聚丙烯纖維摻量對混凝土抗壓強度影響分析

閆猛

（中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300459）

0 引言

混凝土憑借原材料儲量大、價格低、生產工藝簡單、強度性能高及耐久性好等優點在工程中被廣泛應用[1]?；炷恋目箟耗芰Τ霰?，主要被用作承壓結構，但混凝土屬于脆性材料，超過極限荷載后也易發生脆性破裂[2]，裂縫開展后發展迅速，延展性低，破壞后完整度差，幾乎完全喪失承載能力，這是混凝土結構存在的一大問題。隨著纖維混凝土研究的逐步開展，聚丙烯纖維因其抗拉強度高、耐腐蝕、混合工藝簡單、韌性高、價格低等優點，繼鋼纖維之后被廣泛應用，故聚丙烯纖維混凝土也成為了被關注的對象。在20世紀70年代初，有的國家已經將聚丙烯纖維混凝土投入工程使用[3]。有學者發現，纖維的加入可提高混凝土的性能[4]，但過量摻入也會使混凝土性能出現負增長現象[5]。為了厘清聚丙烯纖維摻入對混凝土抗壓性能是否也存在此影響，對聚丙烯纖維摻量的研究十分必要[6]。

混凝土承壓性能強，故抗壓性能是評價混凝土是否合格的基本指標之一。針對聚丙烯纖維對混凝土抗壓性能的影響，Ede等[7]對不同纖維摻量的混凝土進行試驗，發現纖維體積摻量為0.25%時效果最佳，混凝土抗壓強度提高約9%；Wang[8]的試驗結果表明，隨著纖維摻量的增加，混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度有增加的趨勢。王乾璽等[9]發現，聚丙烯纖維可提高混凝土的抗壓強度3.0%～5.3%。徐禮華等[10]研究發現，當聚丙烯纖維長徑比為167，摻量為0.05%、0.1%、0.15%、0.2%時，聚丙烯纖維混凝土的抗壓強度比普通混凝土分別提高2.12%、12.12%、15.84%、18.55%。也有人持不同意見，張恒[11]認為聚丙烯纖維對混凝土抗壓性能幾乎沒影響。Choi等[12]認為混凝土中摻入聚丙烯纖維，抗壓強度降低，劈裂抗拉強度提高。

眾多學者對聚丙烯纖維混凝土的發展已作出巨大貢獻，針對不同纖維摻量在混凝土不同養護齡期下抗壓強度的影響，本文以工程常用的19mm長度的聚丙烯纖維0～1.6kg/m3的摻量范圍，對混凝土進行立方體抗壓和軸心抗壓測試，以期得到在不同養護齡期下最優的纖維摻量值，該研究可為聚丙烯纖維材料在混凝土工程中的應用與推廣提供理論參考。

1 試驗設計

1.1 試驗材料

試驗涉及的原材料有：PO.42.5普通硅酸鹽水泥；F類Ⅱ級粉煤灰；礫石粗骨料，連續級配，尺寸為5～25 mm，級配曲線見圖1a）；細骨料細度模數為2.60，級配連續，中砂，級配曲線見圖1b）；減水劑為萘系高效減水劑；聚丙烯纖維為工程中最常用的長度為19 mm、直徑為31.2μm的束狀單絲纖維；普通自來水等。

圖1 骨料級配曲線

1.2 配合比

試驗采用C30混凝土，配合比設計來自于工程，如表1所示，水膠比為0.46。考慮到聚丙烯纖維摻量過大會導致纖維分布密集，出現水泥漿包裹不足，進而影響混凝土性能的情況，故按0.4 kg/m3、0.8 kg/m3、1.2 kg/m3和1.6 kg/m3的摻量分別摻入混凝土中。其中，普通混凝土命名為NC，聚丙烯纖維混凝土命名為PF，摻量為0.4 kg/m3、0.8 kg/m3、1.2 kg/m3和1.6 kg/m3的聚丙烯纖維混凝土分別命名為PF-0.4、PF-0.8、PF-1.2和PF-1.6。

