聚丙烯纤维掺量对混凝土抗压强度影响分析

谭 刚 王志亮

（1.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，湖北 武汉 430040；2.中交二航武汉港湾新材料有限公司，湖北 武汉 430040）

混凝土具有强度高、成本低、生产工艺简单等特点，在建筑工程中得到广泛应用。因其较好的抗压强度，成为了建筑结构的主要材料。但是，混凝土在承受较大压力的情况下，容易发生脆性破坏，产生裂缝，因其延性较差，破坏后不具备完整性，完全失去了承载能力，给建筑结构带来了一定的安全隐患。随着纤维混凝土研究的不断深入，聚丙烯纤维因其具有较好的抗拉强度、韧性好等特点，成为目前优化混凝土力学性能的一个研究热点。在20世纪70年代，聚丙烯纤维已经应用到建筑工程中，经过研究发现，聚丙烯纤维可以提升混凝土性能，但是，过量添加也会出现负增长的情况。为了明确混凝土中聚丙烯纤维掺量对抗压性能的影响，需要通过试验等方面的研究，了解其不同掺量对混凝土性能产生的影响。

1 研究现状

混凝土的抗压性能是评价混凝土是否生产合格的基本指标。针对混凝土的抗压强度，在掺合聚丙烯纤维的过程中产生不同的变化趋势，很多学者对聚丙烯纤维掺量进行了相应的研究。

（1）Ede等学者对不同聚丙烯纤维掺量情况下的混凝土性能进行了试验，认为其掺量在0.25%可以达到最佳的效果，其抗压强度可以提高约9%。

（2）Wang的试验表明，随着聚丙烯纤维的添加，混凝土的抗压、抗拉强度都有很强的增长趋势。

（3）王乾玺的研究表明，添加聚丙烯纤维可以将混凝土的抗拉强度提高5%左右。

（4）徐礼华等研究表明，聚丙烯纤维掺量在0.05%、0.1%、0.15%和0.2%时，混凝土抗压强度相比普通的混凝土可以提高约2.1%、12.1%、15.8%、18.6%。这充分说明了聚丙烯纤维对于混凝土抗压强度的整体提升具有重要的作用。但是，也有学者提出了反对意见，张恒通过研究认为，聚丙烯纤维的添加对混凝土的抗压强度影响较小。

（5）Choi等学者认为，通过掺入聚丙烯纤维，会使混凝土抗拉强度有所提升，但是，对其抗压强度没有相应的影响，甚至会降低抗压强度。

众多学者对聚丙烯纤维混凝土做出了大量的研究，得出了不同的结论。本文针对不同掺量的聚丙烯纤维在混凝土不同养护龄期下进行研究，使用最为常见的19mm长聚丙烯纤维，在0～1.5kg/m3的掺量情况下做了立方体和轴心抗压测试，希望得到在不同龄期情况下的最佳掺量。

2 试验设计

2.1 试验材料

本次试验涉及的材料有普通硅酸盐水泥、Ⅱ级粉煤灰、砾石粗骨料、连续集配。细骨料的细度模数为2.5，减水剂为萘系高效减水剂。聚丙烯纤维选用了长度19mm、直径31.0μm的单丝纤维。

2.2 配合比设计

本试验的配合比设计参照C30混凝土，水胶比为0.35。同时，聚丙烯纤维的掺量过大会导致其纤维分布较为密集，出现水泥包裹不足的情况。因此，在考虑不影响混凝土性能的情况下，分别使用0.3kg/m3、0.6kg/m3、1.0kg/m3、1.5kg/m3的掺量进行试验，以普通混凝土未掺加聚丙烯纤维作为对照组。其他的掺量分别以PF-0.3、PF-0.6、PF-1.0，PF-1.5进行命名。具体的配合比设计见表1。

表1 聚丙烯纤维混凝土配合比（单位：kg/m3）

2.3 试验方法

本试验参照《纤维混凝土应用技术规程》（JGJ/T 221-2010）进行试验方法的设计，通过立方体和轴心抗压试验研究不同掺量对纤维混凝土抗压性能的影响。通过绘制发展曲线可以发现，混凝土在养护14d以前强度迅速增长；但在14～28d阶段，发展相对较为缓慢；28d之后，虽然还有一定的增长，但已经趋于稳定。根据相关文献记载，使用标准养护方式分别设计了14d、28d、60d的养护龄期，通过不同龄期、掺量下的混凝土，各设置六个试块进行分析。立方体抗压试验试件尺寸为100mm×100mm×100mm，轴心抗压试验采用 100mm×100mm×300mm。

3 试验结果分析

3.1 混凝土立方体抗压性能影响分析

3.1.1 试验现象

在普通混凝土被压缩的过程中，快速产生了纵、横向裂缝，裂缝发展较为迅速，裂缝的贯通使混凝土失效，发生脆性破坏。而加入聚丙烯纤维会抵消部分脆性破坏的影响，增加混凝土的延性，使其在达到最大荷载后仍不发生破碎。从试验破坏形态来看，普通混凝土在破坏过程中，从出现裂纹到混凝土破坏，显示了明显的脆性，达到最大荷载后，迅速被压制为零散状。而掺加聚丙烯纤维后，其破坏性能不明显，没有出现破碎的现象，只有少数的碎片被压落，其余整体性较好，虽然试件出现了破坏，但仍能承受一定的荷载。这种情况说明，聚丙烯纤维的添加对于混凝土的开裂具有很强的保护作用，同时，对其脆性有一定的改善。在压力机输出能量相同时，普通混凝土出现破坏的情况，同样的压力，掺加聚丙烯纤维的混凝土只处于开裂状态，仍有一定的承载能力。在受压破坏的过程中部分纤维混凝土两侧增加了抗拉性能，有效地提高其延性。这说明纤维被拉断的过程中消耗了较多的能量，从而提高了混凝土的整体力学性能。图1为普通混凝土与聚丙烯纤维掺量为0.8kg/m3的混凝土破坏对比图。

