聚丙烯纤维对混凝土抗冲击和抗折性能的影响

聚丙烯纤维对混凝土抗冲击和抗折性能的影响*

丁春奎高强季涛张丽哲

(南通大学纺织服装学院，南通，226019)

摘要：研究了不同长度的聚丙烯纤维对混凝土的抗折和抗冲击性能的影响。试验结果表明：在混凝土中分别掺入纤维体积率为0.5%的六种不同长度的聚丙烯纤维，均能提高混凝土的破坏冲击次数和冲击延性指数；当纤维长度为35 mm时，纤维混凝土的破坏冲击次数较素混凝土提高近2倍；在混凝土中掺入聚丙烯纤维，混凝土的抗折强度降低，而混凝土的中心挠度显著提高，较素混凝土最多增加达1 mm,能有效改善混凝土的韧性。

关键词：混凝土，聚丙烯纤维，抗冲击性能，抗折性能

中图分类号：TU528.572文献标志码：A

收稿日期：2014-10-21

作者简介：丁春奎，男，1989年生，在读硕士研究生。研究方向为聚丙烯纤维增强混凝土的力学性能。

普通混凝土具有较高的抗压强度，但因抗拉强度低、抗裂性差和韧性小，限制了其在有冲击、疲劳等动载荷作用场合下的使用，因此研究混凝土的抗冲击性能和抗折性能对混凝土的应用和发展具有重要意义[1-3]。研究表明，在混凝土中加入少量短切聚丙烯纤维，能有效提高混凝土的能量吸收能力，减少混凝土收缩裂缝的形成，提高混凝土的连续性和稳定性，起到明显的阻裂与增韧作用，在加载时表现出更好的弯曲性能和抗冲击性能[4-7]。本文研究了10～35 mm范围内的六种不同长度的聚丙烯纤维对混凝土的抗折性能和抗冲击性能的影响。

1试验部分

1.1材料

(1)水泥，强度等级为P.O 42.5的普通硅酸盐水泥；

(2)砂子，细度模数为1.82的细砂；

*产学研联合创新资金-前瞻性联合研究项目(BY2013042-02)

通信作者：高强，E-mail:gao.q@ntu.edu.cn

(3)粗集料，3～19 mm连续粒级碎石；

(4)圆形截面聚丙烯纤维，直径0.20 mm，密度0.91 g/cm3，断裂强度5.91 MPa,断裂伸长率18.06%，南通新帝克单丝科技股份有限公司生产。

1.2试验方法

1.2.1试样

根据GB 50010—2002《混凝土结构设计规范》，设计混凝土的强度等级为C30，配合比(质量比)为水∶水泥∶砂∶石子=0.48∶1∶1.47∶2.74，硬化混凝土的表观密度为2 420 kg/m3。

C0为不加聚丙烯纤维的素混凝土试样；C1～C6为分别加有不同长度聚丙烯纤维的纤维混凝土试样，纤维长度依次为10、15、20、25、30和35 mm。

1.2.2性能测试

1.2.2.1抗折性能

根据GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能实验方法标准》中抗折强度实验方法，在万能试验机上对试件进行测试。破坏强度按下式计算：

式中ffc,cra——纤维混凝土的初裂强度(MPa)；

Fcra——纤维混凝土的初裂载荷(N)；

l——支座间距(mm)；

h——试件截面高度(mm)；

b——试件截面宽度(mm) 。

非标准试件的测试结果应折算成标准件的相应强度值，折算系数为0.85。

抗折性能试验采用100 mm×100 mm×300 mm的非标准试模，纤维体积率为0.5%，每种试样浇筑3个试件。浇筑完成，静置24 h后脱模，在温度为20 ℃、相对湿度为95%的恒温恒湿条件下养护28 d取出，在电子万能试验机上进行抗折强度测试，中心跨距150 mm,加载速度为0.5 mm/min。

