聚丙烯腈纤维自密实混凝土基本力学性能试验研究

朱朝艳，王锡伟，刘敬宇，邢婕思



聚丙烯腈纤维自密实混凝土基本力学性能试验研究

朱朝艳1，王锡伟1，刘敬宇1，邢婕思2

（1.辽宁工业大学土木建筑学院，辽宁锦州 121001；2.辽宁工程技术大学 建筑工程学院，辽宁阜新123000）

通过试验研究在纤维长度、掺量和混杂比例不同的情况下，聚丙烯腈纤维对C30自密实混凝土基本力学性能的影响规律。试验结果表明，掺入聚丙烯腈纤维可显著提高自密实混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度，但对轴心抗压强度的改善幅度较小。同时发现纤维长度和掺入比例对自密实混凝土力学性能影响较大，存在最佳纤维掺量和最佳纤维长度。

聚丙烯腈纤维；自密实混凝土；抗压强度；轴心抗压强度；劈裂抗拉强度；抗折强度

自密实混凝土（self-compacting concrete，SCC）是一种在自身重力作用下无需振捣(或轻微振捣)即能密实成型的高性能混凝土[1]，因其较普通混凝土更节能环保高效安全，被广泛运用于预制构件和浇筑困难的工程。但SCC水胶比低而砂率较高，常导致开裂，具有阻裂、增韧作用的纤维混凝土成为时下研究热点。目前国内外研究较多的是刚性纤维在混凝土中的增强作用，如钢纤维、碳纤维、芳纶纤维等[2-4]。而聚丙烯腈纤维属于柔性纤维，其弹性模量远小于普通混凝土，关于聚丙烯腈纤维的掺入对混凝土力学性能的研究较少且不够深入[5-6]，本文改变聚丙烯腈纤维的长度、掺量并等比例混杂不同长度的纤维，探讨这3方面因素对自密实混凝土力学性能的影响。

1 试验用原材料

水泥选用渤海水泥厂葫芦岛有限公司生产的渤海牌42.5级普通硅酸盐水泥，标准稠度用水量为29.0%，密度3 100 kg/m3；粉煤灰选用锦州市第一热电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，密度2 290 kg/m3；碎石粒径为5~20 mm连续级配；砂属于Ⅱ区级配中砂，粗细骨料性能分别列于表1和表2；外加剂选用聚羧酸高效减水剂，减水率30%~35%，与胶凝材料相容性较好，选定掺量为0.7%；纤维采用的是长度为6、12、19 mm（直径分别为13.00、26.89、80.50 μm）常州利尔德通新材料科技有限公司生产的聚丙烯腈纤维，弹性模量为17.1 GPa，抗拉强度为410 MPa。

2 自密实混凝土配合比的确定

本试验依据《自密实混凝土设计与施工指南》(CCES 02—2004)，采用改进的全计算法[7]进行C30自密实混凝土配合比的计算。再选取石用量系数、砂用量系数、减水剂掺量和粉煤灰掺量4个因素进行正交试验设计，每一因素各取3水平，形成L9（34）的正交表，按表试验，检测拌合物的工作性能和28 d抗压强度后选出最优的配合比如表3所示。

表1 石子性能指标

表2 砂性能指标

表3 自密实混凝土配合比

3 试件的制备

本试验共制备17组试件，其中F组为不掺纤维的自密实混凝土，下文统称基准混凝土，其余各组均掺有聚丙烯腈纤维，每组纤维的长度和掺量具体见表4。

表4 聚丙烯腈纤维掺量及几何特征

4 试验结果与分析

试验所得17组试件相关力学性能代表值及相对基准混凝土的强度增幅列于表5。根据表5中的试验数据，绘制了聚丙烯腈纤维混凝土的各项基本力学性能与纤维长度和纤维掺量之间的关系曲线，分别如图1~图8所示。

表5 聚丙烯腈纤维自密实混凝土基本力学性能试验结果

注：拉压比是劈拉强度与立方体抗压强度的比值。

图1 立方体抗压强度与纤维长度关系曲线

图2 立方体抗压强度与纤维掺量关系曲线

图3 轴压强度与纤维长度关系曲线

图4 轴压强度与纤维掺量关系曲线

图5 劈拉强度与纤维长度关系曲线

图6 劈拉强度与纤维掺量关系曲线

图7 抗折强度与纤维长度关系曲线

图8 抗折强度与纤维掺量关系曲线

4.1 聚丙烯腈纤维对混凝土立方体抗压强度的影响

从表5可见，无论单掺还是混掺，聚丙烯腈纤维的掺入均可提高混凝土的立方体抗压强度。从图1、图2可看出，单掺单一长度纤维时，随掺量提高，立方体抗压强度逐渐增大，到1.5 kg/m3时达到峰值，掺量再增大强度增长值开始出现下降趋势。混掺不同长度纤维时，同样是掺量为1.5 kg/m3时增强效果最好。可见纤维掺量存在最佳值。比较A、B、C 3组的试验结果发现，在掺量相同的情况下，随纤维长度的增加，抗压强度值逐渐提高。混合掺入时，3种长度等量混掺的E组抗压强度值高于2种纤维混掺的D组，总体上看混掺不同长度的纤维时抗压强度值介于单掺较短纤维和单掺较长纤维之间。可见纤维长度对立方体抗压强度的影响是比较明显的。

