纖維體積率對聚丙烯粗纖維混凝土力學(xué)性能的影響研究*

顧夢圓 蔡瑩瑩 張麗哲 孫啟龍 季 濤 高 強

南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，江蘇 南通 226019

纖維體積率對聚丙烯粗纖維混凝土力學(xué)性能的影響研究*

顧夢圓 蔡瑩瑩 張麗哲 孫啟龍 季 濤 高 強

南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，江蘇 南通 226019

通過試驗對比研究不同體積率的聚丙烯粗纖維對混凝土力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果顯示：聚丙烯粗纖維對混凝土的抗壓性能無增強效果;對混凝土的劈裂抗拉、抗折及抗沖擊性能有顯著增強效果，當聚丙烯粗纖維體積率為0.50%～0.65%時，聚丙烯粗纖維對混凝土的劈裂抗拉和抗折性能增強效果最優(yōu),且纖維混凝土的抗沖擊強度在試驗范圍內(nèi)隨聚丙烯粗纖維體積率的增加而增強，最高可提高2.8倍。

聚丙烯粗纖維， 混凝土， 力學(xué)性能， 纖維體積率

水泥混凝土是當今最重要的建筑材料，被廣泛應(yīng)用于道路、橋梁等工程中，但是普通的混凝土在使用過程中存在脆性大、韌性小、抗折強度低、抗拉強度小等許多缺陷，因此不能長時間的使用。為此，人們進行了大量的試驗研究，發(fā)現(xiàn)將纖維材料摻入混凝土基體中可以有效提高混凝土的韌性，降低其脆性，并使其劈裂抗拉強度、抗折強度增強[1-3]。

混凝土增強用纖維種類較多，其中以增強效果顯著、穩(wěn)定性較好、價格低廉的聚丙烯纖維較為普遍，目前其已被廣泛應(yīng)用于建筑材料中[4-5]。而聚丙烯粗纖維的當量直徑大于0.1 mm，其在混凝土中的摻量多于聚丙烯細纖維，因此其增強、增韌效果優(yōu)于聚丙烯細纖維。

本文選擇5種聚丙烯粗纖維體積率，在相同拌合工藝、相同配合比的條件下制備纖維混凝土試樣，并進行纖維混凝土力學(xué)性能試驗，研究聚丙烯粗纖維體積率對纖維混凝土的抗壓、劈裂抗拉、抗折及抗沖擊性能的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

水泥選用南通海螺牌P.O 42.5普通硅酸鹽水泥；粗骨料采用粒徑為5.0～20.0 mm的花崗巖碎石；細骨料選用細度模數(shù)為1.82的細砂；拌合水采用普通自來水；纖維采用南通新帝克單絲科技股份有限公司生產(chǎn)的聚丙烯粗纖維，主要性能見表1。

表1 聚丙烯粗纖維主要性能參數(shù)

1.2 試驗配比

根據(jù)JGJ 55—2000《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》，試驗所用混凝土的配合比為水泥∶水∶細砂∶碎石=1.00∶0.48∶1.47∶2.74。

試驗時，混凝土中摻入的聚丙烯粗纖維的體積率分別為0.35%、0.50%、0.65%、0.80%和0.95%，并與不摻聚丙烯粗纖維的素混凝土進行對比。

1.3 試驗方法

1.3.1 抗壓性能

根據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》，混凝土抗壓試件采用100.0 mm×100.0 mm×100.0 mm的立方體非標準試模制成。試件按標準制作成形后在SHBY -40A型水泥標準養(yǎng)護箱中恒溫恒濕養(yǎng)護28 d，然后采用YAW -2000型微機控制液壓伺服全自動壓力試驗機進行混凝土抗壓性能測試，加載速度為0.30～0.80 MPa/s，每組試件測試3次，取平均值，并記錄測試結(jié)果。

