聚丙烯纖維摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度影響分析

譚 剛 王志亮

（1.中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430040；2.中交二航武漢港灣新材料有限公司，湖北 武漢 430040）

混凝土具有強(qiáng)度高、成本低、生產(chǎn)工藝簡單等特點(diǎn)，在建筑工程中得到廣泛應(yīng)用。因其較好的抗壓強(qiáng)度，成為了建筑結(jié)構(gòu)的主要材料。但是，混凝土在承受較大壓力的情況下，容易發(fā)生脆性破壞，產(chǎn)生裂縫，因其延性較差，破壞后不具備完整性，完全失去了承載能力，給建筑結(jié)構(gòu)帶來了一定的安全隱患。隨著纖維混凝土研究的不斷深入，聚丙烯纖維因其具有較好的抗拉強(qiáng)度、韌性好等特點(diǎn)，成為目前優(yōu)化混凝土力學(xué)性能的一個(gè)研究熱點(diǎn)。在20世紀(jì)70年代，聚丙烯纖維已經(jīng)應(yīng)用到建筑工程中，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，聚丙烯纖維可以提升混凝土性能，但是，過量添加也會出現(xiàn)負(fù)增長的情況。為了明確混凝土中聚丙烯纖維摻量對抗壓性能的影響，需要通過試驗(yàn)等方面的研究，了解其不同摻量對混凝土性能產(chǎn)生的影響。

1 研究現(xiàn)狀

混凝土的抗壓性能是評價(jià)混凝土是否生產(chǎn)合格的基本指標(biāo)。針對混凝土的抗壓強(qiáng)度，在摻合聚丙烯纖維的過程中產(chǎn)生不同的變化趨勢，很多學(xué)者對聚丙烯纖維摻量進(jìn)行了相應(yīng)的研究。

（1）Ede等學(xué)者對不同聚丙烯纖維摻量情況下的混凝土性能進(jìn)行了試驗(yàn)，認(rèn)為其摻量在0.25%可以達(dá)到最佳的效果，其抗壓強(qiáng)度可以提高約9%。

（2）Wang的試驗(yàn)表明，隨著聚丙烯纖維的添加，混凝土的抗壓、抗拉強(qiáng)度都有很強(qiáng)的增長趨勢。

（3）王乾璽的研究表明，添加聚丙烯纖維可以將混凝土的抗拉強(qiáng)度提高5%左右。

（4）徐禮華等研究表明，聚丙烯纖維摻量在0.05%、0.1%、0.15%和0.2%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度相比普通的混凝土可以提高約2.1%、12.1%、15.8%、18.6%。這充分說明了聚丙烯纖維對于混凝土抗壓強(qiáng)度的整體提升具有重要的作用。但是，也有學(xué)者提出了反對意見，張恒通過研究認(rèn)為，聚丙烯纖維的添加對混凝土的抗壓強(qiáng)度影響較小。

（5）Choi等學(xué)者認(rèn)為，通過摻入聚丙烯纖維，會使混凝土抗拉強(qiáng)度有所提升，但是，對其抗壓強(qiáng)度沒有相應(yīng)的影響，甚至?xí)档涂箟簭?qiáng)度。

眾多學(xué)者對聚丙烯纖維混凝土做出了大量的研究，得出了不同的結(jié)論。本文針對不同摻量的聚丙烯纖維在混凝土不同養(yǎng)護(hù)齡期下進(jìn)行研究，使用最為常見的19mm長聚丙烯纖維，在0～1.5kg/m3的摻量情況下做了立方體和軸心抗壓測試，希望得到在不同齡期情況下的最佳摻量。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)涉及的材料有普通硅酸鹽水泥、Ⅱ級粉煤灰、礫石粗骨料、連續(xù)集配。細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)為2.5，減水劑為萘系高效減水劑。聚丙烯纖維選用了長度19mm、直徑31.0μm的單絲纖維。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)的配合比設(shè)計(jì)參照C30混凝土，水膠比為0.35。同時(shí)，聚丙烯纖維的摻量過大會導(dǎo)致其纖維分布較為密集，出現(xiàn)水泥包裹不足的情況。因此，在考慮不影響混凝土性能的情況下，分別使用0.3kg/m3、0.6kg/m3、1.0kg/m3、1.5kg/m3的摻量進(jìn)行試驗(yàn)，以普通混凝土未摻加聚丙烯纖維作為對照組。其他的摻量分別以PF-0.3、PF-0.6、PF-1.0，PF-1.5進(jìn)行命名。具體的配合比設(shè)計(jì)見表1。

