基于合成纤维的混凝土制备及力学性能研究*

李 凡，郭红兵

（陕西交通职业技术学院 ，陕西西安710061）

近年来，由于合成纤维被应用于混凝土中，可以改善混凝土的延性、提高力学性能，使合成纤维混凝土在工程实践之中得到广泛的推广。据报道，美国使用合成纤维混凝土超过了钢纤维混凝土的使用量，达到使用混凝土总量的近10%，这标志着合成纤维混凝土不可估量的前景优势。目前，常用的纤维混凝土的合成纤维有聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、尼龙纤维等。在这些纤维基础上，部分学者也对合成纤维混凝土进行了大量研究，如徐恒谦[1]提出一种新型高聚物改性纤维混凝土的制备方案，并对制备后混凝土的性能探讨；齐港[2]则探讨了聚丙烯纤维对快硬混凝土力学性能影响。而聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维相对于钢纤维，有廉价、耐碱等优点。因此，本研究尝试以上述两种纤维作为原材料，制备纤维混凝土，并对制备混凝土的性能进行表征，从而为桥梁用混凝土的改进提供新思路。

1 试验部分

1.1 材料与设备

本试验主要材料及设备如见表1～表3。

表1 试验主要材料Table 1 Main experimental materials

表2 试验主要仪器Table 2 Main experimental instruments and equipment

表3 本试验选PP纤维物理参数Table 3 Physical parameters of PP fibers selected in this experiment

1.2 试验前准备

1.2.1 试件材料计算

公式（1）为纤维混凝土配制强度标准。取强度标准差σ=5MPa，根据桥梁用混凝土强度，计算出C30、C40基体强度，再利用公式（2）计算砼基体的水胶比[3]。

在公式（2）中，W/B代表水胶比，fb代表胶凝材料在28d的抗压强度，αa、αb代表回归系数。

按照以上配比，胶凝材料的质量为600kg。然后通过上式计算出水胶比和用水量。再利用绝对体积法和砂率的关系式，计算出碎石、河砂用量[4]。纤维用量则按照设计的0～2%体积率换算为用量。为避免因纤维体积率提高造成的混凝土工作性变差，掺入20%的粉煤灰替代水泥，以改善新拌水泥的和易性。

1.2.2 PP纤维混凝土配合比方案

为更好地对比不同状态下的PP纤维，不同强度等级的混凝土性能，对混凝土配合比进行设置[5]。表4为混凝土配合比分组，为简化统计复杂程度，对混凝土进行编号。将基体强度等级C30标记为A，C40标记为B，砂率百分比直接用50-、60-、70-表示，数字代表添加纤维的长度，后缀代表纤维种类，PPD表示单丝纤维、PPF表示仿钢丝纤维、PPW表示网状纤维，若后缀为0，则表示该混凝土没有添加任何纤维。如A50-30PPD代表砂率为50%掺入30mm PP单丝纤维的C30混凝土。粉煤灰质量标准为120kg/m2，水配比质量为315.33kg/m2，水泥配比质量为485kg/m2，减水剂为0，PP纤维量为9.3kg/m2，PP纤维体积率设定为1%。

表4 混凝土配合比分组Table 4 Concrete mix proportion grouping

续表4

1.2.3 试件制备

利用JS1000强制式混凝土搅拌机制备表3的试件。强制式搅拌机能保证纤维的均匀分散，避免搅拌方式、搅拌时间及投料顺序对纤维分散性造成的影响，进而避免纤维分散不均匀对混凝土性能的影响[6-7]。具体步骤：

（1）按照需求计算出每种配比所需材料质量，并精准称取。因碎石、河砂含水率和吸水率有所差异，应根据实际情况调整用水量，避免造成试验误差。

（2）提前将搅拌机内部擦拭湿润，在擦拭过程中要避免流动水留在搅拌桶内，以免产生误差。

（3）将水泥、河砂、粉煤灰加入搅拌机搅拌，1min后加入碎石、80%的设计、减水剂继续搅拌1min，最后加剩余水搅拌1min。

（4）均匀投入纤维，搅拌2min。搅拌结束后倒入事先刷油的模具中。用抹刀帮助填充边角部分，利用zp800振动平台将混凝土振实。抹平表面后室内静置养护1d。对拆模试块进行编号，放入标准养护室，养护28d后测试。

1.3 力学性能测试

1.3.1 坍落度测试

（1）将坍落度筒、铁铲等工具提前擦拭湿润。待搅拌机停止工作后，卸料，将坍落筒放置于新拌混凝土旁。一人踩住坍落筒两边的踏板，使坍落筒下缘与拌板完全贴合，另一人开始装料。

（2）装入1/3物料后的，用捣棒由外向里以螺旋状形态轻插混凝土28次。继续装料，装入2/3物料后，继续以上步骤，直到物料装满坍落筒，用抹刀将筒口抹平。

（3）握住坍落度筒两侧把手将坍落度筒慢慢匀速提起，使筒里的混凝土随之下落。坍落度筒提起时间为5～10 s。

（4）将坍落度筒放在从筒里掉落的待测试体旁，利用木条和钢尺检测出试体最高点与筒口的高度差，该高度差就是坍落度值。

1.3.2 抗压强度试验

将试块放置到YES-3000压力试验机上，开启压力试验机对试块进行加载，直到试块遭到破坏，加载速率为0.01mm/s。计算试块遭到破坏时的载荷，试块抗压强度计算公式为[8]：