本次试验单掺19 mm、掺量为1.5 kg/m3时，立方体抗压强度的增幅最大，为27.81%，取得最佳增强效果。

4.2 聚丙烯腈纤维对混凝土轴心抗压强度的影响

因PAN纤维是柔性纤维，所以它对混凝土轴心抗压强度的改善效果较小，除C1.5组提高14.68%外，其余试验组增幅均未超过9.5%。从图3、图4可看出，单掺纤维时，随掺量增大，SCC的轴心抗压强度增长率呈线性升高，在纤维掺量为1.5 kg/m3时达到峰值，掺量再增大时，增长率反而减小。不同长度的纤维混杂掺入时，最佳掺量也是1.5 kg/m3。纤维掺量一定时，单掺纤维时，随纤维长度的增加，轴心抗压强度增长率随之提高（除试验组A0.5外），在纤维长度为19 mm时达到峰值。混杂掺入不同长度的纤维时，E组虽比D组测值高，但也小于单独掺入19 mm的测定值。

4.3 聚丙烯腈纤维对混凝土劈裂抗拉强度的影响

因PAN纤维具有较高的延伸率和抗拉强度，所以它对混凝土劈拉强度的改善十分明显，本试验中除A0.5组外劈拉强度均有提高。从图5、图6可看出，纤维长度一定时，纤维掺量为0.5~1.5 kg/m3时，随着掺量的增大，混凝土试件的劈裂抗拉强度逐渐增大，在1.5 kg/m3时达到峰值。其后掺量再增大，劈拉强度增幅反而减小，说明存在最佳掺量。纤维掺量一定时，随纤维长度的增加，SCC的劈裂抗拉强度均逐渐增大，在纤维长度为19 mm时达到峰值，说明存在最佳纤维长度。本试验中，混合掺入3种不同长度纤维的E1.5组试验结果最优，其次是单掺19 mm纤维的C1.5组，其强度增幅分别为23.4%和22%。

4.4 聚丙烯腈纤维对混凝土抗折强度的影响

从表5的试验结果可见，PAN纤维可明显提高SCC的抗折强度，增幅最大的为C1.5组，可达35.29%，其余试验组除A0.5与基准混凝土持平外，其他各组的增幅也在1.96%~29.41%。从图7、图8可看出，在纤维掺量一定时，单掺一种长度纤维时，纤维越长，SCC的抗折强度越大，在纤维长度为19 mm时达到峰值，同时本试验的结果也表明，不同长度的纤维混掺对抗折强度的增强效果不如掺加单一长度纤维。纤维长度相同时，随掺量的增大，抗折强度在掺量为1.5 kg/m3时增大到峰值，说明存在最佳纤维掺量为1.5 kg/m3。

5 结论

本文通过掺入聚丙烯腈纤维对自密实混凝土的力学性能进行试验研究，得到的主要结论如下:

(1)掺入长度小于20 mm，掺量小于2 kg/m3的聚丙烯腈纤维，可显著改善自密实混凝土的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度，对轴心抗压强度有一定正面效应，但相较其他力学性能的增强效果较小。

(2)存在最佳质量掺量、最合适掺入长度和最优混杂情况，超过或小于该掺量和长度均会使聚丙烯腈纤维对自密实混凝土的基本力学性能的增强作用下降。通过本文试验所得的最佳质量掺量为1.5 kg/m3，对于劈裂抗拉强度，适宜等量混合掺入6、12、19 mm的PAN纤维。对于立方体抗压强度、轴心抗压强度及抗折强度，单独掺入19 mm的PAN纤维增强效果最佳。

[1] 肖俊平. 自密实高性能混凝土的性质特性和应用[J]. 建筑发展导向, 2011, 9(2): 59-60.

[2] Carneiro J A, Lima P R L, Leite M B, et al. Compressive stress–strain behavior of steel fiber reinforced-recycled aggregate concrete[J]. Cement & Concrete Composites, 2013, 46(4): 65-72.

[3] Meneghetti G, Ricotta M, Lucchetta G, et al. An hysteresis energy-based synthesis of fully reversed axial fatigue behaviour of different polypropylene composites[J]. Composites Part B Engineering, 2014, 65(10): 17-25.

[4]周乐, 王晓初, 刘洪涛. 碳纤维混凝土力学性能与破坏形态试验研究[J]. 工程力学, 2013(S1): 226-231.

[5] 曲旭光, 史保华, 彭洪波. 聚丙烯腈纤维混凝土性能试验研究[J]. 混凝土, 2009(4): 81-82.

[6] 张丽哲, 石海强, 季涛. 聚丙烯腈纤维混凝土的抗压与抗折性能试验研究[J]. 南通大学学报: 自然科学版, 2012, 11(3): 39-42.

[7] 余志武, 潘志宏. 浅谈自密实高性能混凝土配合比的计算方法[J]. 混凝土, 2004(1): 54-67.

责任编校：孙 林

Experimental Study on Basic Mechanical Properties of Polyacrylonitrile Fiber Self Compacting Concrete

ZHU Chao-yan1, WANG Xi-wei1, Liu Jingyu1, XING Jie-si2

（1. College of Civil and Architectural Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China; 2.College of Architectural Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China）

Through experiments, the effect of polyacrylonitrile fiber with different length, volume and proportional mixing on the basic mechanical properties performance of C30 concrete are studied. Experimental results show that the compressive strength, splitting tensile strength and rupture strength of concrete are improved evidently after the mixing of PAN, but there is almost no improvement to the axial compressive strength. The test also shows that the length and mixing proportion have the maximum reinforcing effect on the mechanical properties of SCC. There exists an optimum fiber length and the most appropriate fiber ratio.

polyacrylonitrile fiber; self-compacting concrete; compressive strength; axial compressive strength; splitting tensile strength; rupture strength

10.15916/j.issn1674-3261.2017.02.006

TU502.6

A

1674-3261(2017)02-0095-05

2015-03-16

深圳市土木工程耐久性重点实验室开放基金项目(SZDCCE10-05)

朱朝艳(1968-)，女，辽宁锦州人，教授，博士。