纖維長徑比對碳-聚丙烯混雜纖維混凝土力學性能的影響*

張麗哲 丁春奎 孫啟龍 高 強

南通大學紡織服裝學院， 江蘇 南通 226019

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纖維長徑比對碳-聚丙烯混雜纖維混凝土力學性能的影響*

張麗哲 丁春奎 孫啟龍 高 強

南通大學紡織服裝學院， 江蘇 南通 226019

通過試驗研究不同長徑比的碳纖維和聚丙烯纖維混雜對混凝土力學性能的影響。結果表明：混凝土的抗壓強度受混雜纖維長徑比的影響不明顯，但在小幅度范圍內混雜纖維會產生正、負兩種混雜效應；混雜纖維長徑比對混凝土的抗折性能影響較大，在纖維摻量一定的情況下，最優的混雜纖維長徑比組合為碳纖維取650、聚丙烯纖維取750。

碳纖維，聚丙烯纖維，長徑比，混雜纖維混凝土，抗壓強度，抗折強度

在混凝土結構中摻入纖維是解決混凝土材料自重大、脆性大、抗拉強度低等固有弱點的有效方法之一。目前，國內外對纖維增強混凝土材料的研究已從單一纖維發展到混雜纖維，大量試驗研究表明，不同性質、不同尺度的纖維混雜不僅能充分發揮各種纖維的尺度和性能優勢，改善單一纖維增強混凝土的某些性能，而且還能減輕質量、降低成本、提高經濟效益[1-4]。聚丙烯纖維憑借其良好的物理化學性能和價格優勢，在混凝土中應用較為廣泛；而碳纖維不僅具有強度高、彈性模量大、耐腐蝕等優點，而且是一種智能材料，將其用于混凝土結構中，可發揮其力學性能和功能作用的雙重優勢[5-7]。本文將低彈模、高延性的聚丙烯纖維與高強、高模的碳纖維進行混雜，通過改變兩種纖維的長徑比，研究混雜纖維混凝土的力學性能，以期為工程應用提供試驗依據。

1 試驗研究方法

1.1 試驗材料

試驗采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥；細骨料采用細度模數為2.5的優質河砂、中砂；粗骨料采用5～20 mm的碎石，連續級配；拌合水為普通自來水；纖維選用長絲短切型聚丙烯纖維和碳纖維，纖維性能見表1。

表1 纖維性能

1.2 混凝土配合比

本試驗基準混凝土的設計強度定為C25，配合質量比為M水泥∶M水∶M細砂∶M石子=1.00∶0.33∶1.44∶2.56， 其中水泥用量為465 kg/m3。試驗采用三種直徑的聚丙烯纖維分別與碳纖維進行混雜，通過調整兩種纖維的長徑比研究混雜纖維對混凝土力學性能的影響。混凝土中兩種纖維的體積分數不變，聚丙烯纖維為0.15%， 碳纖維為0.50%。

1.3 試驗設計

為研究兩種纖維以不同的長徑比組合用于混凝土材料時的混雜效應，本文對混雜纖維混凝土的抗壓強度和抗折強度各設計了15組試驗，試驗方案見表2和表3。其中抗壓性能試驗中a、b、c三組使用的聚丙烯纖維直徑分別為95、48和25 μm， 抗折性能試驗分組方法與此相同。

表3 混雜纖維混凝土抗折性能試驗方案

1.4 試驗方法

抗壓強度和抗折強度試驗參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行測試。抗壓強度試驗的試件尺寸為70 mm×70 mm×70 mm，抗折強度試驗的試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。均采用液壓式萬能測試儀進行測試，上夾頭壓縮速度為5 mm/min，記錄加載破壞過程及試驗結果。

2 試驗結果與分析

2.1 長徑比對混雜纖維混凝土抗壓強度的影響

根據表2所列試驗方案對混雜纖維混凝土的抗壓強度進行測試，試驗結果如圖1所示。

圖1 纖維長徑比與混雜纖維混凝土抗壓強度的關系

由圖1可知，本試驗設計的混凝土強度為25 MPa， 摻入不同長徑比組合的聚丙烯纖維和碳纖維的混雜纖維混凝土的抗壓強度與標準設計強度相比，其值在±10%之間波動，說明在此試驗范圍內，兩種纖維混雜對混凝土的抗壓強度增強效果不顯著。但從碳纖維和聚丙烯纖維長徑比變化的趨勢來看，混雜纖維混凝土的抗壓強度與纖維的長徑比之間存在一定的聯系。當碳纖維長徑比小于600時，混雜纖維混凝土的抗壓強度低于標準設計強度；只有當碳纖維長徑比大于650時，混雜纖維才能提高混凝土的抗壓強度；但當碳纖維長徑比為950時，混雜纖維混凝土的抗壓強度會出現波動，這是由于在此情況下，碳纖維與聚丙烯纖維受到本身材質的影響，無法在混凝土受載荷作用的不同階段發揮正混雜效應，從而導致混凝土抗壓強度的降低。因此，為獲得較高的抗壓強度，碳纖維長徑比可選擇700～900或1 000以上。就聚丙烯纖維而言，隨著其長徑比的增加，混雜纖維混凝土的抗壓強度整體呈增加趨勢，但當長徑比達到1 000 時，混凝土的抗壓強度出現波動，不利于抗壓強度的提高。因此，聚丙烯纖維與碳纖維進行混雜時，以長徑比不超過1 000為宜。

