聚丙烯腈纖維混凝土的抗壓與劈裂性能試驗研究分析

劉利萍

（中鐵十九局集團第二工程有限公司， 遼寧 遼陽 111000）

0 引言

聚丙烯腈纖維混凝土主要是指在以往的混凝土中添加一定比例的纖維，由此改善混凝土的韌性、抗沖擊性、抗彎性、抗滲漏性等。聚丙烯腈纖維混凝土的出現彌補了以往混凝土自身重量大、抗彎拉強度低的問題，其中的纖維不僅能夠提升混凝土的抗沖擊性、抗彎性能、耐久性，而且還能夠改善混凝土的伸縮性能、耐腐蝕性能。為了能夠延長聚丙烯腈纖維混凝土的使用壽命，研究聚丙烯腈纖維混凝土力學性能變得十分重要。

1 聚丙烯腈纖維混凝土的抗壓與劈裂性能試驗材料和方法

1.1 試驗材料和材料綜合配比

試驗材料包含聚丙烯腈纖維、P·042.5 型號的普通硅鹽酸水泥、粉煤灰、中砂、石子、外加劑、拌合水。

材料性能如下：聚丙烯腈纖維長度為12mm、直徑為10.5μm、密度為1.18g/cm3、拉伸強度為800MPa、彈性模量為12.9GPa。P·042.5 型號的普通硅鹽酸水泥的表面密度為3100kg/m3、初凝和終凝時間分別為490min 和620min；28d 的劈裂強度為5.79MPa；3d、7d、28d 的抗壓強度分別為36.1MPa、43.8MPa、54.8MPa。粉煤灰的需水量比為94%、細度為10%、密度為2380kg/m3、燒失量為1.32%。中砂的表觀密度為2620kg/m3、含泥量為1.2%、細度模數為2.6；石子的表觀密度為2700kg/m3、含泥量為0.2%、針片狀含量為4%、壓碎值為8%，連續級配。

從聚丙烯腈纖維混凝土基本力學性能研究結果可以發現，纖維的加入雖然不能夠提升混凝土的抗壓強度，但是能夠顯著提升混凝土的劈裂抗拉強度，最終提升混凝土的力學性能。另外，聚丙烯腈纖維融入混凝土還能夠提升混凝土的抗壓比和泊松比，降低混凝土的脆弱性，提高混凝土的拉應變能力、韌性，改善混凝土的力學性能。

1.2 配合比試驗

選取以下幾個類型的混凝土開展配合比試驗，纖維摻和量和混凝土配合比如下：

纖維體積摻和量：基準混凝土的聚丙烯腈纖維摻和量為0；聚丙烯腈纖維混凝土的聚丙烯腈纖維摻和量為1kg/m3。混凝土配合比如表1 所示。

表1 混凝土配合比

1.3 試驗制備

按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》的要求來開展試驗試件的制備，抗壓強度試驗按照長寬高均為150mm 的標準試驗，劈裂強度試驗采取150mmx150mmx150mm 的標準試件。每個小組的試驗制備三個試驗件，從同一個批次的混凝土拌合物中取樣。為了確保混凝土的攪拌均勻、纖維不成團出現，在攪拌操作的時候可以采取先干拌后濕拌的方式。首先，將稱量好的水泥、砂石、纖維放入到攪拌機中攪拌兩分鐘；其次，在第一次攪拌的基礎上加入適量的水繼續攪拌三分鐘，保障混凝土的攪拌均勻；再次，將兩次攪拌完成的混凝土裝模振搗處理，而后將其放置在15～25℃的環境中靜置24h，而后拆模編號；最后，在對混凝土拆模編號處理之后，再次將其放入到20±1℃，濕度≥95%的標準養護室中養護28d。

1.4 試驗操作方法

抗壓強度試驗采取國產JYE-2000 型壓力試驗機開展測試，試驗量程為0～2000N，最小刻度數值為5N，加載速度為每秒0.5～0.8MPa，在試驗操作的時候需要使用壓力試驗機測量出立方體試件破壞荷載，而后根據試驗件能夠承受的壓力面積來計算得出混凝土的抗壓強度。劈裂強度試驗采用劈裂夾具進行測試，在試驗結束之后需要根據所記錄的試驗件破壞荷載數值來計算出混凝土的劈裂強度，劈裂強度的計算公式為fs（MPa）=0.637*（2F）/(πA)。

