聚丙烯纖維混凝土纖維增強作用機理研究

唐百曉

(安康學院，陜西 安康 725000)

混凝土是當前建筑工程中應用最廣泛的材料之一，其適用范圍廣[1]；其不僅可應用在建筑工程領域，還可應用在其他方面，同時其價格相對便宜，在進行澆筑時容易成型。但是，混凝土同時存在脆性較大、強度較低等缺陷[2]。

隨著建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，混凝土基材料也隨之不斷優(yōu)化，混凝土的強度也得到了增加，使得現(xiàn)代建筑能夠在惡劣環(huán)境下保持穩(wěn)定、安全，還能夠使建筑保持重載以及大跨度等狀態(tài)[3]。但是，若材料強度過高，同時會引起材料耐久性變差以及出現(xiàn)非荷載裂縫問題等，導致混凝土出現(xiàn)脆性[4]。因此，如何解決脆性問題是現(xiàn)階段大多學者仍在研究的問題，有學者指出，聚合物混凝土、纖維混凝土可以增強材料韌性，提高混凝土抗?jié)B、抗蝕能力[5]，纖維混凝土是指采用混凝土作為基體，通過添加不同種類的纖維構成的水泥復合基材料。有較多學者對不同纖維混凝土進行了研究，例如添加聚丙烯纖維后試件的受力性能[6]，但該方法僅能夠研究得出試件的受力情況，未詳細分析材料的抗?jié)B性等情況；研究聚丙烯纖維透水水泥混凝土受力性能[7]，但該研究結果不夠全面，未分析材料的耐高溫特性。為此，本試驗研究聚丙烯纖維對混凝土性能的增強情況，分析添加聚丙烯纖維后的材料質量變化情況。

1 聚丙烯纖維混凝土分析

1.1 試驗材料

選用普通硅酸鹽水泥作為本文試驗水泥。添加材料選用粉煤灰；粗、細骨料分別選用中石、小石以及人工中粗砂。同時選取引氣減水劑作為外加劑。聚丙烯纖維的材料特性如表1所示。

表1 聚丙烯纖維材料特性Tab.1 Characteristics of polypropylene fiber materials

選取山東廣通工程材料有限公司的網(wǎng)狀聚丙烯纖維進行試驗。分析水泥中摻入不同含量的網(wǎng)狀聚丙烯纖維時的纖維增強作用；聚丙烯纖維混凝土配合比如表2所示。

表2 試驗混凝土配合比以及拌合物配比Tab.2 Test concrete mix proportion and mixture ratio

1.2 試件制備

將骨料與三分之一的水加入到強制式攪拌機中，進行3 min攪拌，之后添加余下的水、水泥，繼續(xù)攪拌3 min，攪拌完成后緩慢撒入纖維[8-10]，在此時盡量保證纖維均勻撒在材料中，撒完纖維后，開始3～5 min的攪拌，使纖維疏散效果更好[11]；當攪拌完成后靜置2 h，取出后分別制備尺寸為10 cm×10 cm×30 cm的試件，分別制備材料，得到試件1，不添加聚丙烯纖維混凝土；試件2，添加0.05%網(wǎng)狀聚丙烯纖維混凝土；試件3，添加0.10%網(wǎng)狀聚丙烯纖維混凝土；試件4，添加0.15%網(wǎng)狀聚丙烯纖維混凝土。

1.3 試驗過程

1.3.1聚丙烯纖維混凝土抗壓、抗折與抗剪強度分析

按照GBJ 81—1985標準測試試件抗壓性能；并按照CECS 13:89標準，利用雙面直接剪切法驗證試件抗剪性能，對4種試件分別進行不同齡期的試驗。

1.3.2聚丙烯纖維混凝土塑性收縮能力分析

選取未添加聚丙烯纖維的試件1與添加聚丙烯纖維含量0.10%的試件3進行試驗分析，將試件放置在周邊具有約束的板型裝置中，模擬混凝土現(xiàn)實工程環(huán)境[12-13]，利用風扇進行強行干燥試驗，分析不同齡期下的混凝土塑性收縮情況。

