聚丙烯纖維對混凝土抗沖擊和抗折性能的影響*

丁春奎高強(qiáng)季濤張麗哲

(南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，南通，226019)

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。試驗結(jié)果表明：在混凝土中分別摻入纖維體積率為0.5%的六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，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

中圖分類號：TU528.572文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2014-10-21

作者簡介：丁春奎，男，1989年生，在讀碩士研究生。研究方向為聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能。

普通混凝土具有較高的抗壓強(qiáng)度，但因抗拉強(qiáng)度低、抗裂性差和韌性小，限制了其在有沖擊、疲勞等動載荷作用場合下的使用，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)展具有重要意義[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，在加載時表現(xiàn)出更好的彎曲性能和抗沖擊性能[4-7]。本文研究了10～35 mm范圍內(nèi)的六種不同長度的聚丙烯纖維對混凝土的抗折性能和抗沖擊性能的影響。

1試驗部分

1.1材料

(1)水泥，強(qiáng)度等級為P.O 42.5的普通硅酸鹽水泥；

(2)砂子，細(xì)度模數(shù)為1.82的細(xì)砂；

*產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金-前瞻性聯(lián)合研究項目(BY2013042-02)

通信作者：高強(qiáng)，E-mail:gao.q@ntu.edu.cn

(3)粗集料，3～19 mm連續(xù)粒級碎石；

(4)圓形截面聚丙烯纖維，直徑0.20 mm，密度0.91 g/cm3，斷裂強(qiáng)度5.91 MPa,斷裂伸長率18.06%，南通新帝克單絲科技股份有限公司生產(chǎn)。

1.2試驗方法

1.2.1試樣

根據(jù)GB 50010—2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，設(shè)計混凝土的強(qiáng)度等級為C30，配合比(質(zhì)量比)為水∶水泥∶砂∶石子=0.48∶1∶1.47∶2.74，硬化混凝土的表觀密度為2 420 kg/m3。

C0為不加聚丙烯纖維的素混凝土試樣；C1～C6為分別加有不同長度聚丙烯纖維的纖維混凝土試樣，纖維長度依次為10、15、20、25、30和35 mm。

1.2.2性能測試

1.2.2.1抗折性能

根據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能實驗方法標(biāo)準(zhǔn)》中抗折強(qiáng)度實驗方法，在萬能試驗機(jī)上對試件進(jìn)行測試。破壞強(qiáng)度按下式計算：

式中ffc,cra——纖維混凝土的初裂強(qiáng)度(MPa)；

Fcra——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) 。

非標(biāo)準(zhǔn)試件的測試結(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。

抗折性能試驗采用100 mm×100 mm×300 mm的非標(biāo)準(zhǔn)試模，纖維體積率為0.5%，每種試樣澆筑3個試件。澆筑完成，靜置24 h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 d取出，在電子萬能試驗機(jī)上進(jìn)行抗折強(qiáng)度測試，中心跨距150 mm,加載速度為0.5 mm/min。

1.2.2.2抗沖擊性能

按照美國ACI544委員會推薦的落重法進(jìn)行抗沖擊試驗[8]。抗沖擊性能試驗采用直徑為152 mm，高63.5 mm的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)試模。纖維體積率為0.5%，每種試樣澆筑3個試件。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 h后,擦干表面水分，在自由落錘裝置上完成測試。重錘質(zhì)量4.5 kg,下落高度460 mm。在沖擊測試過程中，仔細(xì)觀察試件表面，記錄初次出現(xiàn)裂紋時的沖擊次數(shù)和破壞時的沖擊次數(shù)。

2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

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)時為初裂；試件上的主裂紋貫穿至上表面時為破壞。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]。

對素混凝土和纖維混凝土進(jìn)行抗沖擊測試，取3個試件受沖擊次數(shù)的平均值。纖維長度和沖擊次數(shù)的關(guān)系曲線見圖1，纖維長度與沖擊延性指數(shù)的關(guān)系曲線見圖2。

1——破壞沖擊次數(shù)；　2——初裂沖擊次數(shù) 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纖維對混凝土抗沖擊性能的增強(qiáng)作用不同。纖維長度在10～35 mm范圍內(nèi)，隨著纖維長度的增加，混凝土的抗沖擊性能提高。當(dāng)纖維長度為35 mm時，纖維混凝土的破壞沖擊次數(shù)是素混凝土的兩倍。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，混凝土的沖擊延性指數(shù)總體呈先上升后下降再上升的趨勢。在相同體積率下，C3試樣斷裂面內(nèi)承力纖維根數(shù)較C2試樣少，抗裂阻力不足，因此沖擊延性指數(shù)C3試樣較C2試樣有所下降。同時，C3試樣中長20 mm的纖維與基體的有效接觸面積小于C4～C6試樣中長25 mm及以上的纖維與基體的有效接觸面積，導(dǎo)致C3試樣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。試件在受到?jīng)_擊外力作用時，其截面上的受力是不均勻的，存在大量的應(yīng)力集中點，這些應(yīng)力集中點首先達(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

