顧夢圓 蔡瑩瑩 張麗哲 孫啟龍 季 濤 高 強(qiáng)

南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，江蘇 南通 226019

纖維體積率對(duì)聚丙烯粗纖維混凝土力學(xué)性能的影響研究*

顧夢圓 蔡瑩瑩 張麗哲 孫啟龍 季 濤 高 強(qiáng)

南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，江蘇 南通 226019

通過試驗(yàn)對(duì)比研究不同體積率的聚丙烯粗纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果顯示：聚丙烯粗纖維對(duì)混凝土的抗壓性能無增強(qiáng)效果;對(duì)混凝土的劈裂抗拉、抗折及抗沖擊性能有顯著增強(qiáng)效果，當(dāng)聚丙烯粗纖維體積率為0.50%～0.65%時(shí)，聚丙烯粗纖維對(duì)混凝土的劈裂抗拉和抗折性能增強(qiáng)效果最優(yōu),且纖維混凝土的抗沖擊強(qiáng)度在試驗(yàn)范圍內(nèi)隨聚丙烯粗纖維體積率的增加而增強(qiáng)，最高可提高2.8倍。

聚丙烯粗纖維， 混凝土， 力學(xué)性能， 纖維體積率

水泥混凝土是當(dāng)今最重要的建筑材料，被廣泛應(yīng)用于道路、橋梁等工程中，但是普通的混凝土在使用過程中存在脆性大、韌性小、抗折強(qiáng)度低、抗拉強(qiáng)度小等許多缺陷，因此不能長時(shí)間的使用。為此，人們進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)將纖維材料摻入混凝土基體中可以有效提高混凝土的韌性，降低其脆性，并使其劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度增強(qiáng)[1-3]。

混凝土增強(qiáng)用纖維種類較多，其中以增強(qiáng)效果顯著、穩(wěn)定性較好、價(jià)格低廉的聚丙烯纖維較為普遍，目前其已被廣泛應(yīng)用于建筑材料中[4-5]。而聚丙烯粗纖維的當(dāng)量直徑大于0.1 mm，其在混凝土中的摻量多于聚丙烯細(xì)纖維，因此其增強(qiáng)、增韌效果優(yōu)于聚丙烯細(xì)纖維。

本文選擇5種聚丙烯粗纖維體積率，在相同拌合工藝、相同配合比的條件下制備纖維混凝土試樣，并進(jìn)行纖維混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)，研究聚丙烯粗纖維體積率對(duì)纖維混凝土的抗壓、劈裂抗拉、抗折及抗沖擊性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

水泥選用南通海螺牌P.O 42.5普通硅酸鹽水泥；粗骨料采用粒徑為5.0～20.0 mm的花崗巖碎石；細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)為1.82的細(xì)砂；拌合水采用普通自來水；纖維采用南通新帝克單絲科技股份有限公司生產(chǎn)的聚丙烯粗纖維，主要性能見表1。

表1 聚丙烯粗纖維主要性能參數(shù)

1.2 試驗(yàn)配比

根據(jù)JGJ 55—2000《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》，試驗(yàn)所用混凝土的配合比為水泥∶水∶細(xì)砂∶碎石=1.00∶0.48∶1.47∶2.74。

試驗(yàn)時(shí)，混凝土中摻入的聚丙烯粗纖維的體積率分別為0.35%、0.50%、0.65%、0.80%和0.95%，并與不摻聚丙烯粗纖維的素混凝土進(jìn)行對(duì)比。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 抗壓性能

根據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，混凝土抗壓試件采用100.0 mm×100.0 mm×100.0 mm的立方體非標(biāo)準(zhǔn)試模制成。試件按標(biāo)準(zhǔn)制作成形后在SHBY -40A型水泥標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)28 d，然后采用YAW -2000型微機(jī)控制液壓伺服全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行混凝土抗壓性能測試，加載速度為0.30～0.80 MPa/s，每組試件測試3次，取平均值，并記錄測試結(jié)果。

