層布式聚丙烯腈-仿鋼纖維混凝土力學性能研究

曹 亮，李珍淑，張云飛

(延邊大學 工學院結構工程學科，吉林 延吉 133002)

0 前 言

針對混凝土抗拉強度低、延性差、易開裂等缺陷，已有許多專家和學者做了大量的研究。并且通過添加纖維增強混凝土的抗拉和抗折性能的方法也已經被廣泛接受。一些專家已經提出了層布式鋼纖維混凝土, 即在素混凝土內一定高度均勻撒布鋼纖維混凝土，其力學性能與鋼纖維混凝土相近,其鋼纖維用量只有鋼纖維混凝土的10%，明顯降低了成本[1-4]。目前根據現場的施工情況表明：鋼纖維等高彈性模量纖維對混凝土的增強和增韌效果明顯，但是價格高，施工難度大[5-6]。而新型研制的聚丙烯仿鋼纖維與鋼纖維相比具有耐腐蝕性、易分散和易施工等優點，而且同樣具有改善混凝土抗拉強度低、延展性差的作用。故為了節省鋼纖維的使用及提高混凝土的力學性能，本實驗將聚丙烯腈纖維和聚丙烯仿鋼纖維混合，均勻地撒布于試件件的上下表面一定厚度表層內，以此來探究聚丙烯腈-仿鋼纖維的最佳撒布厚度，為以后的層布式聚丙烯腈-仿鋼纖維混凝土的推廣提供參考。

1 試驗方案

1.1 試驗方案設計

采用150 mm×150 mm×150 mm 標準試件制作抗壓、劈裂抗拉強度試塊，采用150 mm×150 mm×600 mm試件制作抗折試塊,每組3個試件,共計54個試件。根據聚丙烯腈-仿鋼纖維距試件底部撒布的高度，可分為六組：S0(基準組)、S1(25 mm)、S2(38 mm)、S3(50 mm)、S4(63 mm)、S5(75 mm)。在混凝土試件澆筑過程中，先將混凝土澆筑距底部一定距離并振實，然后將混合纖維均勻地撒布于混凝土的表面，最后將混凝土筑滿試模，用平板振搗器振實振平，再進行表面水平處理。

1.2 原材料及配合比設計

本實驗混凝土設計強度為C30，坍落度值為120～150 mm，試驗中天然粗骨料粒徑為5～25 m連續級配的碎石；細骨料為天然中砂，因要配制出高流態自流平混凝土，采用砂率為48%。試驗采用吉林省延邊朝鮮族自治州廟嶺牌P.O42.5型號水泥，水灰比為0.35；粉煤灰密度為2 200 kg/m3,來自吉林省延吉市鐵南供熱公司,摻量為膠凝材料總重量的20%。單位用水量為171.0 kg/m3,具體配合比見表1。外加劑采用液態聚羧酸高效減水劑,固含量40%,摻量為膠凝體總重量的1.33% 。聚丙烯纖維：長度為19 mm；聚丙烯纖維：長度19 mm，表面滾花狀。兩種纖維的力學特性見表2～3。

表1 混凝土配合比設計

表2 聚丙烯腈纖維的物理力學性能

表3 聚丙烯仿鋼纖維的物理力學性能

2 抗壓性能試驗結果及分析

各組的28 d立方體抗壓強度試驗結果見表4。

表4 立方體抗壓強度實驗結果 單位：MPa

從表4中可以看出，與未撒布聚丙烯腈-仿鋼纖維的試件相比，其他各組的抗壓強度均有所減少。但當撒布高度為38 mm時，試件的抗壓強度相比其他四組折損最少。這是因為聚丙烯仿鋼纖維和聚丙烯仿鋼纖維混雜分布時改變了混凝土內部的構造，使得混凝土的密實度下降，內部缺陷增多，易出現微裂縫和氣孔[7]，從而對試件的抗壓強度有所損傷。而從現場的破壞形式來看，試件破壞時大多是先從撒布有聚丙烯腈-仿鋼纖維纖維處開始出現橫向微小裂縫，進而產生脆性破壞。由此可以看出以撒布的方式分布纖維會對試件的整體性不利，會使試件產生分離現象。

