聚丙烯纖維摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度影響分析

閆猛

（中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司，天津 300459）

0 引言

混凝土憑借原材料儲量大、價格低、生產(chǎn)工藝簡單、強(qiáng)度性能高及耐久性好等優(yōu)點在工程中被廣泛應(yīng)用[1]。混凝土的抗壓能力出眾，主要被用作承壓結(jié)構(gòu)，但混凝土屬于脆性材料，超過極限荷載后也易發(fā)生脆性破裂[2]，裂縫開展后發(fā)展迅速，延展性低，破壞后完整度差，幾乎完全喪失承載能力，這是混凝土結(jié)構(gòu)存在的一大問題。隨著纖維混凝土研究的逐步開展，聚丙烯纖維因其抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕、混合工藝簡單、韌性高、價格低等優(yōu)點，繼鋼纖維之后被廣泛應(yīng)用，故聚丙烯纖維混凝土也成為了被關(guān)注的對象。在20世紀(jì)70年代初，有的國家已經(jīng)將聚丙烯纖維混凝土投入工程使用[3]。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，纖維的加入可提高混凝土的性能[4]，但過量摻入也會使混凝土性能出現(xiàn)負(fù)增長現(xiàn)象[5]。為了厘清聚丙烯纖維摻入對混凝土抗壓性能是否也存在此影響，對聚丙烯纖維摻量的研究十分必要[6]。

混凝土承壓性能強(qiáng)，故抗壓性能是評價混凝土是否合格的基本指標(biāo)之一。針對聚丙烯纖維對混凝土抗壓性能的影響，Ede等[7]對不同纖維摻量的混凝土進(jìn)行試驗，發(fā)現(xiàn)纖維體積摻量為0.25%時效果最佳，混凝土抗壓強(qiáng)度提高約9%；Wang[8]的試驗結(jié)果表明，隨著纖維摻量的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度有增加的趨勢。王乾璽等[9]發(fā)現(xiàn)，聚丙烯纖維可提高混凝土的抗壓強(qiáng)度3.0%～5.3%。徐禮華等[10]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)聚丙烯纖維長徑比為167，摻量為0.05%、0.1%、0.15%、0.2%時，聚丙烯纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度比普通混凝土分別提高2.12%、12.12%、15.84%、18.55%。也有人持不同意見，張恒[11]認(rèn)為聚丙烯纖維對混凝土抗壓性能幾乎沒影響。Choi等[12]認(rèn)為混凝土中摻入聚丙烯纖維，抗壓強(qiáng)度降低，劈裂抗拉強(qiáng)度提高。

眾多學(xué)者對聚丙烯纖維混凝土的發(fā)展已作出巨大貢獻(xiàn)，針對不同纖維摻量在混凝土不同養(yǎng)護(hù)齡期下抗壓強(qiáng)度的影響，本文以工程常用的19mm長度的聚丙烯纖維0～1.6kg/m3的摻量范圍，對混凝土進(jìn)行立方體抗壓和軸心抗壓測試，以期得到在不同養(yǎng)護(hù)齡期下最優(yōu)的纖維摻量值，該研究可為聚丙烯纖維材料在混凝土工程中的應(yīng)用與推廣提供理論參考。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗材料

試驗涉及的原材料有：PO.42.5普通硅酸鹽水泥；F類Ⅱ級粉煤灰；礫石粗骨料，連續(xù)級配，尺寸為5～25 mm，級配曲線見圖1a）；細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)為2.60，級配連續(xù)，中砂，級配曲線見圖1b）；減水劑為萘系高效減水劑；聚丙烯纖維為工程中最常用的長度為19 mm、直徑為31.2μm的束狀單絲纖維；普通自來水等。

圖1 骨料級配曲線

1.2 配合比

試驗采用C30混凝土，配合比設(shè)計來自于工程，如表1所示，水膠比為0.46?？紤]到聚丙烯纖維摻量過大會導(dǎo)致纖維分布密集，出現(xiàn)水泥漿包裹不足，進(jìn)而影響混凝土性能的情況，故按0.4 kg/m3、0.8 kg/m3、1.2 kg/m3和1.6 kg/m3的摻量分別摻入混凝土中。其中，普通混凝土命名為NC，聚丙烯纖維混凝土命名為PF，摻量為0.4 kg/m3、0.8 kg/m3、1.2 kg/m3和1.6 kg/m3的聚丙烯纖維混凝土分別命名為PF-0.4、PF-0.8、PF-1.2和PF-1.6。

