聚丙烯纖維對混凝土抗沖擊和抗折性能的影響

聚丙烯纖維對混凝土抗沖擊和抗折性能的影響*

丁春奎高強季濤張麗哲

(南通大學紡織服裝學院，南通，226019)

摘要：研究了不同長度的聚丙烯纖維對混凝土的抗折和抗沖擊性能的影響。試驗結果表明：在混凝土中分別摻入纖維體積率為0.5%的六種不同長度的聚丙烯纖維，均能提高混凝土的破壞沖擊次數和沖擊延性指數；當纖維長度為35 mm時，纖維混凝土的破壞沖擊次數較素混凝土提高近2倍；在混凝土中摻入聚丙烯纖維，混凝土的抗折強度降低，而混凝土的中心撓度顯著提高，較素混凝土最多增加達1 mm,能有效改善混凝土的韌性。

關鍵詞：混凝土，聚丙烯纖維，抗沖擊性能，抗折性能

中圖分類號：TU528.572文獻標志碼：A

收稿日期：2014-10-21

作者簡介：丁春奎，男，1989年生，在讀碩士研究生。研究方向為聚丙烯纖維增強混凝土的力學性能。

普通混凝土具有較高的抗壓強度，但因抗拉強度低、抗裂性差和韌性小，限制了其在有沖擊、疲勞等動載荷作用場合下的使用，因此研究混凝土的抗沖擊性能和抗折性能對混凝土的應用和發展具有重要意義[1-3]。研究表明，在混凝土中加入少量短切聚丙烯纖維，能有效提高混凝土的能量吸收能力，減少混凝土收縮裂縫的形成，提高混凝土的連續性和穩定性，起到明顯的阻裂與增韌作用，在加載時表現出更好的彎曲性能和抗沖擊性能[4-7]。本文研究了10～35 mm范圍內的六種不同長度的聚丙烯纖維對混凝土的抗折性能和抗沖擊性能的影響。

1試驗部分

1.1材料

(1)水泥，強度等級為P.O 42.5的普通硅酸鹽水泥；

(2)砂子，細度模數為1.82的細砂；

*產學研聯合創新資金-前瞻性聯合研究項目(BY2013042-02)

通信作者：高強，E-mail:gao.q@ntu.edu.cn

(3)粗集料，3～19 mm連續粒級碎石；

(4)圓形截面聚丙烯纖維，直徑0.20 mm，密度0.91 g/cm3，斷裂強度5.91 MPa,斷裂伸長率18.06%，南通新帝克單絲科技股份有限公司生產。

1.2試驗方法

1.2.1試樣

根據GB 50010—2002《混凝土結構設計規范》，設計混凝土的強度等級為C30，配合比(質量比)為水∶水泥∶砂∶石子=0.48∶1∶1.47∶2.74，硬化混凝土的表觀密度為2 420 kg/m3。

C0為不加聚丙烯纖維的素混凝土試樣；C1～C6為分別加有不同長度聚丙烯纖維的纖維混凝土試樣，纖維長度依次為10、15、20、25、30和35 mm。

1.2.2性能測試

1.2.2.1抗折性能

根據GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能實驗方法標準》中抗折強度實驗方法，在萬能試驗機上對試件進行測試。破壞強度按下式計算：

式中ffc,cra——纖維混凝土的初裂強度(MPa)；

Fcra——纖維混凝土的初裂載荷(N)；

l——支座間距(mm)；

h——試件截面高度(mm)；

b——試件截面寬度(mm) 。

非標準試件的測試結果應折算成標準件的相應強度值，折算系數為0.85。

抗折性能試驗采用100 mm×100 mm×300 mm的非標準試模，纖維體積率為0.5%，每種試樣澆筑3個試件。澆筑完成，靜置24 h后脫模，在溫度為20 ℃、相對濕度為95%的恒溫恒濕條件下養護28 d取出，在電子萬能試驗機上進行抗折強度測試，中心跨距150 mm,加載速度為0.5 mm/min。

1.2.2.2抗沖擊性能

按照美國ACI544委員會推薦的落重法進行抗沖擊試驗[8]?？箾_擊性能試驗采用直徑為152 mm，高63.5 mm的圓柱形標準試模。纖維體積率為0.5%，每種試樣澆筑3個試件。將抗沖擊試件從養護箱中取出后，在溫度為(20±2) ℃、相對濕度為60%±5%的環境條件下放置4 h后,擦干表面水分，在自由落錘裝置上完成測試。重錘質量4.5 kg,下落高度460 mm。在沖擊測試過程中，仔細觀察試件表面，記錄初次出現裂紋時的沖擊次數和破壞時的沖擊次數。

2結果與討論

2.1不同長度的聚丙烯纖維對混凝土抗沖擊性能的影響

試件從無裂縫至產生第一條微裂縫(即當試件受沖擊應變發生突變)時為初裂；試件上的主裂紋貫穿至上表面時為破壞。纖維混凝土的破壞沖擊次數和初裂沖擊次數的比值定義為纖維混凝土的沖擊延性指數[9]。