圖2 試件b5抗壓試驗破壞載荷隨時間的變化

從試件破壞過程來看，以試件b5為例，通過對圖2的抗壓試驗破壞載荷與時間變化曲線及試件破壞狀態分析可知：從開始施加載荷到破壞載荷達到最大值期間，試件四壁逐漸產生裂縫；隨著載荷的增加，裂縫由小變大、且數量增加；當達到破壞載荷峰值時，試件表面混凝土脫落，但試件并未完全破碎，保持了其整體性。分析其原因，可認為是由于碳纖維和聚丙烯纖維材質本身強度和彈性模量的不同，它們能夠分別在宏觀和較微觀層面上對混凝土起到增強作用，從而使混凝土試件從受荷開始到載荷達到最大值期間，兩種纖維對不同形態的裂縫產生抑制作用，使試樣的破壞形態與基體的脆性斷裂形態不同，呈復合破壞形態。

2.2 長徑比對混雜纖維混凝土抗折強度的影響

根據表3所列試驗方案對混雜纖維混凝土的抗折強度進行測試，結果如圖3所示。

圖3 纖維長徑比與混雜纖維混凝土抗折強度的關系

由圖3可知，在本試驗設計的長徑比范圍內，當碳纖維長徑比為650時，混雜纖維混凝土的抗折性能最優，而當其長徑比大于此值時，混凝土的抗折強度明顯下降，最大降幅可達28%。對于聚丙烯纖維而言，其長徑比為950和1 150時，混凝土抗折強度幾乎相同，說明此范圍內聚丙烯纖維的長徑比變化對混凝土的抗折性能無影響；而當聚丙烯纖維的長徑比較小(750)時，混凝土的抗折強度明顯提高，最大增幅可達28%。根據試驗結果，綜合考慮兩種纖維的混雜作用，聚丙烯纖維和碳纖維的長徑比都取較小值時，混雜纖維對混凝土的抗折性能具有較好的增強作用。

圖4為試件C5在抗折試驗中破壞載荷與時間的關系。從圖中可以看出，試件的破壞過程分為兩個階段：在第一階段，纖維與混凝土組成的復合材料共同承受載荷，在此階段，由強度和彈性模量均高于基體的碳纖維起主要增強作用，當破壞載荷達到第一個峰值時，試件表面出現明顯裂縫；在此后的一段時間內，由于試件出現彎折，上夾具與試件表面出現短暫的非接觸現象，因此破壞載荷有所回落；隨著上夾具的持續下降，混凝土試件的抗折試驗進入第二階段，此時外部載荷主要由高延性、高斷裂應變的聚丙烯纖維承擔，當破壞載荷達到極限時，纖維全部斷裂或部分斷裂、部分被從基體中抽拔出。

圖4 試件C5抗折試驗破壞載荷隨時間的變化

3 結論

通過對不同長徑比的碳纖維和聚丙烯纖維混雜纖維混凝土抗壓和抗折性能進行試驗與分析，得出以下結論：

(1) 混雜纖維的長徑比對混凝土抗壓強度的影響不明顯，但在小幅度范圍內會產生正、負混雜兩種效應，當碳纖維長徑比為650以上、聚丙烯纖維長徑比不超過1 000時，兩種纖維混雜可對混凝土的抗壓強度起到一定的增強作用。

(2) 混雜纖維的長徑比對混凝土的抗折強度影響較為顯著，當兩種纖維的長徑比較小時，混雜纖維混凝土的抗折強度較高。本試驗條件下，混雜纖維的最優長徑比組合為碳纖維取650、聚丙烯纖維取750。

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[7] 李洪磊，顧強康，李婉. 碳纖維混凝土智能化研究中的問題[J]. 路基工程，2009(2):123-124.

播種一棵樹苗

收獲一片綠蔭

獻出一份愛心

托起一份希望

Effects of fiber length to diameter ratio on the mechanical properties of carbon-polypropylene hybrid fiber reinforced concrete

ZhangLizhe,DingChunkui,SunQilong，GaoQiang

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

The effect of different length to diameter ratios of hybrid fiber, including carbon fiber and polypropylene fiber, on the mechanical properties of concrete was studied experimentally. The results showed that the length to diameter ratio of hybrid fiber had no obvious influence on the compressive strength of concrete. Nevertheless, hybrid fiber had both positive and negative effects in a small range. The fracture resistance of the concrete was affected greatly by the length to diameter ratio of hybrid fiber. In case of a certain amount of hybrid fiber, the optimal combination of hybrid fiber length to diameter ratio was 650 for carbon fiber and 750 for polypropylene fiber.

carbon fiber, polypropylene fiber, length to diameter ratio, hybrid fiber reinforced concrete, compressive strength, fracture resistance

*江蘇省產學研聯合創新項目(BY2013042-02)；江蘇省高校自然科學研究面上項目(15KJD430008)；南通大學交通運輸專項項目(13ZJ009)

2015-02-21

張麗哲，女，1982年生，副教授，研究方向為纖維在混凝土中的性能與應用

TS102.5

A

1004-7093(2016)04-0009-04