表1 聚丙烯纖維混凝土配合比（單位：kg/m3）

1.3 試驗方法

試驗參考《水工混凝土試驗規程》（SL 352—2006）[13]以及《纖維混凝土應用技術規程》（JGJ/T 221—2010）[14]，通過立方體抗壓試驗與軸心抗壓試驗，研究不同摻量聚丙烯纖維對混凝土抗壓性能的影響。根據混凝土性能發展曲線，混凝土在養護14天之前，強度發展迅速；14天到28天，發展減緩；養護28天后雖然繼續增長，但發展速度趨于穩定。根據參考文獻[15-16]，溫度恒定在20℃±2℃，濕度不低于95%的標準養護方式，分別設計試驗齡期為14天、28天、60天。每個齡期及纖維摻量下的混凝土試塊各設置6個，試件尺寸如表2所示。

表2 試件尺寸

2 結果和分析

2.1 聚丙烯纖維對混凝土立方體抗壓性能影響分析

2.1.1 試驗現象及破壞形態

普通混凝土在被壓縮的過程中，產生縱向和橫向變形，裂紋逐漸發展、裂紋之間的相交貫通致使混凝土失效[15]，因而通常呈脆性破壞形式。而加入纖維會削弱脆性破壞的特性，增加混凝土基體的延展性，使其在達到最大荷載后仍不破碎[16]。

從試驗來看，普通混凝土的破壞過程從出現裂紋至混凝土破裂，呈明顯的脆性破壞，達到最大荷載后迅速被壓壞，且碎塊零散，完整度差。而纖維混凝土破壞特性明顯不同，聚丙烯纖維混凝土試件在受壓破壞后，沒有崩碎現象，只有少數碎片被擠壓脫落，其余部分整體性較強。雖然試件破裂，但仍然具有承受較小荷載的能力。這種現象表明，聚丙烯纖維對混凝土的開裂失效有抑制作用，當壓力機的輸出能量相同時，普通混凝土已經碎裂，但聚丙烯纖維混凝土只處于開裂狀態，并仍有一定承載能力抵抗殘余變形。表現為混凝土受壓破壞后，部分纖維使裂縫兩邊的混凝土相連，增加了混凝土的延展性。這說明聚丙烯纖維在被拉斷和拉脫時已經較多地消耗了能量，從而提高了混凝土抗壓能力?；炷猎嚰茐男螒B如圖2所示。

圖2 聚丙烯纖維混凝土立方體抗壓破壞形態（以NC和PF-0.8為例）

2.1.2 立方體抗壓應力-應變曲線分析

圖3—圖5分別為三種試驗齡期下，聚丙烯纖維混凝土立方體抗壓應力-應變曲線。

圖3 聚丙烯纖維混凝土立方體抗壓應力-應變曲線（14天）

圖4 聚丙烯纖維混凝土立方體抗壓應力-應變曲線（28天）

圖5 聚丙烯纖維混凝土立方體抗壓應力-應變曲線（60天）

從圖3—圖5中可以看出，加入聚丙烯纖維后，混凝土的抗壓強度呈現先增后減的趨勢，14天和28天養護齡期下，0.8kg/m3摻量抗壓強度最高，60天養護齡期下，0.4kg/m3摻量抗壓強度最高。隨著養護齡期的增加，纖維摻量對混凝土抗壓強度的影響各不相同，普通混凝土隨養護齡期增加，抗壓強度也增加，但增加幅度較小。在聚丙烯纖維0.4kg/m3、1.2kg/m3、1.6kg/m3摻量下的混凝土抗壓性能也隨齡期增加而增加。其中，0.4kg/m3摻量下提升幅度最大，1.6kg/m3摻量下提升幅度最小，且小于普通混凝土的抗壓強度提升幅度。0.8kg/m3摻量下的混凝土抗壓強度隨養護齡期增加呈現先增后減的趨勢。整體上看，隨養護齡期的增加，聚丙烯纖維摻量的增加會使抗壓強度提升幅度先增后減，纖維摻量不宜過多，因為1.6kg/m3摻量下增長幅度已經小于普通混凝土，過量的纖維摻量會抑制混凝土的強度發展。相較于普通混凝土，聚丙烯纖維混凝土的荷載位移曲線更寬更高。普通混凝土呈脆性破壞，而聚丙烯混凝土在達到峰值荷載后，荷載位移曲線下降緩而平，表明其更具延展性。達到極限荷載后，齡期越短，普通混凝土與聚丙烯纖維混凝土的區別越明顯，聚丙烯纖維混凝土下降段呈現得更平緩，下降更緩慢，說明聚丙烯混凝土破壞后仍具有一定的承載能力，但聚丙烯纖維摻量與破壞后承載能力的相關性并不顯著。