1.2.2.2抗冲击性能

按照美国ACI544委员会推荐的落重法进行抗冲击试验[8]。抗冲击性能试验采用直径为152 mm，高63.5 mm的圆柱形标准试模。纤维体积率为0.5%，每种试样浇筑3个试件。将抗冲击试件从养护箱中取出后，在温度为(20±2) ℃、相对湿度为60%±5%的环境条件下放置4 h后,擦干表面水分，在自由落锤装置上完成测试。重锤质量4.5 kg,下落高度460 mm。在冲击测试过程中，仔细观察试件表面，记录初次出现裂纹时的冲击次数和破坏时的冲击次数。

2结果与讨论

2.1不同长度的聚丙烯纤维对混凝土抗冲击性能的影响

试件从无裂缝至产生第一条微裂缝(即当试件受冲击应变发生突变)时为初裂；试件上的主裂纹贯穿至上表面时为破坏。纤维混凝土的破坏冲击次数和初裂冲击次数的比值定义为纤维混凝土的冲击延性指数[9]。

对素混凝土和纤维混凝土进行抗冲击测试，取3个试件受冲击次数的平均值。纤维长度和冲击次数的关系曲线见图1，纤维长度与冲击延性指数的关系曲线见图2。

1——破坏冲击次数；　2——初裂冲击次数 图1　纤维长度与冲击次数关系曲线

图2　纤维长度与冲击延性指数关系曲线

从图1和图2可见，聚丙烯纤维的加入能有效改善混凝土的抗冲击性能，且不同长度的聚丙烯纤维对混凝土抗冲击性能的增强作用不同。纤维长度在10～35 mm范围内，随着纤维长度的增加，混凝土的抗冲击性能提高。当纤维长度为35 mm时，纤维混凝土的破坏冲击次数是素混凝土的两倍。掺入纤维的混凝土均比素混凝土的冲击延性指数高。掺入纤维后，混凝土的冲击延性指数总体呈先上升后下降再上升的趋势。在相同体积率下，C3试样断裂面内承力纤维根数较C2试样少，抗裂阻力不足，因此冲击延性指数C3试样较C2试样有所下降。同时，C3试样中长20 mm的纤维与基体的有效接触面积小于C4～C6试样中长25 mm及以上的纤维与基体的有效接触面积，导致C3试样中纤维与混凝土基体之间的握裹力不足，因此冲击延性指数小。试件在受到冲击外力作用时，其截面上的受力是不均匀的，存在大量的应力集中点，这些应力集中点首先达到强度极限而发生破坏，产生微裂纹。由于纤维的阻裂增强作用，微裂纹并没有迅速扩展，当裂纹宽度增大到一定程度，纤维逐渐被拔出，纤维混凝土产生的裂缝失稳拓展，最后出现贯穿裂缝而破坏。

2.2不同长度的聚丙烯纤维对混凝土抗折性能的影响

纤维长度与破坏力、初裂强度、中心挠度(加载点位移)的关系曲线见图3和图4。

由图3可见，将直径为0.2 mm的聚丙烯纤维以0.5%的体积率加入到混凝土中，会降低混凝土的抗折强度。纤维的加入相当于在混凝土基体中形成了大量的缺陷，在外力作用下更容易形成应力集中点。当加入长度为10 mm的纤维时，混凝土抗折强度大幅下降。因为长度太短的纤维与混凝土的有效接触面积小，抗裂阻力小，抗折强度较低。加入长度为15～25 mm的纤维时，混凝土的抗折强度较加入长度为10 mm的纤维时呈增长趋势。此时，纤维和混凝土的有效接触面积大，在受外力作用时能提供更大的抗裂阻力。纤维长度继续增加，纤维在混凝土中分散困难，可能形成纤维团，且相同体积率下试件中的纤维根数减少，导致混凝土的抗折强度急剧下降。