表1 聚丙烯纖維混凝土配合比（單位：kg/m3）

1.3 試驗方法

試驗參考《水工混凝土試驗規(guī)程》（SL 352—2006）[13]以及《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 221—2010）[14]，通過立方體抗壓試驗與軸心抗壓試驗，研究不同摻量聚丙烯纖維對混凝土抗壓性能的影響。根據(jù)混凝土性能發(fā)展曲線，混凝土在養(yǎng)護(hù)14天之前，強(qiáng)度發(fā)展迅速；14天到28天，發(fā)展減緩；養(yǎng)護(hù)28天后雖然繼續(xù)增長，但發(fā)展速度趨于穩(wěn)定。根據(jù)參考文獻(xiàn)[15-16]，溫度恒定在20℃±2℃，濕度不低于95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方式，分別設(shè)計試驗齡期為14天、28天、60天。每個齡期及纖維摻量下的混凝土試塊各設(shè)置6個，試件尺寸如表2所示。

表2 試件尺寸

2 結(jié)果和分析

2.1 聚丙烯纖維對混凝土立方體抗壓性能影響分析

2.1.1 試驗現(xiàn)象及破壞形態(tài)

普通混凝土在被壓縮的過程中，產(chǎn)生縱向和橫向變形，裂紋逐漸發(fā)展、裂紋之間的相交貫通致使混凝土失效[15]，因而通常呈脆性破壞形式。而加入纖維會削弱脆性破壞的特性，增加混凝土基體的延展性，使其在達(dá)到最大荷載后仍不破碎[16]。

從試驗來看，普通混凝土的破壞過程從出現(xiàn)裂紋至混凝土破裂，呈明顯的脆性破壞，達(dá)到最大荷載后迅速被壓壞，且碎塊零散，完整度差。而纖維混凝土破壞特性明顯不同，聚丙烯纖維混凝土試件在受壓破壞后，沒有崩碎現(xiàn)象，只有少數(shù)碎片被擠壓脫落，其余部分整體性較強(qiáng)。雖然試件破裂，但仍然具有承受較小荷載的能力。這種現(xiàn)象表明，聚丙烯纖維對混凝土的開裂失效有抑制作用，當(dāng)壓力機(jī)的輸出能量相同時，普通混凝土已經(jīng)碎裂，但聚丙烯纖維混凝土只處于開裂狀態(tài)，并仍有一定承載能力抵抗殘余變形。表現(xiàn)為混凝土受壓破壞后，部分纖維使裂縫兩邊的混凝土相連，增加了混凝土的延展性。這說明聚丙烯纖維在被拉斷和拉脫時已經(jīng)較多地消耗了能量，從而提高了混凝土抗壓能力?；炷猎嚰茐男螒B(tài)如圖2所示。

圖2 聚丙烯纖維混凝土立方體抗壓破壞形態(tài)（以NC和PF-0.8為例）

2.1.2 立方體抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

圖3—圖5分別為三種試驗齡期下，聚丙烯纖維混凝土立方體抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖3 聚丙烯纖維混凝土立方體抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線（14天）

圖4 聚丙烯纖維混凝土立方體抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線（28天）

圖5 聚丙烯纖維混凝土立方體抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線（60天）

從圖3—圖5中可以看出，加入聚丙烯纖維后，混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增后減的趨勢，14天和28天養(yǎng)護(hù)齡期下，0.8kg/m3摻量抗壓強(qiáng)度最高，60天養(yǎng)護(hù)齡期下，0.4kg/m3摻量抗壓強(qiáng)度最高。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，纖維摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響各不相同，普通混凝土隨養(yǎng)護(hù)齡期增加，抗壓強(qiáng)度也增加，但增加幅度較小。在聚丙烯纖維0.4kg/m3、1.2kg/m3、1.6kg/m3摻量下的混凝土抗壓性能也隨齡期增加而增加。其中，0.4kg/m3摻量下提升幅度最大，1.6kg/m3摻量下提升幅度最小，且小于普通混凝土的抗壓強(qiáng)度提升幅度。0.8kg/m3摻量下的混凝土抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢。整體上看，隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加，聚丙烯纖維摻量的增加會使抗壓強(qiáng)度提升幅度先增后減，纖維摻量不宜過多，因為1.6kg/m3摻量下增長幅度已經(jīng)小于普通混凝土，過量的纖維摻量會抑制混凝土的強(qiáng)度發(fā)展。相較于普通混凝土，聚丙烯纖維混凝土的荷載位移曲線更寬更高。普通混凝土呈脆性破壞，而聚丙烯混凝土在達(dá)到峰值荷載后，荷載位移曲線下降緩而平，表明其更具延展性。達(dá)到極限荷載后，齡期越短，普通混凝土與聚丙烯纖維混凝土的區(qū)別越明顯，聚丙烯纖維混凝土下降段呈現(xiàn)得更平緩，下降更緩慢，說明聚丙烯混凝土破壞后仍具有一定的承載能力，但聚丙烯纖維摻量與破壞后承載能力的相關(guān)性并不顯著。

