纤维体积率对聚丙烯粗纤维混凝土力学性能的影响研究*

顾梦圆 蔡莹莹 张丽哲 孙启龙 季 涛 高 强

南通大学纺织服装学院，江苏 南通 226019

纤维体积率对聚丙烯粗纤维混凝土力学性能的影响研究*

顾梦圆 蔡莹莹 张丽哲 孙启龙 季 涛 高 强

南通大学纺织服装学院，江苏 南通 226019

通过试验对比研究不同体积率的聚丙烯粗纤维对混凝土力学性能的影响。研究结果显示：聚丙烯粗纤维对混凝土的抗压性能无增强效果;对混凝土的劈裂抗拉、抗折及抗冲击性能有显著增强效果，当聚丙烯粗纤维体积率为0.50%～0.65%时，聚丙烯粗纤维对混凝土的劈裂抗拉和抗折性能增强效果最优,且纤维混凝土的抗冲击强度在试验范围内随聚丙烯粗纤维体积率的增加而增强，最高可提高2.8倍。

聚丙烯粗纤维， 混凝土， 力学性能， 纤维体积率

水泥混凝土是当今最重要的建筑材料，被广泛应用于道路、桥梁等工程中，但是普通的混凝土在使用过程中存在脆性大、韧性小、抗折强度低、抗拉强度小等许多缺陷，因此不能长时间的使用。为此，人们进行了大量的试验研究，发现将纤维材料掺入混凝土基体中可以有效提高混凝土的韧性，降低其脆性，并使其劈裂抗拉强度、抗折强度增强[1-3]。

混凝土增强用纤维种类较多，其中以增强效果显著、稳定性较好、价格低廉的聚丙烯纤维较为普遍，目前其已被广泛应用于建筑材料中[4-5]。而聚丙烯粗纤维的当量直径大于0.1 mm，其在混凝土中的掺量多于聚丙烯细纤维，因此其增强、增韧效果优于聚丙烯细纤维。

本文选择5种聚丙烯粗纤维体积率，在相同拌合工艺、相同配合比的条件下制备纤维混凝土试样，并进行纤维混凝土力学性能试验，研究聚丙烯粗纤维体积率对纤维混凝土的抗压、劈裂抗拉、抗折及抗冲击性能的影响。

1 试验部分

1.1 试验材料

水泥选用南通海螺牌P.O 42.5普通硅酸盐水泥；粗骨料采用粒径为5.0～20.0 mm的花岗岩碎石；细骨料选用细度模数为1.82的细砂；拌合水采用普通自来水；纤维采用南通新帝克单丝科技股份有限公司生产的聚丙烯粗纤维，主要性能见表1。

表1 聚丙烯粗纤维主要性能参数

1.2 试验配比

根据JGJ 55—2000《普通混凝土配合比设计规程》，试验所用混凝土的配合比为水泥∶水∶细砂∶碎石=1.00∶0.48∶1.47∶2.74。

试验时，混凝土中掺入的聚丙烯粗纤维的体积率分别为0.35%、0.50%、0.65%、0.80%和0.95%，并与不掺聚丙烯粗纤维的素混凝土进行对比。

1.3 试验方法

1.3.1 抗压性能

根据GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，混凝土抗压试件采用100.0 mm×100.0 mm×100.0 mm的立方体非标准试模制成。试件按标准制作成形后在SHBY -40A型水泥标准养护箱中恒温恒湿养护28 d，然后采用YAW -2000型微机控制液压伺服全自动压力试验机进行混凝土抗压性能测试，加载速度为0.30～0.80 MPa/s，每组试件测试3次，取平均值，并记录测试结果。

1.3.2 劈裂抗拉性能

根据GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，混凝土劈裂抗拉试件采用100.0 mm×100.0 mm×100.0 mm的立方体非标准试模制成。试件按标准制作成形后在SHBY -40A型水泥标准养护箱中养护28 d，然后在WDW -1200型电子万能试验机上进行混凝土劈裂抗拉性能测试，加载速度设定为0.05～0.08 MPa/s，每组试件测试3次，取平均值，并记录试验结果。

1.3.3 抗折性能

同样根据GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，混凝土抗折试件采用100.0 mm×100.0 mm×300.0 mm的非标准试模制成。试件按标准制作成形后在SHBY -40A型水泥标准养护箱中养护28 d，然后在WDW -1200型电子万能试验机上进行混凝土抗折性能测试，施压速度为 0.05 MPa/s，每组试件测试3次，取平均值，并记录试验结果。

1.3.4 抗冲击性能

根据JGJ/T 221—2010《纤维混凝土应用技术规程》，采用落重法自制试验装置对混凝土的抗冲击性能进行测试。采用φ152.0 mm×63.5 mm的圆柱形试件，冲击锤下落高度为1.2 m，测试试件的冲击延性指数及完全破裂后吸收的能量。

