朱朝艷，王錫偉，劉敬宇，邢婕思

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聚丙烯腈纖維自密實(shí)混凝土基本力學(xué)性能試驗(yàn)研究

朱朝艷1，王錫偉1，劉敬宇1，邢婕思2

（1.遼寧工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院，遼寧錦州 121001；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，遼寧阜新123000）

通過(guò)試驗(yàn)研究在纖維長(zhǎng)度、摻量和混雜比例不同的情況下，聚丙烯腈纖維對(duì)C30自密實(shí)混凝土基本力學(xué)性能的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，摻入聚丙烯腈纖維可顯著提高自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度，但對(duì)軸心抗壓強(qiáng)度的改善幅度較小。同時(shí)發(fā)現(xiàn)纖維長(zhǎng)度和摻入比例對(duì)自密實(shí)混凝土力學(xué)性能影響較大，存在最佳纖維摻量和最佳纖維長(zhǎng)度。

聚丙烯腈纖維；自密實(shí)混凝土；抗壓強(qiáng)度；軸心抗壓強(qiáng)度；劈裂抗拉強(qiáng)度；抗折強(qiáng)度

自密實(shí)混凝土（self-compacting concrete，SCC）是一種在自身重力作用下無(wú)需振搗(或輕微振搗)即能密實(shí)成型的高性能混凝土[1]，因其較普通混凝土更節(jié)能環(huán)保高效安全，被廣泛運(yùn)用于預(yù)制構(gòu)件和澆筑困難的工程。但SCC水膠比低而砂率較高，常導(dǎo)致開(kāi)裂，具有阻裂、增韌作用的纖維混凝土成為時(shí)下研究熱點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外研究較多的是剛性纖維在混凝土中的增強(qiáng)作用，如鋼纖維、碳纖維、芳綸纖維等[2-4]。而聚丙烯腈纖維屬于柔性纖維，其彈性模量遠(yuǎn)小于普通混凝土，關(guān)于聚丙烯腈纖維的摻入對(duì)混凝土力學(xué)性能的研究較少且不夠深入[5-6]，本文改變聚丙烯腈纖維的長(zhǎng)度、摻量并等比例混雜不同長(zhǎng)度的纖維，探討這3方面因素對(duì)自密實(shí)混凝土力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)用原材料

水泥選用渤海水泥廠葫蘆島有限公司生產(chǎn)的渤海牌42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為29.0%，密度3 100 kg/m3；粉煤灰選用錦州市第一熱電廠生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，密度2 290 kg/m3；碎石粒徑為5~20 mm連續(xù)級(jí)配；砂屬于Ⅱ區(qū)級(jí)配中砂，粗細(xì)骨料性能分別列于表1和表2；外加劑選用聚羧酸高效減水劑，減水率30%~35%，與膠凝材料相容性較好，選定摻量為0.7%；纖維采用的是長(zhǎng)度為6、12、19 mm（直徑分別為13.00、26.89、80.50 μm）常州利爾德通新材料科技有限公司生產(chǎn)的聚丙烯腈纖維，彈性模量為17.1 GPa，抗拉強(qiáng)度為410 MPa。

2 自密實(shí)混凝土配合比的確定

本試驗(yàn)依據(jù)《自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)與施工指南》(CCES 02—2004)，采用改進(jìn)的全計(jì)算法[7]進(jìn)行C30自密實(shí)混凝土配合比的計(jì)算。再選取石用量系數(shù)、砂用量系數(shù)、減水劑摻量和粉煤灰摻量4個(gè)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，每一因素各取3水平，形成L9（34）的正交表，按表試驗(yàn)，檢測(cè)拌合物的工作性能和28 d抗壓強(qiáng)度后選出最優(yōu)的配合比如表3所示。

表1 石子性能指標(biāo)

表2 砂性能指標(biāo)

表3 自密實(shí)混凝土配合比

3 試件的制備

本試驗(yàn)共制備17組試件，其中F組為不摻纖維的自密實(shí)混凝土，下文統(tǒng)稱基準(zhǔn)混凝土，其余各組均摻有聚丙烯腈纖維，每組纖維的長(zhǎng)度和摻量具體見(jiàn)表4。