1.3.3聚丙烯纖維混凝土拉伸性能分析

選取混凝土拉伸試驗機進行試件拉伸試驗，該試驗機最大荷載為3 000 kN。將試件放置在拉伸試驗機中，通過計算機控制加載，進行加載時觀察試件裂縫變化。

通過以下計算方式分析混凝土試件裂縫擴展規(guī)律，以此分析試件拉伸性能。假設δ為試件拉伸時的總變形量，則該變形量可通過公式計算：

δ=δe+δo+w

(1)

式中：相對裂縫擴展寬度用w表示；位于變形曲線上的斷裂區(qū)外的彈性變形以及剩余變形依次用δe、δo表示，且二者可公式計算：

(2)

式中：峰值應力為σp，與其相應的變形為δp；彈性模量用Et表示；試件長度為l，該長度與相對裂縫寬展闊度w不存在關聯(lián)；當處于最大荷載值之前，不存在宏觀裂縫。對此，采用公式計算相對裂縫擴展寬度：

w=δ-δe-δo

(3)

通過式(3)即可求得相對裂縫擴展寬度。同時，本文利用回歸方法計算相對裂縫擴展寬度與相對拉伸應力之間關系：

(4)

式中：wf為最大縫寬；材料參數(shù)依次用λ、φ表示，這些參數(shù)與纖維摻量有關；ft為混凝土拉伸強度。通過上述計算，即能夠獲取混凝土試件相對裂縫寬度與相對軸向拉伸應力之間的關系。

1.3.4聚丙烯纖維混凝土耐高溫性能分析

對不同試件依次進行高溫試驗，試驗過程采用高溫箱式電阻爐，當溫度位于400 ℃以下時，升溫速率保持在10 ℃/min；當溫度處于400～800 ℃時，升溫速率保持在5 ℃/min，達到目標溫度后，進行2 h保溫處理，之后停止加熱。當試件冷卻后，取出對其進行外表觀察試驗以及性能測試。

1.3.5聚丙烯纖維混凝土抗?jié)B性分析

選取抗?jié)B試驗機對試件進行加壓試驗，采用對試件施加水壓力的方法，分析混凝土試件的抗?jié)B性能。將試件裝入抗?jié)B儀中，在初始試驗時，將水壓調整為0.6 MPa；之后每隔8 h提升0.1 MPa，之后觀測試件表面滲水情況。

1.3.6聚丙烯纖維混凝土塌落度分析

混凝土的流動性是能夠評價其性能的關鍵指標之一[14-15]。本文采用塌落度試驗方法，對不同試件進行齡期為28 d的試驗觀察。

2 試驗分析

2.1 聚丙烯纖維對混凝土抗壓、抗折與抗剪強度的影響

分析28 d齡期內(nèi)不同試件的抗壓、抗折與抗剪強度，分析結果如圖1所示。

(a)不同試件抗壓強度分析

(b)不同試件抗折強度分析

(c)不同試件抗剪強度分析圖1 聚丙烯纖維對不同試件的性能影響Fig.1 Effect of polypropylene fiber on properties of different specimens

從圖1(a)可以看出，在試驗初期，各試件的抗壓強度較低，當齡期達到16 d時，全部試件抗壓強度達到最高，當齡期處于28 d時，抗壓強度均有所下降；其中，添加聚丙烯纖維后的試件抗壓強度均得到提高，當添加聚丙烯纖維含量為0.10%時的試件性能最佳。從圖1(b)、(c)還可看出，在試驗不斷進行過程中，試件的抗剪、抗折強度均保持下降趨勢，未添加聚丙烯纖維的試件1抗剪、抗壓能力均較差，由此說明，添加聚丙烯纖維能夠有效改善試件穩(wěn)定性，且添加0.10%含量聚丙烯纖維的試件抗壓、抗折和抗剪能力最佳。

2.2 聚丙烯纖維對混凝土塑性收縮的影響

分析未添加聚丙烯纖維的混凝土試件與添加聚丙烯纖維含量0.10%的混凝土試件塑性收縮情況，分析結果如圖2所示。

(a)未添加聚丙烯纖維的混凝土試件

(b)添加聚丙烯纖維0.10%的混凝土試件圖2 混凝土塑性收縮性能變化Fig.2 Change of plastic shrinkage performance of concrete

