基于合成纖維的混凝土制備及力學(xué)性能研究*

李 凡，郭紅兵

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 ，陜西西安710061）

近年來，由于合成纖維被應(yīng)用于混凝土中，可以改善混凝土的延性、提高力學(xué)性能，使合成纖維混凝土在工程實(shí)踐之中得到廣泛的推廣。據(jù)報(bào)道，美國(guó)使用合成纖維混凝土超過了鋼纖維混凝土的使用量，達(dá)到使用混凝土總量的近10%，這標(biāo)志著合成纖維混凝土不可估量的前景優(yōu)勢(shì)。目前，常用的纖維混凝土的合成纖維有聚乙烯醇纖維、聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維、尼龍纖維等。在這些纖維基礎(chǔ)上，部分學(xué)者也對(duì)合成纖維混凝土進(jìn)行了大量研究，如徐恒謙[1]提出一種新型高聚物改性纖維混凝土的制備方案，并對(duì)制備后混凝土的性能探討；齊港[2]則探討了聚丙烯纖維對(duì)快硬混凝土力學(xué)性能影響。而聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維相對(duì)于鋼纖維，有廉價(jià)、耐堿等優(yōu)點(diǎn)。因此，本研究嘗試以上述兩種纖維作為原材料，制備纖維混凝土，并對(duì)制備混凝土的性能進(jìn)行表征，從而為橋梁用混凝土的改進(jìn)提供新思路。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

本試驗(yàn)主要材料及設(shè)備如見表1～表3。

表1 試驗(yàn)主要材料Table 1 Main experimental materials

表2 試驗(yàn)主要儀器Table 2 Main experimental instruments and equipment

表3 本試驗(yàn)選PP纖維物理參數(shù)Table 3 Physical parameters of PP fibers selected in this experiment

1.2 試驗(yàn)前準(zhǔn)備

1.2.1 試件材料計(jì)算

公式（1）為纖維混凝土配制強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。取強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差σ=5MPa，根據(jù)橋梁用混凝土強(qiáng)度，計(jì)算出C30、C40基體強(qiáng)度，再利用公式（2）計(jì)算砼基體的水膠比[3]。

在公式（2）中，W/B代表水膠比，fb代表膠凝材料在28d的抗壓強(qiáng)度，αa、αb代表回歸系數(shù)。

按照以上配比，膠凝材料的質(zhì)量為600kg。然后通過上式計(jì)算出水膠比和用水量。再利用絕對(duì)體積法和砂率的關(guān)系式，計(jì)算出碎石、河砂用量[4]。纖維用量則按照設(shè)計(jì)的0～2%體積率換算為用量。為避免因纖維體積率提高造成的混凝土工作性變差，摻入20%的粉煤灰替代水泥，以改善新拌水泥的和易性。

1.2.2 PP纖維混凝土配合比方案

為更好地對(duì)比不同狀態(tài)下的PP纖維，不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土性能，對(duì)混凝土配合比進(jìn)行設(shè)置[5]。表4為混凝土配合比分組，為簡(jiǎn)化統(tǒng)計(jì)復(fù)雜程度，對(duì)混凝土進(jìn)行編號(hào)。將基體強(qiáng)度等級(jí)C30標(biāo)記為A，C40標(biāo)記為B，砂率百分比直接用50-、60-、70-表示，數(shù)字代表添加纖維的長(zhǎng)度，后綴代表纖維種類，PPD表示單絲纖維、PPF表示仿鋼絲纖維、PPW表示網(wǎng)狀纖維，若后綴為0，則表示該混凝土沒有添加任何纖維。如A50-30PPD代表砂率為50%摻入30mm PP單絲纖維的C30混凝土。粉煤灰質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為120kg/m2，水配比質(zhì)量為315.33kg/m2，水泥配比質(zhì)量為485kg/m2，減水劑為0，PP纖維量為9.3kg/m2，PP纖維體積率設(shè)定為1%。

表4 混凝土配合比分組Table 4 Concrete mix proportion grouping

續(xù)表4

1.2.3 試件制備

利用JS1000強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)制備表3的試件。強(qiáng)制式攪拌機(jī)能保證纖維的均勻分散，避免攪拌方式、攪拌時(shí)間及投料順序?qū)w維分散性造成的影響，進(jìn)而避免纖維分散不均勻?qū)炷列阅艿挠绊慬6-7]。具體步驟：

