基于合成纖維的混凝土制備及力學性能研究*

李 凡，郭紅兵

（陜西交通職業技術學院 ，陜西西安710061）

近年來，由于合成纖維被應用于混凝土中，可以改善混凝土的延性、提高力學性能，使合成纖維混凝土在工程實踐之中得到廣泛的推廣。據報道，美國使用合成纖維混凝土超過了鋼纖維混凝土的使用量，達到使用混凝土總量的近10%，這標志著合成纖維混凝土不可估量的前景優勢。目前，常用的纖維混凝土的合成纖維有聚乙烯醇纖維、聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維、尼龍纖維等。在這些纖維基礎上，部分學者也對合成纖維混凝土進行了大量研究，如徐恒謙[1]提出一種新型高聚物改性纖維混凝土的制備方案，并對制備后混凝土的性能探討；齊港[2]則探討了聚丙烯纖維對快硬混凝土力學性能影響。而聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維相對于鋼纖維，有廉價、耐堿等優點。因此，本研究嘗試以上述兩種纖維作為原材料，制備纖維混凝土，并對制備混凝土的性能進行表征，從而為橋梁用混凝土的改進提供新思路。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

本試驗主要材料及設備如見表1～表3。

表1 試驗主要材料Table 1 Main experimental materials

表2 試驗主要儀器Table 2 Main experimental instruments and equipment

表3 本試驗選PP纖維物理參數Table 3 Physical parameters of PP fibers selected in this experiment

1.2 試驗前準備

1.2.1 試件材料計算

公式（1）為纖維混凝土配制強度標準。取強度標準差σ=5MPa，根據橋梁用混凝土強度，計算出C30、C40基體強度，再利用公式（2）計算砼基體的水膠比[3]。

在公式（2）中，W/B代表水膠比，fb代表膠凝材料在28d的抗壓強度，αa、αb代表回歸系數。

按照以上配比，膠凝材料的質量為600kg。然后通過上式計算出水膠比和用水量。再利用絕對體積法和砂率的關系式，計算出碎石、河砂用量[4]。纖維用量則按照設計的0～2%體積率換算為用量。為避免因纖維體積率提高造成的混凝土工作性變差，摻入20%的粉煤灰替代水泥，以改善新拌水泥的和易性。

1.2.2 PP纖維混凝土配合比方案

為更好地對比不同狀態下的PP纖維，不同強度等級的混凝土性能，對混凝土配合比進行設置[5]。表4為混凝土配合比分組，為簡化統計復雜程度，對混凝土進行編號。將基體強度等級C30標記為A，C40標記為B，砂率百分比直接用50-、60-、70-表示，數字代表添加纖維的長度，后綴代表纖維種類，PPD表示單絲纖維、PPF表示仿鋼絲纖維、PPW表示網狀纖維，若后綴為0，則表示該混凝土沒有添加任何纖維。如A50-30PPD代表砂率為50%摻入30mm PP單絲纖維的C30混凝土。粉煤灰質量標準為120kg/m2，水配比質量為315.33kg/m2，水泥配比質量為485kg/m2，減水劑為0，PP纖維量為9.3kg/m2，PP纖維體積率設定為1%。

表4 混凝土配合比分組Table 4 Concrete mix proportion grouping

續表4

1.2.3 試件制備

利用JS1000強制式混凝土攪拌機制備表3的試件。強制式攪拌機能保證纖維的均勻分散，避免攪拌方式、攪拌時間及投料順序對纖維分散性造成的影響，進而避免纖維分散不均勻對混凝土性能的影響[6-7]。具體步驟：

（1）按照需求計算出每種配比所需材料質量，并精準稱取。因碎石、河砂含水率和吸水率有所差異，應根據實際情況調整用水量，避免造成試驗誤差。

（2）提前將攪拌機內部擦拭濕潤，在擦拭過程中要避免流動水留在攪拌桶內，以免產生誤差。

（3）將水泥、河砂、粉煤灰加入攪拌機攪拌，1min后加入碎石、80%的設計、減水劑繼續攪拌1min，最后加剩余水攪拌1min。

（4）均勻投入纖維，攪拌2min。攪拌結束后倒入事先刷油的模具中。用抹刀幫助填充邊角部分，利用zp800振動平臺將混凝土振實。抹平表面后室內靜置養護1d。對拆模試塊進行編號，放入標準養護室，養護28d后測試。

1.3 力學性能測試

1.3.1 坍落度測試

（1）將坍落度筒、鐵鏟等工具提前擦拭濕潤。待攪拌機停止工作后，卸料，將坍落筒放置于新拌混凝土旁。一人踩住坍落筒兩邊的踏板，使坍落筒下緣與拌板完全貼合，另一人開始裝料。

（2）裝入1/3物料后的，用搗棒由外向里以螺旋狀形態輕插混凝土28次。繼續裝料，裝入2/3物料后，繼續以上步驟，直到物料裝滿坍落筒，用抹刀將筒口抹平。

（3）握住坍落度筒兩側把手將坍落度筒慢慢勻速提起，使筒里的混凝土隨之下落。坍落度筒提起時間為5～10 s。

（4）將坍落度筒放在從筒里掉落的待測試體旁，利用木條和鋼尺檢測出試體最高點與筒口的高度差，該高度差就是坍落度值。

1.3.2 抗壓強度試驗

將試塊放置到YES-3000壓力試驗機上，開啟壓力試驗機對試塊進行加載，直到試塊遭到破壞，加載速率為0.01mm/s。計算試塊遭到破壞時的載荷，試塊抗壓強度計算公式為[8]：