表1 聚丙烯纖維混凝土配合比（單位：kg/m3）

2.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)參照《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 221-2010）進(jìn)行試驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)，通過立方體和軸心抗壓試驗(yàn)研究不同摻量對纖維混凝土抗壓性能的影響。通過繪制發(fā)展曲線可以發(fā)現(xiàn)，混凝土在養(yǎng)護(hù)14d以前強(qiáng)度迅速增長；但在14～28d階段，發(fā)展相對較為緩慢；28d之后，雖然還有一定的增長，但已經(jīng)趨于穩(wěn)定。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記載，使用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方式分別設(shè)計(jì)了14d、28d、60d的養(yǎng)護(hù)齡期，通過不同齡期、摻量下的混凝土，各設(shè)置六個(gè)試塊進(jìn)行分析。立方體抗壓試驗(yàn)試件尺寸為100mm×100mm×100mm，軸心抗壓試驗(yàn)采用 100mm×100mm×300mm。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 混凝土立方體抗壓性能影響分析

3.1.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

在普通混凝土被壓縮的過程中，快速產(chǎn)生了縱、橫向裂縫，裂縫發(fā)展較為迅速，裂縫的貫通使混凝土失效，發(fā)生脆性破壞。而加入聚丙烯纖維會抵消部分脆性破壞的影響，增加混凝土的延性，使其在達(dá)到最大荷載后仍不發(fā)生破碎。從試驗(yàn)破壞形態(tài)來看，普通混凝土在破壞過程中，從出現(xiàn)裂紋到混凝土破壞，顯示了明顯的脆性，達(dá)到最大荷載后，迅速被壓制為零散狀。而摻加聚丙烯纖維后，其破壞性能不明顯，沒有出現(xiàn)破碎的現(xiàn)象，只有少數(shù)的碎片被壓落，其余整體性較好，雖然試件出現(xiàn)了破壞，但仍能承受一定的荷載。這種情況說明，聚丙烯纖維的添加對于混凝土的開裂具有很強(qiáng)的保護(hù)作用，同時(shí)，對其脆性有一定的改善。在壓力機(jī)輸出能量相同時(shí)，普通混凝土出現(xiàn)破壞的情況，同樣的壓力，摻加聚丙烯纖維的混凝土只處于開裂狀態(tài)，仍有一定的承載能力。在受壓破壞的過程中部分纖維混凝土兩側(cè)增加了抗拉性能，有效地提高其延性。這說明纖維被拉斷的過程中消耗了較多的能量，從而提高了混凝土的整體力學(xué)性能。圖1為普通混凝土與聚丙烯纖維摻量為0.8kg/m3的混凝土破壞對比圖。

圖1 普通混凝土與聚丙烯纖維摻量為0.8kg/m3的混凝土破壞對比圖

3.1.2 立方體抗壓曲線分析

通過3種不同齡期的聚丙烯纖維混凝土立方體抗壓強(qiáng)度應(yīng)變曲線分析，在添加聚丙烯纖維后，混凝土的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)了先增后減的趨勢。在14d和28d的養(yǎng)護(hù)齡期情況下，0.6kg/m3的抗壓強(qiáng)度增長最多。在60d的養(yǎng)護(hù)齡期情況下，0.3kg/m3的抗壓強(qiáng)度增長最多。隨著齡期的不斷增長，聚丙烯纖維的摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出不同的影響趨勢。普通混凝土隨著齡期的增加，抗壓強(qiáng)度也出現(xiàn)了增加，但增加幅度相對較小。聚丙烯纖維在0.3kg/m3、1.0kg/m3、1.5kg/m3的摻量下，混凝土的壓強(qiáng)隨著齡期的增長不斷增加，但隨著摻量的不斷提升，其提升幅度出現(xiàn)了逐漸變小的趨勢，且小于普通混凝土的提升范圍。在0.6kg/m3的聚丙烯纖維摻量下，混凝土抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增加出現(xiàn)了先增后減的趨勢。從試驗(yàn)的整體結(jié)論看，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的不斷增長，聚丙烯纖維摻量的增加也會使其抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)先增后減的情況。因此，這說明聚丙烯纖維的摻量不宜過多，當(dāng)摻量大于1.5kg/m3時(shí)，其性能的提升已經(jīng)小于普通混凝土。添加聚丙烯纖維過量會對其強(qiáng)度增長造成一定的影響。同時(shí)，聚丙烯纖維混凝土的位移曲線也相對普通混凝土有了較大的發(fā)展，普通混凝土出現(xiàn)了脆性破壞，而添加聚丙烯纖維的混凝土在達(dá)到最大荷載后，其荷載位移曲線下降較為平緩，體現(xiàn)了一定的延性。養(yǎng)護(hù)齡期越短的普通混凝土與聚丙烯纖維混凝土的破壞區(qū)別就更為明顯了，聚丙烯纖維混凝土的下降顯得較為平緩，說明其在破壞之后仍具備一定承受荷載的能力，在添加聚丙烯纖維后，混凝土的抗破壞性能得到了很大提升。

