聚丙烯腈纤维混凝土的抗压与劈裂性能试验研究分析

刘利萍

（中铁十九局集团第二工程有限公司， 辽宁 辽阳 111000）

0 引言

聚丙烯腈纤维混凝土主要是指在以往的混凝土中添加一定比例的纤维，由此改善混凝土的韧性、抗冲击性、抗弯性、抗渗漏性等。聚丙烯腈纤维混凝土的出现弥补了以往混凝土自身重量大、抗弯拉强度低的问题，其中的纤维不仅能够提升混凝土的抗冲击性、抗弯性能、耐久性，而且还能够改善混凝土的伸缩性能、耐腐蚀性能。为了能够延长聚丙烯腈纤维混凝土的使用寿命，研究聚丙烯腈纤维混凝土力学性能变得十分重要。

1 聚丙烯腈纤维混凝土的抗压与劈裂性能试验材料和方法

1.1 试验材料和材料综合配比

试验材料包含聚丙烯腈纤维、P·042.5 型号的普通硅盐酸水泥、粉煤灰、中砂、石子、外加剂、拌合水。

材料性能如下：聚丙烯腈纤维长度为12mm、直径为10.5μm、密度为1.18g/cm3、拉伸强度为800MPa、弹性模量为12.9GPa。P·042.5 型号的普通硅盐酸水泥的表面密度为3100kg/m3、初凝和终凝时间分别为490min 和620min；28d 的劈裂强度为5.79MPa；3d、7d、28d 的抗压强度分别为36.1MPa、43.8MPa、54.8MPa。粉煤灰的需水量比为94%、细度为10%、密度为2380kg/m3、烧失量为1.32%。中砂的表观密度为2620kg/m3、含泥量为1.2%、细度模数为2.6；石子的表观密度为2700kg/m3、含泥量为0.2%、针片状含量为4%、压碎值为8%，连续级配。

从聚丙烯腈纤维混凝土基本力学性能研究结果可以发现，纤维的加入虽然不能够提升混凝土的抗压强度，但是能够显著提升混凝土的劈裂抗拉强度，最终提升混凝土的力学性能。另外，聚丙烯腈纤维融入混凝土还能够提升混凝土的抗压比和泊松比，降低混凝土的脆弱性，提高混凝土的拉应变能力、韧性，改善混凝土的力学性能。

1.2 配合比试验

选取以下几个类型的混凝土开展配合比试验，纤维掺和量和混凝土配合比如下：

纤维体积掺和量：基准混凝土的聚丙烯腈纤维掺和量为0；聚丙烯腈纤维混凝土的聚丙烯腈纤维掺和量为1kg/m3。混凝土配合比如表1 所示。

表1 混凝土配合比

1.3 试验制备

按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》的要求来开展试验试件的制备，抗压强度试验按照长宽高均为150mm 的标准试验，劈裂强度试验采取150mmx150mmx150mm 的标准试件。每个小组的试验制备三个试验件，从同一个批次的混凝土拌合物中取样。为了确保混凝土的搅拌均匀、纤维不成团出现，在搅拌操作的时候可以采取先干拌后湿拌的方式。首先，将称量好的水泥、砂石、纤维放入到搅拌机中搅拌两分钟；其次，在第一次搅拌的基础上加入适量的水继续搅拌三分钟，保障混凝土的搅拌均匀；再次，将两次搅拌完成的混凝土装模振捣处理，而后将其放置在15～25℃的环境中静置24h，而后拆模编号；最后，在对混凝土拆模编号处理之后，再次将其放入到20±1℃，湿度≥95%的标准养护室中养护28d。

1.4 试验操作方法

抗压强度试验采取国产JYE-2000 型压力试验机开展测试，试验量程为0～2000N，最小刻度数值为5N，加载速度为每秒0.5～0.8MPa，在试验操作的时候需要使用压力试验机测量出立方体试件破坏荷载，而后根据试验件能够承受的压力面积来计算得出混凝土的抗压强度。劈裂强度试验采用劈裂夹具进行测试，在试验结束之后需要根据所记录的试验件破坏荷载数值来计算出混凝土的劈裂强度，劈裂强度的计算公式为fs（MPa）=0.637*（2F）/(πA)。

2 聚丙烯腈纤维混凝土的抗压与劈裂性能试验结果分析

2.1 抗压强度

所测量的十组试验件抗压强度平均数值，相对于素混凝土强度增幅数值如下：聚丙烯腈纤维混凝土28d 抗压强度分别为47.58、47.56、50.17、51.99、48.71、51.41、48.71、51.41、52.17、48.52、49.10、51.91（MPa）；聚丙烯腈纤维混凝土抗压强度的增长幅度为0、-0.05、6.89、1.73、3.01、0.19、2.21、2.5、4.04、1.52。聚丙烯腈纤维混凝土的抗压强度和纤维掺和量、纤维长度之间的关系曲线如图1 和图2 所示。