對素混凝土和纖維混凝土進行抗沖擊測試，取3個試件受沖擊次數的平均值。纖維長度和沖擊次數的關系曲線見圖1，纖維長度與沖擊延性指數的關系曲線見圖2。

1——破壞沖擊次數；　2——初裂沖擊次數 圖1　纖維長度與沖擊次數關系曲線

圖2　纖維長度與沖擊延性指數關系曲線

從圖1和圖2可見，聚丙烯纖維的加入能有效改善混凝土的抗沖擊性能，且不同長度的聚丙烯纖維對混凝土抗沖擊性能的增強作用不同。纖維長度在10～35 mm范圍內，隨著纖維長度的增加，混凝土的抗沖擊性能提高。當纖維長度為35 mm時，纖維混凝土的破壞沖擊次數是素混凝土的兩倍。摻入纖維的混凝土均比素混凝土的沖擊延性指數高。摻入纖維后，混凝土的沖擊延性指數總體呈先上升后下降再上升的趨勢。在相同體積率下，C3試樣斷裂面內承力纖維根數較C2試樣少，抗裂阻力不足，因此沖擊延性指數C3試樣較C2試樣有所下降。同時，C3試樣中長20 mm的纖維與基體的有效接觸面積小于C4～C6試樣中長25 mm及以上的纖維與基體的有效接觸面積，導致C3試樣中纖維與混凝土基體之間的握裹力不足，因此沖擊延性指數小。試件在受到沖擊外力作用時，其截面上的受力是不均勻的，存在大量的應力集中點，這些應力集中點首先達到強度極限而發生破壞，產生微裂紋。由于纖維的阻裂增強作用，微裂紋并沒有迅速擴展，當裂紋寬度增大到一定程度，纖維逐漸被拔出，纖維混凝土產生的裂縫失穩拓展，最后出現貫穿裂縫而破壞。

2.2不同長度的聚丙烯纖維對混凝土抗折性能的影響

纖維長度與破壞力、初裂強度、中心撓度(加載點位移)的關系曲線見圖3和圖4。

由圖3可見，將直徑為0.2 mm的聚丙烯纖維以0.5%的體積率加入到混凝土中，會降低混凝土的抗折強度。纖維的加入相當于在混凝土基體中形成了大量的缺陷，在外力作用下更容易形成應力集中點。當加入長度為10 mm的纖維時，混凝土抗折強度大幅下降。因為長度太短的纖維與混凝土的有效接觸面積小，抗裂阻力小，抗折強度較低。加入長度為15～25 mm的纖維時，混凝土的抗折強度較加入長度為10 mm的纖維時呈增長趨勢。此時，纖維和混凝土的有效接觸面積大，在受外力作用時能提供更大的抗裂阻力。纖維長度繼續增加，纖維在混凝土中分散困難，可能形成纖維團，且相同體積率下試件中的纖維根數減少，導致混凝土的抗折強度急劇下降。

圖3　纖維長度與抗折強度關系曲線

圖4　纖維長度與中心撓度關系曲線

由圖4可見，加入纖維后的混凝土其中心撓度明顯增大。當纖維長度為20 mm時，撓度增大值下降。在相同體積率下，C3試樣斷裂面內承力纖維根數較C1試樣和C2試樣少，抗裂阻力不足，因此中心撓度較C1試樣和C2試樣有所下降。同時，C3試樣提供的抗裂阻力小于C4～C6試樣中長25 mm及以上的聚丙烯纖維，因此對混凝土中心撓度的增大量不如其他幾種長度的纖維。長度太短，纖維與混凝土的有效接觸面積不夠，纖維與混凝土的握裹力不足以對微裂紋的形成和發展產生作用；纖維過長，其在混凝土基體中分散不均，纖維之間會產生纏結，形成纖維團，對其強度有致命影響。

為了解混凝土的中心撓度隨受力的變化情況，繪制了素混凝土和部分纖維混凝土的載荷-中心撓度關系曲線，見圖5。

從圖5可以看出：素混凝土在受外力時為脆性斷裂，且形變較小，韌性差；加入聚丙烯纖維后，混凝土韌性明顯提高。當中心撓度量為2 mm時，C3試樣可繼續承載，而C0試樣已經破壞。從圖5(d)可看出，C5試樣表現出較好的韌性。纖維可以看作為混凝土中的次要加強筋，能跨橫裂縫起橋接作用，緩解裂縫尖端的應力集中，增加裂縫的擴張阻力，提高混凝土的韌性。

3結論

(1)將直徑為0.2 mm的聚丙烯纖維短切成10～35 mm范圍內的不同長度，以0.5%的體積率加入到混凝土基體中時，均能有效提高混凝土的抗沖擊性能，但混凝土的抗折強度降低。

(2)不同長度的聚丙烯纖維對混凝土的抗折性能影響不同，過短或過長均不利于提高混凝土的抗折強度。聚丙烯纖維的加入對提高混凝土的韌性具有重要意義。

圖5　載荷-中心撓度關系曲線

參考文獻

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[9]鄧宗才，李建輝，王現衛,等.粗合成纖維增強混凝土的沖擊動載特性[J].混凝土,2006(9):65-68.

The effects of polypropylene fibers on the impact and

flexural resistance of concrete

DingChunkui,GaoQiang,JiTao,ZhangLizhe

(School of Textile and Clothing, Nantong University)

Abstract:The effects of different lengths of polypropylene fibers on flexural and impact resistance of concrete by experiment were studied. The results showed that: six different lengths of the fiber with a volume fraction of 0.5% were added to the concrete respectively, can improve the impact frequency and impact ductility index. When the fiber length was 35 mm, the frequency of impact damage increased nearly 2 times. Addition of polypropylene fibers, the flexural strength of the concrete was reduced, but the fracture deflection of concrete was improved significantly, compared to plain concrete, represent an increases up to 1 mm. Polypropylene fibers can improve the fracture toughness of the concrete effectively.

Kaywords: concrete, polypropylene fiber, impact resistance, flexural resistance

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