2 聚丙烯腈纖維混凝土的抗壓與劈裂性能試驗結果分析

2.1 抗壓強度

所測量的十組試驗件抗壓強度平均數值，相對于素混凝土強度增幅數值如下：聚丙烯腈纖維混凝土28d 抗壓強度分別為47.58、47.56、50.17、51.99、48.71、51.41、48.71、51.41、52.17、48.52、49.10、51.91（MPa）；聚丙烯腈纖維混凝土抗壓強度的增長幅度為0、-0.05、6.89、1.73、3.01、0.19、2.21、2.5、4.04、1.52。聚丙烯腈纖維混凝土的抗壓強度和纖維摻和量、纖維長度之間的關系曲線如圖1 和圖2 所示。

圖1 聚丙烯腈纖維混凝土的抗壓強度和纖維摻和量關系曲線

圖2 聚丙烯腈纖維混凝土的抗壓強度和纖維長度的關系曲線

根據圖表可以發現，在纖維長度為6mm、摻和量為每立方米0.3kg 的時候，混凝土的抗壓強度就類似于素混凝土稍微有一些下降，由此就說明纖維短且摻和量較低的時候，無法有效改善混凝土的抗壓性能，而在纖維摻和量增多且每立方米纖維摻和量不超過1kg 的時候，不考慮纖維有多長，這個時候混凝土的抗壓強度都會提升，在纖維摻和量為每立方米1kg的時候，混凝土的抗壓性能達到最穩定的狀態。

在摻入的纖維質量達到一定比例的時候，9mm 長度纖維對混凝土抗壓性能的強化影響要超過6mm 長度纖維和12mm 長度纖維對混凝土抗壓性能的強化的影響。也就是說，9mm 是混凝土中最適合摻和的纖維長度。

對以上現象的原因深入分析我們會發現，聚丙烯腈纖維的直徑比較細、比表面積大，纖維在加入混凝土并攪拌處理之后三維會呈現出亂向分布的狀態，由此會形成三維混亂的支撐體系，在提升混凝土外作用力的同時還會使得一部分的能量被吸收，這個時候，受聚丙烯腈纖維粘結力較強的影響，纖維的增強效應也會在最大限度上發揮出來，在超過一定極限數值的時候，水泥基體和纖維之間的粘合力量會降低，混凝土膠凝材料的包裹效果也會降低，最終嚴重影響到混凝土抗壓性能。但是這種纖維長度超過規定數值的時候，水泥基體和纖維之間的結合能力會大幅度地降低，最終會影響混凝土的性能。

2.2 劈裂強度

混凝土的抗壓比是劈裂強度和抗壓強度的比值，體現了混凝土的脆性。聚丙烯腈纖維在混凝土中的加入有效提升了混凝土的抗壓比。

聚丙烯腈纖維混凝土28d 劈裂強度分別為5.58、5.62、6.2、5.63，劈裂強度增加幅度分別為0%、1.55%、24.03%、1.94%。聚丙烯腈纖維混凝土中纖維含量的增多能夠提升混凝土的劈裂強度，在摻和同等數量纖維的時候，長度為9mm 聚丙烯腈纖維混凝土抗折性能的強化作用要超過長度為6mm 和12mm 的聚丙烯腈纖維混凝土抗折性能強化作用。由此也就說明，在聚丙烯腈纖維混凝土纖維摻和量達到一定數值的時候聚丙烯腈纖維混凝土28d 劈裂強度才會達到最為理想的狀態，高于或者低于這個數值都無法保證聚丙烯腈纖維混凝土28d 的劈裂強度。

在深入分析原因，總結發現，由于聚丙烯腈纖維和混凝土基體相比，屬于低彈模柔性纖維，它對混凝土抗壓強度的改善作用不明顯。由于聚丙烯腈纖維和混凝土基體之間存在粘結力，在劈裂和抗折的過程中，聚丙烯腈纖維會和混凝土之間產生摩擦力，纖維在抗斷裂的過程中會消耗能量，纖維起到重要的連接作用，是混凝土的次加筋，在纖維的作用下能夠提高混凝土抵抗受拉開裂的能力，對混凝土的劈裂和抗折強度會起到十分重要的改善作用。由此可以證明，聚丙烯腈纖維在加入到混凝土中的時候能夠起到良好的阻裂效果，對提升混凝土的劈拉和抗折強度意義重大。

3 結束語

綜上所述，聚丙烯腈纖維在混凝土中的適當加入能夠提升混凝土的抗壓強度和劈裂強度，而在每立方米纖維摻和量不超過1kg 的時候，伴隨纖維摻和量的增加，混凝土的抗壓性能會逐漸提升。在混凝土纖維摻和量達到一定數值的時候，纖維長度對混凝土的抗壓性能會產生十分重要的影響，這種影響一般會存在一定的理想數值，在超過整個最理想數值的時候，聚丙烯腈纖維對混凝土抗壓性能的強化作用就會降低，在經過一系列的試驗分析之后最終將能夠提升混凝土抗壓、抗折強度的最理想纖維長度為10mm。