聚丙烯纖維的摻入對混凝土力學(xué)性能的影響研究

王 軍

（廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院 土木工程學(xué)院，福建 漳州 363000）

0 引言

塑性收縮裂縫仍然是許多混凝土澆筑的主要問題。早期的開裂會加速，促進(jìn)鋼的腐蝕，并在長期造成與耐久性相關(guān)的重大問題。新拌混凝土的處于于塑性狀態(tài)時(shí)，水分可能通過蒸發(fā)到大氣和被地基或模板吸收而流失[1-2]。雖然通過這種方式失去的一些水可以通過后期養(yǎng)護(hù)補(bǔ)充，如果表面水分的損失超過0.5 kg/m2/h 時(shí)[1]，混凝土中出現(xiàn)負(fù)毛細(xì)壓力，引起內(nèi)部壓縮應(yīng)變。在這種壓縮應(yīng)變可能導(dǎo)致應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過混凝土初期能夠抵抗的最大開裂應(yīng)力?，F(xiàn)階段大部分的改善辦法都是用過養(yǎng)護(hù)來抵抗混凝土表面水分的流失。然后這種情況單靠養(yǎng)護(hù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠得，用纖維加固混凝土是控制塑性收縮開裂的一種有效方法。近年來，纖維特別是聚丙烯纖維在混凝土中的應(yīng)用越來越廣泛，主要是為了提高素混凝土的抗收縮開裂性和韌性，聚丙烯纖維在相對較低的體積分?jǐn)?shù)下被商業(yè)化地用于控制混凝土的塑性收縮開裂。

聚丙烯是一種合成烴聚合物，其纖維是通過模具熱拉擠出工藝制成的。聚丙烯纖維是連續(xù)的單絲纖維，具有圓形截面，可以切割成所需的長度，或纖維化薄膜或矩形截面的帶。所有這些優(yōu)點(diǎn)都與纖維的種類及其在混合物中的濃度有關(guān)；它的高熔點(diǎn)（165℃）和化學(xué)中性使它具有很強(qiáng)的耐酸和耐堿性。聚丙烯纖維具有疏水性，可防止其被水泥漿影響。聚丙烯的疏水性對混凝土所需的水量沒有影響[2-3]。表1 列出了聚丙烯纖維的物理特性。聚丙烯纖維并不能提高混凝土的強(qiáng)度，但能提高混凝土的延性、韌性和抗沖擊性能，但在低體積分?jǐn)?shù)下，纖維對混凝土強(qiáng)度性能和抗沖擊性能的影響相對較小，需要對大量試驗(yàn)進(jìn)行仔細(xì)的統(tǒng)計(jì)分析，以區(qū)分實(shí)際纖維效應(yīng)和試驗(yàn)結(jié)果的隨機(jī)變化。本文制備了不同摻量的聚丙烯纖維混凝土試塊，討論了不摻入量對混凝土力學(xué)性能的影響以及其微觀結(jié)構(gòu)。通過調(diào)整聚丙烯纖維的摻入量改善混凝土的抗壓和劈裂抗壓性能。

1 試驗(yàn)材料

本研究水泥采用由漳平紅獅水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5 級普通硅酸鹽水泥；湖南長沙立行建材提供的6mm 短切聚丙烯纖維，其物理特性如表1；廈門艾斯歐標(biāo)砂有限公司提供的標(biāo)準(zhǔn)砂作為細(xì)骨料；FDN（β-萘磺酸鈉甲醛）減水劑由山東萬山集團(tuán)提供；自來水。

表1 聚丙烯纖維的物理特性

2 實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)使用HYE3000B 壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試，將實(shí)驗(yàn)位移控制范圍為0-200 mm，加載速率為 0.5kN/s。

破壞后的樣品取粉末干燥后鍍金，至于飛納Phenom Pro 電子顯微鏡（SEM）觀察其微觀形貌。

3 試驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：向旋轉(zhuǎn)攪拌機(jī)中加入石子和沙子攪拌30s 后繼續(xù)加入2/3 含1%的FDN 減水劑的水，攪拌2min，后加入聚丙烯纖維攪拌2min，確保纖維在膠凝復(fù)合材料中分布均勻，最后加入剩余的水。并持續(xù)攪拌5min。將混凝土拌合物倒入試塊模具后放于振動臺上振搗1min，靜置1 天后拆模，將混凝土試塊置于混凝土養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)（溫度20±2℃，濕度大于等于95%）養(yǎng)護(hù)28 天。進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度測試。

4 不同聚丙烯纖維體積率下混凝土的力學(xué)性能

為了對摻入聚丙烯纖維的混凝土的力學(xué)性能討論，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如下：在混凝土中分別加入0%，0.3%，0.6%，1%，1.2%五種不同體積分?jǐn)?shù)的聚丙烯纖維，按試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)制得150×150×150 規(guī)格立方體試塊，并對其進(jìn)行編號（每個(gè)編號樣品制作三個(gè)3 試塊）如下：

表2 試件編號匯總表

4.1 試驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算

4.1.1 抗壓強(qiáng)度

參照國家混凝土強(qiáng)度測試標(biāo)準(zhǔn)GB50107-2010，將混凝土試塊至于壓力機(jī)壓板下中心位置，以0.5MPa/s 給予持續(xù)壓力。立方體試塊破壞后記錄破壞荷載。并根據(jù)公式1 計(jì)算單個(gè)抗壓強(qiáng)度（計(jì)算結(jié)果保留至0.1MPa）。同一編號試塊3 個(gè)為一組，記錄平均值[3]。

抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式如下:

其中,A 為抗壓強(qiáng)度，為 B 為破壞荷載,S 為試件承壓面積。

4.1.2 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50081—2016 相關(guān)內(nèi)容,將試塊從養(yǎng)護(hù)箱取出，干燥后對試塊進(jìn)行劈裂抗拉強(qiáng)度測試，同一編號樣品3 個(gè)位一組，并計(jì)算平均值。測試結(jié)果根據(jù)公式2 計(jì)算劈裂抗拉強(qiáng)度，單個(gè)劈裂抗拉強(qiáng)度強(qiáng)度結(jié)果計(jì)算至0.1MPa[3]。

劈裂抗拉強(qiáng)度的計(jì)算公式如下

其中，F(xiàn)1為試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度,單位MPa；Fmax為劈裂抗拉破壞荷載,單位N；S 為劈裂面積,單位mm2。

5 結(jié)果與討論

5.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

聚丙烯纖維的加入使得試塊抗壓強(qiáng)度得到提升（如圖1）。當(dāng)摻入量從初始的0 增加到0.3%，抗壓強(qiáng)度增加了5.2%。較小的聚丙烯纖維加入混凝土中后，使得混凝土開裂時(shí)細(xì)小裂縫的發(fā)展得到延緩。說明聚丙烯纖維摻入混凝土后能夠增加其抗壓性能。隨著摻入量增加，立方體試塊的抗壓強(qiáng)度也進(jìn)一步增加，當(dāng)摻入量為0.8%時(shí)，試塊抗壓強(qiáng)度增加9.5%.可見隨著聚丙烯纖維的摻入量增加，混凝土試塊抗壓強(qiáng)度進(jìn)一步增加，但增加的并不多，這可能是因?yàn)椋郾├w維表面過于光滑，和混凝土的咬合力不如波浪形鋼纖維，所以強(qiáng)度增加并不多[4]。繼續(xù)提高纖維的摻入量，混凝土抗壓強(qiáng)度不但沒有提高，反而降低了，這可能是因?yàn)?，過多極其柔軟的聚丙烯纖維的加入，在攪拌過程中并未足夠的分散的混凝土拌合物中，而是有成團(tuán)現(xiàn)象的產(chǎn)出，水泥漿液無法進(jìn)入其中[5]，使得混凝土內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力集中破壞點(diǎn)。強(qiáng)度不但沒有升高，反而降低了[6，8]。

圖1 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度直方圖

5.2 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

如圖2 所示，未加入纖維的空白混凝土試塊，劈裂抗拉強(qiáng)度為3.3。隨著聚丙烯纖維的加入，混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度得到增加。當(dāng)摻入量分別為0.3%、0.8%、1%時(shí)，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度分別4.1Mpa、4.9Mpa 和5.4Mpa,。但繼續(xù)增加聚丙烯纖維的摻入量，混凝土試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度增加減慢。這主要是因?yàn)椋?dāng)摻入量小于1%時(shí)，聚丙烯纖維的均勻分布到混凝土試塊中后，試塊受到外力出現(xiàn)較小裂縫時(shí)，纖維與混凝土形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的提升了混凝土抵抗微小裂縫的能力。但隨著纖維摻入量增加，較柔軟的聚丙烯纖維互相成團(tuán)交結(jié)在一起[5]，水泥漿液無法足夠的包裹纖維，使得劈裂抗拉強(qiáng)度并沒有隨著摻入量增加而進(jìn)一步增加[7,8]。

圖2 混凝土試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度直方圖

5.3 SEM 分析

由圖3 可知未加聚丙烯纖維的混凝土試塊內(nèi)部混凝土未層狀交疊在一起，故混凝土的抗壓強(qiáng)度較大，但單純混凝土試塊的抗劈裂強(qiáng)度并不大。隨著聚丙烯纖維的加入，纖維分散與混凝土拌合物中，硬化后形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，互相膠結(jié)的結(jié)構(gòu)使得試塊的抗劈裂強(qiáng)度得到增加。增大的比表面積也增加其對聚丙烯纖維的握裹力，整體性也得到進(jìn)一步增強(qiáng)[9]。同時(shí)較少的聚丙烯纖維較容易分散在混凝土拌合物中，較少發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象。

圖3 未加聚丙烯纖維的混凝土試塊（a）、摻入量為1%的聚丙烯纖維混凝土（b）試塊SEM 圖

6 結(jié)論

通過制備不同摻入量的聚丙烯纖維混凝土，并對比其抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)對于聚丙烯纖維的加入，抗壓強(qiáng)度雖有增加，但增加的量并不大，可見聚丙烯纖維對混凝土抗壓強(qiáng)度影響并不大。對比不同摻入量試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，聚丙烯纖維的加入對混凝土試塊的劈拉強(qiáng)度提升較多。但摻入量大于1%時(shí)，劈拉強(qiáng)度增加趨勢放緩。由此可見，聚丙烯纖維的加入可以使得抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度得到增長。但成團(tuán)現(xiàn)象的出現(xiàn)使得聚丙烯纖維的摻入量增加到一定值后并不使得抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)一步增加。SEM圖片也進(jìn)一步說明纖維分散于混凝土，和拌合物形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也使得混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。