表4 聚丙烯腈纖維摻量及幾何特征

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)所得17組試件相關(guān)力學(xué)性能代表值及相對(duì)基準(zhǔn)混凝土的強(qiáng)度增幅列于表5。根據(jù)表5中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制了聚丙烯腈纖維混凝土的各項(xiàng)基本力學(xué)性能與纖維長(zhǎng)度和纖維摻量之間的關(guān)系曲線，分別如圖1~圖8所示。

表5 聚丙烯腈纖維自密實(shí)混凝土基本力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

注：拉壓比是劈拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的比值。

圖1 立方體抗壓強(qiáng)度與纖維長(zhǎng)度關(guān)系曲線

圖2 立方體抗壓強(qiáng)度與纖維摻量關(guān)系曲線

圖3 軸壓強(qiáng)度與纖維長(zhǎng)度關(guān)系曲線

圖4 軸壓強(qiáng)度與纖維摻量關(guān)系曲線

圖5 劈拉強(qiáng)度與纖維長(zhǎng)度關(guān)系曲線

圖6 劈拉強(qiáng)度與纖維摻量關(guān)系曲線

圖7 抗折強(qiáng)度與纖維長(zhǎng)度關(guān)系曲線

圖8 抗折強(qiáng)度與纖維摻量關(guān)系曲線

4.1 聚丙烯腈纖維對(duì)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的影響

從表5可見(jiàn)，無(wú)論單摻還是混摻，聚丙烯腈纖維的摻入均可提高混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度。從圖1、圖2可看出，單摻單一長(zhǎng)度纖維時(shí)，隨摻量提高，立方體抗壓強(qiáng)度逐漸增大，到1.5 kg/m3時(shí)達(dá)到峰值，摻量再增大強(qiáng)度增長(zhǎng)值開(kāi)始出現(xiàn)下降趨勢(shì)。混摻不同長(zhǎng)度纖維時(shí)，同樣是摻量為1.5 kg/m3時(shí)增強(qiáng)效果最好。可見(jiàn)纖維摻量存在最佳值。比較A、B、C 3組的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在摻量相同的情況下，隨纖維長(zhǎng)度的增加，抗壓強(qiáng)度值逐漸提高。混合摻入時(shí)，3種長(zhǎng)度等量混摻的E組抗壓強(qiáng)度值高于2種纖維混摻的D組，總體上看混摻不同長(zhǎng)度的纖維時(shí)抗壓強(qiáng)度值介于單摻較短纖維和單摻較長(zhǎng)纖維之間。可見(jiàn)纖維長(zhǎng)度對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度的影響是比較明顯的。

本次試驗(yàn)單摻19 mm、摻量為1.5 kg/m3時(shí)，立方體抗壓強(qiáng)度的增幅最大，為27.81%，取得最佳增強(qiáng)效果。

4.2 聚丙烯腈纖維對(duì)混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的影響

因PAN纖維是柔性纖維，所以它對(duì)混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的改善效果較小，除C1.5組提高14.68%外，其余試驗(yàn)組增幅均未超過(guò)9.5%。從圖3、圖4可看出，單摻纖維時(shí)，隨摻量增大，SCC的軸心抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率呈線性升高，在纖維摻量為1.5 kg/m3時(shí)達(dá)到峰值，摻量再增大時(shí)，增長(zhǎng)率反而減小。不同長(zhǎng)度的纖維混雜摻入時(shí)，最佳摻量也是1.5 kg/m3。纖維摻量一定時(shí)，單摻纖維時(shí)，隨纖維長(zhǎng)度的增加，軸心抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率隨之提高（除試驗(yàn)組A0.5外），在纖維長(zhǎng)度為19 mm時(shí)達(dá)到峰值。混雜摻入不同長(zhǎng)度的纖維時(shí)，E組雖比D組測(cè)值高，但也小于單獨(dú)摻入19 mm的測(cè)定值。

