張延年， 董 浩， 劉曉陽， 鄭 怡

(1. 沈陽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 沈陽 110168； 2. 遼寧省建筑材料監(jiān)督檢驗(yàn)院 科技部， 沈陽 110032)

建筑工程

聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土拉壓比試驗(yàn)*

張延年1， 董 浩1， 劉曉陽1， 鄭 怡2

(1. 沈陽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 沈陽 110168； 2. 遼寧省建筑材料監(jiān)督檢驗(yàn)院 科技部， 沈陽 110032)

針對聚丙烯纖維對混凝土強(qiáng)度和拉壓比影響的問題，采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，對不同纖維摻量和不同纖維長度的混凝土進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn).結(jié)果表明，聚丙烯纖維混凝土立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的預(yù)測模型與試驗(yàn)結(jié)果吻合程度較高；聚丙烯纖維混凝土拉壓比在纖維摻量為0～0.1%之間遞增，在纖維摻量為0.1%～0.25%之間遞減；6 mm聚丙烯纖維混凝土拉壓比與基準(zhǔn)混凝土拉壓比相比略有下降，12 mm聚丙烯纖維混凝土拉壓比比基準(zhǔn)混凝土提高了5.5%，聚丙烯纖維可以顯著改善混凝土脆性破壞形態(tài)，提高混凝土韌性.

纖維混凝土； 聚丙烯纖維； 抗壓強(qiáng)度； 劈裂抗拉強(qiáng)度； 拉壓比； 預(yù)測模型； 破壞形態(tài)； 韌性

混凝土抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的比值稱為拉壓比，拉壓比是衡量水泥基復(fù)合材料脆性的一個(gè)重要指標(biāo)，混凝土強(qiáng)度越高，其拉壓比越小，脆性越大，韌性越小[1].

聚丙烯纖維混凝土的首次應(yīng)用可以追溯到上世紀(jì)60年代[2].詹冬等[3]研究表明聚丙烯纖維可以有效控制混凝土收縮值，聚丙烯纖維摻量小于等于1.2 kg/m3時(shí)，聚丙烯纖維摻量越大，混凝土收縮率越小，對裂縫控制越有利；白文輝等[4]研究的試驗(yàn)結(jié)果顯示聚丙烯纖維能減少早期塑性收縮裂縫；Mtasher等[5]研究了聚丙烯纖維對混凝土抗壓和抗彎強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，摻入聚丙烯纖維后抗壓強(qiáng)度提高了64%，抗彎強(qiáng)度提高了55.5%；張偉[6]通過三點(diǎn)彎曲法測試了聚丙烯纖維對高強(qiáng)混凝土斷裂能的影響，結(jié)果表明，纖維摻量越高，斷裂能越大；夏冬桃等[7-8]對混雜纖維高性能混凝土的拉壓比進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，鋼纖維和聚丙烯纖維混雜可以提高混凝土的抗拉強(qiáng)度和拉壓比.相比其他纖維混凝土，聚丙烯纖維混凝土的研究工作還需要進(jìn)一步完善.為了使聚丙烯纖維混凝土更好地服務(wù)于不同領(lǐng)域，滿足實(shí)際工程的不同需求，本文針對聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)，研究摻入聚丙烯纖維后混凝土抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律，以及拉壓比的影響因素和變化趨勢.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料和配合比

水泥采用大連小野田水泥廠華日牌普通硅酸鹽水泥P.O 42.5(R)；粗骨料采用石子粒徑小于20 mm的優(yōu)質(zhì)碎石，級配連續(xù)；細(xì)骨料采用沈陽渾河堡河砂，細(xì)度模數(shù)為2.9，級配連續(xù)；減水劑采用山東省萊陽市宏祥建筑外加劑廠萘系高性能減水劑，減水率為18%～25%；聚丙烯纖維采用遼陽瑞恒耐火材料廠聚丙烯單絲短切纖維(6和12 mm).試驗(yàn)中采用的混凝土配合比如表1所示.為了研究纖維體積摻量和纖維長度對聚丙烯纖維混凝土強(qiáng)度和拉壓比的影響，分別選擇了0、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%和0.25%共6種纖維體積摻量，6和12 mm共2種纖維長度.試件分組情況如表2所示，其中，PPFC表示聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土，PC表示普通素混凝土.

