聚丙烯纖維輕骨料混凝土抗壓強度試驗研究

熊志文，李建強，王志飛，張 瑩

（遼寧科技大學 土木工程學院，遼寧 鞍山 114051）

聚丙烯纖維輕骨料混凝土抗壓強度試驗研究

熊志文，李建強，王志飛，張 瑩

（遼寧科技大學 土木工程學院，遼寧 鞍山 114051）

為了研究聚丙烯短纖維長度和摻量以及陶粒的摻量對混凝土砌塊抗壓強度的影響，制備了不同材料的57個立方體試件進行抗壓強度試驗，實驗數(shù)據(jù)及試件破壞形態(tài)表明，聚丙烯纖維輕骨料混凝土能有效提高混凝土的抗壓、抗裂強度，控制裂縫的發(fā)展。

聚丙烯纖維；抗壓強度；陶?；炷?；配合比

纖維輕骨料混凝土是采用輕骨料、砂、水泥和水為材料，摻入一定量纖維材料制成的混凝土，其表觀密度不大于1 950 kg/m3。與普通的混凝土相比，其具有輕質、高強、耐火、隔熱、保溫性能好、抗震性好、抗?jié)B性好、變形性能好、節(jié)能環(huán)保等一系列優(yōu)點。近年來，關于輕骨料混凝土的研究在國內外取得了較大的發(fā)展。但由于其彈性模量較低，收縮和徐變比較大，更容易產(chǎn)生脆性破壞，因此其應用的范圍有限，不具有長遠的經(jīng)濟效益［1］。為了提高混凝土的抗裂、抗壓強度，控制裂縫的發(fā)展，本文采用在混凝土中摻入高強纖維的方法提高輕骨料陶?；炷恋牧W性能。目前工程上應用較多的高強度纖維主要有鋼纖維、聚丙烯纖維、碳纖維等，其中聚丙烯纖維具有成本低、強度高、彈性模量高、輕質和良好導電導熱性等力學性能，應用最為廣泛。文獻［2］探討了鋼纖維對混凝土抗壓及抗剪強度的影響；文獻［3］研究了鋼纖維對混凝土彎曲韌性的影響，并提出了相應評價方法；文獻［4-5］探討了碳纖維對混凝土抗壓強度的影響，并提出了應力-應變本構關系模型。但到目前，聚丙烯纖維對輕骨料發(fā)泡陶?；炷恋牧W性能影響研究較少。本試驗以聚丙烯纖維和粉煤灰陶粒為變量，通過改變聚丙烯短纖維的摻量、規(guī)格及改變陶粒的摻量，研究對混凝土性能的影響，找到最優(yōu)配比，為纖維增強陶粒混凝土各材料用量提出合理建議。

1 試驗設計

1.1 試驗材料選擇

本試驗所需材料：水泥、砂、粉煤灰陶粒、聚丙烯纖維、發(fā)泡劑。

粉煤灰陶粒堆積密度為530 kg/m3，表觀密度為1 638 kg/m3，1 h吸水率為8.3%，筒壓強度為3.3 MPa，壓碎指標為30.5%，粒徑5～15 mm，耐火度大于500 ℃。礦物組成成分SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3，CaO，C3S，C2S，C3A，C4AF的質量分數(shù)分別為22.4%，5.16%，2.49%，63.3%，57.3%，21.3%，8.62%，10.1%。

砂細度模數(shù)為2.4，平均粒徑為0.5～0.35 mm。

水泥采用遼寧省鞍山市生產(chǎn)的42.5普通硅酸鹽水泥。

聚丙烯短纖維采用河北廊坊生產(chǎn)的束狀單絲纖維，長度為3～9 mm，直徑為48 μm，抗拉強度≥400 MPa，彈性模量≥3.5GPa。

發(fā)泡劑采用山東煙臺生產(chǎn)的發(fā)泡劑，減水率為10%。

1.2 配合比的確定

本試驗采用三種不同纖維長度和纖維摻量（摻量為水泥質量的0.3%、0.5%、0.7%）以及陶粒摻量進行試驗。并設計六組素混凝土試件作為對照，各材料的用量參考JGJ51-2002《輕骨料混凝土技術規(guī)程》，采用松散體積法［6］制作混凝土試件，養(yǎng)護28 d，對混凝土試件進行抗壓試驗。材料用量見表1，其中水泥用量均為444.4 kg/m3，水用量均為207.4 kg/m3，砂用量均為 592.6 kg/m3，發(fā)泡劑用量均為0.44 kg/m3。

表1 混凝土試件各材料用量Tab.1 Use level of material in concrete specimen

1.3 試驗過程

聚丙烯短纖維不易分散，為了避免在制作試件中纖維過于集中，采取直接加入、人工分散的方法。制作之前先將陶粒進行24 h的浸泡，測出預濕后的輕骨料混水率以控制攪拌時的用水量。先將陶粒、砂、水泥放入攪拌機中并將纖維較均勻地撒在骨料上，先干拌1 min左右，之后加入水與發(fā)泡劑進行攪拌4 min左右［7］。最后將攪拌好的輕骨料碳纖維混凝土注入標準試模中、在震動臺上充分震動后成型。如此，分別控制纖維的長度、摻量以及陶粒的摻量制作不同的混凝土標準砌塊。試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。并在（20±5）℃情況下靜置一晝夜，然后編號拆模［8］。拆模后的試件立即放入溫度（20±2）℃，濕度為95%以上的標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d。