纤维混凝土的冲击延性指数λ定义为纤维混凝土的破坏冲击次数N2和初裂冲击次数N1的比值：

冲击韧性W为试件在遭受破坏过程中吸收的全部冲击能量：

W=Nmgh

式中：W——冲击韧性即冲击能量，J；N——冲击次数，次；m——冲击锤的质量，kg；g——重力加速度，m/s2；h——冲击锤下落的高度，m。

破坏冲击韧性W1与初裂冲击韧性W2的差值称为初裂后吸收能量(ΔW)，它能直观地反映混凝土初裂后吸收冲击能量的能力。

每组测试5个试件，取平均值，并记录试验结果。

2 试验结果及分析

2.1 抗压性能

聚丙烯粗纤维混凝土的抗压性能测试结果如图1所示。

图1 聚丙烯粗纤维体积率对纤维混凝土抗压强度的影响

从图1可以看出，在试验范围内，不同纤维体积率的聚丙烯粗纤维加入混凝土后，纤维混凝土的抗压强度与素混凝土相比均有所下降，这说明聚丙烯粗纤维对纤维混凝土的抗压强度没有起到增强作用，反而有所削弱。这是由于聚丙烯粗纤维的弹性模量与素混凝土相差较大，其对混凝土的纵向受力起不到增强作用；同时，混凝土中掺入聚丙烯粗纤维后，混凝土基体中的水泥浆体与骨料的结合力下降，从而导致聚丙烯粗纤维混凝土的抗压性能降低。

观察图1中折线变化趋势还可以发现，聚丙烯粗纤维混凝土试件的抗压强度随聚丙烯粗纤维体积率的增加而先升后降。当聚丙烯粗纤维体积率较低，即为0.35%、0.50%时，少量的聚丙烯粗纤维破坏了混凝土基体的整体性，使纤维混凝土的抗压强度较素混凝土分别下降15.60%和11.40%；当聚丙烯粗纤维体积率为0.65%时，纤维混凝土的抗压强度达到最大值，与素混凝土的抗压强度值接近；当聚丙烯粗纤维体积率为0.80%、0.95%时，混凝土中聚丙烯粗纤维数量增加，水泥浆体对骨料、聚丙烯粗纤维的包裹性能降低，从而导致纤维混凝土的整体抗压性能再次降低。因此，聚丙烯粗纤维的体积率在0.65%左右时，聚丙烯粗纤维对纤维混凝土抗压性能的减弱效果最小。

2.2 劈裂抗拉性能

聚丙烯粗纤维混凝土的劈裂抗拉性能测试结果如图2所示。

图2 聚丙烯粗纤维体积率对纤维混凝土劈裂抗拉强度的影响

从图2可以看出，不同纤维体积率的聚丙烯粗纤维掺入混凝土后，纤维混凝土的劈裂抗拉强度均有所提高，且随着聚丙烯粗纤维体积率的增加，纤维混凝土的劈裂抗拉强度近似呈正态分布。在试验范围内，劈裂抗拉强度存在最大值。在聚丙烯粗纤维体积率低于0.50%时，纤维混凝土的劈裂抗拉强度随着聚丙烯粗纤维体积率的增加而增大；当聚丙烯粗纤维体积率为0.50%时，纤维混凝土的劈裂抗拉强度较素混凝土提高40.09%，达到最大值；随后随着聚丙烯粗纤维体积率的增加，纤维混凝土的劈裂抗拉强度下降。究其原因在于，当聚丙烯粗纤维体积率低于0.50%时，纤维在混凝土基体中形成的三维乱向支撑体系比较弱，断面内纤维根数较少，纤维与混凝土基体的剪切力较弱，故对纤维混凝土的劈裂抗拉强度增强效果不明显；当聚丙烯粗纤维体积率较高时，纤维混凝土中每根纤维与混凝土基体之间接触的界面数量、含气量随之增加，这使得聚丙烯粗纤维与混凝土基体界面的黏结强度下降，从而导致纤维混凝土的劈裂抗拉性能下降。因此，聚丙烯粗纤维体积率只有在合适的范围内才能对纤维混凝土的劈裂抗拉强度起到较好的增强作用。

2.3 抗折性能

图3 聚丙烯粗纤维体积率对混凝土抗折强度的影响

聚丙烯粗纤维混凝土的抗折性能测试结果如图3所示。从图3可以看出，混凝土中掺入聚丙烯粗纤维后，其抗折强度有所提高，且在试验范围内，随着聚丙烯粗纤维体积率的增加，纤维混凝土的抗折强度先增后减。当掺入聚丙烯粗纤维的体积率为0.35%时，混凝土基体中聚丙烯粗纤维较少，在受到外界载荷作用时，聚丙烯粗纤维承担的载荷很少，故增强作用不显著；当聚丙烯粗纤维体积率增加到0.65%时，纤维混凝土的抗折强度较素混凝土提高68.12%，增强效果最优；当聚丙烯粗纤维体积率为0.95%时，纤维混凝土中聚丙烯粗纤维根数较多，此时聚丙烯粗纤维对混凝土的负效应超过正效应，故纤维混凝土的抗折强度呈下降趋势。因此，聚丙烯粗纤维体积率为0.50%～0.65%时，纤维对混凝土的抗折强度增强作用较显著。