2.2 聚丙烯纖維對混凝土軸心抗壓性能影響分析

2.2.1 試驗現象及破壞形態

軸心抗壓試驗選用的試件尺寸為100mm×100mm×300mm，與立方塊不同的是，軸心抗壓試件呈現更明顯的脆性，一旦產生裂縫，試件就立即破壞失效。普通混凝土與聚丙烯纖維混凝土試件軸壓破壞形態如圖6所示。在試驗過程中，普通混凝土試件表面脫落嚴重，裂縫發展迅速，呈30°～45°迅速貫通。聚丙烯纖維混凝土破壞時表面脫落現象不明顯，并且隨著聚丙烯纖維摻量的增加，表面脫落量更少；聚丙烯纖維混凝土表面的裂縫更加細微，并且與纖維摻量相關，摻量越大，裂縫越細微，但0.8～1.6kg/m3摻量的試件裂縫細微程度相差不大，且完整性相差很小。聚丙烯纖維混凝土的裂縫發展方向與普通混凝土差別不大，同樣在30°～45°之間。

圖6 聚丙烯纖維混凝土軸心抗壓破壞形態

2.2.2 試驗結果分析

圖7—圖9分別為三種試驗齡期下，聚丙烯纖維混凝土軸心抗壓應力-應變曲線。

圖7 聚丙烯纖維混凝土軸心抗壓應力-應變曲線（14天）

圖8 聚丙烯纖維混凝土軸心抗壓應力-應變曲線（28天）

圖9 聚丙烯纖維混凝土軸心抗壓應力-應變曲線（28天）

由圖7—圖9對比可得，軸心抗壓峰值荷載隨養護齡期的增加而增大。并且還可以看出，摻入聚丙烯纖維可提高混凝土的軸心抗壓強度，最優摻量為1.2kg/m3，這與立方體抗壓試驗所得到的0.8kg/m3摻量不同。養護14天后，摻量為1.2 kg/m3的聚丙烯纖維混凝土的軸心極限抗壓強度最大，比普通混凝土高出18.54%；養護28天后，摻量為1.2kg/m3的聚丙烯纖維混凝土的軸心極限抗壓強度最大，比普通混凝土高出9.62%；當齡期為60天時，摻量為0.8 kg/m3的聚丙烯纖維混凝土的軸心極限抗壓強度略高于摻量為1.2 kg/m3的試件，比普通混凝土高出19.12%，但纖維摻量為1.2 kg/m3的試件比纖維摻量為0.8 kg/m3的試件變形更大。隨養護齡期的增長，纖維摻量可提高混凝土抗壓強度的增長幅度，增長幅度最大值對應的摻量為0.8 kg/m3，其次為1.2 kg/m3，1.6 kg/m3摻量下的抗壓強度提升最小，且小于普通混凝土，并且并未出現各纖維摻量下抗壓強度隨齡期增加而降低的現象。隨養護齡期的增長，各混凝土試件的極限應變并未因聚丙烯纖維的摻入而產生明顯且規律的變化，說明聚丙烯纖維可延緩開裂速度，卻不能增加破壞時的變形量。普通混凝土與聚丙烯纖維混凝土的曲線差異不明顯，說明破壞過程相似，都為脆性破壞，但聚丙烯纖維混凝土整體性更好。

3 結論

本文通過對聚丙烯纖維混凝土進行立方體抗壓與軸心抗壓強度測試，研究得到：

（1）摻入聚丙烯纖維，破壞過程中，混凝土脫落量較少，完整性較好，可以提升混凝土的延展性，延緩破壞過程；

（2）聚丙烯纖維混凝土的立方體抗壓強度與軸心抗壓強度均強于普通混凝土，并且隨聚丙烯纖維摻量的增加，抗壓強度呈現先增后減的趨勢。實際混凝土工程設計中，建議聚丙烯纖維摻量為0.8～1.2kg/m3。