1.3.2 劈裂抗拉性能

根據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》，混凝土劈裂抗拉試件采用100.0 mm×100.0 mm×100.0 mm的立方體非標準試模制成。試件按標準制作成形后在SHBY -40A型水泥標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護28 d，然后在WDW -1200型電子萬能試驗機上進行混凝土劈裂抗拉性能測試，加載速度設(shè)定為0.05～0.08 MPa/s，每組試件測試3次，取平均值，并記錄試驗結(jié)果。

1.3.3 抗折性能

同樣根據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》，混凝土抗折試件采用100.0 mm×100.0 mm×300.0 mm的非標準試模制成。試件按標準制作成形后在SHBY -40A型水泥標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護28 d，然后在WDW -1200型電子萬能試驗機上進行混凝土抗折性能測試，施壓速度為 0.05 MPa/s，每組試件測試3次，取平均值，并記錄試驗結(jié)果。

1.3.4 抗沖擊性能

根據(jù)JGJ/T 221—2010《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，采用落重法自制試驗裝置對混凝土的抗沖擊性能進行測試。采用φ152.0 mm×63.5 mm的圓柱形試件，沖擊錘下落高度為1.2 m，測試試件的沖擊延性指數(shù)及完全破裂后吸收的能量。

纖維混凝土的沖擊延性指數(shù)λ定義為纖維混凝土的破壞沖擊次數(shù)N2和初裂沖擊次數(shù)N1的比值：

沖擊韌性W為試件在遭受破壞過程中吸收的全部沖擊能量：

W=Nmgh

式中：W——沖擊韌性即沖擊能量，J；N——沖擊次數(shù)，次；m——沖擊錘的質(zhì)量，kg；g——重力加速度，m/s2；h——沖擊錘下落的高度，m。

破壞沖擊韌性W1與初裂沖擊韌性W2的差值稱為初裂后吸收能量(ΔW)，它能直觀地反映混凝土初裂后吸收沖擊能量的能力。

每組測試5個試件，取平均值，并記錄試驗結(jié)果。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 抗壓性能

聚丙烯粗纖維混凝土的抗壓性能測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 聚丙烯粗纖維體積率對纖維混凝土抗壓強度的影響

從圖1可以看出，在試驗范圍內(nèi)，不同纖維體積率的聚丙烯粗纖維加入混凝土后，纖維混凝土的抗壓強度與素混凝土相比均有所下降，這說明聚丙烯粗纖維對纖維混凝土的抗壓強度沒有起到增強作用，反而有所削弱。這是由于聚丙烯粗纖維的彈性模量與素混凝土相差較大，其對混凝土的縱向受力起不到增強作用；同時，混凝土中摻入聚丙烯粗纖維后，混凝土基體中的水泥漿體與骨料的結(jié)合力下降，從而導(dǎo)致聚丙烯粗纖維混凝土的抗壓性能降低。

觀察圖1中折線變化趨勢還可以發(fā)現(xiàn)，聚丙烯粗纖維混凝土試件的抗壓強度隨聚丙烯粗纖維體積率的增加而先升后降。當聚丙烯粗纖維體積率較低，即為0.35%、0.50%時，少量的聚丙烯粗纖維破壞了混凝土基體的整體性，使纖維混凝土的抗壓強度較素混凝土分別下降15.60%和11.40%；當聚丙烯粗纖維體積率為0.65%時，纖維混凝土的抗壓強度達到最大值，與素混凝土的抗壓強度值接近；當聚丙烯粗纖維體積率為0.80%、0.95%時，混凝土中聚丙烯粗纖維數(shù)量增加，水泥漿體對骨料、聚丙烯粗纖維的包裹性能降低，從而導(dǎo)致纖維混凝土的整體抗壓性能再次降低。因此，聚丙烯粗纖維的體積率在0.65%左右時，聚丙烯粗纖維對纖維混凝土抗壓性能的減弱效果最小。

2.2 劈裂抗拉性能

聚丙烯粗纖維混凝土的劈裂抗拉性能測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 聚丙烯粗纖維體積率對纖維混凝土劈裂抗拉強度的影響