表1 混凝土配合比
Tab.1 Mix proportion of concrete

混凝土強(qiáng)度等級水泥(kg·m-3)水(kg·m-3)砂子(kg·m-3)石子(kg·m-3)減水劑(kg·m-3)水膠比砂率C4046018559012102 30 40 33

表2 試件分組
Tab.2 Grouping of specimens

試件編號纖維長度mm纖維體積摻量%混凝土強(qiáng)度等級PC?40--C40PPFC12?0 05?40120 05C40PPFC12?0 10?40120 10C40PPFC12?0 15?40120 15C40PPFC12?0 20?40120 20C40PPFC12?0 25?40120 25C40PPFC6?0 15?4060 15C40

1.2 試件制作和試驗(yàn)方法

立方體抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度試件采用邊長為150 mm的立方體標(biāo)準(zhǔn)試件，每小組試驗(yàn)分別制作3個(gè)試件，共計(jì)42個(gè)試件.制作試件前，應(yīng)將試模擦凈，并在內(nèi)壁涂脫模劑.纖維的加入擾亂了混凝土中的顆粒狀結(jié)構(gòu)，降低了混凝土的工作性，使混凝土變硬并且造成攪拌和澆筑等方面的困難[9].因此，本文試驗(yàn)為了保證各組分充分?jǐn)嚢杈鶆颍_保纖維在混凝土基體中擁有良好的分散性，采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)攪拌纖維混凝土，同時(shí)在現(xiàn)場配置前，預(yù)先分散結(jié)團(tuán)的纖維，投料次序如下：1)將骨料、水泥進(jìn)行干拌1 min；2)將纖維均勻地撒在攪拌機(jī)中攪拌1 min；3)加90%水和減水劑攪拌1 min；4)加10%水?dāng)嚢? min出料.立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)與劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)均參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2002)，在沈陽建筑大學(xué)材料實(shí)驗(yàn)室2 000 kN壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 破壞形態(tài)分析

立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)過程中，普通素混凝土試件破壞時(shí)呈現(xiàn)明顯脆性破壞形態(tài)，破壞時(shí)有巨大的響聲，試件表面出現(xiàn)大面積混凝土脫落現(xiàn)象；而摻入聚丙烯纖維的混凝土破壞時(shí)裂縫發(fā)展較為分散，只有少量碎渣掉落，沒有大面積混凝土脫落現(xiàn)象，如圖1所示.

圖1 纖維混凝土受壓破壞形態(tài)Fig.1 Compressive failure modes of fiber reinforced concrete

立方體劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)過程中，普通素混凝土試件破壞時(shí)呈現(xiàn)明顯脆性破壞形態(tài)，破壞時(shí)伴有巨大的響聲，試件突然碎成兩半；而摻入聚丙烯纖維的混凝土，部分試件破壞時(shí)首先出現(xiàn)裂縫，隨后裂縫發(fā)展直至碎成兩半，整個(gè)過程有預(yù)兆性，部分試件破壞時(shí)試件中間部位發(fā)展幾條明顯裂縫，沒有碎成兩半，并且裂縫之間連接著一些處于受拉狀態(tài)的聚丙烯纖維，如圖2所示.

圖2 纖維混凝土受拉破壞形態(tài)Fig.2 Tensile failure modes of fiber reinforced concrete

2.2 立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分析

不同纖維體積摻量、纖維長度的聚丙烯纖維混凝土抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度測試結(jié)果如表3所示，纖維摻量Vf與各測試結(jié)果增幅λ的關(guān)系如圖3所示.