图3　纤维长度与抗折强度关系曲线

图4　纤维长度与中心挠度关系曲线

由图4可见，加入纤维后的混凝土其中心挠度明显增大。当纤维长度为20 mm时，挠度增大值下降。在相同体积率下，C3试样断裂面内承力纤维根数较C1试样和C2试样少，抗裂阻力不足，因此中心挠度较C1试样和C2试样有所下降。同时，C3试样提供的抗裂阻力小于C4～C6试样中长25 mm及以上的聚丙烯纤维，因此对混凝土中心挠度的增大量不如其他几种长度的纤维。长度太短，纤维与混凝土的有效接触面积不够，纤维与混凝土的握裹力不足以对微裂纹的形成和发展产生作用；纤维过长，其在混凝土基体中分散不均，纤维之间会产生缠结，形成纤维团，对其强度有致命影响。

为了解混凝土的中心挠度随受力的变化情况，绘制了素混凝土和部分纤维混凝土的载荷-中心挠度关系曲线，见图5。

从图5可以看出：素混凝土在受外力时为脆性断裂，且形变较小，韧性差；加入聚丙烯纤维后，混凝土韧性明显提高。当中心挠度量为2 mm时，C3试样可继续承载，而C0试样已经破坏。从图5(d)可看出，C5试样表现出较好的韧性。纤维可以看作为混凝土中的次要加强筋，能跨横裂缝起桥接作用，缓解裂缝尖端的应力集中，增加裂缝的扩张阻力，提高混凝土的韧性。

3结论

(1)将直径为0.2 mm的聚丙烯纤维短切成10～35 mm范围内的不同长度，以0.5%的体积率加入到混凝土基体中时，均能有效提高混凝土的抗冲击性能，但混凝土的抗折强度降低。

(2)不同长度的聚丙烯纤维对混凝土的抗折性能影响不同，过短或过长均不利于提高混凝土的抗折强度。聚丙烯纤维的加入对提高混凝土的韧性具有重要意义。

图5　载荷-中心挠度关系曲线

参考文献

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[2]肖柏军，胡晓波，宁明哲，等.纤维增强混凝土抗冲击性能实验结果的统计分析[J].铁道科学与工程学报,2007(2)：44-47.

[3]HWANG S, SONG P S, SHEU B C. Impact resistance of polypropylene fiber-reinforced concrete[J]. Chungcheng Institute of Technology，2003(l)：1-14.

[4]SUJID, NATESAN S C, MURUGESAN R. Experimental study on behaviors of polypropylene fibrous concrete beams[J]. Journal of Zhejiang University SCIENCE A,2007,8(7):1101-1109.

[5]LI Beixing, CHEN Mingxiang, CHENG Fang, et al. The mechanical properties of polypropylene fiber reinforced concrete[J]. Journal of Wuhan University of Technology,2004，19(3):68-71.

[6]SONG P S, WU J C, HWANG S, et al. Statistical analysis of impact strength and strength reliability of steel-polypropylene hybrid fiber-reinforced concrete[J]. Construction and Building Materials,2005,19(1):1-9．

[7]王成启，吴科如.不同弹性模量的纤维对高强混凝土力学性能的影响[J].混凝土与水泥制品,2002(3)：36-37.

[8]ACI Committee 544. Measurement of properties of fiber reinforced concrete[J]. ACI Mater,1988,85(6)：583-93.

[9]邓宗才，李建辉，王现卫,等.粗合成纤维增强混凝土的冲击动载特性[J].混凝土,2006(9):65-68.

The effects of polypropylene fibers on the impact and

flexural resistance of concrete

DingChunkui,GaoQiang,JiTao,ZhangLizhe

(School of Textile and Clothing, Nantong University)

Abstract:The effects of different lengths of polypropylene fibers on flexural and impact resistance of concrete by experiment were studied. The results showed that: six different lengths of the fiber with a volume fraction of 0.5% were added to the concrete respectively, can improve the impact frequency and impact ductility index. When the fiber length was 35 mm, the frequency of impact damage increased nearly 2 times. Addition of polypropylene fibers, the flexural strength of the concrete was reduced, but the fracture deflection of concrete was improved significantly, compared to plain concrete, represent an increases up to 1 mm. Polypropylene fibers can improve the fracture toughness of the concrete effectively.

Kaywords: concrete, polypropylene fiber, impact resistance, flexural resistance

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