层布式聚丙烯腈-仿钢纤维混凝土力学性能研究

曹 亮，李珍淑，张云飞

(延边大学 工学院结构工程学科，吉林 延吉 133002)

0 前 言

针对混凝土抗拉强度低、延性差、易开裂等缺陷，已有许多专家和学者做了大量的研究。并且通过添加纤维增强混凝土的抗拉和抗折性能的方法也已经被广泛接受。一些专家已经提出了层布式钢纤维混凝土, 即在素混凝土内一定高度均匀撒布钢纤维混凝土，其力学性能与钢纤维混凝土相近,其钢纤维用量只有钢纤维混凝土的10%，明显降低了成本[1-4]。目前根据现场的施工情况表明：钢纤维等高弹性模量纤维对混凝土的增强和增韧效果明显，但是价格高，施工难度大[5-6]。而新型研制的聚丙烯仿钢纤维与钢纤维相比具有耐腐蚀性、易分散和易施工等优点，而且同样具有改善混凝土抗拉强度低、延展性差的作用。故为了节省钢纤维的使用及提高混凝土的力学性能，本实验将聚丙烯腈纤维和聚丙烯仿钢纤维混合，均匀地撒布于试件件的上下表面一定厚度表层内，以此来探究聚丙烯腈-仿钢纤维的最佳撒布厚度，为以后的层布式聚丙烯腈-仿钢纤维混凝土的推广提供参考。

1 试验方案

1.1 试验方案设计

采用150 mm×150 mm×150 mm 标准试件制作抗压、劈裂抗拉强度试块，采用150 mm×150 mm×600 mm试件制作抗折试块,每组3个试件,共计54个试件。根据聚丙烯腈-仿钢纤维距试件底部撒布的高度，可分为六组：S0(基准组)、S1(25 mm)、S2(38 mm)、S3(50 mm)、S4(63 mm)、S5(75 mm)。在混凝土试件浇筑过程中，先将混凝土浇筑距底部一定距离并振实，然后将混合纤维均匀地撒布于混凝土的表面，最后将混凝土筑满试模，用平板振捣器振实振平，再进行表面水平处理。

1.2 原材料及配合比设计

本实验混凝土设计强度为C30，坍落度值为120～150 mm，试验中天然粗骨料粒径为5～25 m连续级配的碎石；细骨料为天然中砂，因要配制出高流态自流平混凝土，采用砂率为48%。试验采用吉林省延边朝鲜族自治州庙岭牌P.O42.5型号水泥，水灰比为0.35；粉煤灰密度为2 200 kg/m3,来自吉林省延吉市铁南供热公司,掺量为胶凝材料总重量的20%。单位用水量为171.0 kg/m3,具体配合比见表1。外加剂采用液态聚羧酸高效减水剂,固含量40%,掺量为胶凝体总重量的1.33% 。聚丙烯纤维：长度为19 mm；聚丙烯纤维：长度19 mm，表面滚花状。两种纤维的力学特性见表2～3。

表1 混凝土配合比设计

表2 聚丙烯腈纤维的物理力学性能

表3 聚丙烯仿钢纤维的物理力学性能

2 抗压性能试验结果及分析

各组的28 d立方体抗压强度试验结果见表4。

表4 立方体抗压强度实验结果 单位：MPa

从表4中可以看出，与未撒布聚丙烯腈-仿钢纤维的试件相比，其他各组的抗压强度均有所减少。但当撒布高度为38 mm时，试件的抗压强度相比其他四组折损最少。这是因为聚丙烯仿钢纤维和聚丙烯仿钢纤维混杂分布时改变了混凝土内部的构造，使得混凝土的密实度下降，内部缺陷增多，易出现微裂缝和气孔[7]，从而对试件的抗压强度有所损伤。而从现场的破坏形式来看，试件破坏时大多是先从撒布有聚丙烯腈-仿钢纤维纤维处开始出现横向微小裂缝，进而产生脆性破坏。由此可以看出以撒布的方式分布纤维会对试件的整体性不利，会使试件产生分离现象。

3 劈裂抗拉性能试验结果及分析

各组的28 d劈裂抗拉试验结果及拉压比见表5。

表5 劈裂抗拉试验结果及拉压比

从表5中可以看出，随着聚丙烯腈-仿钢纤维撒布高度的增加，试块的劈裂抗拉强度呈折线式增加趋势。其中在撒布高度为38 mm时，试块的劈裂抗拉强度达到最大值4.65 MPa，比基准组提高了17.53%。从强度增加的速率来看，由S1组到S2组的增加速率最大，S3组到S4组增加速率次之，但在这两个区域内的强度增加率均超过了10%。而在S2组到S3组这个区间内试件的劈裂抗拉强度增加率为负值。这表明在试件的0～38 mm和50～63 mm两个区域内撒布聚丙烯腈-仿钢纤维可以显著提高试件的劈裂抗拉强度，而在其他区域撒布聚丙烯腈-仿钢纤维纤维，虽然也可以提高试件的劈裂抗拉强度，但提高率并不高。撒布有聚丙烯腈-仿钢纤维的试件，其拉压比均在1/11～1/13且高于基准组，这说明层布式聚丙烯腈-仿钢纤维的掺入对混凝土的劈裂抗拉强度提高较为明显。

从现场加载破坏时的形态来看，试件完全破坏时并未裂开为两半，而是靠聚丙烯仿钢纤维粘结在一起保留了整体性。在加载过程中，裂缝先从试件的顶部开始产生然后沿着荷载作用方向开始向下扩展。当裂缝达到撒布有聚丙烯腈-仿钢纤维的部位时，因为聚丙烯仿钢纤维的弹性模量远高于混凝土的弹性模量，而且与混凝土的粘结效果好，所以混凝土内部的力可以传递给聚丙烯仿钢纤维，从而提高了试块的劈裂抗拉强度，保留了试块的完整性。

4 抗折强度结果及分析

各组的28 d抗折试验结果见表6。

从表6中可以看出，在试件的受拉区撒布一层聚丙烯腈-仿钢纤维可以显著提高试件的抗折强度。其强度的增加趋势同劈裂抗拉强度一样也是折线式，持续增加的区间也是0～38 mm和50～63 mm。当撒布高度为38 mm时，试件的抗折强度达到最大值11.20 MPa，相对于基准组的提高率为37.25%。

表6 抗折试验结果

从加载过程中破坏形式进行分析，因为聚丙烯腈-仿钢纤维的弹性模量远高于混凝土的弹性模量,当裂缝扩展到撒布有聚丙烯腈-仿钢纤维的部位时，聚丙烯腈-仿钢纤维与混凝土基体的粘结面开始破坏，纤维从混凝土中拔出或拉断，试件发生脆性断裂。整个过程聚丙烯腈-仿钢纤维吸收了大量的能量，混凝土的韧性和延性得到提高[8]。

5 结 论

1)在混凝土试件受拉区分布一层聚丙烯腈-仿钢纤维可以提高混凝土的劈裂抗拉强度和抗折强度，但对抗压强度有一定的折损。

2)随着撒布高度的增加，抗压强度呈下降的趋势，而劈裂抗拉强度和抗折强度均呈现折线式增加趋势。在撒布高度为38 mm时，为本次实验的最佳掺入高度，其抗压强度降低了6.75%，劈裂抗拉强度提高了17.53%，抗折强度提高了37.25%。

3)在本次实验中确定了聚丙烯腈-仿钢纤维的最佳撒布高度，但聚丙烯腈纤维和聚丙烯仿钢纤维的最佳掺量有待继续研究，从而对试件的力学性能达到最佳。

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