1.3.2 劈裂抗拉性能

根據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，混凝土劈裂抗拉試件采用100.0 mm×100.0 mm×100.0 mm的立方體非標(biāo)準(zhǔn)試模制成。試件按標(biāo)準(zhǔn)制作成形后在SHBY -40A型水泥標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28 d，然后在WDW -1200型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行混凝土劈裂抗拉性能測試，加載速度設(shè)定為0.05～0.08 MPa/s，每組試件測試3次，取平均值，并記錄試驗(yàn)結(jié)果。

1.3.3 抗折性能

同樣根據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，混凝土抗折試件采用100.0 mm×100.0 mm×300.0 mm的非標(biāo)準(zhǔn)試模制成。試件按標(biāo)準(zhǔn)制作成形后在SHBY -40A型水泥標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28 d，然后在WDW -1200型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行混凝土抗折性能測試，施壓速度為 0.05 MPa/s，每組試件測試3次，取平均值，并記錄試驗(yàn)結(jié)果。

1.3.4 抗沖擊性能

根據(jù)JGJ/T 221—2010《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，采用落重法自制試驗(yàn)裝置對(duì)混凝土的抗沖擊性能進(jìn)行測試。采用φ152.0 mm×63.5 mm的圓柱形試件，沖擊錘下落高度為1.2 m，測試試件的沖擊延性指數(shù)及完全破裂后吸收的能量。

纖維混凝土的沖擊延性指數(shù)λ定義為纖維混凝土的破壞沖擊次數(shù)N2和初裂沖擊次數(shù)N1的比值：

沖擊韌性W為試件在遭受破壞過程中吸收的全部沖擊能量：

W=Nmgh

式中：W——沖擊韌性即沖擊能量，J；N——沖擊次數(shù)，次；m——沖擊錘的質(zhì)量，kg；g——重力加速度，m/s2；h——沖擊錘下落的高度，m。

破壞沖擊韌性W1與初裂沖擊韌性W2的差值稱為初裂后吸收能量(ΔW)，它能直觀地反映混凝土初裂后吸收沖擊能量的能力。

每組測試5個(gè)試件，取平均值，并記錄試驗(yàn)結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 抗壓性能

聚丙烯粗纖維混凝土的抗壓性能測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 聚丙烯粗纖維體積率對(duì)纖維混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

從圖1可以看出，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，不同纖維體積率的聚丙烯粗纖維加入混凝土后，纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度與素混凝土相比均有所下降，這說明聚丙烯粗纖維對(duì)纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度沒有起到增強(qiáng)作用，反而有所削弱。這是由于聚丙烯粗纖維的彈性模量與素混凝土相差較大，其對(duì)混凝土的縱向受力起不到增強(qiáng)作用；同時(shí)，混凝土中摻入聚丙烯粗纖維后，混凝土基體中的水泥漿體與骨料的結(jié)合力下降，從而導(dǎo)致聚丙烯粗纖維混凝土的抗壓性能降低。

觀察圖1中折線變化趨勢還可以發(fā)現(xiàn)，聚丙烯粗纖維混凝土試件的抗壓強(qiáng)度隨聚丙烯粗纖維體積率的增加而先升后降。當(dāng)聚丙烯粗纖維體積率較低，即為0.35%、0.50%時(shí)，少量的聚丙烯粗纖維破壞了混凝土基體的整體性，使纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度較素混凝土分別下降15.60%和11.40%；當(dāng)聚丙烯粗纖維體積率為0.65%時(shí)，纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，與素混凝土的抗壓強(qiáng)度值接近；當(dāng)聚丙烯粗纖維體積率為0.80%、0.95%時(shí)，混凝土中聚丙烯粗纖維數(shù)量增加，水泥漿體對(duì)骨料、聚丙烯粗纖維的包裹性能降低，從而導(dǎo)致纖維混凝土的整體抗壓性能再次降低。因此，聚丙烯粗纖維的體積率在0.65%左右時(shí)，聚丙烯粗纖維對(duì)纖維混凝土抗壓性能的減弱效果最小。

2.2 劈裂抗拉性能

聚丙烯粗纖維混凝土的劈裂抗拉性能測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 聚丙烯粗纖維體積率對(duì)纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

