100mm的立方體試件做為試驗(yàn)試件，進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，每一個(gè)混凝土試件在檢測過程中都將在混凝土試件同設(shè)備之間墊上全新的長為150mm，寬為20mm，厚為3～4mm的木質(zhì)的三合板。劈裂抗拉強(qiáng)度實(shí)測值的計(jì)算參照下面的公式進(jìn)行：

式中，：fsp：混凝土試件的劈裂抗拉強(qiáng)度值（單位：MPa）

Pu：混凝土試件的破壞荷載（單位：N）

a：混凝土試件的邊長（單位：mm）

F：混凝土試件的破壞荷載（單位：N）

A：混凝土試件的劈裂面積（單位：mm2）

2.2試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)圖2-1～2-3，可以得到不同水膠比條件下，混凝土試件在不一樣的聚丙烯纖維摻量情況下，其劈裂抗拉強(qiáng)度實(shí)測值隨試驗(yàn)齡期的發(fā)展曲線。看出在0.35、0.40、0.55水膠比情況下，基準(zhǔn)試驗(yàn)組的混凝土試件14d齡期的劈裂抗拉強(qiáng)度實(shí)測值分別達(dá)到了28d齡期強(qiáng)度實(shí)測值的92.7%，92.9%，93.8%。由圖中還能得到，劈裂抗拉強(qiáng)度實(shí)測值的增長趨勢同抗壓強(qiáng)度實(shí)測值較為相似，在早齡期時(shí)劈裂抗拉強(qiáng)度值增長趨勢較快，14d齡期以后增長趨勢減慢。在給定齡期條件下，若不考慮聚丙烯纖維摻量的作用，混凝土抗壓強(qiáng)度實(shí)測值高的，其劈裂抗拉強(qiáng)度實(shí)測值也相對較高。相關(guān)文獻(xiàn)顯示[4～5]，伴隨著混凝土試件抗壓強(qiáng)度實(shí)測值的增長，其混凝土試件的劈裂抗拉強(qiáng)度實(shí)測值也隨著增長，只是增長的速度比較慢。為了達(dá)到更好的研究聚丙烯纖維摻入量對混凝土試件的劈裂抗拉強(qiáng)度實(shí)測值的影響，排除掉混凝土試件的抗壓強(qiáng)度實(shí)測值的作用效果，選用28d齡期的拉強(qiáng)比（劈裂抗拉強(qiáng)度實(shí)測值/抗壓強(qiáng)度實(shí)測值）作為考察聚丙烯纖維摻量對混凝土試件的劈裂抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律。

根據(jù)圖2-4，因?yàn)榕芽估瓘?qiáng)度同混凝土的水化有一定的相關(guān)性，從而使得劈裂抗拉強(qiáng)度不可避免的同抗壓強(qiáng)度之間產(chǎn)生了聯(lián)系，當(dāng)基體內(nèi)部的水化反應(yīng)進(jìn)程減緩以后，劈裂抗拉強(qiáng)度實(shí)測值將隨混凝土試件齡期的增長而逐漸降低。試驗(yàn)過程中0.35水膠比條件下混凝土試件的劈裂抗拉強(qiáng)度實(shí)測值同混凝土試件抗壓強(qiáng)度實(shí)測值28d齡期時(shí)的比值大概在6-7%附近，0.40水膠比條件下劈裂抗拉強(qiáng)度同抗壓強(qiáng)度28d齡期時(shí)的比值大概在7-8%，0.55水膠比條件下劈裂抗拉強(qiáng)度同抗壓強(qiáng)度28d齡期時(shí)的比值大概在9%左右。因此能夠得到，水膠比愈小拉強(qiáng)比愈小，水膠比愈大，拉強(qiáng)比愈大，而這也是導(dǎo)致高強(qiáng)度等級混凝土在延展性方面的性能要比低強(qiáng)度等級混凝土差的一個(gè)直接原因。