在式（3）中，fcu表示該試塊的抗壓強度，單位為MPa；Fmax表示該試塊所能承受的最大載荷，單位為N；A表示試塊受壓的面積，單位為mm2。

1.3.3 劈拉強度試驗

在混凝土試塊與試驗機上壓板間放置弧形鋼墊條，然后計算試塊遭到破壞時的載荷，具體計算公式為：

在式（4）中，fts表示該試塊的劈拉強度，單位為MPa；Fmax表示該試塊破壞時的載荷，單位為N；A表示試塊劈裂面積，單位為mm2。

1.3.4 彎拉強度試驗

彎拉強度試驗裝置如圖1所示[9]。

圖1 彎拉強度試驗裝置Fig. 1 Bending tensile strength test device

（1）抗拉強度計算

根據試塊遭到破壞時的載荷，計算出試塊抗拉強度。

在式（5）中，ftf表示該試塊的彎拉強度，單位為MPa；Fmax表示該試塊破壞時的載荷，單位為N；l表示支座間的距離，單位為mm；b、h表示試件截面的寬和高，單位為mm。

（2）初裂強度計算

初裂強度計算為：

在式（6）中，ffc，cra表示該試塊的初裂強度，單位為MPa；Fcra表示該試塊初裂載荷，單位為N；l、b、h與公式（5）相同。

取初裂點A對應初裂撓度為δ。根據初始撓度的3倍、5.5倍及10.5倍依次確定D、F、H點[10]。彎曲韌度指數I5為：

在式（7）中，S()δ表示撓度為δ時，載荷-撓度曲線與橫坐標包圍的面積。S(3)δ表示撓度為δ3 時，載荷-撓度曲線與橫坐標包圍的面積。

2 結果與討論

2.1 坍落度試驗結果

圖2 為新拌混凝土坍落度結果。從圖2看出，纖維混凝土的坍落度明顯比純混凝土坍落度有所降低，說明在混凝土中摻入纖維能增加粘稠度。同時對比圖2可知，纖維種類長短不同，對坍落度的影響也不同，其中單絲纖維對混凝土影響最大。

圖2 不同PP纖維混凝土坍落度值Fig.2 Slump values of different PP fiber reinforced concrete

2.2 抗壓強度試驗結果

不同纖維混凝土試塊的抗壓強度結果如圖3所示。由圖3可知，纖維混凝土試塊的抗壓性能相對純混凝土試塊有所降低，但纖維混凝土試塊達極限載荷后，并未完全破壞，表面未見明顯碎片，裂縫較少，破壞較緩慢。純混凝土試塊抗壓性能相對較好，但表面碎片居多，呈現對頂倒錐體，破壞較為迅速，且有突發性。根據上述結果看出，纖維混凝土試塊抗壓性能稍弱于純混凝土試塊，但抗壓韌性明顯優于純混凝土試塊。

圖3 不同PP纖維混凝土抗壓強度結果Fig.3 Compressive strength results of different PP fiber reinforced concrete

2.3 劈拉強度試驗結果

不同纖維混凝土試塊的劈拉強度試驗結果統計為圖4。由圖4可知，除砂率為60%、70%的C40基體摻入纖維的混凝土外，其余試塊對混凝土試塊的劈拉性能皆有提高。纖維混凝土試塊達極限載荷后，并未完全破壞，且破壞較緩慢，開裂后仍舊有纖維橫跨于裂縫中。純混凝土試塊達極限載荷后直接分開，破壞較為迅速，且有突發性。

圖4 不同PP纖維混凝土劈拉強度結果Fig.4 Splitting tensile strength results of different PP fiber reinforced concrete

2.4 彎拉強度試驗結果

不同纖維混凝土試塊的彎拉強度試驗結果統計為表5。由表5可知，純混凝土雖然彎曲較強稍強，但在出現裂縫時，立馬斷掉成兩截，彎曲韌度指數為1.0，殘余強度因子為0，說明該破壞形態為脆性破壞，破壞迅猛而突然。纖維混凝土較純混凝土彎拉強度有所下降，但是在出現裂縫后，并未發生斷裂，還可繼續承受一定載荷，以砂率50%的單絲纖維為例， 彎曲韌性指數和殘余強度因子皆大于純混凝土，在破壞過程中表現出了較大的韌性。

表5 不同PP纖維混凝土彎拉強度結果Table 5 Results of flexural tensile strength of different PP fiber reinforced concrete

3 結論

（1）纖維混凝土坍落度受摻入纖維的形態和長短影響，其中單絲纖維對纖維混凝土的坍落度的影響最大。

（2）抗壓強度試驗中，加入PP纖維后，試塊的抗壓強度有所下降，而當纖維為仿鋼絲纖維，且長度為38mm時，得到的抗壓強度達到最大，說明此時的纖維長度和結構更能提高混凝土的抗壓強度。但圖像顯示，纖維混凝土達極限載荷后，并未發生脆性破壞，結構也較為完整，表面未見碎片剝落，說明PP纖維對混凝土的抗壓韌性有所增強。

（3）在劈拉實驗中，PP纖維混凝土在達極限載荷后，并未出現脆性斷裂。之所以出現上述結果，是因為混凝土由很多纖維連接，這些纖維能增加混凝土的劈拉韌性。

（4）在彎拉強度試驗中，摻入PP合成纖維后，混凝土的彎拉強度有所下降，但從破壞形態可以看出，PP合成纖維混凝土達極限載荷后，試件并未直接斷開，可繼續承受一定載荷。由此看出摻入PP合成纖維的混凝土，其彎拉韌性比純混凝土試塊好。