掺玻璃纤维和聚丙烯纤维混凝土力学性能分析★

王中志 段长松 贾艳敏

(东北林业大学土木工程学院,黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

混凝土作为现代最为常见和使用的建筑材料，具有强度高、抗变形能力出色等优越性，在国家桥梁工程、大型建筑中得到广泛应用。但混凝土收缩因受到限制会引起拉应力，且混凝土抗拉强度较低，因而混凝土收缩容易引起混凝土出现裂纹，从而引起一系列的问题[1]。因此改善及提高混凝土的物理力学性能，提高其耐久性，成为当前工程界亟需解决的问题。掺聚丙烯纤维(Polypropylene Fiber，以下简称PPF)和玻璃纤维(Glass Fiber，以下简称GF)混凝土作为一种新型材料在结构工程中的应用正受到国内外越来越多的重视，然而国家还没有针对其实验和技术规程制订统一的标准[2]，因此开展双掺玻璃纤维和聚丙烯纤维混凝土的基础性研究，对于推广应用于土木工程有着现实的意义。

1 试验

1.1 主要试验材料

1)水泥：采用哈尔滨“亚泰”公司2017年7月份生产的P.O42.5水泥；2)集料：细集料采用细度模数为2.5的优质河砂；粗集料选用10 mm～16 mm的连续级配碎石；3)外加剂：采用高效减水剂，由宏远建筑外加剂有限公司生产；4)纤维：选用了泰安市嘉程纤维有限公司生产的GF和浙江博恩金属制品有限公司生产的PPF;5)粉煤灰：采用Ⅱ级粉煤灰，产地为哈尔滨热电厂；6)水：纯净的自来水。

1.2 GF和PPF的物理性能

GF(如图1所示)是一种性能优异的无机非金属材料，抗腐蚀性好，握裹力强，耐久性好，绿色环保。GF性能参数：当量直径15 μm，密度2.7 kg/m3，弹性模量为80 GPa，抗拉强度1 800 GPa[3]。

PPF是一种半透明、集束状或网络状的塑料纤维(如图2所示)，性能稳定、耐酸碱性好、握裹力大等特点。PPF性能参数：密度为0.91 kg/m3，当量直径为48 μm，抗拉强度500 MPa，弹性模量为5 GPa，熔点为160 ℃[3]。

1.3 试验配合比

为测定掺入不同种类和含量纤维的混凝土力学性能指标，将试验分为掺入总含量为0.5 kg/m3,1.5 kg/m3的纤维，并设置一组不掺纤维的素普通混凝土为对比试验。不同体积掺量试验下有三组，分为单掺GF、单掺PPF、双掺GF和PPF，并保持总纤维含量不变。

1.4 试验方法

试验按照CECS 13—89钢纤维混凝土试验方法进行[4]，对试件进行7 d和28 d抗压和抗折试验。抗压强度试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，抗折强度试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm。砂浆试模采用可装卸的试模，成型后提供相对湿度大于90%的条件的养生环境。每组下不同龄期的抗压、抗折试件各有2个,3个平行试件。试验温度控制在20 ℃上下，湿度控制为60%左右。

2 试验结果和分析

2.1 抗折强度

试件在养护7 d和28 d后进行抗折试验，并取试件强度的平均值作为结果。试验结果如表1所示。

表1 各组抗折试验结果 MPa

其中，NC为素混凝土；GF0.25,GF0.5,GF0.75,GF1.5分别为纤维体积掺量为0.25 kg/m3,0.5 kg/m3,0.75 kg/m3,1.5 kg/m3；PPF相应数值与GF命名规律一致。因每组试块的波动较小，变异系数小于0.05，因此不考虑试验数据波动带来的干扰。

1)在抗折试验可以明显看出，混凝土试件在外力下均发生了脆性破坏，掺入纤维的组抗折强度稍有提升，但提高幅度不显著。掺入0.5%含量纤维时，对比7 d抗折强度，GF0.5，PPF0.5，GF0.25+PPF0.25分别提升了11.14%,5.64%,6.37%；对比28 d抗折强度，则上述各组分别提升了10.89%,5.19%,5.66%。

2)掺入1.5%含量纤维时，对比7 d抗折强度，GF1.5,PPF1.5,GF0.75+PPF0.75分别提升了9.22%,2.85%,2.99%；对比28 d抗折强度，上述各组分别提升了7.43%,2.48%,2.79%。

3)掺入不同种类和含量的纤维，其抗折强度出现不同的变化，GF在试验中抗折强度均为最大。总体而言，掺纤维在提高抗折强度性能上有限，双掺纤维提高幅度居于相同含量GF和PPF之间。

2.2 抗压强度

试件在经7 d和28 d养生后进行抗压强度测试，因每组试块的波动较小，变异系数小于0.05，所以取三个平行试件的平均值作为试验结果，数值见表2。

表2 各组抗压试验结果 MPa

1)通过试验结果可知，在掺入纤维后，各组的抗压强度与NC相比出现了降低的现象。在抗压强度试验中，掺入0.5%含量纤维时，对比7 d抗压强度，GF0.5,PPF0.5,GF0.25+PPF0.25分别降低了4.49%,2.40%,4.45%；对比28 d抗压强度，上述各组分别降低了4.70%,1.90%,3.09%。

2)掺入1.5%含量时，对比7 d抗压强度，GF1.5,PPF1.5,GF0.75+PPF0.75分别降低了6.18%,4.9%,5.57%；对比28 d抗压强度，上述各组分别降低了4.48%,4.08%,4.05%。

3)掺入纤维后，各组抗压强度均有降低。加入不同种类和含量纤维的混凝土拥有不同的性质，但效果无明显区别。双掺GF和PPF在抗压强度试验上，性能居其他掺入单一纤维组之间。

3 结语

1)对于普通强度等级混凝土，在相同的材料、温度和湿度条件下，掺入一定含量GF和PPF均能提高混凝土的抗折性能，在提高幅度上单掺GF较其他组最为明显，单掺PPF的组幅度相比较而言最低。两种纤维含量均能降低混凝土破坏时的抗压性能，致使混凝土脆性增大，抗压性能降低。虽然强度随纤维含量增加而抗压性能降低，但总体而言无显著影响。

2)双掺纤维不同体积掺量下兼有单掺GF和PPF混凝土的性质，但对抗折强度的提高能力有限。