表3 聚丙烯纖維混凝土測試結(jié)果
Tab.3 Test results for polypropylene fiber reinforced concrete

試件編號立方體抗壓強(qiáng)度fcf測量值/MPa增幅λ/%劈裂抗拉強(qiáng)度ftf測量值/MPa增幅λ/%拉壓比ftf/fcf測量值增幅λ/%PC?4043 7703 2000 07310PPFC12?0 05?4043 970 53 251 60 07621 1PPFC12?0 10?4045 604 23 5811 90 07857 4PPFC12?0 15?4047 849 33 6915 30 07715 5PPFC12?0 20?4048 2310 23 5611 30 07381 0PPFC12?0 25?4049 7113 63 375 30 0678-7 3PPFC6?0 15?4049 3512 73 5811 90 0725-0 8

試驗(yàn)結(jié)果分析如下：

1) 隨著聚丙烯纖維體積摻量的增加，聚丙烯纖維混凝土立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均有所增大.當(dāng)聚丙烯纖維體積摻量為0.05%～0.25%時(shí)，立方體抗壓強(qiáng)度較普通素混凝土提高了0.5%～13.6%，劈裂抗拉強(qiáng)度較普通素混凝土提高了1.6%～15.3%.經(jīng)過試驗(yàn)結(jié)果分析，提出了基于纖維摻量Vf、普通素混凝土抗壓強(qiáng)度fc、普通素混凝土抗拉強(qiáng)度ft的聚丙烯纖維混凝土立方體抗壓強(qiáng)度預(yù)測模型和聚丙烯纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度預(yù)測模型，即

圖3 Vf與λ的關(guān)系Fig.3 Relationship between Vf and λfcf=a1fc+b1Vf

(1)

(2)

式中，a1、b1、a2、b2、c2為模型參數(shù).利用本試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，可確定試驗(yàn)預(yù)測模型系數(shù).聚丙烯纖維混凝土立方體抗壓強(qiáng)度和聚丙烯纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度具體計(jì)算公式為

fcf=0.989 8fc+25.554 3Vf

(3)

(4)

式(3)、(4)與試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)性系數(shù)分別為0.979 9和0.890 8，擬合曲線如圖4、5所示.擬合公式所得的預(yù)測值與實(shí)測值誤差如表4所示.預(yù)測值與纖維摻量為0.05%試件抗拉強(qiáng)度實(shí)測值相比偏于不保守，可能是由于試件在制作過程中可能出現(xiàn)了攪拌不均勻和振搗不密實(shí)等現(xiàn)象，其余各組預(yù)測值與實(shí)測值誤差在±1.44%之內(nèi)，吻合較好.

圖4 立方體抗壓強(qiáng)度預(yù)測模型Fig.4 Prediction model for cube compressive strength

圖5 劈裂抗拉強(qiáng)度預(yù)測模型Fig.5 Prediction model for splitting tensile strength

表4 預(yù)測值和實(shí)測值對比Tab.4 Comparison between predicted and measured values

2) 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度在摻入6和12 mm的聚丙烯纖維后均有所增大，其中，6 mm PPFC的立方體抗壓強(qiáng)度提高了12.7%，劈裂抗拉強(qiáng)度提高了11.9%，12 mm PPFC的立方體抗壓強(qiáng)度提高了9.3%，劈裂抗拉強(qiáng)度提高了15.3%.這是因?yàn)槔w維越短越有利于纖維均勻分散在基體中，減少了混凝土內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生，有助于提高其抗壓強(qiáng)度，而纖維越長，跨越裂縫的纖維越多，原本由基體提供的拉應(yīng)力得到了補(bǔ)強(qiáng)，從而提高了PPFC的劈裂抗拉強(qiáng)度.

2.3 拉壓比分析

聚丙烯纖維混凝土拉壓比在纖維摻量為0～0.1%之間遞增，在纖維摻量為0.1%～0.25%之間遞減.主要原因在于聚丙烯纖維摻入過多導(dǎo)致纖維分散不均、纖維結(jié)團(tuán)，纖維不能夠提供相應(yīng)的拉應(yīng)力，造成混凝土抗拉強(qiáng)度下降，拉壓比降低.