图1 普通混凝土与聚丙烯纤维掺量为0.8kg/m3的混凝土破坏对比图

3.1.2 立方体抗压曲线分析

通过3种不同龄期的聚丙烯纤维混凝土立方体抗压强度应变曲线分析，在添加聚丙烯纤维后，混凝土的抗压强度出现了先增后减的趋势。在14d和28d的养护龄期情况下，0.6kg/m3的抗压强度增长最多。在60d的养护龄期情况下，0.3kg/m3的抗压强度增长最多。随着龄期的不断增长，聚丙烯纤维的掺量对混凝土抗压强度表现出不同的影响趋势。普通混凝土随着龄期的增加，抗压强度也出现了增加，但增加幅度相对较小。聚丙烯纤维在0.3kg/m3、1.0kg/m3、1.5kg/m3的掺量下，混凝土的压强随着龄期的增长不断增加，但随着掺量的不断提升，其提升幅度出现了逐渐变小的趋势，且小于普通混凝土的提升范围。在0.6kg/m3的聚丙烯纤维掺量下，混凝土抗压强度随着龄期的增加出现了先增后减的趋势。从试验的整体结论看，随着养护龄期的不断增长，聚丙烯纤维掺量的增加也会使其抗压强度出现先增后减的情况。因此，这说明聚丙烯纤维的掺量不宜过多，当掺量大于1.5kg/m3时，其性能的提升已经小于普通混凝土。添加聚丙烯纤维过量会对其强度增长造成一定的影响。同时，聚丙烯纤维混凝土的位移曲线也相对普通混凝土有了较大的发展，普通混凝土出现了脆性破坏，而添加聚丙烯纤维的混凝土在达到最大荷载后，其荷载位移曲线下降较为平缓，体现了一定的延性。养护龄期越短的普通混凝土与聚丙烯纤维混凝土的破坏区别就更为明显了，聚丙烯纤维混凝土的下降显得较为平缓，说明其在破坏之后仍具备一定承受荷载的能力，在添加聚丙烯纤维后，混凝土的抗破坏性能得到了很大提升。

3.2 轴心抗压性能影响分析

3.2.1 试验现象分析

轴心抗压试验与立方体试验不同，轴心抗压试验体现了更为明显的脆性破坏，一旦产生裂缝，随即发生整体的破坏。其破坏的形态分析如下：在试验过程中，普通混凝土出现了快速的裂缝发展，呈30°～45°的快速贯通。而聚丙烯纤维混凝土在发生破坏的过程中无明显脱落，没有出现整体的碎裂。同时，聚丙烯纤维的添加，使其表面的裂缝更加细小，掺量越大，裂缝越细小。当混凝土的掺量在0.6kg/m3和1.5kg/m3时，出现裂缝的细微程度相差不大，整体性也相差较小，且纤维混凝土裂缝的发展与普通混凝土30°～45°的发展状况较为相似。

3.2.2 轴心抗压曲线的分析

经过轴心抗压曲线的分析发现，轴心抗压的峰值随着龄期的增加而增大。掺入的聚丙烯纤维可以有效地提高其轴心抗压能力。得出的结论是：在1.0kg/m3的掺量时，可以使其抗压效果达到最佳，这与上文立方体抗压试验的0.6kg/m3的最佳掺合量是具有不同结论的。在养护龄期为14d时，1.0kg/m3掺量的聚丙烯纤维混凝土轴心抗压强度增长较为迅速，超出了普通混凝土的17.93%。在养护龄期为28d时，掺量为1.0kg/m3的聚丙烯纤维混凝土轴心抗压强度达到了最大值，比普通混凝土高出了9.14%。当养护龄期为60d时，聚丙烯纤维掺量在0.6kg/m3的情况下，其轴心抗压强度略高于1.0kg/m3掺量的混凝土，比普通混凝土高出18.39%。但是，在1.0kg/m3的掺量情况下试件体现了更大的变形，增长幅度最大值对应为0.6kg/m3。在掺量1.5kg/m3时，其抗压强度提升最小，同时也小于普通混凝土。在此过程中，在各纤维不同掺量的情况下，并未出现随着龄期增长而下降的情况。随着龄期的增长，混凝土的极限并未因其掺量的变化而产生明显的、有规律的变化情况。这充分说明了聚丙烯纤维的添加可以有效地抵御混凝土开裂的情况，但不能增加其变形量。与普通混凝土的对比说明，两者在受拉破坏的情况下，体现了相似的规律，但在掺加聚丙烯纤维后，混凝土的整体性明显更好。

4 结语

本文通过不同掺量聚丙烯纤维混凝土抗压强度试验分析，可以得出以下结论：

（1）在掺加聚丙烯纤维过程中，混凝土整体脱落情况较少，有效地增加了混凝土的延性，对其整体性有所加强，同时，也可以在最大荷载的情况下，承受一定的压力。

（2）通过对混凝土立方体和轴心抗压强度的试验表明，聚丙烯纤维的添加使得混凝土的整体性高于普通混凝土，并且随着掺加量的增加，抗压强度出现了先增后减的趋势。同时，经过分析得出，聚丙烯纤维掺量在0.6～1.0kg/m3的情况下，可以达到混凝土最优的抗压性能，建议在混凝土生产过程中进行应用。