2.4 抗冲击性能

聚丙烯粗纤维混凝土的抗冲击性能测试结果如图4和图5所示。

图4 聚丙烯粗纤维体积率与初裂后吸收能量的关系

图5 聚丙烯粗纤维体积率与冲击延性指数的关系

从图4可以看出，随着聚丙烯粗纤维体积率的增加，纤维混凝土初裂后吸收能量也在不断增加，抗冲击性能不断增强，其中当聚丙烯粗纤维体积率超过0.65%后，纤维混凝土抗冲击性能增强的幅度加大；当聚丙烯粗纤维体积率为0.95%时，纤维混凝土初裂后吸收的能量较素混凝土提高2.8倍。

从图5可以看出，当聚丙烯粗纤维体积率较小时，冲击延性指数有小幅度的下降，随着聚丙烯粗纤维体积率超过0.65%后，冲击延性指数随着聚丙烯粗纤维体积率的增加而不断增加。这是由于聚丙烯粗纤维在混凝土中呈乱向均匀分布，其通过与混凝土基体的结合形成了一种较强的支撑体系，当纤维混凝土受到冲击载荷时，该体系能有效吸收冲击动能，并在裂缝产生后，聚丙烯粗纤维作为裂缝间的桥梁可进一步消耗冲击能量，进而增加纤维混凝土的初裂后吸收能量与初裂冲击次数。因此，聚丙烯粗纤维对混凝土的抗冲击性能有较好的增强作用，且在一定范围内，聚丙烯粗纤维体积率越高，纤维混凝土的抗冲击性能越好。

3 结论

将不同体积率的聚丙烯粗纤维加入混凝土基体中，发现：

(1) 聚丙烯粗纤维的掺加未对混凝土的抗压强度产生增强效果，反而使其抗压强度有所降低，其中当聚丙烯粗纤维体积率为0.65%时，纤维混凝土的抗压强度最接近素混凝土的抗压强度。

(2) 聚丙烯粗纤维对混凝土的劈裂抗拉及抗折强度有增强效果，且纤维混凝土的劈裂抗拉及抗折强度均高于素混凝土，都呈现出随着聚丙烯粗纤维体积率的增加先增大后减小的趋势，其中聚丙烯粗纤维体积率在0.50%～0.65%范围内时，聚丙烯粗纤维的增强作用最明显。

(3)聚丙烯粗纤维对混凝土的抗冲击性能有显著增强的作用，并且在一定范围内，随着聚丙烯粗纤维体积率的增加，纤维混凝土的抗冲击性能随之增强，最大增幅可达2.8倍。

[1] 丁春奎，高强，季涛，等.聚丙烯纤维对混凝土抗冲击和抗折性能的影响[J]. 产业用纺织品，2015，33(5):11-14.

[2] 李丹，陶俊林，贾彬.玄武岩纤维混凝土抗冲击性能的试验研究[J].新型建筑材料，2012,39(12)：47-51.

[3] 李建辉，邓宗才.碳纤维增强混凝土的单轴拉伸特性[J].公路，2011(4)：185-187.

[4] 陈良，刘仍光，刘坚勇，等．聚丙烯纤维混凝土的性能和国内外应用[J]．青岛理工大学学报，2007，28(2)：27-30.

[5] 张爱玲.聚丙烯纤维增强混凝土性能的分析与应用[J].工程建设与设计，2011(4)：170-171.

Impact study of fibers’ volume ratio on mechanical properties of polypropylene macro-fibers reinforced concrete

GuMengyuan,CaiYingying,ZhangLizhe,SunQilong,JiTao,GaoQiang

School of Textile and Clothing, Nantong University, Nantong 226019, China

The influence of different volume ratios of polypropylene(PP) macro-fibers on the mechanical properties of concrete was contrastively studied by experiments. The results showed that PP macro-fibers had no enhancement effect on the compressive strength of concrete, while the splitting tensile strength, flexural strength and anti-impact strength of concrete were improved significantly, and when the PP macro-fibers’ volume ratio was at 0.50%～0.65%, the enhancement effect on splitting tensile and flexural performance of concrete by the PP macro-fibers was the best. In the test range, the anti-impact strength of concrete was improved with the increase of fibers’ volume ratio, the maximum could be increased by 2.8 times.

polypropylene macro-fiber， concrete， mechanical property， fibers’ volume ratio

*国家重点研发计划项目(2016YFB0303100)；江苏省高校自然科学研究面上项目(15KJD430008)；南通大学第十五届“挑战杯”大学生竞赛项目

2016-09-01

顾梦圆，女，1995年生，在读本科生，研究方向为纤维在混凝土中的性能

张丽哲，E-mail: zhanglz1005@ntu.edu.cn

TS102.5， TU528.572

A

1004-7093(2017)01-0011-04