6 mm聚丙烯纖維混凝土拉壓比與基準(zhǔn)混凝土拉壓比相比略有下降，12 mm聚丙烯纖維混凝土拉壓比比基準(zhǔn)混凝土拉壓比提高了5.5%，12 mm聚丙烯纖維混凝土拉壓比比6 mm聚丙烯纖維混凝土拉壓比提高了6.3%.這是因?yàn)?2 mm PPFC的劈裂抗拉強(qiáng)度增長幅度較大，立方體抗壓強(qiáng)度增長幅度較小，說明纖維混凝土拉壓比與纖維的長短有著密切的聯(lián)系，纖維越長拉壓比越大，不同纖維長度下拉壓比對比如圖6所示.

圖6 不同纖維長度拉壓比對比Fig.6 Comparison in tension-compression ratio with different fiber length

普通混凝土的拉壓比為0.058～0.125，高強(qiáng)混凝土的拉壓比僅為0.042～0.050[10]，本文試驗(yàn)中聚丙烯纖維混凝土的拉壓比為0.067 8～0.078 5，說明聚丙烯纖維的摻入可以有效提高混凝土韌性，改善混凝土脆性大的缺點(diǎn).

3 結(jié) 論

本文對聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土進(jìn)行了立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1) 摻入聚丙烯纖維可以顯著改善混凝土的脆性破壞形態(tài)，提高混凝土韌性.

2) 隨著聚丙烯纖維體積摻量的增加，聚丙烯纖維混凝土立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均有所增大，提出了聚丙烯纖維混凝土立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度預(yù)測模型，模型與試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性良好，吻合度較高.

3) 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度在摻入6和12 mm的聚丙烯纖維后均有所增大.纖維長度為6 mm時(shí)，聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度提高幅度較大；纖維長度為12 mm時(shí)，聚丙烯纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度提高幅度較大.

4) 試驗(yàn)中聚丙烯纖維混凝土的拉壓比為0.067 8～0.078 5，聚丙烯纖維混凝土拉壓比隨著纖維摻量的增加，先增大后減小，12 mm聚丙烯纖維混凝土拉壓比比6 mm聚丙烯纖維混凝土拉壓比提高了6.3%.

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(責(zé)任編輯：鐘 媛 英文審校：尹淑英)

Experiment on tension-compression ratio of polypropylene fiber reinforced concrete

ZHANG Yan-nian1, DONG Hao1, LIU Xiao-yang1, ZHENG Yi2

(1. School of Civil Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China; 2. Department of Science and Technology, Building Materials Supervision and Inspection Institute of Liaoning Province, Shenyang 110032, China)

Aiming at the problem that the polypropylene fiber has certain influence on the strength and tension-compression ratio of concrete, the cube compressive strength test and splitting tensile strength test of concrete with different fiber contents and different fiber lengths were conducted with the standard test method. The results show that the prediction model for cube compressive strength and splitting tensile strength of polypropylene fiber reinforced concrete is well matched with the test results. The tension-compression ratio of polypropylene fiber reinforced concrete increases with increasing the fiber content from 0 to 0.1%, and decreases with increasing the fiber content from 0.1% to 0.25%. The tension-compression ratio of concrete with 6 mm polypropylene fiber is slightly lower than that of reference concrete, while the tension-compression ratio of concrete with 12 mm polypropylene fiber increases by 5.5% than that of reference concrete. The polypropylene fiber can effectively improve the brittle failure mode of concrete and enhance the toughness of concrete.

fiber reinforced concrete; polypropylene fiber; compressive strength; splitting tensile strength; tension-compression ratio; prediction model; failure mode; toughness

2016-03-14.

遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(LR2014015)； “百千萬人才工程”人選項(xiàng)目擇優(yōu)基金資助項(xiàng)目(2014921046)； 沈陽市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會科技基金資助項(xiàng)目(sjw2015-14).

張延年(1976-)，男，遼寧沈陽人，教授，博士，主要從事防災(zāi)減災(zāi)等方面的研究.

16∶08在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版.

http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160907.1608.022.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.01.20

TU 528.572

A

1000-1646(2017)01-0104-05