從圖2可以看出，不同纖維體積率的聚丙烯粗纖維摻入混凝土后，纖維混凝土的劈裂抗拉強度均有所提高，且隨著聚丙烯粗纖維體積率的增加，纖維混凝土的劈裂抗拉強度近似呈正態(tài)分布。在試驗范圍內(nèi)，劈裂抗拉強度存在最大值。在聚丙烯粗纖維體積率低于0.50%時，纖維混凝土的劈裂抗拉強度隨著聚丙烯粗纖維體積率的增加而增大；當聚丙烯粗纖維體積率為0.50%時，纖維混凝土的劈裂抗拉強度較素混凝土提高40.09%，達到最大值；隨后隨著聚丙烯粗纖維體積率的增加，纖維混凝土的劈裂抗拉強度下降。究其原因在于，當聚丙烯粗纖維體積率低于0.50%時，纖維在混凝土基體中形成的三維亂向支撐體系比較弱，斷面內(nèi)纖維根數(shù)較少，纖維與混凝土基體的剪切力較弱，故對纖維混凝土的劈裂抗拉強度增強效果不明顯；當聚丙烯粗纖維體積率較高時，纖維混凝土中每根纖維與混凝土基體之間接觸的界面數(shù)量、含氣量隨之增加，這使得聚丙烯粗纖維與混凝土基體界面的黏結(jié)強度下降，從而導(dǎo)致纖維混凝土的劈裂抗拉性能下降。因此，聚丙烯粗纖維體積率只有在合適的范圍內(nèi)才能對纖維混凝土的劈裂抗拉強度起到較好的增強作用。

2.3 抗折性能

圖3 聚丙烯粗纖維體積率對混凝土抗折強度的影響

聚丙烯粗纖維混凝土的抗折性能測試結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，混凝土中摻入聚丙烯粗纖維后，其抗折強度有所提高，且在試驗范圍內(nèi)，隨著聚丙烯粗纖維體積率的增加，纖維混凝土的抗折強度先增后減。當摻入聚丙烯粗纖維的體積率為0.35%時，混凝土基體中聚丙烯粗纖維較少，在受到外界載荷作用時，聚丙烯粗纖維承擔(dān)的載荷很少，故增強作用不顯著；當聚丙烯粗纖維體積率增加到0.65%時，纖維混凝土的抗折強度較素混凝土提高68.12%，增強效果最優(yōu)；當聚丙烯粗纖維體積率為0.95%時，纖維混凝土中聚丙烯粗纖維根數(shù)較多，此時聚丙烯粗纖維對混凝土的負效應(yīng)超過正效應(yīng)，故纖維混凝土的抗折強度呈下降趨勢。因此，聚丙烯粗纖維體積率為0.50%～0.65%時，纖維對混凝土的抗折強度增強作用較顯著。

2.4 抗沖擊性能

聚丙烯粗纖維混凝土的抗沖擊性能測試結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 聚丙烯粗纖維體積率與初裂后吸收能量的關(guān)系

圖5 聚丙烯粗纖維體積率與沖擊延性指數(shù)的關(guān)系

從圖4可以看出，隨著聚丙烯粗纖維體積率的增加，纖維混凝土初裂后吸收能量也在不斷增加，抗沖擊性能不斷增強，其中當聚丙烯粗纖維體積率超過0.65%后，纖維混凝土抗沖擊性能增強的幅度加大；當聚丙烯粗纖維體積率為0.95%時，纖維混凝土初裂后吸收的能量較素混凝土提高2.8倍。

