聚丙烯纖維對混凝土抗折,抗沖擊性能的影響

1、 聚丙烯纖維對混凝土抗沖擊和 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：研究了不同長度的聚丙烯纖維對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)纖維長度為35 mm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)1 mm,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 Effe

2、cts of Polypropylene Fibers on the Impact And Flexural Resistance of Concrete Ding Chun-kui1,Gao Qiang1,Ji Tao1,Zhang Li-zhe1 (School of Textile and Clothing, Nantong University, Nantong, Jiangsu, 226019,China, 12150008)Abstract: By experiment to study the effects of different lengths of polypropyle

3、ne fibers on flexural and impact resistance of concrete. The results showed that: with a volume fraction of 0.5% ,six different lengths of the fiber added to the concrete respectively, can improve the impact frequency and impact ductility index. when the fiber length was 35mm , the frequency of impa

4、ct damage increased nearly 2 times; Addition of PP fibers , the flexural strength of the concrete was reduced, but the fracture deflection of concrete was improved significantly, compared to plain concrete,represent an increases up to 1mm, improved the fracture toughness of the concrete effectively

5、.Kay word: Concrete ;Polypropylene Fiber;Impact properties;Flexural properties 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混凝土的應(yīng)用和發(fā)有重要意義1-3。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抗沖擊性能4-7。本文通過試驗(yàn)研究了10mm到35mm范圍內(nèi)的六種不同長度的

6、聚丙烯纖維對混凝土的抗折性能和抗沖擊性能的影響。 1試驗(yàn)過程1.1試驗(yàn)材料 水 泥 強(qiáng)度等級為P.O 42.5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

7、觀密度為2420kg/m3。各試樣中纖維長度如表2所示。表2試樣中纖維長度 試樣編號 纖維長度C0C1C2C3C4C5C6-10mm15mm20mm25mm30mm35mm抗折性能試驗(yàn)采用100100300mm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，相對濕度為95%的恒溫恒濕條件下養(yǎng)護(hù)28天取出，在電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗折強(qiáng)度測試，中心跨距150mm,加載速度為0.5mm/min。按照美國ACI544委員會(huì)推薦的落重法進(jìn)行抗沖擊試驗(yàn)8。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

8、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、相對濕度為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試。重錘質(zhì)量為4.5kg,下落高度460mm。沖擊測試過程中，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 不同長度的聚丙烯纖維對混凝土抗沖擊性能的影響對素混凝土和纖維混凝土的抗沖擊測試，取3個(gè)試件受沖擊次數(shù)的平均值，纖維長度和沖擊次數(shù)的關(guān)系曲線如圖1所示。試件從無裂縫至產(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

9、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，纖維長度與沖擊延性指數(shù)的關(guān)系曲線如圖2所示。 圖1 纖維長度與沖擊次數(shù)關(guān)系曲線 圖2 纖維長度與沖擊延性指數(shù)關(guān)系曲線從圖1和圖2中可見，聚丙烯纖維的加入能有效改善混凝土的抗沖擊性能，且不同長度的聚丙烯對混凝土的抗沖擊性能增強(qiáng)作用不同。纖維長度在10mm到35mm范圍內(nèi)，隨著纖維長度的增加，混凝土的抗沖擊性能增加。當(dāng)纖維長度為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。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)

10、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 不同長度的聚丙烯纖維對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，在萬能試驗(yàn)機(jī)上對試件進(jìn)行測試。破壞強(qiáng)度按如下公式計(jì)算，非標(biāo)準(zhǔn)試

11、件的測試結(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。 式中 -纖維混凝土的初裂強(qiáng)度（MPa） -纖維混凝土的初裂載荷(N) -支座間距（mm） -試件截面高度（mm） -試件截面寬度（mm） 圖3 纖維長度和抗折強(qiáng)度關(guān)系曲線由圖3中可見，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)加入長度為10mm的纖維時(shí)，混凝土抗折強(qiáng)度大幅下降。因?yàn)殚L度太短的纖維與混凝土的有效接觸面積小，抗裂阻力

12、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趨勢。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。圖4 纖維長度和中心撓度曲線由圖4可見，加入纖維后，混凝土的中心撓度明顯增大。當(dāng)纖維長度為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，因此對混凝土中心撓度的增

13、大量不如其他幾種長度的纖維。長度太短，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微裂紋的形成和發(fā)展產(chǎn)生作用。纖維過長，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。 (a) C0 (b) C1-10mm (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）

14、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 本文通過試驗(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，通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得出以下結(jié)論: (1) 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。 (2) 不同長度的聚丙烯纖維，對混凝土的抗折性能影響不同，過短或過長均不利于提高混凝土的抗折強(qiáng)度。聚丙烯纖維的加入對提高混凝土的韌性具有重要意義。 參考文獻(xiàn)1鄧宗才,

15、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）:19-24.2 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）:44-47.3HWANG S,SONG P S,SHEU B C. Impact resistance of polypropylene fiber reinforced concreteJ. Chungcheng Institute of Technology,2003(1):l - l4.4 SUJI D,NATESAN S C, MURUGESAN R. Experime

16、ntal study on behaviors of polypropylene fibrous concrete beamsJ. Journal of Zhejiang University Science,2007 (7):1101-1109.5 LI Bei-xing,CHEN Ming-xiang,CHENG Fang. The mechanical properties of polypropylene fiber reinforced concreteJ. Journal of Wuhan University of technology,2004 (3): 68-71.6 SONG P S,Wu J C, Hwang S,SHEU B C. Statistical analysis of impact strength and strength reliability of steel-polypropylene hybrid fiber-reinforced concreteJ. Const