聚丙烯纖維對(duì)混凝土抗沖擊和抗折性能的影響*

丁春奎高強(qiáng)季濤張麗哲

(南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，南通，226019)

摘要：研究了不同長度的聚丙烯纖維對(duì)混凝土的抗折和抗沖擊性能的影響。試驗(yàn)結(jié)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(shù)和沖擊延性指數(shù)；當(dāng)纖維長度為35 mm時(shí)，纖維混凝土的破壞沖擊次數(shù)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(qiáng)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(dá)1 mm,能有效改善混凝土的韌性。

關(guān)鍵詞：混凝土，聚丙烯纖維，抗沖擊性能，抗折性能

中圖分類號(hào)：TU528.572文獻(xiàn)標(biāo)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?yàn)榫郾├w維增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能。

普通混凝土具有較高的抗壓強(qiáng)度，但因抗拉強(qiáng)度低、抗裂性差和韌性小，限制了其在有沖擊、疲勞等動(dòng)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(duì)混凝土的應(yīng)用和發(fā)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(xù)性和穩(wěn)定性，起到明顯的阻裂與增韌作用，在加載時(shí)表現(xiàn)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(nèi)的六種不同長度的聚丙烯纖維對(duì)混凝土的抗折性能和抗沖擊性能的影響。

1試驗(yàn)部分

1.1材料

(1)水泥，強(qiáng)度等級(jí)為P.O 42.5的普通硅酸鹽水泥；

(2)砂子，細(xì)度模數(shù)為1.82的細(xì)砂；

*產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金-前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目(BY2013042-02)

通信作者：高強(qiáng)，E-mail:gao.q@ntu.edu.cn

(3)粗集料，3～19 mm連續(xù)粒級(jí)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(qiáng)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(chǎn)。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1試樣

根據(jù)GB 50010—2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，設(shè)計(jì)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C30，配合比(質(zhì)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(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中抗折強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)方法，在萬能試驗(yàn)機(jī)上對(duì)試件進(jìn)行測試。破壞強(qiáng)度按下式計(jì)算：

式中ffc,cra——纖維混凝土的初裂強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)試件的測試結(jié)果應(yīng)折算成標(biāo)準(zhǔn)件的相應(yīng)強(qiáng)度值，折算系數(shù)為0.85。

抗折性能試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×300 mm的非標(biāo)準(zhǔn)試模，纖維體積率為0.5%，每種試樣澆筑3個(gè)試件。澆筑完成，靜置24 h后脫模，在溫度為20 ℃、相對(duì)濕度為95%的恒溫恒濕條件下養(yǎng)護(hù)28 d取出，在電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗折強(qiáng)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(huì)推薦的落重法進(jìn)行抗沖擊試驗(yàn)[8]?？箾_擊性能試驗(yàn)采用直徑為152 mm，高63.5 mm的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)試模。纖維體積率為0.5%，每種試樣澆筑3個(gè)試件。將抗沖擊試件從養(yǎng)護(hù)箱中取出后，在溫度為(20±2) ℃、相對(duì)濕度為60%±5%的環(huán)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(zhì)量4.5 kg,下落高度460 mm。在沖擊測試過程中，仔細(xì)觀察試件表面，記錄初次出現(xiàn)裂紋時(shí)的沖擊次數(shù)和破壞時(shí)的沖擊次數(shù)。

2結(jié)果與討論

2.1不同長度的聚丙烯纖維對(duì)混凝土抗沖擊性能的影響

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

對(duì)素混凝土和纖維混凝土進(jìn)行抗沖擊測試，取3個(gè)試件受沖擊次數(shù)的平均值。纖維長度和沖擊次數(shù)的關(guān)系曲線見圖1，纖維長度與沖擊延性指數(shù)的關(guān)系曲線見圖2。