纖維長度與破壞力、初裂強(qiáng)度、中心撓度(加載點位移)的關(guān)系曲線見圖3和圖4。

由圖3可見，將直徑為0.2 mm的聚丙烯纖維以0.5%的體積率加入到混凝土中，會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。當(dāng)加入長度為10 mm的纖維時，混凝土抗折強(qiáng)度大幅下降。因為長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。加入長度為15～25 mm的纖維時，混凝土的抗折強(qiáng)度較加入長度為10 mm的纖維時呈增長趨勢。此時，纖維和混凝土的有效接觸面積大，在受外力作用時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3　纖維長度與抗折強(qiáng)度關(guān)系曲線

圖4　纖維長度與中心撓度關(guān)系曲線

由圖4可見，加入纖維后的混凝土其中心撓度明顯增大。當(dāng)纖維長度為20 mm時，撓度增大值下降。在相同體積率下，C3試樣斷裂面內(nèi)承力纖維根數(shù)較C1試樣和C2試樣少，抗裂阻力不足，因此中心撓度較C1試樣和C2試樣有所下降。同時，C3試樣提供的抗裂阻力小于C4～C6試樣中長25 mm及以上的聚丙烯纖維，因此對混凝土中心撓度的增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，繪制了素混凝土和部分纖維混凝土的載荷-中心撓度關(guān)系曲線，見圖5。

從圖5可以看出：素混凝土在受外力時為脆性斷裂，且形變較小，韌性差；加入聚丙烯纖維后，混凝土韌性明顯提高。當(dāng)中心撓度量為2 mm時，C3試樣可繼續(xù)承載，而C0試樣已經(jīng)破壞。從圖5(d)可看出，C5試樣表現(xiàn)出較好的韌性。纖維可以看作為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，增加裂縫的擴(kuò)張阻力，提高混凝土的韌性。

3結(jié)論

(1)將直徑為0.2 mm的聚丙烯纖維短切成10～35 mm范圍內(nèi)的不同長度，以0.5%的體積率加入到混凝土基體中時，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。

圖5　載荷-中心撓度關(guān)系曲線

參考文獻(xiàn)

[1]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[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報,2013,30(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驗結(jié)果的統(tǒng)計分析[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報,2007(2)：44-47.

[3]HWANG S, SONG P S, SHEU B C. Impact resistance of polypropylene fiber-reinforced concrete[J]. Chungcheng Institute of Technology，2003(l)：1-14.

[4]SUJID, NATESAN S C, MURUGESAN R. Experimental study on behaviors of polypropylene fibrous concrete beams[J]. Journal of Zhejiang University SCIENCE A,2007,8(7):1101-1109.

[5]LI Beixing, CHEN Mingxiang, CHENG Fang, et al. The mechanical properties of polypropylene fiber reinforced concrete[J]. Journal of Wuhan University of Technology,2004，19(3):68-71.

[6]SONG P S, WU J C, HWANG S, et al. Statistical analysis of impact strength and strength reliability of steel-polypropylene hybrid fiber-reinforced concrete[J]. Construction and Building Materials,2005,19(1):1-9．

[7]王成啟，吳科如.不同彈性模量的纖維對高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能的影響[J].混凝土與水泥制品,2002(3)：36-37.

[8]ACI Committee 544. Measurement of properties of fiber reinforced concrete[J]. ACI Mater,1988,85(6)：583-93.

[9]鄧宗才，李建輝，王現(xiàn)衛(wèi),等.粗合成纖維增強(qiáng)混凝土的沖擊動載特性[J].混凝土,2006(9):65-68.

The effects of polypropylene fibers on the impact and

flexural resistance of concrete

DingChunkui,GaoQiang,JiTao,ZhangLizhe

(School of Textile and Clothing, Nantong University)

Abstract:The effects of different lengths of polypropylene fibers on flexural and impact resistance of concrete by experiment were studied. The results showed that: six different lengths of the fiber with a volume fraction of 0.5% were added to the concrete respectively, can improve the impact frequency and impact ductility index. When the fiber length was 35 mm, the frequency of impact damage increased nearly 2 times. Addition of polypropylene 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 1 mm. Polypropylene fibers can improve the fracture toughness of the concrete effectively.

Kaywords: concrete, polypropylene fiber, impact resistance, flexural resistance

用于紡織品阻燃整理的瓦克水性乳液

瓦克VINNOL? CEN 2752是一種基于氯乙烯和乙烯共聚的乳液技術(shù)。由于氯乙烯-乙烯共聚物具有較高的極限氧指數(shù)，這意味著聚合物本身就是一種難燃的材料。同時，由于乳液中氯元素的含量較高，氯元素可以在氣相環(huán)境中捕捉燃燒過程中產(chǎn)生的氫鍵自由基，從而減少可燃性氣體的產(chǎn)生。使用瓦克VINNOL CEN 2752水性乳液配制的阻燃涂層具有自熄的特點。

醋酸乙烯-乙烯共聚物VINNAPAS? CA 5588在地毯背膠的應(yīng)用中展現(xiàn)了優(yōu)異的防火性能。與傳統(tǒng)的丁苯膠乳相比，VINNAPAS CA 5588在燃燒過程中顯示出自熄的特性，阻燃效果突出。此外，和傳統(tǒng)的地毯用羧基丁苯膠乳相比，VINNAPAS CA 5588具有低氣味、低揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)釋放等環(huán)境友好型特征，是新一代環(huán)保地毯背膠的首選。