從圖5可以看出，當聚丙烯粗纖維體積率較小時，沖擊延性指數(shù)有小幅度的下降，隨著聚丙烯粗纖維體積率超過0.65%后，沖擊延性指數(shù)隨著聚丙烯粗纖維體積率的增加而不斷增加。這是由于聚丙烯粗纖維在混凝土中呈亂向均勻分布，其通過與混凝土基體的結(jié)合形成了一種較強的支撐體系，當纖維混凝土受到?jīng)_擊載荷時，該體系能有效吸收沖擊動能，并在裂縫產(chǎn)生后，聚丙烯粗纖維作為裂縫間的橋梁可進一步消耗沖擊能量，進而增加纖維混凝土的初裂后吸收能量與初裂沖擊次數(shù)。因此，聚丙烯粗纖維對混凝土的抗沖擊性能有較好的增強作用，且在一定范圍內(nèi)，聚丙烯粗纖維體積率越高，纖維混凝土的抗沖擊性能越好。

3 結(jié)論

將不同體積率的聚丙烯粗纖維加入混凝土基體中，發(fā)現(xiàn)：

(1) 聚丙烯粗纖維的摻加未對混凝土的抗壓強度產(chǎn)生增強效果，反而使其抗壓強度有所降低，其中當聚丙烯粗纖維體積率為0.65%時，纖維混凝土的抗壓強度最接近素混凝土的抗壓強度。

(2) 聚丙烯粗纖維對混凝土的劈裂抗拉及抗折強度有增強效果，且纖維混凝土的劈裂抗拉及抗折強度均高于素混凝土，都呈現(xiàn)出隨著聚丙烯粗纖維體積率的增加先增大后減小的趨勢，其中聚丙烯粗纖維體積率在0.50%～0.65%范圍內(nèi)時，聚丙烯粗纖維的增強作用最明顯。

(3)聚丙烯粗纖維對混凝土的抗沖擊性能有顯著增強的作用，并且在一定范圍內(nèi)，隨著聚丙烯粗纖維體積率的增加，纖維混凝土的抗沖擊性能隨之增強，最大增幅可達2.8倍。

[1] 丁春奎，高強，季濤，等.聚丙烯纖維對混凝土抗沖擊和抗折性能的影響[J]. 產(chǎn)業(yè)用紡織品，2015，33(5):11-14.

[2] 李丹，陶俊林，賈彬.玄武巖纖維混凝土抗沖擊性能的試驗研究[J].新型建筑材料，2012,39(12)：47-51.

[3] 李建輝，鄧宗才.碳纖維增強混凝土的單軸拉伸特性[J].公路，2011(4)：185-187.

[4] 陳良，劉仍光，劉堅勇，等．聚丙烯纖維混凝土的性能和國內(nèi)外應(yīng)用[J]．青島理工大學(xué)學(xué)報，2007，28(2)：27-30.

[5] 張愛玲.聚丙烯纖維增強混凝土性能的分析與應(yīng)用[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2011(4)：170-171.

Impact study of fibers’ volume ratio on mechanical properties of polypropylene macro-fibers reinforced concrete

GuMengyuan,CaiYingying,ZhangLizhe,SunQilong,JiTao,GaoQiang

School of Textile and Clothing, Nantong University, Nantong 226019, China

The influence of different volume ratios of polypropylene(PP) macro-fibers on the mechanical properties of concrete was contrastively studied by experiments. The results showed that PP macro-fibers had no enhancement effect on the compressive strength of concrete, while the splitting tensile strength, flexural strength and anti-impact strength of concrete were improved significantly, and when the PP macro-fibers’ volume ratio was at 0.50%～0.65%, the enhancement effect on splitting tensile and flexural performance of concrete by the PP macro-fibers was the best. In the test range, the anti-impact strength of concrete was improved with the increase of fibers’ volume ratio, the maximum could be increased by 2.8 times.

polypropylene macro-fiber， concrete， mechanical property， fibers’ volume ratio

*國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFB0303100)；江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項目(15KJD430008)；南通大學(xué)第十五屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生競賽項目

2016-09-01

顧夢圓，女，1995年生，在讀本科生，研究方向為纖維在混凝土中的性能

張麗哲，E-mail: zhanglz1005@ntu.edu.cn

TS102.5， TU528.572

A

1004-7093(2017)01-0011-04