聚丙烯纖維影響混凝土試件劈裂抗拉強(qiáng)度的程度不能單純由劈裂抗拉強(qiáng)度的實(shí)測值去衡量，還需要綜合考慮混凝土試件抗壓強(qiáng)度實(shí)測值的影響，因此使得拉強(qiáng)比這個(gè)指標(biāo)可以很好的反應(yīng)聚丙烯纖維對混凝土的增強(qiáng)作用。由圖2-5能夠得到，三條曲線走勢層次分明，表現(xiàn)出水膠比的變化對拉強(qiáng)比指標(biāo)的控制作用，是拉強(qiáng)比指標(biāo)的重要影響因素。在較高水膠比條件下，摻入聚丙烯纖維后的混凝土試件的計(jì)算拉強(qiáng)比值只有小幅度的攀升，曲線走勢很平緩。而在0.35和0.40水膠比條件下?lián)饺刖郾├w維后的混凝土試件的計(jì)算拉強(qiáng)比值的增長卻相當(dāng)顯著，尤其是在聚丙烯纖維摻量1.0kg/m3以下時(shí)，混凝土試件的計(jì)算拉強(qiáng)比曲線的走勢非常陡峭，而聚丙烯纖維摻量超過1.0kg/m3以后，拉強(qiáng)比曲線走勢又漸趨平緩，顯示出聚丙烯纖維對混凝土試件拉強(qiáng)比指標(biāo)的增強(qiáng)還存在著科學(xué)合理的摻量范圍，這個(gè)摻量范圍就在1.0kg/m3附近?？傮w上來說，聚丙烯纖維的摻入能夠顯著的加強(qiáng)混凝土的拉強(qiáng)比指標(biāo)，這種加強(qiáng)效果在低水膠比條件下更加顯著。

3、不同水膠比下聚丙烯纖維對混凝土彈性模量的影響

彈性模量是用來描述固體材料抵抗形變能力的物理量，能夠表征固體材料在彈性范圍內(nèi)抵抗變形的難易程度，是一種最重要、最具特征的力學(xué)性質(zhì)。很明顯混凝土材料不能算嚴(yán)格的彈性體材料，但在所施加荷載很小時(shí)，所施加在混凝土試件上的荷載值都在彈性的比例極限的變化幅值內(nèi)，應(yīng)力值和應(yīng)變值近似成一條直線，而且還是正比例關(guān)系，也就是公式，這種近似關(guān)系產(chǎn)生的誤差在實(shí)際工程計(jì)算中是不會造成不好的后果的。所有外界荷載的施加都將要通過混凝土試件產(chǎn)生一定的應(yīng)力值，假如材料的彈性模量比較小，則試件就非常容易產(chǎn)生形變，通過試件的形變做功而把材料的內(nèi)應(yīng)力耗費(fèi)掉；如果材料的彈性模量比較大，當(dāng)試件受到荷載亦或溫度升高后，混凝土試件基體就無法產(chǎn)生足夠多的形變，這樣就要在混凝土試件基體內(nèi)部生成無法抵消的內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)這個(gè)內(nèi)應(yīng)力逐漸積累超過材料塑性變形的范圍以后混凝土試件就將發(fā)生無征兆的脆性斷裂，亦即脆斷，脆斷現(xiàn)象也是傳統(tǒng)混凝土試件發(fā)生破壞的顯著特點(diǎn)[6]。

建設(shè)工程施工單位在計(jì)算鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形、構(gòu)件裂紋的發(fā)展和大體積鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力的時(shí)候，都需要混凝土材料的彈性模量的數(shù)值[7]。在具體的工程實(shí)際中[8]，也曾經(jīng)出現(xiàn)過混凝土試件強(qiáng)度能夠達(dá)到材料的設(shè)計(jì)要求但是材料的彈性模量偏低而引起變形值太大，使得鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件不能夠被正常使用，從而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)失衡的工程質(zhì)量事故；在最近的高鐵工程建設(shè)中對材料的彈性模量值也有非常高的要求，28d齡期的彈性模量值就要求達(dá)到35.5GPa。

