聚丙烯纖維對(duì)混凝土抗折,抗沖擊性能的影響

聚丙烯纖維對(duì)混凝土抗沖擊和抗折性能的影響丁春奎1,高強(qiáng)1,季濤1,張麗哲1(南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，南通226019,12150008@摘要：研究了不同長(zhǎng)度的聚丙烯纖維對(duì)混凝土的抗折和抗沖擊性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：在混凝土中分別摻入纖維體積率為0.5%的6種不同長(zhǎng)度的聚丙烯纖維，均能提高混凝土的破壞沖擊次數(shù)和沖擊延性指數(shù)；當(dāng)纖維長(zhǎng)度為35mm時(shí)，纖維混凝土的破壞沖擊次數(shù)較素混凝土提高近2倍；在混凝土中摻入聚丙烯纖維，混凝土的抗折強(qiáng)度降低，而混凝土的中心撓度顯著提高，較素混凝土最多增加達(dá)1mm,能有效改善混凝土的韌性。關(guān)鍵詞：混凝土;聚丙烯纖維；抗沖擊性能;抗折性能EffectsofPolypropyleneFibersontheImpactAndFlexuralResistanceofConcreteDingChun-kui1,GaoQiang1,JiTac1,ZhangLi-zhe1(SchoolofTextileandClothing,NantongUniversity,Nantong,Jiangsu,226019,China,12150008@)Abstract:Byexperimenttostudytheeffectsofdifferentlengthsofpolypropylenefibersonflexuralandimpactresistanceofconcrete.Theresultsshowedthat:withavolumefractionof0.5%,sixdifferentlengthsofthefiberaddedtotheconcreterespectively,canimprovetheimpactfrequencyandimpactductilityindex.whenthefiberlengthwas35mm,thefrequencyofimpactdamageincreasednearly2times;AdditionofPPfibers,theflexuralstrengthoftheconcretewasreduced,butthefracturedeflectionofconcretewasimprovedsignificantly,comparedtoplainconcrete,representanincreasesupto1mm,improvedthefracturetoughnessoftheconcreteeffectively.Kayword:Concrete;PolypropyleneFiber;Impactproperties;Flexuralproperties普通混凝土擁有較高的抗壓強(qiáng)度，但其抗拉強(qiáng)度低，抗裂性差，韌性小限制了其在沖擊、疲勞等動(dòng)載荷作用下的使用。因此，研究混凝土的抗沖擊性能和抗折性能對(duì)混凝土的應(yīng)用和發(fā)有重要意義［1-幻研究表明，在混凝土中加入少量短切聚丙烯纖維，能有效提高混凝土的能量吸收能力，減少混凝土收縮裂縫的形成，提高了混凝土的連續(xù)性和穩(wěn)定性，起到明顯的阻裂與增韌作用，在加載時(shí)表現(xiàn)出更好的彎曲性能和收稿日期：2014-10-21基金項(xiàng)目：產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金一前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目(BY2013042-02).作者簡(jiǎn)介：丁春奎，男，1989年生，在讀碩士研究生。研究方向?yàn)榫郾├w維增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能研究通訊作者：高強(qiáng)，研究員，E-mail:gao.q@抗沖擊性能［4-7］。本文通過(guò)試驗(yàn)研究了10mm到35mm范圍內(nèi)的六種不同長(zhǎng)度的聚丙烯纖維對(duì)混凝土的抗折性能和抗沖擊性能的影響。1試驗(yàn)過(guò)程1.1試驗(yàn)材料水泥強(qiáng)度等級(jí)為P.O42.5普通硅酸鹽水泥砂子細(xì)度模數(shù)為1.82的細(xì)砂粗集料3mm到19mm連續(xù)粒級(jí)碎石纖維南通新帝克單絲科技股份有限公司生產(chǎn)的圓形截面聚丙烯纖維，其物理力學(xué)性能見(jiàn)表1。表1聚丙烯纖維的物理力學(xué)性能纖維直徑/mm密度/(g/cm3)斷裂強(qiáng)度/MPa斷裂伸長(zhǎng)率/%聚丙烯0.200.915.9118.061.2試驗(yàn)方法根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50010-2002》，設(shè)計(jì)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C30，配合比為水：水泥：砂：石子（質(zhì)量比）=0.48:1:1.47:2.74，硬化混凝土的表觀密度為2420kg/m3。各試樣中纖維長(zhǎng)度如表2所示。表2試樣中纖維長(zhǎng)度試樣編號(hào)纖維長(zhǎng)度C0-C110mmC215mmC320mmC425mmC530mmC635mm抗折性能試驗(yàn)采用100x100x300mm的非標(biāo)準(zhǔn)試模，纖維體積率為0.5%，每種試樣澆筑3個(gè)試件。澆筑完成，靜置24小時(shí)后脫模，在溫度為20°C，相對(duì)濕度為95%的恒溫恒濕條件下養(yǎng)護(hù)28天取出，在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗折強(qiáng)度測(cè)試，中心跨

