聚丙烯纤维增强混凝土拉压比试验*

张延年， 董 浩， 刘晓阳， 郑 怡

(1. 沈阳建筑大学 土木工程学院， 沈阳 110168； 2. 辽宁省建筑材料监督检验院 科技部， 沈阳 110032)

建筑工程

聚丙烯纤维增强混凝土拉压比试验*

张延年1， 董 浩1， 刘晓阳1， 郑 怡2

(1. 沈阳建筑大学 土木工程学院， 沈阳 110168； 2. 辽宁省建筑材料监督检验院 科技部， 沈阳 110032)

针对聚丙烯纤维对混凝土强度和拉压比影响的问题，采用标准试验方法，对不同纤维掺量和不同纤维长度的混凝土进行立方体抗压强度试验和劈裂抗拉强度试验.结果表明，聚丙烯纤维混凝土立方体抗压强度和劈裂抗拉强度的预测模型与试验结果吻合程度较高；聚丙烯纤维混凝土拉压比在纤维掺量为0～0.1%之间递增，在纤维掺量为0.1%～0.25%之间递减；6 mm聚丙烯纤维混凝土拉压比与基准混凝土拉压比相比略有下降，12 mm聚丙烯纤维混凝土拉压比比基准混凝土提高了5.5%，聚丙烯纤维可以显著改善混凝土脆性破坏形态，提高混凝土韧性.

纤维混凝土； 聚丙烯纤维； 抗压强度； 劈裂抗拉强度； 拉压比； 预测模型； 破坏形态； 韧性

混凝土抗拉强度和抗压强度的比值称为拉压比，拉压比是衡量水泥基复合材料脆性的一个重要指标，混凝土强度越高，其拉压比越小，脆性越大，韧性越小[1].

聚丙烯纤维混凝土的首次应用可以追溯到上世纪60年代[2].詹冬等[3]研究表明聚丙烯纤维可以有效控制混凝土收缩值，聚丙烯纤维掺量小于等于1.2 kg/m3时，聚丙烯纤维掺量越大，混凝土收缩率越小，对裂缝控制越有利；白文辉等[4]研究的试验结果显示聚丙烯纤维能减少早期塑性收缩裂缝；Mtasher等[5]研究了聚丙烯纤维对混凝土抗压和抗弯强度的影响，结果表明，掺入聚丙烯纤维后抗压强度提高了64%，抗弯强度提高了55.5%；张伟[6]通过三点弯曲法测试了聚丙烯纤维对高强混凝土断裂能的影响，结果表明，纤维掺量越高，断裂能越大；夏冬桃等[7-8]对混杂纤维高性能混凝土的拉压比进行了试验研究，结果表明，钢纤维和聚丙烯纤维混杂可以提高混凝土的抗拉强度和拉压比.相比其他纤维混凝土，聚丙烯纤维混凝土的研究工作还需要进一步完善.为了使聚丙烯纤维混凝土更好地服务于不同领域，满足实际工程的不同需求，本文针对聚丙烯纤维增强混凝土的立方体抗压强度和劈裂抗拉强度进行了试验，研究掺入聚丙烯纤维后混凝土抗压强度和抗拉强度的变化规律，以及拉压比的影响因素和变化趋势.

1 试验概况

1.1 试验材料和配合比

水泥采用大连小野田水泥厂华日牌普通硅酸盐水泥P.O 42.5(R)；粗骨料采用石子粒径小于20 mm的优质碎石，级配连续；细骨料采用沈阳浑河堡河砂，细度模数为2.9，级配连续；减水剂采用山东省莱阳市宏祥建筑外加剂厂萘系高性能减水剂，减水率为18%～25%；聚丙烯纤维采用辽阳瑞恒耐火材料厂聚丙烯单丝短切纤维(6和12 mm).试验中采用的混凝土配合比如表1所示.为了研究纤维体积掺量和纤维长度对聚丙烯纤维混凝土强度和拉压比的影响，分别选择了0、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%和0.25%共6种纤维体积掺量，6和12 mm共2种纤维长度.试件分组情况如表2所示，其中，PPFC表示聚丙烯纤维增强混凝土，PC表示普通素混凝土.

表1 混凝土配合比
Tab.1 Mix proportion of concrete

混凝土强度等级水泥(kg·m-3)水(kg·m-3)砂子(kg·m-3)石子(kg·m-3)减水剂(kg·m-3)水胶比砂率C4046018559012102 30 40 33

表2 试件分组
Tab.2 Grouping of specimens

试件编号纤维长度mm纤维体积掺量%混凝土强度等级PC⁃40--C40PPFC12⁃0 05⁃40120 05C40PPFC12⁃0 10⁃40120 10C40PPFC12⁃0 15⁃40120 15C40PPFC12⁃0 20⁃40120 20C40PPFC12⁃0 25⁃40120 25C40PPFC6⁃0 15⁃4060 15C40