從圖2可以看出，不同纖維體積率的聚丙烯粗纖維摻入混凝土后，纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度均有所提高，且隨著聚丙烯粗纖維體積率的增加，纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度近似呈正態(tài)分布。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，劈裂抗拉強(qiáng)度存在最大值。在聚丙烯粗纖維體積率低于0.50%時(shí)，纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著聚丙烯粗纖維體積率的增加而增大；當(dāng)聚丙烯粗纖維體積率為0.50%時(shí)，纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度較素混凝土提高40.09%，達(dá)到最大值；隨后隨著聚丙烯粗纖維體積率的增加，纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度下降。究其原因在于，當(dāng)聚丙烯粗纖維體積率低于0.50%時(shí)，纖維在混凝土基體中形成的三維亂向支撐體系比較弱，斷面內(nèi)纖維根數(shù)較少，纖維與混凝土基體的剪切力較弱，故對(duì)纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)效果不明顯；當(dāng)聚丙烯粗纖維體積率較高時(shí)，纖維混凝土中每根纖維與混凝土基體之間接觸的界面數(shù)量、含氣量隨之增加，這使得聚丙烯粗纖維與混凝土基體界面的黏結(jié)強(qiáng)度下降，從而導(dǎo)致纖維混凝土的劈裂抗拉性能下降。因此，聚丙烯粗纖維體積率只有在合適的范圍內(nèi)才能對(duì)纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度起到較好的增強(qiáng)作用。

2.3 抗折性能

圖3 聚丙烯粗纖維體積率對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響

聚丙烯粗纖維混凝土的抗折性能測試結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，混凝土中摻入聚丙烯粗纖維后，其抗折強(qiáng)度有所提高，且在試驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著聚丙烯粗纖維體積率的增加，纖維混凝土的抗折強(qiáng)度先增后減。當(dāng)摻入聚丙烯粗纖維的體積率為0.35%時(shí)，混凝土基體中聚丙烯粗纖維較少，在受到外界載荷作用時(shí)，聚丙烯粗纖維承擔(dān)的載荷很少，故增強(qiáng)作用不顯著；當(dāng)聚丙烯粗纖維體積率增加到0.65%時(shí)，纖維混凝土的抗折強(qiáng)度較素混凝土提高68.12%，增強(qiáng)效果最優(yōu)；當(dāng)聚丙烯粗纖維體積率為0.95%時(shí)，纖維混凝土中聚丙烯粗纖維根數(shù)較多，此時(shí)聚丙烯粗纖維對(duì)混凝土的負(fù)效應(yīng)超過正效應(yīng)，故纖維混凝土的抗折強(qiáng)度呈下降趨勢。因此，聚丙烯粗纖維體積率為0.50%～0.65%時(shí)，纖維對(duì)混凝土的抗折強(qiáng)度增強(qiáng)作用較顯著。

2.4 抗沖擊性能

聚丙烯粗纖維混凝土的抗沖擊性能測試結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 聚丙烯粗纖維體積率與初裂后吸收能量的關(guān)系

圖5 聚丙烯粗纖維體積率與沖擊延性指數(shù)的關(guān)系

從圖4可以看出，隨著聚丙烯粗纖維體積率的增加，纖維混凝土初裂后吸收能量也在不斷增加，抗沖擊性能不斷增強(qiáng)，其中當(dāng)聚丙烯粗纖維體積率超過0.65%后，纖維混凝土抗沖擊性能增強(qiáng)的幅度加大；當(dāng)聚丙烯粗纖維體積率為0.95%時(shí)，纖維混凝土初裂后吸收的能量較素混凝土提高2.8倍。