（1）按照需求計(jì)算出每種配比所需材料質(zhì)量，并精準(zhǔn)稱取。因碎石、河砂含水率和吸水率有所差異，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整用水量，避免造成試驗(yàn)誤差。

（2）提前將攪拌機(jī)內(nèi)部擦拭濕潤(rùn)，在擦拭過程中要避免流動(dòng)水留在攪拌桶內(nèi)，以免產(chǎn)生誤差。

（3）將水泥、河砂、粉煤灰加入攪拌機(jī)攪拌，1min后加入碎石、80%的設(shè)計(jì)、減水劑繼續(xù)攪拌1min，最后加剩余水?dāng)嚢?min。

（4）均勻投入纖維，攪拌2min。攪拌結(jié)束后倒入事先刷油的模具中。用抹刀幫助填充邊角部分，利用zp800振動(dòng)平臺(tái)將混凝土振實(shí)。抹平表面后室內(nèi)靜置養(yǎng)護(hù)1d。對(duì)拆模試塊進(jìn)行編號(hào)，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，養(yǎng)護(hù)28d后測(cè)試。

1.3 力學(xué)性能測(cè)試

1.3.1 坍落度測(cè)試

（1）將坍落度筒、鐵鏟等工具提前擦拭濕潤(rùn)。待攪拌機(jī)停止工作后，卸料，將坍落筒放置于新拌混凝土旁。一人踩住坍落筒兩邊的踏板，使坍落筒下緣與拌板完全貼合，另一人開始裝料。

（2）裝入1/3物料后的，用搗棒由外向里以螺旋狀形態(tài)輕插混凝土28次。繼續(xù)裝料，裝入2/3物料后，繼續(xù)以上步驟，直到物料裝滿坍落筒，用抹刀將筒口抹平。

（3）握住坍落度筒兩側(cè)把手將坍落度筒慢慢勻速提起，使筒里的混凝土隨之下落。坍落度筒提起時(shí)間為5～10 s。

（4）將坍落度筒放在從筒里掉落的待測(cè)試體旁，利用木條和鋼尺檢測(cè)出試體最高點(diǎn)與筒口的高度差，該高度差就是坍落度值。

1.3.2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

將試塊放置到Y(jié)ES-3000壓力試驗(yàn)機(jī)上，開啟壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)試塊進(jìn)行加載，直到試塊遭到破壞，加載速率為0.01mm/s。計(jì)算試塊遭到破壞時(shí)的載荷，試塊抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式為[8]：

在式（3）中，fcu表示該試塊的抗壓強(qiáng)度，單位為MPa；Fmax表示該試塊所能承受的最大載荷，單位為N；A表示試塊受壓的面積，單位為mm2。

1.3.3 劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)

在混凝土試塊與試驗(yàn)機(jī)上壓板間放置弧形鋼墊條，然后計(jì)算試塊遭到破壞時(shí)的載荷，具體計(jì)算公式為：

在式（4）中，fts表示該試塊的劈拉強(qiáng)度，單位為MPa；Fmax表示該試塊破壞時(shí)的載荷，單位為N；A表示試塊劈裂面積，單位為mm2。

1.3.4 彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)

彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)裝置如圖1所示[9]。

圖1 彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)裝置Fig. 1 Bending tensile strength test device

（1）抗拉強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)試塊遭到破壞時(shí)的載荷，計(jì)算出試塊抗拉強(qiáng)度。

在式（5）中，ftf表示該試塊的彎拉強(qiáng)度，單位為MPa；Fmax表示該試塊破壞時(shí)的載荷，單位為N；l表示支座間的距離，單位為mm；b、h表示試件截面的寬和高，單位為mm。

（2）初裂強(qiáng)度計(jì)算

初裂強(qiáng)度計(jì)算為：

在式（6）中，ffc，cra表示該試塊的初裂強(qiáng)度，單位為MPa；Fcra表示該試塊初裂載荷，單位為N；l、b、h與公式（5）相同。

取初裂點(diǎn)A對(duì)應(yīng)初裂撓度為δ。根據(jù)初始撓度的3倍、5.5倍及10.5倍依次確定D、F、H點(diǎn)[10]。彎曲韌度指數(shù)I5為：

在式（7）中，S()δ表示撓度為δ時(shí)，載荷-撓度曲線與橫坐標(biāo)包圍的面積。S(3)δ表示撓度為δ3 時(shí)，載荷-撓度曲線與橫坐標(biāo)包圍的面積。