距150mm,加載速度為0.5mm/min。按照美國(guó)ACI544委員會(huì)推薦的落重法進(jìn)行抗沖擊試驗(yàn)⑻。抗沖擊性能實(shí)驗(yàn)采用直徑為152mm，高63.5mm的圓柱型標(biāo)準(zhǔn)試模。纖維體積率為5%，每種試樣澆筑3個(gè)試件。將抗沖擊試件從養(yǎng)護(hù)箱中取出后，在溫度為20±2°C、相對(duì)濕度為60+5%的環(huán)境條件下放置4小時(shí)后，擦干表面水分，在自由落錘裝置上完成測(cè)試。重錘質(zhì)量為4.5kg,下落高度460mm。沖擊測(cè)試過(guò)程中，仔細(xì)觀察試件表面，記錄初次出現(xiàn)裂紋時(shí)的沖擊次數(shù)和破壞時(shí)的沖擊次數(shù)。2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論2.1不同長(zhǎng)度的聚丙烯纖維對(duì)混凝土抗沖擊性能的影響對(duì)素混凝土和纖維混凝土的抗沖擊測(cè)試，取3個(gè)試件受沖擊次數(shù)的平均值，纖維長(zhǎng)度和沖擊次數(shù)的關(guān)系曲線如圖1所示。試件從無(wú)裂縫至產(chǎn)生第一條微裂縫，即當(dāng)試件受沖擊應(yīng)變發(fā)生突變時(shí)為初裂。試件上的主裂紋貫穿至上表面時(shí)為破壞。纖維混凝土的破壞沖擊次數(shù)和初裂沖擊次數(shù)的比值定義為纖維混凝土的沖擊延性指數(shù)［9］，纖維長(zhǎng)度與沖擊延性指數(shù)的關(guān)系曲線如圖2所示。—初裂沖擊次數(shù)?破壞沖擊次數(shù):-------

45403530另、海好捋fc款珀擔(dān)割=-x—■—沖擊延性指數(shù)纖維氏度/mm35—初裂沖擊次數(shù)?破壞沖擊次數(shù):-------

45403530另、海好捋fc款珀擔(dān)割=-x—■—沖擊延性指數(shù)纖維氏度/mm3540纖維長(zhǎng)度/mm圖1纖維長(zhǎng)度與沖擊次數(shù)關(guān)系曲線圖2纖維長(zhǎng)度與沖擊延性指數(shù)關(guān)系曲線從圖1和圖2中可見(jiàn)，聚丙烯纖維的加入能有效改善混凝土的抗沖擊性能，且不同長(zhǎng)度的聚丙烯對(duì)混凝土的抗沖擊性能增強(qiáng)作用不同。纖維長(zhǎng)度在10mm到35mm范圍內(nèi)，隨著纖維長(zhǎng)度的增加，混凝土的抗沖擊性能增加。當(dāng)纖維長(zhǎng)度為35mm時(shí)，破壞沖擊次數(shù)是素纖維混凝土的兩倍。摻入纖維的混凝土均比素混凝土的沖擊延性指數(shù)高。摻入纖維后，沖擊延性指數(shù)總體呈先上升后下降再上升的趨勢(shì)。相同體積率，C3斷裂面內(nèi)承力纖維根數(shù)較C2中少，抗裂阻力不足，因此沖擊延性指數(shù)較C2有所下降。同時(shí)，20mm的纖維與基體的有效接觸面積小于25mm以上的纖維，導(dǎo)致C3中纖維與混凝土基體之間的握裹力不足，因此沖擊延性指數(shù)小。試件在受沖擊外力作用時(shí)，其截面上的受力是不均勻的，存在大量的應(yīng)力集中點(diǎn)，這些應(yīng)力集中點(diǎn)首先達(dá)到強(qiáng)度極限而發(fā)生破壞，產(chǎn)生微裂紋。由于纖維的阻裂增強(qiáng)作用，微裂紋并沒(méi)有迅速擴(kuò)展，當(dāng)裂紋寬度增大到一定程度，纖維逐漸被拔出，纖維混凝土產(chǎn)生的裂縫失穩(wěn)拓展，最后出現(xiàn)貫穿裂縫而破壞。2.2不同長(zhǎng)度的聚丙烯纖維對(duì)混凝土抗折性能的影響根據(jù)GB/T50081《普通混凝土力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中“抗折強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)”方法，在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上對(duì)試件進(jìn)行測(cè)試。破壞強(qiáng)度按如下公式計(jì)算，非標(biāo)準(zhǔn)試件的測(cè)試結(jié)果應(yīng)折算成標(biāo)準(zhǔn)件的相應(yīng)強(qiáng)度值，折算系數(shù)為0.85。纖維長(zhǎng)度與破壞力、初裂強(qiáng)度、中心撓度（加載點(diǎn)位移）的關(guān)系曲線如圖3和圖4所示。