2.2 聚丙烯纖維對混凝土軸心抗壓性能影響分析

2.2.1 試驗現(xiàn)象及破壞形態(tài)

軸心抗壓試驗選用的試件尺寸為100mm×100mm×300mm，與立方塊不同的是，軸心抗壓試件呈現(xiàn)更明顯的脆性，一旦產(chǎn)生裂縫，試件就立即破壞失效。普通混凝土與聚丙烯纖維混凝土試件軸壓破壞形態(tài)如圖6所示。在試驗過程中，普通混凝土試件表面脫落嚴(yán)重，裂縫發(fā)展迅速，呈30°～45°迅速貫通。聚丙烯纖維混凝土破壞時表面脫落現(xiàn)象不明顯，并且隨著聚丙烯纖維摻量的增加，表面脫落量更少；聚丙烯纖維混凝土表面的裂縫更加細(xì)微，并且與纖維摻量相關(guān)，摻量越大，裂縫越細(xì)微，但0.8～1.6kg/m3摻量的試件裂縫細(xì)微程度相差不大，且完整性相差很小。聚丙烯纖維混凝土的裂縫發(fā)展方向與普通混凝土差別不大，同樣在30°～45°之間。

圖6 聚丙烯纖維混凝土軸心抗壓破壞形態(tài)

2.2.2 試驗結(jié)果分析

圖7—圖9分別為三種試驗齡期下，聚丙烯纖維混凝土軸心抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖7 聚丙烯纖維混凝土軸心抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線（14天）

圖8 聚丙烯纖維混凝土軸心抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線（28天）

圖9 聚丙烯纖維混凝土軸心抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線（28天）

由圖7—圖9對比可得，軸心抗壓峰值荷載隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大。并且還可以看出，摻入聚丙烯纖維可提高混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度，最優(yōu)摻量為1.2kg/m3，這與立方體抗壓試驗所得到的0.8kg/m3摻量不同。養(yǎng)護(hù)14天后，摻量為1.2 kg/m3的聚丙烯纖維混凝土的軸心極限抗壓強(qiáng)度最大，比普通混凝土高出18.54%；養(yǎng)護(hù)28天后，摻量為1.2kg/m3的聚丙烯纖維混凝土的軸心極限抗壓強(qiáng)度最大，比普通混凝土高出9.62%；當(dāng)齡期為60天時，摻量為0.8 kg/m3的聚丙烯纖維混凝土的軸心極限抗壓強(qiáng)度略高于摻量為1.2 kg/m3的試件，比普通混凝土高出19.12%，但纖維摻量為1.2 kg/m3的試件比纖維摻量為0.8 kg/m3的試件變形更大。隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長，纖維摻量可提高混凝土抗壓強(qiáng)度的增長幅度，增長幅度最大值對應(yīng)的摻量為0.8 kg/m3，其次為1.2 kg/m3，1.6 kg/m3摻量下的抗壓強(qiáng)度提升最小，且小于普通混凝土，并且并未出現(xiàn)各纖維摻量下抗壓強(qiáng)度隨齡期增加而降低的現(xiàn)象。隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長，各混凝土試件的極限應(yīng)變并未因聚丙烯纖維的摻入而產(chǎn)生明顯且規(guī)律的變化，說明聚丙烯纖維可延緩開裂速度，卻不能增加破壞時的變形量。普通混凝土與聚丙烯纖維混凝土的曲線差異不明顯，說明破壞過程相似，都為脆性破壞，但聚丙烯纖維混凝土整體性更好。

3 結(jié)論

本文通過對聚丙烯纖維混凝土進(jìn)行立方體抗壓與軸心抗壓強(qiáng)度測試，研究得到：

（1）摻入聚丙烯纖維，破壞過程中，混凝土脫落量較少，完整性較好，可以提升混凝土的延展性，延緩破壞過程；

（2）聚丙烯纖維混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度與軸心抗壓強(qiáng)度均強(qiáng)于普通混凝土，并且隨聚丙烯纖維摻量的增加，抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增后減的趨勢。實際混凝土工程設(shè)計中，建議聚丙烯纖維摻量為0.8～1.2kg/m3。