摻聚丙烯纖維水工混凝土抗沖擊性影響研究

韓 成

(遼寧省水利事務服務中心，遼寧 沈陽 110000)

由于水工混凝土具有脆性大、延性差、抗壓強度低等缺點，加入纖維可以提高其延展性、抗彎性、抗沖擊強度以及抗拉強度等力學性能，所以摻纖維水工混凝土越來越受到重視[1]。由于具有良好的阻裂性和韌性，成本價格低，質量輕且強度高，耐鹽、堿、酸等化學腐蝕好，聚丙烯纖維受到廣泛關注，如劉衛東等[2]通過抗沖擊和耐磨損試驗對比分析了聚丙烯纖維的影響，結果顯示該纖維具有明顯的阻裂和增韌效應，有效改善混凝土的耐磨損及抗沖擊破壞能力；李學英等[3]試驗表明，加入聚丙烯纖維可以使得混凝土拉壓比提升46%，抗折強度提升19%，劈拉強度提升45%；姚武等[4]研究認為固定水灰比0.44時，摻聚丙烯纖維可以在一定程度上降低混凝土抗折強度，但有利于提高韌性指數；馬士賓等[5]認為增大纖維摻量和混凝土厚度均有利于提升試件的抗裂能力，纖維混凝土抗沖擊保留率和抗初裂能力受試件厚度的影響較大；胡星宇等[6]研究分析了玄武巖與聚乙烯醇纖維的作用機理，結果發現增大混合纖維長度與體積摻量，可以使試件的力學性能表現出上升趨勢；蘇駿等[7]采用彎曲韌性試驗探討了聚乙烯醇纖維的影響，結果表明其對提高混凝土彎曲韌性具有促進作用。本文以聚丙烯纖維長度、形態和體積摻量為變量，采用落錘沖擊試驗探討了水工混凝土抗沖擊性能受不同特性參數聚丙烯纖維的影響作用，并深入分析試驗數據的離散性及混凝土延性，以期為抗沖擊水工混凝土的配制和實際工程應用提供參考。

1 試驗方案

1.1 原材料

本試驗采用華新P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥，經檢測水泥樣品的比表面積為368.2 m2/kg，標稱用水量為25.7%，其主要物理指標如表1。

表1 水泥的主要參數指標

集料選用級配良好的Ⅱ區天然河砂和人工碎石，砂細度模數為2.85，含泥量為0.8%，最大粒徑為4.75 mm；碎石粒徑為5～20 mm，壓碎指標為5.7%，堆積密度為1480 kg/m3，拌和水用當地自來水；試驗選用山東創金工程材料有限公司生產的聚丙烯纖維，其外觀如圖1，不同類型纖維的性能參數如表2。在試驗攪拌過程中摻入一定的聚羧酸高效減水劑，減水率為25%～35%，固含量為21%，以保證拌合物具有良好的工作性能。

圖1 聚丙烯纖維

表2 聚丙烯纖維的性能指標

1.2 配合比設計

充分考慮水工混凝土受水流沖刷、外界有害離子侵蝕、碳化以及荷載作用等情況，結合水利工程結構特征合理設計基準配合比，通過調整纖維長度、形態與體積摻量探討其影響作用，設計纖維體積摻量為0%、0.1%、0.3%、0.5%，試驗配合比如表3。

表3 試驗配合比

1.3 測試方法

采用落錘沖擊儀器參照《纖維混凝土試驗方法標準》(CECS 13—2009)測試水工混凝土的抗沖擊性，試件尺寸為高63 mm×直徑150 mm的圓餅狀；依據《水工混凝土試驗規程》(SL/T 352—2020)測試其劈拉和抗壓強度，試件邊長100 mm，每組6個試件。

落錘沖擊試驗的流程如下：控制落錘的降落高度為0.5 m，質量為4.5 kg，鋼球由繩索控制，以自由下落的方式沖擊底部試件，記錄初裂沖擊次數N1為混凝土表面產生第一條裂縫所發生的次數，持續反復沖擊直至周圍4塊擋板中的任意3塊與混凝土試件相接觸，并標記該條件下的破壞沖擊次數為N2。利用公式(1)和記錄的N1、N2數值計算能夠反映混凝土抗沖擊性能的抗初裂沖擊能耗W1與抗破壞沖擊能耗W2。為了保證試驗可靠性和數據的計算精度，以每組最小、最大數據去除后取剩余4個數據的均值為最終試驗數據[8]。