由圖2(a)可以看出，當齡期逐漸加大，混凝土試件的裂縫面積、最大縫寬以及失水速率逐漸上升，導致試件性能變差；而添加0.10%聚丙烯纖維后，從圖2(b)可以看出，混凝土試件的塑性收縮性能較好，當齡期上升，試件的裂縫面積迅速下降，且最大縫寬與失水速率也呈下降趨勢，使試件應用性更高，具有較高水平的塑性收縮能力。

2.3 聚丙烯纖維對混凝土拉伸性能影響

分析4種試件的拉伸性能，分析結果如圖3所示。

圖3 不同試件相對軸向拉伸應力分析Fig.3 Analysis of relative axial tensile stress of different specimens

從圖3可以看出，當相對裂縫擴展寬度逐漸加大，試件的相對軸向拉伸應力也會隨之降低。其中，未添加聚丙烯纖維的試件1拉伸應力始終最低，說明該試件的拉伸效果較差；而添加聚丙烯纖維后，試件的拉伸應力均得到提升，其中添加聚丙烯纖維含量為0.10%的混凝土試件拉伸應力最高，當聚丙烯纖維含量逐漸加大，達到0.15%時，試件的拉伸應力有所下降。

2.4 聚丙烯纖維對混凝土耐高溫性能的影響

分析高溫作用下，不同試件混凝土的強度、質量損失率變化情況，結果如圖4所示。

(a)強度損失率

(b)質量損失率圖4 高溫作用下混凝土試件性能變化Fig.4 Performance change of concrete specimen under high temperature

從圖4可以看出，當試驗溫度不斷增加，不同試件的強度損失率與質量損失率均會隨之提升。其中，各個試件的強度損失率相對較高，試件1的強度損失最高達到60%以上；添加聚丙烯纖維后的試件2、試件3、試件4強度損失率均有所下降，其中試件3的強度損失率最低，保持在50%以下；不同試件的質量損失率相對較低，但試件1的質量損失率依然在全部試件中保持最高水平，且最高達到20%以上。添加聚丙烯纖維含量為0.10%的混凝土試件質量損失率最低，且始終保持在10%以下。

2.5 聚丙烯纖維對混凝土抗?jié)B性的影響

分析不同試件在不同時間下的平均滲水壓力，分析結果如圖5所示。

圖5 不同試件的平均滲水壓力Fig.5 Average seepage pressure of different specimens

從圖5可以看出，由于試件1未添加聚丙烯纖維混凝土，因此該試件的平均滲水壓力始終較大，說明該試件抗?jié)B性較差。添加聚丙烯纖維后的3種試件均呈現(xiàn)較小的滲水壓力，其中聚丙烯纖維含量0.10%的試件3抗?jié)B性最佳；而聚丙烯纖維添加含量繼續(xù)增加后，達到0.15%的混凝土試件抗?jié)B性要低于0.10%聚丙烯纖維含量的混凝土試件。

2.6 聚丙烯纖維對混凝土塌落度的影響

分析不同試件在所選齡期內(nèi)的塌落度值變化情況，分析結果如表3所示。

表3 不同試件塌落度值變化情況Tab.3 Variation of slump value of different test pieces

由表3可知，在7 d時，試件1的塌落度值最大，達到107 mm，說明該試件在試驗初期已出現(xiàn)較大塌落度；當處于試驗28 d時，試件1的塌落度達到132 mm，依然處于最大塌落度值。針對添加聚丙烯纖維的混凝土試件，其塌落度均保持較低水平，其中聚丙烯纖維含量為0.10%的試件3塌落度最高僅有41 mm，說明添加聚丙烯纖維后可以有效防止混凝土出現(xiàn)塌落現(xiàn)象。

3 結語

研究聚丙烯纖維混凝土纖維增強作用機理，將不同含量的網(wǎng)狀聚丙烯纖維添加至混凝土中進行試驗，并對比未添加聚丙烯纖維的混凝土試件，得出添加聚丙烯纖維后對混凝土各方面的影響。在未來研究階段，可利用當前試驗結果繼續(xù)進行優(yōu)化試驗，使添加聚丙烯纖維的混凝土應用效果更強。