钢-PP混杂纤维混凝土坍落度及基本力学强度试验研究

朱海峰 黄建平 郑坤炎

摘 要：利用正交试验法对钢-PP混杂纤维混凝土试块进行试验，研究钢纤维掺量、钢纤维长径比、PP纤维掺量并考虑各因素混杂效应对混杂纤维混凝土坍落度、立方体抗压强度、劈裂强度的影响。研究表明钢纤维掺量是影响坍落度、立方体抗压强度、劈裂强度的主要因素。钢纤维和PP纤维混杂效应是影响坍落度、立方体抗压强度和劈裂强度的次要因素。PP纤维掺量对劈裂强度以及钢纤维长径比对坍落度的影响也不容忽视。对于钢-PP混杂纤维混凝土，钢纤维的体积掺量宜控制在1.5%～1.75%之间;PP纤维体积掺量取0.1%较适宜，不宜超过0.12%;钢纤维长径比宜选择在30～35左右比较恰当。

关键词：混杂纤维;正交试验;混杂效应;坍落度;强度

中图分类号：TU528.572

文献标识码： A

混凝土材料由于其来源广泛、价格低廉、可模性好等突出优点，在相当长一段时间内仍然是土木工程、水力工程、地下工程等应用最为广泛的一种工程材料。但是由于混凝土自身的一些较难以克服的缺点，比如混凝土抗拉强度相对较低、自重又较大、易脆性开裂、抗渗性差等，限制了混凝土在一些领域中的应用。因此为了增强混凝土的阻裂、抗渗能力，通常会在普通混凝土中掺入适量的各种纤维增强材料形成纤维混凝土，如掺入钢纤维、PP纤维（聚丙烯纤维）、植物纤维、聚乙烯纤维、玻璃纤维等，如果在混凝土中掺入两种或两种以上的纤维，形成既能发挥各自纤维优点、又能体现纤维之间协同工作效应的新型复合材料，即混杂纤维混凝土[1-4]。

目前国内外对单掺纤维的混凝土研究比较成熟，如掺加钢纤维、PP纤维都能提高混凝土的抗裂性、抗渗性和韧性。对不同纤维类型、特性以及掺量，特别是不同纤维的混杂效应对混杂纤维混凝土工作性能、力学性能影响的研究成果还比较少[5-9]，AFROUGHSABET SUGANRAJ等[10-11]对钢-聚丙烯混杂纤维混凝土的力学性能进行试验研究，结果表明，掺入混杂纤维的混凝土的抗拉强度和抗弯强度均高于单独加入聚乙烯纤维的混凝土。杨成蛟、董振平等[12-13]也进行了钢-聚丙烯纤维混凝土抗压、劈拉、抗折强度等力学性能试验研究，研究表明，在混杂纤维掺量为 0.5%、1%时，随钢纤维掺量增加，混杂纤维混凝土抗压强度呈增长趋势。孙小凯等[14]研究了混杂钢纤维对超性能混凝土力学性能影响规律，试验结果表明，端弯钢纤维和超细钢纤维混杂对超性能混凝土抗压强度、抗弯强度、延性等性能都有明显提高。华渊[15]通过试验研究了长径比对混杂纤维混凝土抗压和抗弯强度的影响，发现碳纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维和聚乙烯纤维的长径比对混凝土的抗压强度影响较小，而对抗弯强度影响较大。梅国栋[16]基于试验得出当钢纤维体积掺量为1%、聚丙烯纤维的体积掺量为0.1%时，能显著提高混凝土的弯曲韧性及抗裂性能。张恒对单掺钢纤维和聚丙烯纤维以及混杂纤维混凝土的弯拉强度及混杂效应进行了研究，结果表明，不同尺度的聚丙烯纤维和钢纤维混杂时，混凝土强度及抗裂性要比单掺纤维的高[17]。

上述研究中，钢纤维体积掺量水平大多集中在0.5%、1%、1.5%，PP纤维体积掺量水平005%、0.1%、0.15%，钢纤维长径比水平取30、60、80。本文在之前研究的基础上，对钢纤维体积掺量、PP纤维体积掺量以及钢纤维长径比设计不同的水平，并考虑不同因素交互作用影响，研究混杂纤维混凝土的工作及基本力学性能，确定更为合适的纤维掺量，对之前的研究成果是一个探索和补充。

1 试验简况

1.1 正交试验设计

考虑到纤维的不同掺量对试验结果有影响，因此采用“正交试验法”只进行少量的试验就能够取得比较有代表性的结果，从而节约成本[18]。本试验考虑3个因素（依次用A、B、C表示）：A.钢纤维的体积掺量;B.PP纤维的体积掺量;C.钢纤维的长径比。3个因素分别考虑3个水平，见表1。由于各因素之间存在交互作用影响，故采用A×B、A×C和B×C来分别表示各因素之间的交互作用影响，本试验选用的正交表是L27（313）。此外本试验还设计了1组无纤维的普通混凝土试件。本试验评价指标为坍落度、立方体抗压强度和劈裂强度。

1.2 试验材料

本试验采用混凝土的基体强度为C60。水泥采用江西万年青水泥有限公司生产的P.O52.5普通硅酸盐水泥。粗骨料为粒径10～20 mm的碎石，含水掺量不超过0.2%。细骨料为细度模数2.7的河砂，含水掺量不超过0.5%，含泥量控制在1%以下。减水剂采用工程上比较常用的萘系高效减水剂。钢纤维采用河北衡水某建材公司生产的波浪形微钢丝纤维。PP纤维采用河北石家庄某纤维公司生产的高强PP纤维。钢纤维和PP纤维的性能参数分别见表3和表4。