3.1試驗(yàn)設(shè)備及方法

彈性模量試驗(yàn)采用尺寸為150mm×150mm×300mm的棱柱體試件，每組試驗(yàn)采用6個(gè)試件，試驗(yàn)用壓力試驗(yàn)機(jī)應(yīng)符合國家現(xiàn)行規(guī)范GB/T 50081-2002中第4.3節(jié)的規(guī)定，微變型儀要符合國家現(xiàn)行規(guī)范GB/T 50081-2002中第4.4節(jié)的規(guī)定。具體試驗(yàn)操作步驟詳見《建筑材料實(shí)驗(yàn)手冊》[9]。

3.2試驗(yàn)結(jié)果及討論

由Eshelby[10]的等效夾雜法理論來求解諸如混凝土等復(fù)合材料體的彈性模量的方法來計(jì)算摻聚丙烯纖維混凝土的彈性模量時(shí)能夠得到，較高彈性模量條件下隨著纖維體積率的增長，混凝土試件的彈性模量值也將隨著上升。圖3-1～3-3就給出了在不同水膠比條件下?lián)骄郾├w維混凝土試件的彈性模量值隨所摻加的纖維體積摻量的變化曲線。從圖中曲線能夠看出，在0.35水膠比條件下，伴隨著纖維體積率的增加，混凝土試件的彈性模量值均有不同程度的降低，當(dāng)聚丙烯纖維摻量是2.0kg/m3時(shí)，混凝土彈性模量最高降幅達(dá)到了8.2%左右，在0.40水膠比條件下時(shí)，混凝土彈性模量最高降幅只有6.4%。當(dāng)混凝土的水膠比進(jìn)一步增大到0.55的時(shí)候，摻聚丙烯纖維混凝土的彈性模量值變化趨勢不再顯著，這也體現(xiàn)了小水膠比條件下高強(qiáng)度等級混凝土的彈性模量值對纖維的摻入更敏感，現(xiàn)今的工程實(shí)際中高強(qiáng)度等級的混凝土應(yīng)用愈來愈廣，聚丙烯纖維混凝土的此類特證必須引起足夠的重視。盡管如此，在相對比較小的水膠比條件下，只要我們能夠在合理的摻量范圍內(nèi)進(jìn)行選用，聚丙烯纖維對混凝土試件的彈性模量的改善程度一定會在能夠接受的范圍內(nèi)，在本文所試驗(yàn)的0.35水膠比條件下，聚丙烯纖維摻量是1.0kg/m3時(shí)，混凝土試件的彈性模量比基準(zhǔn)組混凝土試件僅僅降低了4.9%。

4、結(jié)論

對摻聚丙烯纖維混凝土的普通物理力學(xué)性能（主要是抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、彈性模量）進(jìn)行了全面試驗(yàn)研究，結(jié)論如下：

（1）聚丙烯纖維的摻入對混凝土試件抗壓強(qiáng)度的影響不要單純看纖維的摻入量，在相異的水膠比條件下纖維摻量對抗壓強(qiáng)度的影響趨勢也不一樣，較低水膠比條件下合理纖維摻量對混凝土試件抗壓強(qiáng)度值有增強(qiáng)效果；

（2）在相同水膠比條件下，仍然存在一個(gè)對混凝土抗壓強(qiáng)度有利的合理的聚丙烯纖維摻量范圍；0.35和0.40水膠比條件時(shí)的合理聚丙烯纖維摻量都在1.0kg/m3左右，而在0.55水膠比條件下，不管何種聚丙烯纖維摻量的混凝土試件的抗壓強(qiáng)度值均明顯低于基準(zhǔn)組混凝土；

（3）聚丙烯纖維的摻加能顯著增大混凝土試件的拉強(qiáng)比指標(biāo)，體現(xiàn)出聚丙烯纖維具有優(yōu)異的增韌作用，合理摻加量在1.0kg/m3左右；

（4）在較小應(yīng)力值及較低纖維摻量時(shí)，聚丙烯纖維對混凝土試件的彈性模量的影響同基準(zhǔn)組混凝土試件相比較變化趨勢較小，故可以取相同混凝土配合比的基準(zhǔn)組混凝土的彈性模量值做為具體工程的設(shè)計(jì)參數(shù)。