聚丙烯纤维对轻骨料混凝土基本力学性能影响试验研究

翁志英

(福州职业技术学院，福州 350000)

轻骨料混凝土因为其具备质量轻、防火效果好、保温隔热性能优异以及更强的抗震性能等优点而在房屋建筑和桥梁工程中得到越来越多的应用[1-5]。虽然具备上述优点，但因为页岩陶粒通过高温煅烧工艺进行生产，内部产生的多孔结构导致其机械强度较天然石子低[6-7],因此,在轻骨料混凝土受力时更容易破坏，导致其基本力学性能降低[8-10]。聚丙烯纤维是近些年兴起的一种可用于对混凝土进行增强的纤维，其搅拌工艺简便、市场价格低廉，同时具备优异的力学增强性能[11-13]。文中研究轻骨料混凝土基本力学性能受所掺入的聚丙烯纤维的影响规律，有利于推广轻骨料混凝土的工程运用。

1 试验原材料

水泥为炼石牌42.5级普通硅酸盐水泥；天然粗集料为5～25 mm的碎石，碎石的粒径分布符合相关规范要求；砂为普通河砂，其细度模数为2.5；减水剂为苏博特聚羧酸高性能减水剂；页岩轻骨料为宜昌光大陶粒制品有限责任公司生产的G500等级5～25 mm连续级配页岩陶粒。所用页岩陶粒高温煅烧成型之后未经破碎，所以属于相对闭孔陶粒(见图1—2)，有很低的吸水率，页岩陶粒的各项物理性能如表1所示。

表1 页岩陶粒物理性能

图1 页岩陶粒

纤维采用聚丙烯纤维(见图3)，其组成结构类型为束状单丝状，表2为其基本物理力学性能。

图2 人工剪切后的页岩陶粒

图3 聚丙烯纤维

表2 聚丙烯纤维性能

2 混凝土的配合比和试验结果

参照《轻骨料混凝土应用技术标准》(JGJT 12-2019)对轻骨料混凝土的配合比进行设计，所用水胶比为0.4，砂率为0.3。基准组轻骨料混凝土设计的出料密度为1 810 kg·m-3，实际出料密度为1 836 kg·m-3。原因在于页岩骨料在搅拌过程中会将部分水分吸入内部，这部分进入骨料内部的水分不占据外部体积，导致实际密度高于设计密度。当坍落度过高时，页岩容易浮起，影响其工作性能，因此,设计减水剂用量的坍落度约为100 mm。试验所用配合比和最终的测试结果如表3所示。

表3 混凝土配合比和强度

3 轻骨料混凝土力学性能试验及结果分析

3.1 纤维掺量和纤维长度对于抗压强度的影响

图4对比了不同纤维掺量对混凝土立方体抗压性能的影响，可见掺加聚丙烯纤维可有效提升轻骨料混凝土的抗压性能。相较于基准组混凝土，纤维长度3 mm聚丙烯纤维掺量为0.3%、0.6%、0.9%和1.2%的轻骨料混凝土的抗压性能分别增加了4.4%、7.9%、12.8%和5.2%；纤维长度为6 mm且掺加0.3%、0.6%和0.9%体积聚炳烯纤维的轻骨料混凝土抗压性能则分别增加了11.5%、18.3%和14.5%。可见对于3 mm纤维，最佳的纤维掺量为0.9%，6 mm时则为0.6%。原因可能在于纤维长度增加时，过多体积掺量的聚丙烯纤维在搅拌的过程中形成一定的团聚，从而在混凝土内部形成薄弱部位。图5对比了不同纤维长度、同一纤维掺量轻骨料混凝土之间的强度关系，可见6 mm聚丙烯纤维比3 mm聚丙烯纤维更明显地提升轻骨料混凝土的抗压强度，0.3%、0.6%和0.9%纤维掺量时6 mm 纤维比3 mm纤维提升轻骨料混凝土抗压强度的增幅分别为7.1%、10.4%和1.6%。原因是聚丙烯纤维长度增加意味着在轻骨料混凝土开裂时处于裂缝中的聚丙烯纤维有更长的粘结长度，能够更有效地防止滑移，提供更大的拉力。