1.3 基准混凝土配合比

本试验共设计了1组无纤维普通混凝土试块和27组钢-PP混杂纤维混凝土试块。根据有关规程对混凝土配合比的规定，水灰比是0.31，砂掺量是0.42，基准混凝土的配合比见表5。

1.4 试验方法

根据《纤维混凝土试验方法标准》（CECS 13：2009）中试验要求，立方体抗压强度试块为边长150 mm的立方体试件，劈裂强度试块为100 mm×100 mm×400 mm试件，标准条件下养护28天，采用200 KN試验机进行加载，速率为0.05 MPa/s。坍落度测试时，将拌合物分三层均匀地装入坍落度筒内，每层均匀插捣25次，沿筒口抹平后垂直平稳地提起坍落度筒;当试样不再继续坍落或坍落时间达30 s时，测坍落度大小，过程应连续进行，并应在150 s内完成。测量精度5 mm。

2 试验结果及分析

试验完成后测得各组试件的坍落度、28天立方体抗压强度和劈拉强度，详细试验结果见表6。

对试验数据的处理主要有两种方法，即直观分析法和方差分析法。本试验采用直观分析法来分析各因素对混凝土坍落度、28天立方体抗压强度、劈拉强度的影响，其核心是求解各因素试验结果的极差，并根据极差R的大小来判定各因素对试验结果的影响程度[19]。坍落度、立方体抗压强度、劈拉强度的直观分析结果见图1-3。

2.1 坍落度影响分析

从表6、图1可知钢纤维体积掺量、长径比是影响混杂纤维混凝土坍落度的主要因素，钢纤维体积掺量和钢纤维长径比混杂效应是次要因素。随着钢纤维的掺量增加，坍落度下降显著。相比钢纤维，PP纤维掺量增大时，混凝土的坍落度下降较平缓。当钢纤维体积掺量由0.75%增大到1.25%时，坍落度下降12%，增大到1.75%时，坍落度下降36%。当PP纤维从0.06%增大到0.12%时，坍落度下降约12%，增大到0.18%时，坍落度下降17%。钢纤维长径比从35增大到50时，坍落度下降约11%，增大到70时，坍落度下降28%。坍落度降低直接影响混杂纤维混凝土的工作性能，综合考虑最佳纤维组合是A1B1C1。

2.2 立方体抗压强度影响分析

从表6和图2可知钢纤维体积掺量和钢纤维与PP纤维的混杂效应是影响混杂纤维混凝土立方体抗压强度的主要因素，钢纤维长径比、PP纤维体积掺量影响程度相对较低。当钢纤维体积掺量从0.75%增大到1.75%时，抗压强度提高约13.5%。而掺入PP同样也会提高混凝土的抗压强度，但是当PP纤维体积掺量超过0.12%后，抗压强度非但没有继续增长，反而还有所下降。钢纤维长径比过大也会使混凝土不易振捣密实，混凝土内部有空隙，抗压强度反而会降低一些。钢纤维和PP纤维混杂效应对混凝土抗压强度影响也比较突出，且随着纤维体积掺量的增大下降趋势显著。对于立方体抗压强度，综合考虑最佳纤维组合是A3B3C2。

2.3 劈裂强度影响分析

从表6和图3可知钢纤维体积掺量、PP纤维体积掺量以及钢纤维和PP纤维的混杂效应是影响混杂纤维混凝土劈裂强度的主要因素，随着纤维掺量增加，混凝土劈裂强度提高幅度比较明显。当钢纤维体积掺量增大到1.75%时，劈裂强度提高约21.4%。当PP纤维体积掺量增大到0.18%时，劈裂强度提高约19.2%。钢纤维体积掺量和PP纤维的体积掺量混杂效应对混凝土劈裂强度影响也比较显著。对于劈裂强度，综合考虑最优纤维组合是A3B3C2。

3 结语

通过试验研究，可以得出如下结论：

（1）钢纤维体积掺量和长径比是影响混杂纤维混凝土坍落度的主要因素。钢纤维和长径比有一定的混杂效应。纤维的掺加降低了混凝土的坍落度，直接影响到混凝土的工作性能，因此在满足增强混杂纤维混凝土抗裂性等目标的前提下，应优化纤维的体积掺量，保证混杂纤维混凝土的工作性能。

（2）对于混杂纤维混凝土28d立方体抗压强度，钢纤维体积掺量是影响其主要因素，钢纤维体积掺量和PP纤维的体积掺量混杂效应也比较突出，这种混杂效应影响随着纤维体积掺量的增大下降趋势显著。

（3）影响混杂纤维混凝土劈裂强度的因素主要是钢纤维体积掺量和PP纤维体积掺量，随着纤维掺量增加，混凝土劈裂强度提高幅度比较明显，当钢纤维体积掺量增大到1.75%时，劈裂强度提高约21.4%。当PP纤维体积掺量增大到0.18%时，劈裂强度提高约19.2%。

（4）从改善混凝土受拉性能差、提高抗渗、抗裂水平，同时又具有良好的工作性能的目标来看，结合经济、施工条件等方面，对于钢-PP混杂纤维混凝土，钢纤维的体积掺量宜控制在1.5%～1.75%之间;PP纤维体积掺量不超过0.1%左右，不超过0.12%;由于钢纤维长径比对力学强度影响并不突出，但是对坍落度影响很大，因此，钢纤维长径比尽量采用较小的长径比，宜控制在30～35左右比较恰当。

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（责任编辑：于慧梅）