聚丙烯纖維混凝土抗拉性能研究*

郭 興

(中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司，天津 300459)

普通混凝土因其抗拉強(qiáng)度低、脆性大、易開裂等缺陷無法滿足現(xiàn)代建筑對(duì)混凝土力學(xué)性能的要求，各界學(xué)者不斷探尋改善混凝土力學(xué)性能的方法。纖維作為一種新型混凝土增強(qiáng)材料，因其能夠提高和改善混凝土各項(xiàng)基本性能，在現(xiàn)代建筑工程中得到廣泛的應(yīng)用。不同纖維在混凝土中起到的作用不同，聚丙烯纖維[1]因其抗拉強(qiáng)度高、柔韌性好，可提高混凝土抗拉性能和韌性，受到廣大學(xué)者的關(guān)注。文獻(xiàn)[2]研究發(fā)現(xiàn)混凝土中摻入聚丙烯纖維后，劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度遠(yuǎn)高于普通混凝土，提高幅度為14.2%～17.5%；文獻(xiàn)[3]的研究結(jié)果表明，隨著纖維摻量的增加，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度有增加的趨勢(shì)；文獻(xiàn)[4-9]研究表明，聚丙烯纖維摻量對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度影響較大，摻入聚丙烯纖維混凝土抗拉強(qiáng)度比基準(zhǔn)混凝土提高2%～8%；文獻(xiàn)[10]研究表明，當(dāng)聚丙烯纖維摻量為0.9 kg·m-3時(shí)，抗折強(qiáng)度降低2%左右，當(dāng)摻量為1.8 kg·m-3時(shí)，抗折強(qiáng)度降低9%左右。文中旨在研究不同纖維摻量下混凝土劈裂性能和抗折性能的變化，從能量的角度分析聚丙烯纖維混凝土的抗拉韌性，確定混凝土中最佳聚丙烯纖維摻量。

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；Ⅱ級(jí)粉煤灰；粗骨料選擇粒徑為5～25 mm、連續(xù)級(jí)配的碎石；細(xì)骨料選取中砂，細(xì)度模數(shù)為2.60；減水劑選用萘系高效減水劑；聚丙烯纖維為長19 mm、直徑?31.2 μm的束狀單絲纖維。

本次試驗(yàn)擬制備C30混凝土，配合比見表1，并在普通混凝土配合比的基礎(chǔ)上分別加入0.4,0.8,1.2,1.6 kg·m-3的聚丙烯纖維，得到不同纖維摻量的聚丙烯纖維混凝土試塊。普通混凝土記作NC，聚丙烯纖維混凝土記作PFC。

表1 普通混凝土和聚丙烯纖維混凝土配合比

依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352—2006)[11]以及《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 221—2010)[12]設(shè)計(jì)劈裂試驗(yàn)和抗折試驗(yàn)分析聚丙烯纖維混凝土的抗拉性能。

劈裂試驗(yàn)試塊為100 mm×100 mm×100 mm的混凝土試塊，每組配合比制作6塊，共5組配合比，將試塊按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)中的試驗(yàn)要求，放入溫度為(20±2) ℃的水中養(yǎng)護(hù)28 d后取出進(jìn)行試驗(yàn)研究。

試驗(yàn)過程中機(jī)械施壓應(yīng)保持勻速荷載，加壓速度為0.5 kN·s-1，直至破壞，記錄破壞荷載并利用千分表測(cè)量加壓時(shí)的側(cè)向位移?；炷亮⒎襟w試件劈裂抗拉強(qiáng)度為

(1)

式中：P為試件破壞荷載；A為試件承壓面積。

抗折試驗(yàn)試塊采用100 mm×100 mm×400 mm的混凝土試塊，每組配合比制作6塊，五組配合比共計(jì)30塊。

抗折試驗(yàn)采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定，加載速度控制為0.1 kN·s-1，加載至試塊破壞，記錄抗折峰值荷載并利用千分表測(cè)量加壓時(shí)的位移。