2 試驗結果分析

采用NYL－2000D型壓力試驗機進行抗壓強度實驗。本實驗57組標準試塊的抗壓強度見表2。

混凝土立方體試件抗壓強度計算

式中：fcu為混凝土立方體試件抗壓強度，MPa；F為破壞荷載，kN；A為試件的承壓面積，m3。

從表2可以看出，纖維的用量和長度的選擇以及陶粒的用量對混凝土抗壓強度有著明顯的影響。為了更直觀地反映出這些因素對混凝土抗壓強度的影響，對表2進行整理分析得到圖1。

與普通混凝土相比，控制摻入的陶粒量以及纖維長度不變時，混凝土的抗壓強度隨著纖維用量的增加而增大，當纖維摻量為0.7%時抗壓強度增幅更加明顯；控制摻入的陶粒量以及纖維用量不變，增加纖維長度能有效提高普通混凝土的抗壓強度。當加入的纖維長度為9 mm時混凝土試件的抗壓強度增加最為明顯。當控制纖維用量以及長度時，合理增加陶粒用量對提高普通混凝土的抗壓強度起著顯著作用。這表明纖維摻量為0.7%時輕骨料聚丙烯纖維混凝土比較密實，聚丙烯纖維摻量合理，即為實驗最佳摻量。摻入一定量的纖維可以增強混凝土的抗壓強度，而纖維量過多超過某一個量時，不僅對增強強度無益，反而會降低其強度［9］。

表2 摻入不同量纖維和陶粒的混凝土試件抗壓強度，MPaTab.2 Compressive strength of different use level of fiber and ceramists in concrete specie，MPa

圖1 抗壓強度隨纖維摻量的變化Fig.1 Strength change with fiber content

在抗裂性能方面，如圖2所示，普通混凝土在加載過程中試件表面出現(xiàn)眾多可見的細微小裂縫，隨著荷載不斷加大，裂縫開展明顯。試件表面從開始出現(xiàn)碎片到剝落，至裂縫出現(xiàn)及迅速開展，平均僅有2 min。然而聚丙烯纖維混凝土試件在加載過程中開始也會出現(xiàn)類似于素混凝土破壞情況，但是隨著不斷的加載試件表面不會有碎片產(chǎn)生，裂縫的展開比較緩慢，只是在一定程度上不斷地發(fā)展擴大，如圖3所示。前者為脆性破壞，后者的破壞屬于一種緩慢的過程。

圖2 素混凝土試件破環(huán)情況Fig.2 Failure of plain concrete specimens

分析認為之所以會出現(xiàn)這種差異，是由于纖維的存在限制了裂縫的展開，并且纖維排列的雜亂無章，如圖4所示，導致混凝土試件在破壞時裂縫不能沿著規(guī)則路徑展開，從而導致試件在破壞前，其裂縫的展開是不明顯的。

圖3 纖維混凝土試件破環(huán)情況Fig.3 Failure of fiber concrete specimens

圖4 纖維混凝土內部構造Fig.4 Internal structure of fiber reinforced concrete

3 結論

（1）纖維長度、摻量以及陶粒的摻量都能在不同程度上影響輕骨料混凝土抗壓強度。

（2）當纖維的摻量為0.7%時抗壓強度增幅更加明顯；加入的纖維長度為9 mm時混凝土試件的抗壓強度增加最為明顯。當控制纖維的用量以及長度時，合理增加陶粒用量可提高普通混凝土的抗壓強度。

（3）纖維的存在限制了裂縫的展開，加載過程中不會有碎片產(chǎn)生，只是在一定程度上不斷地發(fā)展擴大。

［1］牛建剛，林紅.輕骨料混凝土的發(fā)展與研究展望［J］.城市建筑，2012（13）：108-109.

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［6］丁威，龔洛書，周運燦，等.JGJ51-2002輕骨料混凝土技術規(guī)程［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002：13-17.

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Experimental study on compressive strength of concrete with polypropylene fiber lightweight aggregate

XIONG Zhiwen，LI Jianqiang，WANG Zhifei，ZHANG Ying

（School of Civil Engineering，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China）

In order to study the influence of the length and proportion of polypropylene fiber and ceramsite content on compressive strength of concrete，57 concrete blocks with different size of polypropylene fiber were prepared.The experimental data and damage morphology showed that polypropylene fiber，as lightweight aggregate in concrete，can effectively improve the compressive strength and the rupture strength of the lightweight aggregate concrete and，control the development of crack.

polypropylene fiber；compressive strength；ceramsite concrete；mix proportion

April 1，2017）

TU528.572

A

1674-1048（2017）03-0237-04

10.13988/j.ustl.2017.03.015

2017-04-01。

遼寧省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（201610146040）。

熊志文（1995—），男，河南正陽人。

李建強（1979—），男，山東慶云人，講師。