LFJbh，式中ffccra——纖維混凝土的初裂強(qiáng)度（MPa）Fcr-一纖維混凝土的初裂載荷（N）l支座間距（mm）h試件截面高度（mm）b試件截面寬度（mm）一—抗折強(qiáng)度|6.0-1300510152025303540纖維長(zhǎng)度/mm圖3纖維長(zhǎng)度和抗折強(qiáng)度關(guān)系曲線由圖3中可見(jiàn)，細(xì)度為0.2mm的聚丙烯纖維以0.5%的體積率加入到混凝土中，會(huì)降低混凝土的抗折強(qiáng)度。纖維的加入，相當(dāng)于在混凝土基體中形成了大量的缺陷，在外力作用下更容易形成應(yīng)力集中點(diǎn)。當(dāng)加入長(zhǎng)度為10mm的纖維時(shí)，混凝土抗折強(qiáng)度大幅下降。因?yàn)殚L(zhǎng)度太短的纖維與混凝土的有效接觸面積小，抗裂阻力小，抗折強(qiáng)度較低。15mm到25mm的纖維加入到混凝土中，其抗折強(qiáng)度較10mm的聚丙烯纖維混凝土呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。此時(shí)，纖維和混凝土的有效接觸面積大，在受外力作用時(shí)能提供更大的抗裂阻力。纖維長(zhǎng)度繼續(xù)增加，纖維在混凝土中分散困難，可能形成纖維團(tuán)，且相同體積率下試件中的纖維根數(shù)減少，導(dǎo)致混凝土的抗折強(qiáng)度急劇下降。纖維長(zhǎng)度/mm圖4纖維長(zhǎng)度和中心撓度曲線由圖4可見(jiàn)，加入纖維后，混凝土的中心撓度明顯增大。當(dāng)纖維長(zhǎng)度為20mm時(shí)，撓度增大值下降。相同體積率，C3斷裂面內(nèi)承力纖維根數(shù)較C1和C2中少，抗裂阻力不足，因此中心撓度較C1、C2有所下降。且提供的抗裂阻力小于25mm到35mm的聚丙烯纖維，因此對(duì)混凝土中心撓度的增大量不如其他幾種長(zhǎng)度的纖維。長(zhǎng)度太短，纖維與混凝土的有效接觸面積不夠，纖維與混凝土的握裹力不足以對(duì)微裂紋的形成和發(fā)展產(chǎn)生作用。纖維過(guò)長(zhǎng)，其在混凝土基體中分散不均，纖維之間會(huì)產(chǎn)生纏結(jié)，形成纖維團(tuán)，對(duì)其強(qiáng)度有致命影響。為了解混凝土的中心撓度隨受力的變化情況，將素混凝土和部分纖維混凝土的載荷-中心撓度曲線繪制如圖5所示?！鯞中心撓度/mm中心撓度/mm(c)C3-20mm(d)C5-30mm圖5載荷-中心撓度曲線從圖5中可以看出，素混凝土在受外力時(shí)為脆性斷裂，且形變較小，韌性差。加入聚丙烯后，混凝土韌性明顯提高。當(dāng)中心撓度量為2mm時(shí)，C3可繼續(xù)承載，而C0已經(jīng)破壞。從圖5-(d)可看出，C5表現(xiàn)出較好的韌性。纖維可以看做混凝土中的次要加強(qiáng)筋，能跨橫裂縫起橋接作用，緩解裂縫尖端的應(yīng)力集中，增加了裂縫的擴(kuò)張阻力，提高了混凝土的韌性。3結(jié)語(yǔ)本文通過(guò)試驗(yàn)研究了聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土的抗折性能和抗沖擊性能，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得出以下結(jié)論：細(xì)度為0.2mm的聚丙烯纖維，短切成10-35mm范圍內(nèi)的不同長(zhǎng)度，以0.5%的體積率加入混凝土基體中時(shí)均能有效提高混凝土的抗沖擊性能，但混凝土的抗折強(qiáng)度降低。不同長(zhǎng)度的聚丙烯纖維，對(duì)混凝土的抗折性能影響不同，過(guò)短或過(guò)長(zhǎng)均不利于提高混凝土的抗折強(qiáng)度。聚丙烯纖維的加入對(duì)提高混凝土的韌性具有重要意義。參考文獻(xiàn)鄧宗才，師亞軍,曹煒.聚烯烴粗合成纖維混凝土抗彎韌性試驗(yàn)[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2013(1):19-24.肖柏軍,胡曉波，寧明哲等.纖維增強(qiáng)混凝土抗沖擊性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007(2):44-47.HWANGS,SONGPS,SHEUBC.Impactresistanceofpolypropylenefiberreinforcedconcrete[J].ChungchengInstituteofTechnology,2003(1):l-14.SUJID,NATESANSC,MURUGESANR.Experimentalstudyonbehaviorsofpolypropylenefibrousconcretebeams[J].JournalofZhejiangUniversityScience,2007(7):1101-1109.LIBei-xing,CHENMing-xiang,CHENGFang.Themechanicalpropertiesofpolypropylenefiberreinforcedconcrete[J].JournalofWuhanUniversityoftechnology,2004(3):68-71.SONGPS,WuJC,HwangS,SHEUBC.Statisticalanalysisofimpactstrengthandstrengthreliabilityofsteel-polypropylenehybridfiber-