聚丙烯纖維增強混凝土拉壓比試驗*

張延年， 董 浩， 劉曉陽， 鄭 怡

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

建筑工程

聚丙烯纖維增強混凝土拉壓比試驗*

張延年1， 董 浩1， 劉曉陽1， 鄭 怡2

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

針對聚丙烯纖維對混凝土強度和拉壓比影響的問題，采用標準試驗方法，對不同纖維摻量和不同纖維長度的混凝土進行立方體抗壓強度試驗和劈裂抗拉強度試驗.結果表明，聚丙烯纖維混凝土立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度的預測模型與試驗結果吻合程度較高；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，提高混凝土韌性.

纖維混凝土； 聚丙烯纖維； 抗壓強度； 劈裂抗拉強度； 拉壓比； 預測模型； 破壞形態； 韌性

混凝土抗拉強度和抗壓強度的比值稱為拉壓比，拉壓比是衡量水泥基復合材料脆性的一個重要指標，混凝土強度越高，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用可以追溯到上世紀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，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]研究的試驗結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度的影響，結果表明，摻入聚丙烯纖維后抗壓強度提高了64%，抗彎強度提高了55.5%；張偉[6]通過三點彎曲法測試了聚丙烯纖維對高強混凝土斷裂能的影響，結果表明，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行了試驗研究，結果表明，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一步完善.為了使聚丙烯纖維混凝土更好地服務于不同領域，滿足實際工程的不同需求，本文針對聚丙烯纖維增強混凝土的立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度進行了試驗，研究摻入聚丙烯纖維后混凝土抗壓強度和抗拉強度的變化規律，以及拉壓比的影響因素和變化趨勢.

1 試驗概況

1.1 試驗材料和配合比

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的優質碎石，級配連續；細骨料采用沈陽渾河堡河砂，細度模數為2.9，級配連續；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 試件制作和試驗方法

立方體抗壓強度與劈裂抗拉強度試件采用邊長為150 mm的立方體標準試件，每小組試驗分別制作3個試件，共計42個試件.制作試件前，應將試模擦凈，并在內壁涂脫模劑.纖維的加入擾亂了混凝土中的顆粒狀結構，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，本文試驗為了保證各組分充分攪拌均勻，確保纖維在混凝土基體中擁有良好的分散性，采用強制式攪拌機攪拌纖維混凝土，同時在現場配置前，預先分散結團的纖維，投料次序如下：1)將骨料、水泥進行干拌1 min；2)將纖維均勻地撒在攪拌機中攪拌1 min；3)加90%水和減水劑攪拌1 min；4)加10%水攪拌1 min出料.立方體抗壓強度試驗與劈裂抗拉強度試驗均參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2002)，在沈陽建筑大學材料實驗室2 000 kN壓力試驗機上進行.

2 試驗結果與分析

2.1 破壞形態分析

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

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

立方體劈裂抗拉強度試驗過程中，普通素混凝土試件破壞時呈現明顯脆性破壞形態，破壞時伴有巨大的響聲，試件突然碎成兩半；而摻入聚丙烯纖維的混凝土，部分試件破壞時首先出現裂縫，隨后裂縫發展直至碎成兩半，整個過程有預兆性，部分試件破壞時試件中間部位發展幾條明顯裂縫，沒有碎成兩半，并且裂縫之間連接著一些處于受拉狀態的聚丙烯纖維，如圖2所示.

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

2.2 立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度分析

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

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

試件編號立方體抗壓強度fcf測量值/MPa增幅λ/%劈裂抗拉強度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

試驗結果分析如下：

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度和劈裂抗拉強度均有所增大.當聚丙烯纖維體積摻量為0.05%～0.25%時，立方體抗壓強度較普通素混凝土提高了0.5%～13.6%，劈裂抗拉強度較普通素混凝土提高了1.6%～15.3%.經過試驗結果分析，提出了基于纖維摻量Vf、普通素混凝土抗壓強度fc、普通素混凝土抗拉強度ft的聚丙烯纖維混凝土立方體抗壓強度預測模型和聚丙烯纖維混凝土劈裂抗拉強度預測模型，即

圖3 Vf與λ的關系Fig.3 Relationship between Vf and λfcf=a1fc+b1Vf

(1)

(2)

式中，a1、b1、a2、b2、c2為模型參數.利用本試驗數據擬合，可確定試驗預測模型系數.聚丙烯纖維混凝土立方體抗壓強度和聚丙烯纖維混凝土劈裂抗拉強度具體計算公式為

fcf=0.989 8fc+25.554 3Vf

(3)

(4)

式(3)、(4)與試驗結果相關性系數分別為0.979 9和0.890 8，擬合曲線如圖4、5所示.擬合公式所得的預測值與實測值誤差如表4所示.預測值與纖維摻量為0.05%試件抗拉強度實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了攪拌不均勻和振搗不密實等現象，其余各組預測值與實測值誤差在±1.44%之內，吻合較好.

圖4 立方體抗壓強度預測模型Fig.4 Prediction model for cube compressive strength

圖5 劈裂抗拉強度預測模型Fig.5 Prediction model for splitting tensile strength

表4 預測值和實測值對比Tab.4 Comparison between predicted and measured values

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

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致纖維分散不均、纖維結團，纖維不能夠提供相應的拉應力，造成混凝土抗拉強度下降，拉壓比降低.

6 mm聚丙烯纖維混凝土拉壓比與基準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%.這是因為12 mm PPFC的劈裂抗拉強度增長幅度較大，立方體抗壓強度增長幅度較小，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，高強混凝土的拉壓比僅為0.042～0.050[10]，本文試驗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.

3 結 論

本文對聚丙烯纖維增強混凝土進行了立方體抗壓強度試驗和劈裂抗拉強度試驗，得到以下結論：

1) 摻入聚丙烯纖維可以顯著改善混凝土的脆性破壞形態，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度和劈裂抗拉強度均有所增大，提出了聚丙烯纖維混凝土立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度預測模型，模型與試驗結果的相關性良好，吻合度較高.

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

4) 試驗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.

遼寧省高等學校優秀人才支持計劃項目(LR2014015)； “百千萬人才工程”人選項目擇優基金資助項目(2014921046)； 沈陽市城鄉建設委員會科技基金資助項目(sjw2015-14).

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

16∶08在中國知網優先數字出版.

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