1.2 试件制作和试验方法

立方体抗压强度与劈裂抗拉强度试件采用边长为150 mm的立方体标准试件，每小组试验分别制作3个试件，共计42个试件.制作试件前，应将试模擦净，并在内壁涂脱模剂.纤维的加入扰乱了混凝土中的颗粒状结构，降低了混凝土的工作性，使混凝土变硬并且造成搅拌和浇筑等方面的困难[9].因此，本文试验为了保证各组分充分搅拌均匀，确保纤维在混凝土基体中拥有良好的分散性，采用强制式搅拌机搅拌纤维混凝土，同时在现场配置前，预先分散结团的纤维，投料次序如下：1)将骨料、水泥进行干拌1 min；2)将纤维均匀地撒在搅拌机中搅拌1 min；3)加90%水和减水剂搅拌1 min；4)加10%水搅拌1 min出料.立方体抗压强度试验与劈裂抗拉强度试验均参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)，在沈阳建筑大学材料实验室2 000 kN压力试验机上进行.

2 试验结果与分析

2.1 破坏形态分析

立方体抗压强度试验过程中，普通素混凝土试件破坏时呈现明显脆性破坏形态，破坏时有巨大的响声，试件表面出现大面积混凝土脱落现象；而掺入聚丙烯纤维的混凝土破坏时裂缝发展较为分散，只有少量碎渣掉落，没有大面积混凝土脱落现象，如图1所示.

图1 纤维混凝土受压破坏形态Fig.1 Compressive failure modes of fiber reinforced concrete

立方体劈裂抗拉强度试验过程中，普通素混凝土试件破坏时呈现明显脆性破坏形态，破坏时伴有巨大的响声，试件突然碎成两半；而掺入聚丙烯纤维的混凝土，部分试件破坏时首先出现裂缝，随后裂缝发展直至碎成两半，整个过程有预兆性，部分试件破坏时试件中间部位发展几条明显裂缝，没有碎成两半，并且裂缝之间连接着一些处于受拉状态的聚丙烯纤维，如图2所示.

图2 纤维混凝土受拉破坏形态Fig.2 Tensile failure modes of fiber reinforced concrete

2.2 立方体抗压强度和劈裂抗拉强度分析

不同纤维体积掺量、纤维长度的聚丙烯纤维混凝土抗压强度、抗拉强度测试结果如表3所示，纤维掺量Vf与各测试结果增幅λ的关系如图3所示.

表3 聚丙烯纤维混凝土测试结果
Tab.3 Test results for polypropylene fiber reinforced concrete

试件编号立方体抗压强度fcf测量值/MPa增幅λ/%劈裂抗拉强度ftf测量值/MPa增幅λ/%拉压比ftf/fcf测量值增幅λ/%PC⁃4043 7703 2000 07310PPFC12⁃0 05⁃4043 970 53 251 60 07621 1PPFC12⁃0 10⁃4045 604 23 5811 90 07857 4PPFC12⁃0 15⁃4047 849 33 6915 30 07715 5PPFC12⁃0 20⁃4048 2310 23 5611 30 07381 0PPFC12⁃0 25⁃4049 7113 63 375 30 0678-7 3PPFC6⁃0 15⁃4049 3512 73 5811 90 0725-0 8

试验结果分析如下：

1) 随着聚丙烯纤维体积掺量的增加，聚丙烯纤维混凝土立方体抗压强度和劈裂抗拉强度均有所增大.当聚丙烯纤维体积掺量为0.05%～0.25%时，立方体抗压强度较普通素混凝土提高了0.5%～13.6%，劈裂抗拉强度较普通素混凝土提高了1.6%～15.3%.经过试验结果分析，提出了基于纤维掺量Vf、普通素混凝土抗压强度fc、普通素混凝土抗拉强度ft的聚丙烯纤维混凝土立方体抗压强度预测模型和聚丙烯纤维混凝土劈裂抗拉强度预测模型，即

图3 Vf与λ的关系Fig.3 Relationship between Vf and λfcf=a1fc+b1Vf

(1)

(2)

式中，a1、b1、a2、b2、c2为模型参数.利用本试验数据拟合，可确定试验预测模型系数.聚丙烯纤维混凝土立方体抗压强度和聚丙烯纤维混凝土劈裂抗拉强度具体计算公式为

fcf=0.989 8fc+25.554 3Vf

(3)

(4)

式(3)、(4)与试验结果相关性系数分别为0.979 9和0.890 8，拟合曲线如图4、5所示.拟合公式所得的预测值与实测值误差如表4所示.预测值与纤维掺量为0.05%试件抗拉强度实测值相比偏于不保守，可能是由于试件在制作过程中可能出现了搅拌不均匀和振捣不密实等现象，其余各组预测值与实测值误差在±1.44%之内，吻合较好.