4.3 聚丙烯腈纖維對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

因PAN纖維具有較高的延伸率和抗拉強(qiáng)度，所以它對(duì)混凝土劈拉強(qiáng)度的改善十分明顯，本試驗(yàn)中除A0.5組外劈拉強(qiáng)度均有提高。從圖5、圖6可看出，纖維長(zhǎng)度一定時(shí)，纖維摻量為0.5~1.5 kg/m3時(shí)，隨著摻量的增大，混凝土試件的劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸增大，在1.5 kg/m3時(shí)達(dá)到峰值。其后摻量再增大，劈拉強(qiáng)度增幅反而減小，說(shuō)明存在最佳摻量。纖維摻量一定時(shí)，隨纖維長(zhǎng)度的增加，SCC的劈裂抗拉強(qiáng)度均逐漸增大，在纖維長(zhǎng)度為19 mm時(shí)達(dá)到峰值，說(shuō)明存在最佳纖維長(zhǎng)度。本試驗(yàn)中，混合摻入3種不同長(zhǎng)度纖維的E1.5組試驗(yàn)結(jié)果最優(yōu)，其次是單摻19 mm纖維的C1.5組，其強(qiáng)度增幅分別為23.4%和22%。

4.4 聚丙烯腈纖維對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響

從表5的試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，PAN纖維可明顯提高SCC的抗折強(qiáng)度，增幅最大的為C1.5組，可達(dá)35.29%，其余試驗(yàn)組除A0.5與基準(zhǔn)混凝土持平外，其他各組的增幅也在1.96%~29.41%。從圖7、圖8可看出，在纖維摻量一定時(shí)，單摻一種長(zhǎng)度纖維時(shí)，纖維越長(zhǎng)，SCC的抗折強(qiáng)度越大，在纖維長(zhǎng)度為19 mm時(shí)達(dá)到峰值，同時(shí)本試驗(yàn)的結(jié)果也表明，不同長(zhǎng)度的纖維混摻對(duì)抗折強(qiáng)度的增強(qiáng)效果不如摻加單一長(zhǎng)度纖維。纖維長(zhǎng)度相同時(shí)，隨摻量的增大，抗折強(qiáng)度在摻量為1.5 kg/m3時(shí)增大到峰值，說(shuō)明存在最佳纖維摻量為1.5 kg/m3。

5 結(jié)論

本文通過(guò)摻入聚丙烯腈纖維對(duì)自密實(shí)混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到的主要結(jié)論如下:

(1)摻入長(zhǎng)度小于20 mm，摻量小于2 kg/m3的聚丙烯腈纖維，可顯著改善自密實(shí)混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度，對(duì)軸心抗壓強(qiáng)度有一定正面效應(yīng)，但相較其他力學(xué)性能的增強(qiáng)效果較小。

(2)存在最佳質(zhì)量摻量、最合適摻入長(zhǎng)度和最優(yōu)混雜情況，超過(guò)或小于該摻量和長(zhǎng)度均會(huì)使聚丙烯腈纖維對(duì)自密實(shí)混凝土的基本力學(xué)性能的增強(qiáng)作用下降。通過(guò)本文試驗(yàn)所得的最佳質(zhì)量摻量為1.5 kg/m3，對(duì)于劈裂抗拉強(qiáng)度，適宜等量混合摻入6、12、19 mm的PAN纖維。對(duì)于立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度，單獨(dú)摻入19 mm的PAN纖維增強(qiáng)效果最佳。

[1] 肖俊平. 自密實(shí)高性能混凝土的性質(zhì)特性和應(yīng)用[J]. 建筑發(fā)展導(dǎo)向, 2011, 9(2): 59-60.

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責(zé)任編校：孫 林

Experimental Study on Basic Mechanical Properties of Polyacrylonitrile Fiber Self Compacting Concrete

ZHU Chao-yan1, WANG Xi-wei1, Liu Jingyu1, XING Jie-si2

（1. College of Civil and Architectural Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China; 2.College of Architectural Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China）

Through experiments, the effect of polyacrylonitrile fiber with different length, volume and proportional mixing on the basic mechanical properties performance of C30 concrete are studied. Experimental results show that the compressive strength, splitting tensile strength and rupture strength of concrete are improved evidently after the mixing of PAN, but there is almost no improvement to the axial compressive strength. The test also shows that the length and mixing proportion have the maximum reinforcing effect on the mechanical properties of SCC. There exists an optimum fiber length and the most appropriate fiber ratio.

polyacrylonitrile fiber; self-compacting concrete; compressive strength; axial compressive strength; splitting tensile strength; rupture strength

10.15916/j.issn1674-3261.2017.02.006

TU502.6

A

1674-3261(2017)02-0095-05

2015-03-16

深圳市土木工程耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(SZDCCE10-05)

朱朝艷(1968-)，女，遼寧錦州人，教授，博士。