聚丙烯纖維混凝土抗沖擊性能研究

王玉鵬

1 試驗目的

纖維混凝土就是在混凝土拌合過程中加入一定量的纖維材料，通過纖維的密集分布來提高混凝土的綜合性能。隨著纖維混凝土技術的發展，人們把研究重點傾向于合成纖維，合成纖維成本低，當在混凝土中均勻分布后，能提供更好的韌性。混凝土是硬性材料，合成纖維是軟性材料，這種鋼柔相濟的辦法能提高混凝土堅韌性。在合成纖維中，聚丙烯是性價比較好的材料，耐腐蝕，與混凝土的相容性好，在提高混凝土性能方面扮演著日益重要的角色。

隨著技術的進步，國外應用纖維混凝土進行抗裂防水的新技術有了很好的發展，在混凝土中添加適量的聚丙烯纖維，是克服混凝土早期開裂的措施之一。經過攪拌機攪拌以后，纖維在混凝土中形成了亂向支撐體系，能夠適當減少混凝土的早期泌水，降低混凝土中的空隙率，并且減少混凝土的早期干縮、塑性裂縫，阻止混凝土發生沉降裂縫，因而能較大幅度地提高混凝土的抗滲性、抗裂性等性能。美國于90年代初研制出纖維混凝土，在隨后的幾年中得到迅速發展，其中應用最多的是聚丙烯纖維混凝土。如今，在美國新建筑物中的地下室和屋面混凝土中大多采用了聚丙烯纖維混凝土，國內亦開始在許多工程中得到了成功應用。

對于地面結構，承受的動荷載比較大，這就要求混凝土有比較好的韌性以及良好的沖擊性能，在動荷載的作用下盡量減小破壞發生的概率。在混凝土摻入聚丙烯纖維，從常規分析上可以知道其可以改善混凝土的韌性以及沖擊性能，但是沒有確切數據。此項試驗，旨在了解在摻加聚丙烯纖維以后混凝土的韌性是否有明顯的改善，并掌握具體數據。

2 原材料選擇及試驗配合比

具體原材料廠家以及規格型號見表1。

表1 各種原材料廠家以及規格型號

對于試驗配合比，對聚丙烯纖維采用不同的摻量，而其它原材料用量不變進行試驗，具體配合比見表2。

3 試驗方法

沖擊試驗，按ACI（美國混凝土協會）544委員會推薦的方法進行，試驗方法見圖1。其中：

1. 按標準方法成型試件，尺寸Φ150×64mm。標準養護3d、7d、14d、28d。

2. 沖擊錘重4.5kg，下落高度h＝457mm。傳力球直徑64mm，測試擋板和試件間距5mm；

3. 傳力球和試件同心，并在沖擊錘的中線上。測試時，沖擊錘自由落下；

圖1 抗沖擊（韌性）試驗方法

該試驗方法通過以下幾項指標評價或比較混凝土的抗沖擊能力：

n1—出現第一條裂縫（初裂）的沖擊次數；

n2—初裂后，試件體積膨脹，當試件和4塊擋板中任意3塊接觸時的沖擊次數。n2被定為試件破壞次數；

（n2-n1）—試件初裂和破壞時沖擊次數的差值；

Wi—試件破壞過程吸收的沖擊能量；

ΔW—試件破壞過程初裂后能繼續吸收的沖擊能量，ΔW=W2-W1。

Wi—試件破壞過程吸收的沖擊能量；

h—沖擊錘下落高度（457mm）；

g—重力加速度9.81m/s2。

成型完畢在室溫為（20±2）℃，相對濕度為（60±5）%條件下養護24h，然后拆模，放入室溫為（20±2）℃，相對濕度為大于95%的標準條件下養護，按照所要求齡期測試各個齡期的抗壓強度以及抗沖擊次數。

4 試驗數據分析

研究聚丙烯纖維混凝土的抗沖擊（韌性）性能，是因為當地面承受的動荷載比較大時候，就要求混凝土有比較好的韌性以及良好的抗沖擊性能，在動荷載的作用下盡量減小破壞發生的概率。

表2 具體配合比

表3 抗沖擊試驗混凝土不同齡期沖擊性能

圖2 混凝土初裂曲線

圖3 混凝土破壞曲線

圖4 混凝土抗壓曲線

圖5 抗沖擊試驗混凝土不同齡期總能量

圖6 抗沖擊試驗混凝土不同齡期能量差值

沖擊試驗，將依據以上試驗方法進行，配合比采用表2配合比，混凝土抗壓強度試驗，屬于在靜載作用下無側限試驗，而抗沖擊性能試驗是屬于在動載作用下有側限試驗，因此后者更能夠體現混凝土的工作狀態。在配制混凝土過程中，混凝土用水量保持不變，成型完畢在標準條件下養護，按照所要求齡期測試各個齡期抗沖擊次數表3。具體數據如下：

由以上數據可以看出，摻入不同量的聚丙烯纖維，對混凝土的抗沖擊能力的影響主要表現在以下幾個方面：

1. 從圖2、3可以看出，與未摻聚丙烯纖維的混凝土相比，加入聚丙烯纖維后，無論摻量多少，隨著齡期的增長，對混凝土的抗沖擊性能的提高越來越顯著。

2. 由圖4可以看出，以混凝土的沖擊韌性W為指標進行評價可見，聚丙烯纖維單方摻量在0.9kg～1.5kg時，聚丙烯纖維能使混凝土的抗沖擊能力提高5倍以上。

3. 以初裂后的ΔW（圖5）進行評價可知，聚丙烯纖維單方維摻量為1.2和1.5時，能使混凝土的裂后抗沖擊能力分別有所提高，但是對混凝土的其它性能無顯著影響。

4. 聚丙烯纖維摻量較低的2試驗對提高混凝土的抗沖擊韌性有一定的提高，但是在達到C3試驗的摻量時能夠達到比較理想的效果，聚丙烯纖維摻量較高的C4、C5試驗并未顯示出比摻量較低的3更高的沖擊韌性，但在初裂后繼續吸收沖擊能量的能力ΔW明顯提高。

5. 纖維改善混凝土的抗沖擊性的機理則主要體現在以下幾個方面：①聚丙烯纖維雖然剛度較低，傳遞荷載的能力差，但能有效減小裂隙尺度，增強材料介質連續性，減小了沖擊波被阻斷引起的局部應力集中現象；②低模量的有機材料能吸收沖擊能量；③纖維能有效約束裂縫的擴展。

6. 本試驗中，3試驗中聚丙烯纖維的單方摻量為0.9kg，已能夠消除試件內裂隙的產生。由于較高的纖維摻量對裂縫擴展的約束力更強，使4、5試驗裂后的沖擊韌性更高。

結論

在混凝土中摻加聚丙烯纖維，可以提高混凝土的抗沖擊性能，但是，聚丙烯纖維對混凝土的抗沖擊性能的提高是有限的，要綜合提高混凝土的各項性能，還要對聚丙烯纖維與其他材料的復合性能進行研究，以便更好解決工程中出現的各種問題。

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