聚丙烯纤维自密实混凝土力学性能研究

蔡 军

（商洛学院 城乡规划与建筑工程学院，陕西商洛 726000）

自密实混凝土 (Self-Compacting Concrete,简称SCC),是指拌合物具有很高的流动性并且在浇筑过程中不离析、不泌水，能够不经振捣而充满模板和包裹钢筋的混凝土，属于高流动性混凝土的高端部分[1-2]。自密实混凝土应用于建筑结构和施工可以提高混凝土结构的耐久性、节约人工、减少施工噪音、提高浇筑速度、缩短施工工期、改善施工环境、降低工程造价、节约成本等[3-5]。尽管自密实混凝土具有众多性能优势，但是自密实混凝土抗拉强度低、韧性差等特点却依然限制着其优势的充分发挥。在自密实混凝土中掺加纤维可以克服上述缺点，改善自密实混凝土的力学性能。目前国内外对于高模量纤维自密实混凝土（如钢纤维自密实混凝土）的研究较多，而对于聚丙烯纤维自密实混凝土的研究还很少[6]，主要集中于工作性能，有关聚丙烯纤维自密实混凝土抗弯韧性的研究还未见报道。本文拟研究聚丙烯纤维自密实混凝土的工作性能和力学性能，对聚丙烯纤维自密实混凝土进行坍落扩展度、V型漏斗、抗压、劈裂抗拉及抗弯韧性试验，继而比较分析不同掺量的聚丙烯纤维对自密实混凝土工作性能和力学性能的影响。

1 试验概况

本次试验原材料采用42.5级普通硅酸盐水泥；粗骨料为粒径5-20 mm连续级配碎石；细骨料为中砂，细度模数为2.6；原状一级粉煤灰；南京水利科学研究院生产的HLC型高效减水剂；凯泰（CTA）牌聚丙烯纤维，长度24 mm,直径0.8 mm，密度 0.9kg·m-3，抗拉强度 450MPa，弹性模量 5.0GPa。材料配合比及聚丙烯纤维掺量见表1。

表1 聚丙烯纤维自密实混凝土配合比/(kg·m-3)

按照《自密实混凝土应用技术规程》（CECS203:2006），分别采用坍落扩展度试验和V型漏斗试验对聚丙烯纤维自密实混凝土的工作性能进行检测，如图1、图2所示。

图1 坍落扩展度试验示意图

图2 V型漏斗形状及尺寸

按照《混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2002）对100 mm×100 mm ×100 mm的混凝土立方体试件进行28 d抗压强度和劈裂抗拉强度的测定。

抗弯韧性试验采用100 mm×100 mm×400 mm的梁试件，龄期28 d，采用三分点加载方式，梁跨度为300 mm。试验加载设备为国产电液伺服万能试验机，采用位移控制加载，加载速度为0.05 mm·min-1，采用自动数据采集系统进行荷载和挠度的同步数据采集，如图3所示。

图3 抗弯韧性试验示意图

采用JSCE-SF4方法对聚丙烯纤维自密实混凝土的抗弯韧性进行评定，韧度因子（或韧度系数）σb为

式中，l为梁跨度，h为梁高度，b为梁宽度，σtb=l/150，τb为荷载-挠度曲线下的面积。

2 结果与分析

2.1 工作性能

测得的聚丙烯纤维自密实混凝土坍落扩展度值和V型漏斗时间见表2。从表2可以看出，不同纤维掺量的自密实混凝土的工作性能均达到规范规定的要求[7]。

表2 聚丙烯纤维自密实混凝土工作性能

2.2 抗压强度与劈裂抗拉强度

聚丙烯纤维自密实混凝土的抗压强度试验结果如图4所示。聚丙烯纤维对自密实混凝土抗压强度的影响程度关键在于界面特性，即主要与聚丙烯纤维-水泥基界面粘结性能有关。聚丙烯纤维掺入后，界面薄弱层增多，受压后首先在界面区引起破坏，导致聚丙烯纤维自密实混凝土的抗压强度有所下降。劈裂抗拉强度试验结果如图5所示。聚丙烯纤维通过发挥阻裂作用，有效地提高了自密实混凝土的劈裂抗拉强度。与未掺加纤维的自密实混凝土相比，当聚丙烯纤维掺量分别为3 kg·m-3、6 kg·m-3和 9 kg·m-3时，劈裂抗拉强度分别增加11.1%、23.5%和32.5%。

图4 抗压强度试验结果

图5 劈裂抗拉强度试验结果

2.3 抗弯韧性

不同纤维掺量的聚丙烯纤维自密实混凝土荷载-挠度曲线如图6所示,弯曲韧度因子结果如图7所示。从荷载-挠度曲线可以看出，聚丙烯纤维自密实混凝土初裂后仍具有很大的剩余承载能力，荷载挠度曲线具有稳定的下降段。随着纤维掺量的增加，聚丙烯纤维自密实混凝土的抗弯韧性显著提高，聚丙烯纤维对自密实混凝土抗弯韧性的改善效果十分显著。

图6 聚丙烯纤维自密实混凝土梁的荷载-挠度曲线

3 结论

本文对聚丙烯纤维自密实混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度、抗弯韧性等力学性能进行了试验研究与理论分析，采用JSCE-SF4方法对弯曲韧性进行了评价。研究结果表明，随着纤维掺量的增加，聚丙烯纤维自密实混凝土的抗压强度略有降低，劈裂抗拉强度和抗弯韧性均明显提高，聚丙烯纤维能够有效提高自密实混凝土的劈裂抗拉强度和抗弯韧性，为聚丙烯纤维自密实混凝土在工程中的应用提供了依据。

图7 弯曲韧度因子试验结果

[1]Domone P L.Self-compacting concrete:An analysis of 11 years of case studies[J].Cement Concrete Comp,2006,28(2):197-208.

[2]Zhu W Z,Peter J M,Bartos.Permeation properties of self-compacting concrete[J].Cement and Concrete Research,2003,33(6):921-926.

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[4]蔡 军.钢纤维自密实混凝土弯曲疲劳性能研究[J].商洛学院学报,2013,27(2):64-67.

[5]Domone P L.A review of the hardened mechanical properties of self-compacting concrete[J].Cement and Concrete Composites,2007,29(1):1-12.

[6]何小兵,卓 仪.聚丙烯纤维自密实混凝土工作性及强度性能研究[J].重庆交通大学学报,2012,31(6):1137-1140.

[7]桂苗苗.国内外自密实混凝土的标准概况与比较[J].材料导报,2011,25(2):97-100.