1——破壞沖擊次數(shù)；　2——初裂沖擊次數(shù) 圖1　纖維長度與沖擊次數(shù)關(guān)系曲線

圖2　纖維長度與沖擊延性指數(shù)關(guān)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(duì)混凝土抗沖擊性能的增強(qiáng)作用不同。纖維長度在10～35 mm范圍內(nèi)，隨著纖維長度的增加，混凝土的抗沖擊性能提高。當(dāng)纖維長度為35 mm時(shí)，纖維混凝土的破壞沖擊次數(shù)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(shù)高。摻入纖維后，混凝土的沖擊延性指數(shù)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(nèi)承力纖維根數(shù)較C2試樣少，抗裂阻力不足，因此沖擊延性指數(shù)C3試樣較C2試樣有所下降。同時(shí)，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(dǎo)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(shù)小。試件在受到?jīng)_擊外力作用時(shí)，其截面上的受力是不均勻的，存在大量的應(yīng)力集中點(diǎn)，這些應(yīng)力集中點(diǎn)首先達(dá)到強(qiáng)度極限而發(fā)生破壞，產(chǎn)生微裂紋。由于纖維的阻裂增強(qiáng)作用，微裂紋并沒有迅速擴(kuò)展，當(dāng)裂紋寬度增大到一定程度，纖維逐漸被拔出，纖維混凝土產(chǎn)生的裂縫失穩(wěn)拓展，最后出現(xiàn)貫穿裂縫而破壞。

2.2不同長度的聚丙烯纖維對(duì)混凝土抗折性能的影響

纖維長度與破壞力、初裂強(qiáng)度、中心撓度(加載點(diǎn)位移)的關(guān)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(huì)降低混凝土的抗折強(qiáng)度。纖維的加入相當(dāng)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(yīng)力集中點(diǎn)。當(dāng)加入長度為10 mm的纖維時(shí)，混凝土抗折強(qiáng)度大幅下降。因?yàn)殚L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(qiáng)度較低。加入長度為15～25 mm的纖維時(shí)，混凝土的抗折強(qiáng)度較加入長度為10 mm的纖維時(shí)呈增長趨勢。此時(shí)，纖維和混凝土的有效接觸面積大，在受外力作用時(shí)能提供更大的抗裂阻力。纖維長度繼續(xù)增加，纖維在混凝土中分散困難，可能形成纖維團(tuán)，且相同體積率下試件中的纖維根數(shù)減少，導(dǎo)致混凝土的抗折強(qiáng)度急劇下降。

圖3　纖維長度與抗折強(qiáng)度關(guān)系曲線

圖4　纖維長度與中心撓度關(guān)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(dāng)纖維長度為20 mm時(shí)，撓度增大值下降。在相同體積率下，C3試樣斷裂面內(nèi)承力纖維根數(shù)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(shí)，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(duì)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(duì)微裂紋的形成和發(fā)展產(chǎn)生作用；纖維過長，其在混凝土基體中分散不均，纖維之間會(huì)產(chǎn)生纏結(jié)，形成纖維團(tuán)，對(duì)其強(qiáng)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(guān)系曲線，見圖5。

從圖5可以看出：素混凝土在受外力時(shí)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(dāng)中心撓度量為2 mm時(shí)，C3試樣可繼續(xù)承載，而C0試樣已經(jīng)破壞。從圖5(d)可看出，C5試樣表現(xiàn)出較好的韌性。纖維可以看作為混凝土中的次要加強(qiáng)筋，能跨橫裂縫起橋接作用，緩解裂縫尖端的應(yīng)力集中，增加裂縫的擴(kuò)張阻力，提高混凝土的韌性。

3結(jié)論

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

(2)不同長度的聚丙烯纖維對(duì)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(qiáng)度。聚丙烯纖維的加入對(duì)提高混凝土的韌性具有重要意義。

圖5　載荷-中心撓度關(guān)系曲線

參考文獻(xiàn)

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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

用于紡織品阻燃整理的瓦克水性乳液

瓦克VINNOL? CEN 2752是一種基于氯乙烯和乙烯共聚的乳液技術(shù)。由于氯乙烯-乙烯共聚物具有較高的極限氧指數(shù)，這意味著聚合物本身就是一種難燃的材料。同時(shí)，由于乳液中氯元素的含量較高，氯元素可以在氣相環(huán)境中捕捉燃燒過程中產(chǎn)生的氫鍵自由基，從而減少可燃性氣體的產(chǎn)生。使用瓦克VINNOL CEN 2752水性乳液配制的阻燃涂層具有自熄的特點(diǎn)。

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