W=Nmgh

(1)

式中：W為沖擊能耗，J；N為沖擊次數；m為落錘質量，取4.5 kg；g為重力加速度，取9.8 m/s2；h為沖擊錘下落高度，取0.5 m。

2 試驗結果與分析

2.1 劈拉與抗壓強度

采用室內試驗測定無聚丙烯纖維組試件的28 d抗壓與劈拉強度為36.2 MPa、2.67 MPa，其余摻聚丙烯纖維組的28 d抗壓與劈拉強度試驗結果如圖2。

圖2 纖維混凝土強度

由圖2(a)可知，在水工混凝土中加入聚丙烯纖維能夠在一定程度上提高其抗壓強度，其中網狀優于單絲纖維、短纖維優于長纖維的增強作用。網狀短纖維體積摻量為0.1%條件下的抗壓強度最高，達到41.1 MPa，相當于未摻纖維組的1.14倍。由圖2(b)可知，在水工混凝土中加入聚丙烯纖維能夠明顯提升其劈拉強度，其中網狀優于單絲纖維、短纖維優于長纖維的增強作用。水工混凝土劈拉強度與網狀纖維摻量呈反比，與單絲纖維摻量之間存在正比關系[9]。網狀短纖維體積摻量為0.1%條件下的劈拉強度最高達到3.34 MPa，相當于未摻纖維組的1.25倍。

2.2 抗沖擊性能

試驗觀察落錘沖擊前、后的水工混凝土試件破壞形態，結果發現無聚丙烯纖維組試件表面出現一字型貫穿裂縫，在沖擊荷載作用下其脆性破壞特征十分明顯，試驗過程中被快速斷裂成兩塊；摻聚丙烯纖維組試件在沖擊荷載作用下出現裂縫，但并未立即發生破壞還可以承受一定沖擊，混凝土具有一定韌性，最終裂縫形態呈近似“十”字形或“T”字形[10]。不同聚丙烯纖維長度、形態和體積摻量下的試驗數據如表4，采用公式(1)測定抗初裂和抗破壞沖擊能耗如圖3。

圖3 抗初裂和抗破壞沖擊能耗

表4 沖擊試驗數據

由表4可知，未摻聚丙烯纖維組試件的初裂和破壞沖擊次數分別為15次、18次，兩者相差3次，這表明在水工混凝土表面產生第一條裂縫后就快速形成貫穿裂縫，隨著裂縫的擴張最終發生脆性斷裂；摻聚丙烯纖維組試件的初裂和破壞沖擊次數差值均有所增加，其他條件相同時摻網狀短纖維組的破壞沖擊次數明顯較高。

經計算，未摻聚丙烯纖維組試件的抗初裂和抗破壞沖擊能耗分別為320.6J、696.9J，通過與圖3中的數據對比發現，在水工混凝土中摻入聚丙烯纖維可以大幅提高其抗初裂和抗破壞沖擊能耗，并且抗破壞沖擊能耗受聚丙烯纖維的影響更加顯著。纖維類型相同情況下，聚丙烯纖維體積摻量與抗沖擊性能之間存在正比關系，其中摻0.5%網狀短纖維組相比于0.3%同類型纖維組的抗沖擊能耗有所下降。從0.1%逐漸增大聚丙烯纖維體積摻量至0.5%，摻單絲短纖維組相較于未摻纖維組的抗初裂、抗破壞沖擊能耗分別提高1.03～6.03倍和2.65～13.26倍，摻單絲長纖維組相較于未摻纖維組的抗初裂、抗破壞沖擊能耗分別提高1.34～2.14倍和3.28～7.47倍，摻網狀短纖維組相較于未摻纖維組的抗初裂、抗破壞沖擊能耗分別提高2.14～12.23倍和5.58～26.38倍，摻網狀長纖維組相較于未摻纖維組的抗初裂、抗破壞沖擊能耗分別提高0.96～2.48倍和3.49～8.72倍。這是由于亂向分布的纖維可以構成支撐體系發揮一定的“二次微加筋”作用，從而增強抗沖擊能量消耗能力和沖擊韌性。