2 結(jié)果與討論

2.1 坍落度試驗(yàn)結(jié)果

圖2 為新拌混凝土坍落度結(jié)果。從圖2看出，纖維混凝土的坍落度明顯比純混凝土坍落度有所降低，說明在混凝土中摻入纖維能增加粘稠度。同時(shí)對(duì)比圖2可知，纖維種類長(zhǎng)短不同，對(duì)坍落度的影響也不同，其中單絲纖維對(duì)混凝土影響最大。

圖2 不同PP纖維混凝土坍落度值Fig.2 Slump values of different PP fiber reinforced concrete

2.2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

不同纖維混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，纖維混凝土試塊的抗壓性能相對(duì)純混凝土試塊有所降低，但纖維混凝土試塊達(dá)極限載荷后，并未完全破壞，表面未見明顯碎片，裂縫較少，破壞較緩慢。純混凝土試塊抗壓性能相對(duì)較好，但表面碎片居多，呈現(xiàn)對(duì)頂?shù)瑰F體，破壞較為迅速，且有突發(fā)性。根據(jù)上述結(jié)果看出，纖維混凝土試塊抗壓性能稍弱于純混凝土試塊，但抗壓韌性明顯優(yōu)于純混凝土試塊。

圖3 不同PP纖維混凝土抗壓強(qiáng)度結(jié)果Fig.3 Compressive strength results of different PP fiber reinforced concrete

2.3 劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

不同纖維混凝土試塊的劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)為圖4。由圖4可知，除砂率為60%、70%的C40基體摻入纖維的混凝土外，其余試塊對(duì)混凝土試塊的劈拉性能皆有提高。纖維混凝土試塊達(dá)極限載荷后，并未完全破壞，且破壞較緩慢，開裂后仍舊有纖維橫跨于裂縫中。純混凝土試塊達(dá)極限載荷后直接分開，破壞較為迅速，且有突發(fā)性。

圖4 不同PP纖維混凝土劈拉強(qiáng)度結(jié)果Fig.4 Splitting tensile strength results of different PP fiber reinforced concrete

2.4 彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

不同纖維混凝土試塊的彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)為表5。由表5可知，純混凝土雖然彎曲較強(qiáng)稍強(qiáng)，但在出現(xiàn)裂縫時(shí)，立馬斷掉成兩截，彎曲韌度指數(shù)為1.0，殘余強(qiáng)度因子為0，說明該破壞形態(tài)為脆性破壞，破壞迅猛而突然。纖維混凝土較純混凝土彎拉強(qiáng)度有所下降，但是在出現(xiàn)裂縫后，并未發(fā)生斷裂，還可繼續(xù)承受一定載荷，以砂率50%的單絲纖維為例， 彎曲韌性指數(shù)和殘余強(qiáng)度因子皆大于純混凝土，在破壞過程中表現(xiàn)出了較大的韌性。

表5 不同PP纖維混凝土彎拉強(qiáng)度結(jié)果Table 5 Results of flexural tensile strength of different PP fiber reinforced concrete

3 結(jié)論

（1）纖維混凝土坍落度受摻入纖維的形態(tài)和長(zhǎng)短影響，其中單絲纖維對(duì)纖維混凝土的坍落度的影響最大。

（2）抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，加入PP纖維后，試塊的抗壓強(qiáng)度有所下降，而當(dāng)纖維為仿鋼絲纖維，且長(zhǎng)度為38mm時(shí)，得到的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，說明此時(shí)的纖維長(zhǎng)度和結(jié)構(gòu)更能提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。但圖像顯示，纖維混凝土達(dá)極限載荷后，并未發(fā)生脆性破壞，結(jié)構(gòu)也較為完整，表面未見碎片剝落，說明PP纖維對(duì)混凝土的抗壓韌性有所增強(qiáng)。

（3）在劈拉實(shí)驗(yàn)中，PP纖維混凝土在達(dá)極限載荷后，并未出現(xiàn)脆性斷裂。之所以出現(xiàn)上述結(jié)果，是因?yàn)榛炷劣珊芏嗬w維連接，這些纖維能增加混凝土的劈拉韌性。

（4）在彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)中，摻入PP合成纖維后，混凝土的彎拉強(qiáng)度有所下降，但從破壞形態(tài)可以看出，PP合成纖維混凝土達(dá)極限載荷后，試件并未直接斷開，可繼續(xù)承受一定載荷。由此看出摻入PP合成纖維的混凝土，其彎拉韌性比純混凝土試塊好。