混凝土抗折強(qiáng)度為

(2)

式中：P為試件破壞荷載；l為支座間距(即跨度)，且l=3H；B為試件截面寬度；H為試件截面高度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 劈裂試驗(yàn)

劈裂峰值荷載及位移由每組試塊試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值得出，將試驗(yàn)結(jié)果代入式(1)，得到混凝土的劈裂強(qiáng)度，見表2。并繪制混凝土劈裂荷載-位移曲線，如圖1所示。

表2 聚丙烯纖維混凝土劈裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖1 普通混凝土與聚丙烯纖維混凝土的劈裂荷載-位移曲線

分析表2可得，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，混凝土劈裂峰值荷載和劈裂強(qiáng)度均呈先增后減的趨勢(shì)，其中不摻聚丙烯纖維時(shí)劈裂強(qiáng)度最小，之后隨著聚丙烯纖維摻量的增加而增大，達(dá)0.8 kg·m-3時(shí)劈裂強(qiáng)度最大，隨后劈裂強(qiáng)度開始下降。可見加入聚丙烯纖維可提高混凝土劈裂強(qiáng)度，但纖維材料易打團(tuán)，摻量較大時(shí)在混凝土中易出現(xiàn)分布不均勻、水泥砂漿包裹不足問題，致使內(nèi)部缺陷增加，進(jìn)而導(dǎo)致劈裂強(qiáng)度下降。

由混凝土劈裂荷載-位移曲線可見，試塊在荷載達(dá)到25 kN前側(cè)向位移發(fā)展速度隨著聚丙烯纖維摻量的增加呈先減后增的趨勢(shì)，其中不摻聚丙烯纖維時(shí)側(cè)向位移發(fā)展速度最快，摻入聚丙烯纖維后，側(cè)向位移發(fā)展開始變慢，摻量為0.8 kg·m-3時(shí)最慢。主要由于混凝土產(chǎn)生裂縫后聚丙烯纖維可以連接裂縫，并繼續(xù)消耗能量，因此延緩了裂縫的發(fā)展貫通，提高了混凝土韌性。

荷載-位移曲線包絡(luò)的面積可表示能量的損耗，坐標(biāo)原點(diǎn)至劈裂荷載峰值點(diǎn)所包圍的面積定義為劈裂能量損耗Es，劈裂抗拉強(qiáng)度峰值后的下降段曲線包圍的面積定義為失效后能量損耗Ef，則Ef/Es為韌性指數(shù)[13]。圖2～3為混凝土荷載-位移曲線能量損耗圖，韌性指數(shù)計(jì)算結(jié)果見表3。

圖2 普通混凝土荷載-位移曲線能量損耗圖

圖3 摻量為0.8 kg·m-3時(shí)聚丙烯纖維混凝土荷載-位移曲線能量損耗圖

表3 普通混凝土與聚丙烯纖維混凝土劈裂試驗(yàn)?zāi)芰繐p耗表

由圖2～3及表3可得，普通混凝土的劈裂能量損耗、失效后能量損耗以及韌性指數(shù)最小，同時(shí)失效后能量損耗與劈裂能量損耗的差值較小。聚丙烯纖維混凝土的失效后能量損耗隨著纖維摻量的增加呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)。聚丙烯纖維混凝土韌性指數(shù)大于普通混凝土韌性指數(shù)，說明聚丙烯纖維可以提高混凝土的劈裂性能和韌性，改善混凝土的脆性特征。與劈裂能量損耗相比，失效后能量損耗更大，原因是混凝土達(dá)到劈裂峰值荷載后大多數(shù)的聚丙烯纖維在自身彈性范圍內(nèi)被拉伸，這段能量小于被拉斷和拉脫的能量消耗。韌性指數(shù)最高時(shí)對(duì)應(yīng)的纖維摻量為0.8 kg·m-3。

2.2 抗折試驗(yàn)