從圖5可以看出，當(dāng)聚丙烯粗纖維體積率較小時(shí)，沖擊延性指數(shù)有小幅度的下降，隨著聚丙烯粗纖維體積率超過0.65%后，沖擊延性指數(shù)隨著聚丙烯粗纖維體積率的增加而不斷增加。這是由于聚丙烯粗纖維在混凝土中呈亂向均勻分布，其通過與混凝土基體的結(jié)合形成了一種較強(qiáng)的支撐體系，當(dāng)纖維混凝土受到?jīng)_擊載荷時(shí)，該體系能有效吸收沖擊動(dòng)能，并在裂縫產(chǎn)生后，聚丙烯粗纖維作為裂縫間的橋梁可進(jìn)一步消耗沖擊能量，進(jìn)而增加纖維混凝土的初裂后吸收能量與初裂沖擊次數(shù)。因此，聚丙烯粗纖維對(duì)混凝土的抗沖擊性能有較好的增強(qiáng)作用，且在一定范圍內(nèi)，聚丙烯粗纖維體積率越高，纖維混凝土的抗沖擊性能越好。

3 結(jié)論

將不同體積率的聚丙烯粗纖維加入混凝土基體中，發(fā)現(xiàn)：

(1) 聚丙烯粗纖維的摻加未對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生增強(qiáng)效果，反而使其抗壓強(qiáng)度有所降低，其中當(dāng)聚丙烯粗纖維體積率為0.65%時(shí)，纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度最接近素混凝土的抗壓強(qiáng)度。

(2) 聚丙烯粗纖維對(duì)混凝土的劈裂抗拉及抗折強(qiáng)度有增強(qiáng)效果，且纖維混凝土的劈裂抗拉及抗折強(qiáng)度均高于素混凝土，都呈現(xiàn)出隨著聚丙烯粗纖維體積率的增加先增大后減小的趨勢，其中聚丙烯粗纖維體積率在0.50%～0.65%范圍內(nèi)時(shí)，聚丙烯粗纖維的增強(qiáng)作用最明顯。

(3)聚丙烯粗纖維對(duì)混凝土的抗沖擊性能有顯著增強(qiáng)的作用，并且在一定范圍內(nèi)，隨著聚丙烯粗纖維體積率的增加，纖維混凝土的抗沖擊性能隨之增強(qiáng)，最大增幅可達(dá)2.8倍。

[1] 丁春奎，高強(qiáng)，季濤，等.聚丙烯纖維對(duì)混凝土抗沖擊和抗折性能的影響[J]. 產(chǎn)業(yè)用紡織品，2015，33(5):11-14.

[2] 李丹，陶俊林，賈彬.玄武巖纖維混凝土抗沖擊性能的試驗(yàn)研究[J].新型建筑材料，2012,39(12)：47-51.

[3] 李建輝，鄧宗才.碳纖維增強(qiáng)混凝土的單軸拉伸特性[J].公路，2011(4)：185-187.

[4] 陳良，劉仍光，劉堅(jiān)勇，等．聚丙烯纖維混凝土的性能和國內(nèi)外應(yīng)用[J]．青島理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，28(2)：27-30.

[5] 張愛玲.聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土性能的分析與應(yīng)用[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2011(4)：170-171.

Impact study of fibers’ volume ratio on mechanical properties of polypropylene macro-fibers reinforced concrete

GuMengyuan,CaiYingying,ZhangLizhe,SunQilong,JiTao,GaoQiang

School of Textile and Clothing, Nantong University, Nantong 226019, China

The influence of different volume ratios of polypropylene(PP) macro-fibers on the mechanical properties of concrete was contrastively studied by experiments. The results showed that PP macro-fibers had no enhancement effect on the compressive strength of concrete, while the splitting tensile strength, flexural strength and anti-impact strength of concrete were improved significantly, and when the PP macro-fibers’ volume ratio was at 0.50%～0.65%, the enhancement effect on splitting tensile and flexural performance of concrete by the PP macro-fibers was the best. In the test range, the anti-impact strength of concrete was improved with the increase of fibers’ volume ratio, the maximum could be increased by 2.8 times.

polypropylene macro-fiber， concrete， mechanical property， fibers’ volume ratio

*國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFB0303100)；江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目(15KJD430008)；南通大學(xué)第十五屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生競賽項(xiàng)目

2016-09-01

顧夢圓，女，1995年生，在讀本科生，研究方向?yàn)槔w維在混凝土中的性能

張麗哲，E-mail: zhanglz1005@ntu.edu.cn

TS102.5， TU528.572

A

1004-7093(2017)01-0011-04