图1 聚丙烯腈纤维混凝土的抗压强度和纤维掺和量关系曲线

图2 聚丙烯腈纤维混凝土的抗压强度和纤维长度的关系曲线

根据图表可以发现，在纤维长度为6mm、掺和量为每立方米0.3kg 的时候，混凝土的抗压强度就类似于素混凝土稍微有一些下降，由此就说明纤维短且掺和量较低的时候，无法有效改善混凝土的抗压性能，而在纤维掺和量增多且每立方米纤维掺和量不超过1kg 的时候，不考虑纤维有多长，这个时候混凝土的抗压强度都会提升，在纤维掺和量为每立方米1kg的时候，混凝土的抗压性能达到最稳定的状态。

在掺入的纤维质量达到一定比例的时候，9mm 长度纤维对混凝土抗压性能的强化影响要超过6mm 长度纤维和12mm 长度纤维对混凝土抗压性能的强化的影响。也就是说，9mm 是混凝土中最适合掺和的纤维长度。

对以上现象的原因深入分析我们会发现，聚丙烯腈纤维的直径比较细、比表面积大，纤维在加入混凝土并搅拌处理之后三维会呈现出乱向分布的状态，由此会形成三维混乱的支撑体系，在提升混凝土外作用力的同时还会使得一部分的能量被吸收，这个时候，受聚丙烯腈纤维粘结力较强的影响，纤维的增强效应也会在最大限度上发挥出来，在超过一定极限数值的时候，水泥基体和纤维之间的粘合力量会降低，混凝土胶凝材料的包裹效果也会降低，最终严重影响到混凝土抗压性能。但是这种纤维长度超过规定数值的时候，水泥基体和纤维之间的结合能力会大幅度地降低，最终会影响混凝土的性能。

2.2 劈裂强度

混凝土的抗压比是劈裂强度和抗压强度的比值，体现了混凝土的脆性。聚丙烯腈纤维在混凝土中的加入有效提升了混凝土的抗压比。

聚丙烯腈纤维混凝土28d 劈裂强度分别为5.58、5.62、6.2、5.63，劈裂强度增加幅度分别为0%、1.55%、24.03%、1.94%。聚丙烯腈纤维混凝土中纤维含量的增多能够提升混凝土的劈裂强度，在掺和同等数量纤维的时候，长度为9mm 聚丙烯腈纤维混凝土抗折性能的强化作用要超过长度为6mm 和12mm 的聚丙烯腈纤维混凝土抗折性能强化作用。由此也就说明，在聚丙烯腈纤维混凝土纤维掺和量达到一定数值的时候聚丙烯腈纤维混凝土28d 劈裂强度才会达到最为理想的状态，高于或者低于这个数值都无法保证聚丙烯腈纤维混凝土28d 的劈裂强度。

在深入分析原因，总结发现，由于聚丙烯腈纤维和混凝土基体相比，属于低弹模柔性纤维，它对混凝土抗压强度的改善作用不明显。由于聚丙烯腈纤维和混凝土基体之间存在粘结力，在劈裂和抗折的过程中，聚丙烯腈纤维会和混凝土之间产生摩擦力，纤维在抗断裂的过程中会消耗能量，纤维起到重要的连接作用，是混凝土的次加筋，在纤维的作用下能够提高混凝土抵抗受拉开裂的能力，对混凝土的劈裂和抗折强度会起到十分重要的改善作用。由此可以证明，聚丙烯腈纤维在加入到混凝土中的时候能够起到良好的阻裂效果，对提升混凝土的劈拉和抗折强度意义重大。

3 结束语

综上所述，聚丙烯腈纤维在混凝土中的适当加入能够提升混凝土的抗压强度和劈裂强度，而在每立方米纤维掺和量不超过1kg 的时候，伴随纤维掺和量的增加，混凝土的抗压性能会逐渐提升。在混凝土纤维掺和量达到一定数值的时候，纤维长度对混凝土的抗压性能会产生十分重要的影响，这种影响一般会存在一定的理想数值，在超过整个最理想数值的时候，聚丙烯腈纤维对混凝土抗压性能的强化作用就会降低，在经过一系列的试验分析之后最终将能够提升混凝土抗压、抗折强度的最理想纤维长度为10mm。