抗折峰值荷載及裂縫底寬由每組試塊試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值得出，并將試驗(yàn)結(jié)果代入式(2)中得到混凝土的抗折強(qiáng)度，見表4。圖4為混凝土抗折荷載-位移曲線。

由表4和圖4可得，普通混凝土的抗折峰值荷載和抗折強(qiáng)度最小，達(dá)到抗折峰值荷載后承載能力驟減，同時(shí)試塊起裂時(shí)間早，底端裂縫大，屬于典型脆性破壞。摻入聚丙烯纖維的混凝土抗折峰值荷載和抗折強(qiáng)度隨纖維摻量的增加呈先增后減的趨勢(shì)；裂縫出現(xiàn)時(shí)間延后，裂縫寬度減小，可見摻入聚丙烯纖維可以對(duì)混凝土開裂起到抑制作用，其主要原因是混凝土開裂后，僅裂縫底端部分纖維被拉脫或拉斷，裂縫中部及上部大量纖維橋接混凝土，分擔(dān)了尖端的拉應(yīng)力，致使裂縫發(fā)展較為緩慢，使得聚丙烯纖維混凝土呈現(xiàn)出良好的延展性，提高了混凝土的抗折強(qiáng)度。聚丙烯纖維摻量為0.8 kg·m-3，混凝土抗折峰值荷載和抗折強(qiáng)度最高，但當(dāng)其纖維含量超過0.8 kg·m-3時(shí)，抗折峰值荷載又逐漸降低。原因是纖維摻量過大使混凝土和易性下降，纖維比表面積增大，需要更多的水泥對(duì)纖維進(jìn)行握裹，降低了骨料之間的黏接，致使抗折峰值荷載下降。

表4 聚丙烯纖維混凝土抗折強(qiáng)度計(jì)算表

圖4 普通混凝土與聚丙烯纖維混凝土的抗折荷載-位移曲線

混凝土能量損耗數(shù)據(jù)及韌性指數(shù)見表5。由表5可得，與普通混凝土相比，聚丙烯纖維混凝土的抗折能量損耗、失效后能量損耗以及韌性指數(shù)都相對(duì)提高，說明摻入聚丙烯纖維可以改善混凝土的韌性特征，提高抗折強(qiáng)度。當(dāng)聚丙烯纖維摻量為0.4 kg·m-3時(shí)，纖維混凝土的抗折能量損耗最大，當(dāng)聚丙烯摻量為0.8 kg·m-3時(shí)試塊的失效后能量損耗和韌性指數(shù)最大，即高強(qiáng)度與高應(yīng)變并不是對(duì)應(yīng)關(guān)系，由此得出改善混凝土抗折性能的最優(yōu)聚丙烯纖維摻量為0.8 kg·m-3。

表5 普通混凝土與聚丙烯纖維混凝土抗折試驗(yàn)?zāi)芰繐p耗表

3 結(jié) 論

通過試驗(yàn)分析了摻入聚丙烯纖維對(duì)混凝土劈裂強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響，得到聚丙烯纖維混凝土最優(yōu)摻量，具體結(jié)論如下：

1) 通過劈裂試驗(yàn)和抗折試驗(yàn)得出聚丙烯纖維可以提高混凝土的峰值荷載和強(qiáng)度，延緩混凝土開裂時(shí)間，抑制底端裂縫發(fā)展速度；聚丙烯纖維混凝土失效后能量損耗較大，韌性指數(shù)較高。聚丙烯纖維可以增強(qiáng)混凝土的韌性和延展性，提高混凝土的劈裂強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。

2) 聚丙烯纖維很難在混凝土內(nèi)均勻分布，含量過多會(huì)導(dǎo)致混凝土力學(xué)性能下降，通過系統(tǒng)試驗(yàn)得到摻量為0.8 kg·m-3時(shí)聚丙烯纖維混凝土劈裂強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度相對(duì)最優(yōu)。