3 劈裂抗拉性能試驗結果及分析

各組的28 d劈裂抗拉試驗結果及拉壓比見表5。

表5 劈裂抗拉試驗結果及拉壓比

從表5中可以看出，隨著聚丙烯腈-仿鋼纖維撒布高度的增加，試塊的劈裂抗拉強度呈折線式增加趨勢。其中在撒布高度為38 mm時，試塊的劈裂抗拉強度達到最大值4.65 MPa，比基準組提高了17.53%。從強度增加的速率來看，由S1組到S2組的增加速率最大，S3組到S4組增加速率次之，但在這兩個區域內的強度增加率均超過了10%。而在S2組到S3組這個區間內試件的劈裂抗拉強度增加率為負值。這表明在試件的0～38 mm和50～63 mm兩個區域內撒布聚丙烯腈-仿鋼纖維可以顯著提高試件的劈裂抗拉強度，而在其他區域撒布聚丙烯腈-仿鋼纖維纖維，雖然也可以提高試件的劈裂抗拉強度，但提高率并不高。撒布有聚丙烯腈-仿鋼纖維的試件，其拉壓比均在1/11～1/13且高于基準組，這說明層布式聚丙烯腈-仿鋼纖維的摻入對混凝土的劈裂抗拉強度提高較為明顯。

從現場加載破壞時的形態來看，試件完全破壞時并未裂開為兩半，而是靠聚丙烯仿鋼纖維粘結在一起保留了整體性。在加載過程中，裂縫先從試件的頂部開始產生然后沿著荷載作用方向開始向下擴展。當裂縫達到撒布有聚丙烯腈-仿鋼纖維的部位時，因為聚丙烯仿鋼纖維的彈性模量遠高于混凝土的彈性模量，而且與混凝土的粘結效果好，所以混凝土內部的力可以傳遞給聚丙烯仿鋼纖維，從而提高了試塊的劈裂抗拉強度，保留了試塊的完整性。

4 抗折強度結果及分析

各組的28 d抗折試驗結果見表6。

從表6中可以看出，在試件的受拉區撒布一層聚丙烯腈-仿鋼纖維可以顯著提高試件的抗折強度。其強度的增加趨勢同劈裂抗拉強度一樣也是折線式，持續增加的區間也是0～38 mm和50～63 mm。當撒布高度為38 mm時，試件的抗折強度達到最大值11.20 MPa，相對于基準組的提高率為37.25%。

表6 抗折試驗結果

從加載過程中破壞形式進行分析，因為聚丙烯腈-仿鋼纖維的彈性模量遠高于混凝土的彈性模量,當裂縫擴展到撒布有聚丙烯腈-仿鋼纖維的部位時，聚丙烯腈-仿鋼纖維與混凝土基體的粘結面開始破壞，纖維從混凝土中拔出或拉斷，試件發生脆性斷裂。整個過程聚丙烯腈-仿鋼纖維吸收了大量的能量，混凝土的韌性和延性得到提高[8]。

5 結 論

1)在混凝土試件受拉區分布一層聚丙烯腈-仿鋼纖維可以提高混凝土的劈裂抗拉強度和抗折強度，但對抗壓強度有一定的折損。

2)隨著撒布高度的增加，抗壓強度呈下降的趨勢，而劈裂抗拉強度和抗折強度均呈現折線式增加趨勢。在撒布高度為38 mm時，為本次實驗的最佳摻入高度，其抗壓強度降低了6.75%，劈裂抗拉強度提高了17.53%，抗折強度提高了37.25%。

3)在本次實驗中確定了聚丙烯腈-仿鋼纖維的最佳撒布高度，但聚丙烯腈纖維和聚丙烯仿鋼纖維的最佳摻量有待繼續研究，從而對試件的力學性能達到最佳。

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