图4 纤维掺量对抗压强度的影响

图5 纤维长度对轻骨料混凝土抗压强度的影响

3.2 纤维掺量和长度对劈裂抗拉性能的影响

不同纤维量轻骨料混凝土与基准组混凝土的劈裂抗拉性能的对比如图6所示，可见在混凝土中掺入纤维后其劈裂抗拉性能得到有效提升。与对照组对比，掺加0.3%、0.6%、0.9%和1.2%纤维且纤维长度为3 mm的轻骨料混凝土的劈裂抗拉性能分别增加了4.5%、12.0%、13.8%和15.5%；聚丙烯纤维掺量为0.3%、0.6%和0.9%且纤维长度为6 mm的轻骨料混凝土的劈裂抗拉性能分别增加了14.3%、22.6%和23.4%。可见随着纤维的增加，轻骨料混凝土28 d的劈裂抗拉性能也会相应增加。原因在于高纤维掺量轻骨料混凝土即使存在上述因团聚而导致的薄弱部位，只要该部位不出现在劈裂破坏部位就不会对其劈裂抗压强度产生影响；且轻骨料混凝土劈裂抗拉时，穿过裂缝的纤维属于真正完全受拉状态，从而使更多的纤维增强轻骨料混凝土的劈裂抗拉性能。不同纤维长度、同一纤维掺量轻骨料混凝土之间的强度关系如图7所示。可见纤维长度对于轻骨料混凝土劈裂抗拉性能的影响与其对抗压强度的影响一致。0.3%、0.6%和0.9%纤维掺量时6 mm纤维比3 mm纤维提升轻骨料混凝土劈裂抗拉性能的增幅分别为9.8%、10.6%和9.5%。

图6 纤维掺量对劈裂抗拉性能的影响

图7 纤维长度对劈裂抗拉性能的影响

3.3 纤维掺量和纤维长度对于轻骨料混凝土弹性模量的影响

纤维添加量对于轻骨料混凝土弹性模量的影响如图8所示。聚丙烯纤维掺量为0.3%、0.6%、0.9%和1.2%且纤维长度为3 mm的轻骨料混凝土的弹性模量分别增加了0.4%、5.3%、2.7%和9.3%；聚丙烯纤维掺量为0.3%、0.6%和0.9%且纤维长度为6 mm的轻骨料混凝土的劈裂抗拉性能分别增加了2.2%、0%和5.8%。可见纤维掺量对于轻骨料混凝土弹性模量的影响小于其对于抗压强度和劈裂抗拉性能的影响，且规律不明显。但是整体上掺入聚丙烯纤维的页岩轻骨料再生混凝土的弹性模量等于或高于对照组。造成这种现象的原因可能在于弹性模量测试并非破坏性测试，在试验的过程中并未出现裂缝，仅出现有限的变形，纤维未能有效发挥作用。轻骨料混凝土弹性模量受不同纤维长度的影响如图9所示。可见纤维长度对于轻骨料混凝土弹性模量的影响无明显规律，0.3%和0.9%纤维掺量时6 mm纤维较3 mm纤维弹性模量增幅分别从0.4%增加到2.2%和从2.7%增加到5.8%，而0.6%纤维掺量时6 mm纤维较3 mm纤维弹性模量增幅从5.3%降低到0%。这种现象的原因与上述轻骨料混凝土弹性模量受到纤维添加量的影响规律一致。

图8 纤维掺量对轻骨料混凝土弹性模量的影响

图9 纤维长度对轻骨料混凝土弹性模量的影响

4 结 论

1) 掺入3 mm纤维添加量为0.3%～1.2%的轻骨料混凝土的立方体抗压强度较对照组增加，上升的幅度为4.4%～12.8%；掺入6 mm纤维添加量为0.3%～0.9%的轻骨料混凝土的立方体抗压强度较对照组增加11.5%～18.3%。当纤维长度为3 mm时，最佳的添加量为0.9%，6 mm时则为0.6%。

2) 6 mm聚丙烯纤维比3 mm聚丙烯纤维能更明显地提升轻骨料混凝土的抗压强度，0.3%～0.9%纤维掺量时6 mm纤维比3 mm纤维提升轻骨料混凝土抗压强度的增幅为1.6%～10.4%。

3) 随着聚丙烯纤维掺量的增加，轻骨料混凝土的劈裂抗拉性能逐渐增加。与对照组对比，纤维添加量为0.3%～1.2%且聚丙烯纤维长度为3 mm的轻骨料混凝土的劈裂抗拉性能增加幅度为4.5%～15.5%；0.3%～0.9%且聚丙烯纤维长度为6 mm的轻骨料混凝土劈裂抗拉性能增加幅度为14.3%～23.4%。

4) 0.3%～0.9%纤维掺量时6 mm纤维比3 mm纤维提升轻骨料混凝土劈裂抗拉性能的增幅为9.5%～10.6%。

5) 聚丙烯纤维掺量为0.3%～1.2%且纤维长度为3 mm的轻骨料混凝土的弹性模量较对照组增加了0.4%～9.3%；聚丙烯纤维掺量为0.3%～0.9%且纤维长度为6 mm的轻骨料混凝土的劈裂抗拉性能较对照组增加了0%～5.8%。纤维长度对于轻骨料混凝土弹性模量的影响则无明显规律。