3.2 軸心抗壓性能影響分析

3.2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象分析

軸心抗壓試驗(yàn)與立方體試驗(yàn)不同，軸心抗壓試驗(yàn)體現(xiàn)了更為明顯的脆性破壞，一旦產(chǎn)生裂縫，隨即發(fā)生整體的破壞。其破壞的形態(tài)分析如下：在試驗(yàn)過程中，普通混凝土出現(xiàn)了快速的裂縫發(fā)展，呈30°～45°的快速貫通。而聚丙烯纖維混凝土在發(fā)生破壞的過程中無明顯脫落，沒有出現(xiàn)整體的碎裂。同時(shí)，聚丙烯纖維的添加，使其表面的裂縫更加細(xì)小，摻量越大，裂縫越細(xì)小。當(dāng)混凝土的摻量在0.6kg/m3和1.5kg/m3時(shí)，出現(xiàn)裂縫的細(xì)微程度相差不大，整體性也相差較小，且纖維混凝土裂縫的發(fā)展與普通混凝土30°～45°的發(fā)展?fàn)顩r較為相似。

3.2.2 軸心抗壓曲線的分析

經(jīng)過軸心抗壓曲線的分析發(fā)現(xiàn)，軸心抗壓的峰值隨著齡期的增加而增大。摻入的聚丙烯纖維可以有效地提高其軸心抗壓能力。得出的結(jié)論是：在1.0kg/m3的摻量時(shí)，可以使其抗壓效果達(dá)到最佳，這與上文立方體抗壓試驗(yàn)的0.6kg/m3的最佳摻合量是具有不同結(jié)論的。在養(yǎng)護(hù)齡期為14d時(shí)，1.0kg/m3摻量的聚丙烯纖維混凝土軸心抗壓強(qiáng)度增長較為迅速，超出了普通混凝土的17.93%。在養(yǎng)護(hù)齡期為28d時(shí)，摻量為1.0kg/m3的聚丙烯纖維混凝土軸心抗壓強(qiáng)度達(dá)到了最大值，比普通混凝土高出了9.14%。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為60d時(shí)，聚丙烯纖維摻量在0.6kg/m3的情況下，其軸心抗壓強(qiáng)度略高于1.0kg/m3摻量的混凝土，比普通混凝土高出18.39%。但是，在1.0kg/m3的摻量情況下試件體現(xiàn)了更大的變形，增長幅度最大值對應(yīng)為0.6kg/m3。在摻量1.5kg/m3時(shí)，其抗壓強(qiáng)度提升最小，同時(shí)也小于普通混凝土。在此過程中，在各纖維不同摻量的情況下，并未出現(xiàn)隨著齡期增長而下降的情況。隨著齡期的增長，混凝土的極限并未因其摻量的變化而產(chǎn)生明顯的、有規(guī)律的變化情況。這充分說明了聚丙烯纖維的添加可以有效地抵御混凝土開裂的情況，但不能增加其變形量。與普通混凝土的對比說明，兩者在受拉破壞的情況下，體現(xiàn)了相似的規(guī)律，但在摻加聚丙烯纖維后，混凝土的整體性明顯更好。

4 結(jié)語

本文通過不同摻量聚丙烯纖維混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）在摻加聚丙烯纖維過程中，混凝土整體脫落情況較少，有效地增加了混凝土的延性，對其整體性有所加強(qiáng)，同時(shí)，也可以在最大荷載的情況下，承受一定的壓力。

（2）通過對混凝土立方體和軸心抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)表明，聚丙烯纖維的添加使得混凝土的整體性高于普通混凝土，并且隨著摻加量的增加，抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)了先增后減的趨勢。同時(shí)，經(jīng)過分析得出，聚丙烯纖維摻量在0.6～1.0kg/m3的情況下，可以達(dá)到混凝土最優(yōu)的抗壓性能，建議在混凝土生產(chǎn)過程中進(jìn)行應(yīng)用。