图4 立方体抗压强度预测模型Fig.4 Prediction model for cube compressive strength

图5 劈裂抗拉强度预测模型Fig.5 Prediction model for splitting tensile strength

表4 预测值和实测值对比Tab.4 Comparison between predicted and measured values

2) 混凝土立方体抗压强度和劈裂抗拉强度在掺入6和12 mm的聚丙烯纤维后均有所增大，其中，6 mm PPFC的立方体抗压强度提高了12.7%，劈裂抗拉强度提高了11.9%，12 mm PPFC的立方体抗压强度提高了9.3%，劈裂抗拉强度提高了15.3%.这是因为纤维越短越有利于纤维均匀分散在基体中，减少了混凝土内部微裂缝的产生，有助于提高其抗压强度，而纤维越长，跨越裂缝的纤维越多，原本由基体提供的拉应力得到了补强，从而提高了PPFC的劈裂抗拉强度.

2.3 拉压比分析

聚丙烯纤维混凝土拉压比在纤维掺量为0～0.1%之间递增，在纤维掺量为0.1%～0.25%之间递减.主要原因在于聚丙烯纤维掺入过多导致纤维分散不均、纤维结团，纤维不能够提供相应的拉应力，造成混凝土抗拉强度下降，拉压比降低.

6 mm聚丙烯纤维混凝土拉压比与基准混凝土拉压比相比略有下降，12 mm聚丙烯纤维混凝土拉压比比基准混凝土拉压比提高了5.5%，12 mm聚丙烯纤维混凝土拉压比比6 mm聚丙烯纤维混凝土拉压比提高了6.3%.这是因为12 mm PPFC的劈裂抗拉强度增长幅度较大，立方体抗压强度增长幅度较小，说明纤维混凝土拉压比与纤维的长短有着密切的联系，纤维越长拉压比越大，不同纤维长度下拉压比对比如图6所示.

图6 不同纤维长度拉压比对比Fig.6 Comparison in tension-compression ratio with different fiber length

普通混凝土的拉压比为0.058～0.125，高强混凝土的拉压比仅为0.042～0.050[10]，本文试验中聚丙烯纤维混凝土的拉压比为0.067 8～0.078 5，说明聚丙烯纤维的掺入可以有效提高混凝土韧性，改善混凝土脆性大的缺点.

3 结 论

本文对聚丙烯纤维增强混凝土进行了立方体抗压强度试验和劈裂抗拉强度试验，得到以下结论：

1) 掺入聚丙烯纤维可以显著改善混凝土的脆性破坏形态，提高混凝土韧性.

2) 随着聚丙烯纤维体积掺量的增加，聚丙烯纤维混凝土立方体抗压强度和劈裂抗拉强度均有所增大，提出了聚丙烯纤维混凝土立方体抗压强度和劈裂抗拉强度预测模型，模型与试验结果的相关性良好，吻合度较高.

3) 混凝土立方体抗压强度和劈裂抗拉强度在掺入6和12 mm的聚丙烯纤维后均有所增大.纤维长度为6 mm时，聚丙烯纤维增强混凝土抗压强度提高幅度较大；纤维长度为12 mm时，聚丙烯纤维混凝土劈裂抗拉强度提高幅度较大.

4) 试验中聚丙烯纤维混凝土的拉压比为0.067 8～0.078 5，聚丙烯纤维混凝土拉压比随着纤维掺量的增加，先增大后减小，12 mm聚丙烯纤维混凝土拉压比比6 mm聚丙烯纤维混凝土拉压比提高了6.3%.

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(责任编辑：钟 媛 英文审校：尹淑英)

Experiment on tension-compression ratio of polypropylene fiber reinforced concrete

ZHANG Yan-nian1, DONG Hao1, LIU Xiao-yang1, ZHENG Yi2

(1. School of Civil Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China; 2. Department of Science and Technology, Building Materials Supervision and Inspection Institute of Liaoning Province, Shenyang 110032, China)

Aiming at the problem that the polypropylene fiber has certain influence on the strength and tension-compression ratio of concrete, the cube compressive strength test and splitting tensile strength test of concrete with different fiber contents and different fiber lengths were conducted with the standard test method. The results show that the prediction model for cube compressive strength and splitting tensile strength of polypropylene fiber reinforced concrete is well matched with the test results. The tension-compression ratio of polypropylene fiber reinforced concrete increases with increasing the fiber content from 0 to 0.1%, and decreases with increasing the fiber content from 0.1% to 0.25%. The tension-compression ratio of concrete with 6 mm polypropylene fiber is slightly lower than that of reference concrete, while the tension-compression ratio of concrete with 12 mm polypropylene fiber increases by 5.5% than that of reference concrete. The polypropylene fiber can effectively improve the brittle failure mode of concrete and enhance the toughness of concrete.

fiber reinforced concrete; polypropylene fiber; compressive strength; splitting tensile strength; tension-compression ratio; prediction model; failure mode; toughness

2016-03-14.

辽宁省高等学校优秀人才支持计划项目(LR2014015)； “百千万人才工程”人选项目择优基金资助项目(2014921046)； 沈阳市城乡建设委员会科技基金资助项目(sjw2015-14).

张延年(1976-)，男，辽宁沈阳人，教授，博士，主要从事防灾减灾等方面的研究.

16∶08在中国知网优先数字出版.

http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160907.1608.022.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.01.20

TU 528.572

A

1000-1646(2017)01-0104-05