在式（3）中，fcu表示该试块的抗压强度，单位为MPa；Fmax表示该试块所能承受的最大载荷，单位为N；A表示试块受压的面积，单位为mm2。

1.3.3 劈拉强度试验

在混凝土试块与试验机上压板间放置弧形钢垫条，然后计算试块遭到破坏时的载荷，具体计算公式为：

在式（4）中，fts表示该试块的劈拉强度，单位为MPa；Fmax表示该试块破坏时的载荷，单位为N；A表示试块劈裂面积，单位为mm2。

1.3.4 弯拉强度试验

弯拉强度试验装置如图1所示[9]。

图1 弯拉强度试验装置Fig. 1 Bending tensile strength test device

（1）抗拉强度计算

根据试块遭到破坏时的载荷，计算出试块抗拉强度。

在式（5）中，ftf表示该试块的弯拉强度，单位为MPa；Fmax表示该试块破坏时的载荷，单位为N；l表示支座间的距离，单位为mm；b、h表示试件截面的宽和高，单位为mm。

（2）初裂强度计算

初裂强度计算为：

在式（6）中，ffc，cra表示该试块的初裂强度，单位为MPa；Fcra表示该试块初裂载荷，单位为N；l、b、h与公式（5）相同。

取初裂点A对应初裂挠度为δ。根据初始挠度的3倍、5.5倍及10.5倍依次确定D、F、H点[10]。弯曲韧度指数I5为：

在式（7）中，S()δ表示挠度为δ时，载荷-挠度曲线与横坐标包围的面积。S(3)δ表示挠度为δ3 时，载荷-挠度曲线与横坐标包围的面积。

2 结果与讨论

2.1 坍落度试验结果

图2 为新拌混凝土坍落度结果。从图2看出，纤维混凝土的坍落度明显比纯混凝土坍落度有所降低，说明在混凝土中掺入纤维能增加粘稠度。同时对比图2可知，纤维种类长短不同，对坍落度的影响也不同，其中单丝纤维对混凝土影响最大。

图2 不同PP纤维混凝土坍落度值Fig.2 Slump values of different PP fiber reinforced concrete

2.2 抗压强度试验结果

不同纤维混凝土试块的抗压强度结果如图3所示。由图3可知，纤维混凝土试块的抗压性能相对纯混凝土试块有所降低，但纤维混凝土试块达极限载荷后，并未完全破坏，表面未见明显碎片，裂缝较少，破坏较缓慢。纯混凝土试块抗压性能相对较好，但表面碎片居多，呈现对顶倒锥体，破坏较为迅速，且有突发性。根据上述结果看出，纤维混凝土试块抗压性能稍弱于纯混凝土试块，但抗压韧性明显优于纯混凝土试块。

图3 不同PP纤维混凝土抗压强度结果Fig.3 Compressive strength results of different PP fiber reinforced concrete

2.3 劈拉强度试验结果

不同纤维混凝土试块的劈拉强度试验结果统计为图4。由图4可知，除砂率为60%、70%的C40基体掺入纤维的混凝土外，其余试块对混凝土试块的劈拉性能皆有提高。纤维混凝土试块达极限载荷后，并未完全破坏，且破坏较缓慢，开裂后仍旧有纤维横跨于裂缝中。纯混凝土试块达极限载荷后直接分开，破坏较为迅速，且有突发性。

图4 不同PP纤维混凝土劈拉强度结果Fig.4 Splitting tensile strength results of different PP fiber reinforced concrete

2.4 弯拉强度试验结果

不同纤维混凝土试块的弯拉强度试验结果统计为表5。由表5可知，纯混凝土虽然弯曲较强稍强，但在出现裂缝时，立马断掉成两截，弯曲韧度指数为1.0，残余强度因子为0，说明该破坏形态为脆性破坏，破坏迅猛而突然。纤维混凝土较纯混凝土弯拉强度有所下降，但是在出现裂缝后，并未发生断裂，还可继续承受一定载荷，以砂率50%的单丝纤维为例， 弯曲韧性指数和残余强度因子皆大于纯混凝土，在破坏过程中表现出了较大的韧性。

表5 不同PP纤维混凝土弯拉强度结果Table 5 Results of flexural tensile strength of different PP fiber reinforced concrete

3 结论

（1）纤维混凝土坍落度受掺入纤维的形态和长短影响，其中单丝纤维对纤维混凝土的坍落度的影响最大。

（2）抗压强度试验中，加入PP纤维后，试块的抗压强度有所下降，而当纤维为仿钢丝纤维，且长度为38mm时，得到的抗压强度达到最大，说明此时的纤维长度和结构更能提高混凝土的抗压强度。但图像显示，纤维混凝土达极限载荷后，并未发生脆性破坏，结构也较为完整，表面未见碎片剥落，说明PP纤维对混凝土的抗压韧性有所增强。

（3）在劈拉实验中，PP纤维混凝土在达极限载荷后，并未出现脆性断裂。之所以出现上述结果，是因为混凝土由很多纤维连接，这些纤维能增加混凝土的劈拉韧性。

（4）在弯拉强度试验中，掺入PP合成纤维后，混凝土的弯拉强度有所下降，但从破坏形态可以看出，PP合成纤维混凝土达极限载荷后，试件并未直接断开，可继续承受一定载荷。由此看出掺入PP合成纤维的混凝土，其弯拉韧性比纯混凝土试块好。