改性聚丙烯纖維對混凝土抗沖擊性能的影響機理與試驗研究

李武學 （天津新金融投資有限公司 天津300456）

張寶明 （天津津濱發(fā)展股份公司 天津300456）

20世紀60年代初國外在水泥凈漿與砂漿中摻入少量聚丙烯纖維，研究發(fā)現(xiàn)其可以明顯提高混凝土抗裂性能。由于這種纖維像人造纖維一樣質(zhì)量穩(wěn)定、來源較廣，其變形性能好、抗沖擊能力強，故在砼領(lǐng)域中應用前景廣闊。我國摻聚丙烯纖維混凝土的研究與應用起步較晚，為了開展這項研究和應用工作，我們進行了低摻量聚丙烯纖維混凝土抗沖擊性能的研究。

1 實驗方法

1.1 材料

水泥：采用普通硅酸鹽水泥，強度等級32.5。砂子：采用河砂。碎石：最大粒徑25 mm。

1.2 配合比（見表1）

表1 混凝土配合比 kg/m3

注：①設備采用自制設備，將7.26 kg重的鋼球從25 cm高度自由落下，當試件裂縫寬度大于3 mm記錄沖擊次數(shù)，作為評價破壞標志，試驗結(jié)果取中間3個數(shù)據(jù)的平均值。②抗沖擊實驗條件為常溫。③實驗采用碎石方法、標準為上海市市政工程研究院實驗方法（自定）。

1.3 試件制作及試驗

試件尺寸為150 mm×150 mm×50 mm，為使纖維在試件內(nèi)均勻分布，先將砂、石、水泥、水、聚丙烯纖維稱重，按順序放入攪拌機內(nèi)，攪拌約3 min即裝入試模，振搗3 d后拆模，置標準養(yǎng)護箱，養(yǎng)護28 d。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試件破壞形態(tài)

摻入量為0的混凝土試件，在抗沖擊破壞試驗中，開裂比較突然，一旦出現(xiàn)裂縫，很快被破壞。

試件摻入改性聚丙烯纖維后，在抗沖擊破壞試驗中，開裂比較緩慢，破壞次數(shù)比未摻纖維的混凝土提高3倍以上。試驗結(jié)果列于表2：

表2 混凝土抗沖擊試驗結(jié)果

試驗結(jié)果還表明，當摻量相同時，30 mm長絲比19 mm短絲抗沖擊次數(shù)分別提高5.45%、12.9%。通過觀察破壞斷面上的纖維，摻入長度19 mm的聚丙烯纖維混凝土試件，除少數(shù)纖維被拉斷外，大多數(shù)是從混凝土試件中被拔出，其主要原因是纖維長度較短，本身粘結(jié)強度和延性還未充分發(fā)揮作用就產(chǎn)生粘結(jié)破壞。摻入長度為30 mm的聚丙烯纖維混凝土試件，試件受沖擊破壞后，穿過破壞斷面的纖維被拔出的數(shù)目有所減少，而被拉斷的數(shù)目有所增加，這是由于纖維長度增加而粘結(jié)強度亦明顯增加的結(jié)果。若纖維在破壞斷面兩側(cè)混凝土中長度大致相等，粘結(jié)強度高于纖維本身的抗拉強度則纖維被拉斷，并且纖維長度超過石子粒徑，有部分拉力傳遞于石子之中，握裹力明顯提高，石子和纖維共同作用也是抗沖擊能力提高的一個因素。

2.2 低摻量改性聚丙烯纖維對混凝土抗沖擊性能的影響機理

為探索低摻量改性聚丙烯纖維對混凝土抗沖擊性能的影響機理，我們進行了摻纖維混凝土基本力學性能試驗，試驗結(jié)果見表3。

表3 纖維混凝土基本力學性能試驗結(jié)果

改性聚丙烯纖維經(jīng)過特殊的纖維生產(chǎn)工藝和纖維表面處理工藝與水泥基料有極強的粘合力，纖維可握裹更多的基料，有更緊密的結(jié)合力。因此可在混凝土材料中混合分布極其均勻，能在混凝土內(nèi)部形成一直均勻的亂向分布體系，在混凝土中纖維的亂向分布有助于大大削弱混凝土塑性收縮及凍融張力，同時有效地增強了混凝土的韌性，抑制了微細裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。無數(shù)的纖維單絲在混凝土內(nèi)部形成亂向分布體系，可以有效阻止骨料的離析，保證混凝土拌合物和易性，從而阻止初始裂縫的形成。試驗證明，同普通混凝土相比，纖維混凝土抗裂能力提高近100%～200%，聚丙烯纖維的阻裂效應主要體現(xiàn)在消除或減輕了早期混凝土中原生裂縫的發(fā)生和發(fā)展，抗沖擊能力的提高主要基于混凝土早期裂縫的減少，提高了抗剪強度。因此，聚丙烯纖維的作用機理是通過消除或減少原生裂縫的數(shù)量和尺度，使材料介質(zhì)的連續(xù)性得以提高，以及纖維對沖擊能力的吸收使混凝土抗沖擊性能得以提高。

3 結(jié)論

低摻量改性聚丙烯混凝土試件的抗沖擊能力比未摻聚丙烯試件的抗沖擊性能提高很多。在本次試驗條件下，摻量0.9 kg/m3或1.2 kg/m3時，抗沖擊能力提高3倍以上。

當摻量相同，摻入30 mm長度纖維比19 mm長度纖維的抗沖擊能力分別提高5.45%、12.9%。

低摻量聚丙烯纖維混凝土大大提高了抗沖擊能力，因此對于樁、路面等要求抗沖擊性能較高的混凝土工程宜采用改性聚丙烯混凝土或聚丙烯砂漿。■

[1]吳東云，孫錦鏢，成全喜.改性聚丙烯纖維混凝土抗沖擊性能試驗研究[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2007（5）：23-25.

[2]張偉.改性聚丙烯纖維增強混凝土抗疲勞性能的研究[D].大連交通大學，2008.