聚丙烯纖維的摻入對混凝土力學性能的影響研究

王 軍

（廈門大學嘉庚學院 土木工程學院，福建 漳州 363000）

0 引言

塑性收縮裂縫仍然是許多混凝土澆筑的主要問題。早期的開裂會加速，促進鋼的腐蝕，并在長期造成與耐久性相關的重大問題。新拌混凝土的處于于塑性狀態時，水分可能通過蒸發到大氣和被地基或模板吸收而流失[1-2]。雖然通過這種方式失去的一些水可以通過后期養護補充，如果表面水分的損失超過0.5 kg/m2/h 時[1]，混凝土中出現負毛細壓力，引起內部壓縮應變。在這種壓縮應變可能導致應力遠遠超過混凝土初期能夠抵抗的最大開裂應力。現階段大部分的改善辦法都是用過養護來抵抗混凝土表面水分的流失。然后這種情況單靠養護是遠遠不夠得，用纖維加固混凝土是控制塑性收縮開裂的一種有效方法。近年來，纖維特別是聚丙烯纖維在混凝土中的應用越來越廣泛，主要是為了提高素混凝土的抗收縮開裂性和韌性，聚丙烯纖維在相對較低的體積分數下被商業化地用于控制混凝土的塑性收縮開裂。

聚丙烯是一種合成烴聚合物，其纖維是通過模具熱拉擠出工藝制成的。聚丙烯纖維是連續的單絲纖維，具有圓形截面，可以切割成所需的長度，或纖維化薄膜或矩形截面的帶。所有這些優點都與纖維的種類及其在混合物中的濃度有關；它的高熔點（165℃）和化學中性使它具有很強的耐酸和耐堿性。聚丙烯纖維具有疏水性，可防止其被水泥漿影響。聚丙烯的疏水性對混凝土所需的水量沒有影響[2-3]。表1 列出了聚丙烯纖維的物理特性。聚丙烯纖維并不能提高混凝土的強度，但能提高混凝土的延性、韌性和抗沖擊性能，但在低體積分數下，纖維對混凝土強度性能和抗沖擊性能的影響相對較小，需要對大量試驗進行仔細的統計分析，以區分實際纖維效應和試驗結果的隨機變化。本文制備了不同摻量的聚丙烯纖維混凝土試塊，討論了不摻入量對混凝土力學性能的影響以及其微觀結構。通過調整聚丙烯纖維的摻入量改善混凝土的抗壓和劈裂抗壓性能。

1 試驗材料

本研究水泥采用由漳平紅獅水泥廠生產的P·O 42.5 級普通硅酸鹽水泥；湖南長沙立行建材提供的6mm 短切聚丙烯纖維，其物理特性如表1；廈門艾斯歐標砂有限公司提供的標準砂作為細骨料；FDN（β-萘磺酸鈉甲醛）減水劑由山東萬山集團提供；自來水。

表1 聚丙烯纖維的物理特性

2 實驗儀器

本實驗使用HYE3000B 壓力試驗機進行測試，將實驗位移控制范圍為0-200 mm，加載速率為 0.5kN/s。

破壞后的樣品取粉末干燥后鍍金，至于飛納Phenom Pro 電子顯微鏡（SEM）觀察其微觀形貌。

3 試驗方案

本實驗設計如下：向旋轉攪拌機中加入石子和沙子攪拌30s 后繼續加入2/3 含1%的FDN 減水劑的水，攪拌2min，后加入聚丙烯纖維攪拌2min，確保纖維在膠凝復合材料中分布均勻，最后加入剩余的水。并持續攪拌5min。將混凝土拌合物倒入試塊模具后放于振動臺上振搗1min，靜置1 天后拆模，將混凝土試塊置于混凝土養護箱內（溫度20±2℃，濕度大于等于95%）養護28 天。進行抗壓強度和劈裂抗拉強度測試。

4 不同聚丙烯纖維體積率下混凝土的力學性能

為了對摻入聚丙烯纖維的混凝土的力學性能討論，設計實驗如下：在混凝土中分別加入0%，0.3%，0.6%，1%，1.2%五種不同體積分數的聚丙烯纖維，按試驗方案設計制得150×150×150 規格立方體試塊，并對其進行編號（每個編號樣品制作三個3 試塊）如下：

表2 試件編號匯總表

4.1 試驗結果的計算

4.1.1 抗壓強度

參照國家混凝土強度測試標準GB50107-2010，將混凝土試塊至于壓力機壓板下中心位置，以0.5MPa/s 給予持續壓力。立方體試塊破壞后記錄破壞荷載。并根據公式1 計算單個抗壓強度（計算結果保留至0.1MPa）。同一編號試塊3 個為一組，記錄平均值[3]。

抗壓強度計算公式如下:

其中,A 為抗壓強度，為 B 為破壞荷載,S 為試件承壓面積。

4.1.2 劈裂抗拉強度試驗

根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》GB/T50081—2016 相關內容,將試塊從養護箱取出，干燥后對試塊進行劈裂抗拉強度測試，同一編號樣品3 個位一組，并計算平均值。測試結果根據公式2 計算劈裂抗拉強度，單個劈裂抗拉強度強度結果計算至0.1MPa[3]。

劈裂抗拉強度的計算公式如下

其中，F1為試塊的劈裂抗拉強度,單位MPa；Fmax為劈裂抗拉破壞荷載,單位N；S 為劈裂面積,單位mm2。

5 結果與討論

5.1 抗壓強度試驗結果

聚丙烯纖維的加入使得試塊抗壓強度得到提升（如圖1）。當摻入量從初始的0 增加到0.3%，抗壓強度增加了5.2%。較小的聚丙烯纖維加入混凝土中后，使得混凝土開裂時細小裂縫的發展得到延緩。說明聚丙烯纖維摻入混凝土后能夠增加其抗壓性能。隨著摻入量增加，立方體試塊的抗壓強度也進一步增加，當摻入量為0.8%時，試塊抗壓強度增加9.5%.可見隨著聚丙烯纖維的摻入量增加，混凝土試塊抗壓強度進一步增加，但增加的并不多，這可能是因為，聚丙烯纖維表面過于光滑，和混凝土的咬合力不如波浪形鋼纖維，所以強度增加并不多[4]。繼續提高纖維的摻入量，混凝土抗壓強度不但沒有提高，反而降低了，這可能是因為，過多極其柔軟的聚丙烯纖維的加入，在攪拌過程中并未足夠的分散的混凝土拌合物中，而是有成團現象的產出，水泥漿液無法進入其中[5]，使得混凝土內部出現應力集中破壞點。強度不但沒有升高，反而降低了[6，8]。

圖1 混凝土立方體抗壓強度直方圖

5.2 劈裂抗拉強度試驗結果

如圖2 所示，未加入纖維的空白混凝土試塊，劈裂抗拉強度為3.3。隨著聚丙烯纖維的加入，混凝土的劈裂抗拉強度得到增加。當摻入量分別為0.3%、0.8%、1%時，混凝土劈裂抗拉強度分別4.1Mpa、4.9Mpa 和5.4Mpa,。但繼續增加聚丙烯纖維的摻入量，混凝土試塊的劈裂抗拉強度增加減慢。這主要是因為，當摻入量小于1%時，聚丙烯纖維的均勻分布到混凝土試塊中后，試塊受到外力出現較小裂縫時，纖維與混凝土形成的三維網狀結構的提升了混凝土抵抗微小裂縫的能力。但隨著纖維摻入量增加，較柔軟的聚丙烯纖維互相成團交結在一起[5]，水泥漿液無法足夠的包裹纖維，使得劈裂抗拉強度并沒有隨著摻入量增加而進一步增加[7,8]。

圖2 混凝土試塊的劈裂抗拉強度直方圖

5.3 SEM 分析

由圖3 可知未加聚丙烯纖維的混凝土試塊內部混凝土未層狀交疊在一起，故混凝土的抗壓強度較大，但單純混凝土試塊的抗劈裂強度并不大。隨著聚丙烯纖維的加入，纖維分散與混凝土拌合物中，硬化后形成一個網絡結構，互相膠結的結構使得試塊的抗劈裂強度得到增加。增大的比表面積也增加其對聚丙烯纖維的握裹力，整體性也得到進一步增強[9]。同時較少的聚丙烯纖維較容易分散在混凝土拌合物中，較少發生團聚現象。

圖3 未加聚丙烯纖維的混凝土試塊（a）、摻入量為1%的聚丙烯纖維混凝土（b）試塊SEM 圖

6 結論

通過制備不同摻入量的聚丙烯纖維混凝土，并對比其抗壓強度和劈裂抗拉強度，發現對于聚丙烯纖維的加入，抗壓強度雖有增加，但增加的量并不大，可見聚丙烯纖維對混凝土抗壓強度影響并不大。對比不同摻入量試塊的劈裂抗拉強度發現，聚丙烯纖維的加入對混凝土試塊的劈拉強度提升較多。但摻入量大于1%時，劈拉強度增加趨勢放緩。由此可見，聚丙烯纖維的加入可以使得抗壓強度和劈裂抗拉強度得到增長。但成團現象的出現使得聚丙烯纖維的摻入量增加到一定值后并不使得抗壓強度和劈裂抗拉強度進一步增加。SEM圖片也進一步說明纖維分散于混凝土，和拌合物形成的三維網絡結構也使得混凝土結構更加密實。