固定聚丙烯纖維摻量時，抗沖擊能耗最高的是摻網狀短纖維組，其次是摻單絲短纖維組，摻單絲長和網狀長纖維組的抗沖擊能耗相近，這表明網狀纖維、短纖維對抗沖擊性能的提升作用優于單絲纖維和長纖維，這是由于體積較小的短纖維可以更好地分散開，對水泥石內部孔隙發揮更好的填充作用，從而提高混凝土密實性和抗沖擊性能；另外，在靜電作用下單絲纖維會形成聚團現象，使得硬化漿體與纖維之間的握裹力明顯下降，而網狀纖維的形態特征使其能夠更加均勻地分布于基體內，網狀纖維與漿體之間具有較好的握裹力，宏觀上表現為較強的抗沖擊性能[11-13]。綜上分析，在水工混凝土中摻入0.3%網狀短纖維具有最大的沖擊耗能，其抗初裂和抗破壞沖擊耗能分別為7588.1J、8334.9J。

2.3 延性系數

采用公式(2)計算混凝土的延性系數β，以此評定試件開裂后的變形能力和耗能，延性系數與纖維摻量之間的關系如圖4。

β=(N2-N1)/N1

(2)

圖4 抗初裂和抗破壞沖擊能耗

經計算，未摻聚丙烯纖維組試件的延性系數為0.2，通過與圖4中的數據對比可知，在水工混凝土中摻入單絲長、網狀長纖維能夠提高其延性，該類型聚丙烯纖維摻量與延性系數之間成正比關系；在水工混凝土中摻入單絲短、網狀短纖維則不利于其延性的提升，摻量過高時還會在一定程度上降低延性，該類型的聚丙烯纖維摻量與延性系數之間呈反比關系。因此，長纖維有利于促進延性的提高，這是因為水泥石基體與長纖維之間的黏結長度更大，要將其斷裂或拔出則需要消耗的能量會更多。當纖維消耗掉一部分沖擊荷載所傳來的能量時，這在一定程度上避免了因過大沖擊能量可能引起的混凝土脆性斷裂。結合試驗數據，將網狀長纖維按照體積摻量0.5%加入混凝土中其延性最好，該組延性系數0.74達到未摻纖維組的3.7倍。

2.4 數據離散性

為更加直觀地反映數據的離散程度，計算分析水工混凝土抗沖擊試驗數據的離散系數如表5。

表5 沖擊試驗數據的離散系數

由表5可知，未摻聚丙烯纖維組的離散系數均較小，說明試驗測定的水工混凝土抗沖擊數據比較集中，摻入聚丙烯纖維后測定的試驗數據離散性有所提高，增幅存在一定差異。其中，試驗數據離散程度最大的為摻0.1%單絲長纖維組，該組的初裂和破壞沖擊離散系數最高值為78%和72%，表明摻0.1%單絲長纖維組數據有較大誤差。總體而言，摻網狀纖維、短纖維組低于摻單絲纖維和長纖維組試驗數據的離散性。

3 結 論

(1)在水工混凝土中摻入聚丙烯纖維能夠明顯提升其沖擊韌性，并且摻量越高其提升效果越優；由于具有較好的分散性，網狀纖維的增韌效果更加明顯，摻短纖維也可以提升抗沖擊性能。結合試驗數據，從小到大不同類型聚丙烯纖維對抗沖擊性能的提升作用排序為單絲長<網狀長<單絲短<網狀短纖維。

(2)加入一定的聚丙烯纖維可以提高延性，并且網狀優于單絲纖維的改善作用；長纖維體積摻量與混凝土延性呈正比，而短纖維表現出相反特征。摻量相同條件下，長纖維優于短纖維的延性改善作用，將網狀長纖維按照體積摻量0.5%加入混凝土中其延性最好。

(3)將聚丙烯纖維摻入混凝土中會增大試驗數據離散性，這是因為纖維是隨機分布于基體中的，在混凝土內部的均勻分布程度很難保證。所以，通過增加纖維分散性可以大大減小相關試驗數據的離散性。