聚丙烯纤维掺量对混凝土抗压强度影响分析

2021-12-29闫猛

重庆建筑 2021年12期

闫猛

（中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300459）

0 引言

混凝土凭借原材料储量大、价格低、生产工艺简单、强度性能高及耐久性好等优点在工程中被广泛应用[1]。混凝土的抗压能力出众，主要被用作承压结构，但混凝土属于脆性材料，超过极限荷载后也易发生脆性破裂[2]，裂缝开展后发展迅速，延展性低，破坏后完整度差，几乎完全丧失承载能力，这是混凝土结构存在的一大问题。随着纤维混凝土研究的逐步开展，聚丙烯纤维因其抗拉强度高、耐腐蚀、混合工艺简单、韧性高、价格低等优点，继钢纤维之后被广泛应用，故聚丙烯纤维混凝土也成为了被关注的对象。在20世纪70年代初，有的国家已经将聚丙烯纤维混凝土投入工程使用[3]。有学者发现，纤维的加入可提高混凝土的性能[4]，但过量掺入也会使混凝土性能出现负增长现象[5]。为了厘清聚丙烯纤维掺入对混凝土抗压性能是否也存在此影响，对聚丙烯纤维掺量的研究十分必要[6]。

混凝土承压性能强，故抗压性能是评价混凝土是否合格的基本指标之一。针对聚丙烯纤维对混凝土抗压性能的影响，Ede等[7]对不同纤维掺量的混凝土进行试验，发现纤维体积掺量为0.25%时效果最佳，混凝土抗压强度提高约9%；Wang[8]的试验结果表明，随着纤维掺量的增加，混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度有增加的趋势。王乾玺等[9]发现，聚丙烯纤维可提高混凝土的抗压强度3.0%～5.3%。徐礼华等[10]研究发现，当聚丙烯纤维长径比为167，掺量为0.05%、0.1%、0.15%、0.2%时，聚丙烯纤维混凝土的抗压强度比普通混凝土分别提高2.12%、12.12%、15.84%、18.55%。也有人持不同意见，张恒[11]认为聚丙烯纤维对混凝土抗压性能几乎没影响。Choi等[12]认为混凝土中掺入聚丙烯纤维，抗压强度降低，劈裂抗拉强度提高。

众多学者对聚丙烯纤维混凝土的发展已作出巨大贡献，针对不同纤维掺量在混凝土不同养护龄期下抗压强度的影响，本文以工程常用的19mm长度的聚丙烯纤维0～1.6kg/m3的掺量范围，对混凝土进行立方体抗压和轴心抗压测试，以期得到在不同养护龄期下最优的纤维掺量值，该研究可为聚丙烯纤维材料在混凝土工程中的应用与推广提供理论参考。

1 试验设计

1.1 试验材料

试验涉及的原材料有：PO.42.5普通硅酸盐水泥；F类Ⅱ级粉煤灰；砾石粗骨料，连续级配，尺寸为5～25 mm，级配曲线见图1a）；细骨料细度模数为2.60，级配连续，中砂，级配曲线见图1b）；减水剂为萘系高效减水剂；聚丙烯纤维为工程中最常用的长度为19 mm、直径为31.2μm的束状单丝纤维；普通自来水等。

图1 骨料级配曲线

1.2 配合比

试验采用C30混凝土，配合比设计来自于工程，如表1所示，水胶比为0.46。考虑到聚丙烯纤维掺量过大会导致纤维分布密集，出现水泥浆包裹不足，进而影响混凝土性能的情况，故按0.4 kg/m3、0.8 kg/m3、1.2 kg/m3和1.6 kg/m3的掺量分别掺入混凝土中。其中，普通混凝土命名为NC，聚丙烯纤维混凝土命名为PF，掺量为0.4 kg/m3、0.8 kg/m3、1.2 kg/m3和1.6 kg/m3的聚丙烯纤维混凝土分别命名为PF-0.4、PF-0.8、PF-1.2和PF-1.6。

表1 聚丙烯纤维混凝土配合比（单位：kg/m3）

1.3 试验方法

试验参考《水工混凝土试验规程》（SL 352—2006）[13]以及《纤维混凝土应用技术规程》（JGJ/T 221—2010）[14]，通过立方体抗压试验与轴心抗压试验，研究不同掺量聚丙烯纤维对混凝土抗压性能的影响。根据混凝土性能发展曲线，混凝土在养护14天之前，强度发展迅速；14天到28天，发展减缓；养护28天后虽然继续增长，但发展速度趋于稳定。根据参考文献[15-16]，温度恒定在20℃±2℃，湿度不低于95%的标准养护方式，分别设计试验龄期为14天、28天、60天。每个龄期及纤维掺量下的混凝土试块各设置6个，试件尺寸如表2所示。

表2 试件尺寸

2 结果和分析

2.1 聚丙烯纤维对混凝土立方体抗压性能影响分析

2.1.1 试验现象及破坏形态

普通混凝土在被压缩的过程中，产生纵向和横向变形，裂纹逐渐发展、裂纹之间的相交贯通致使混凝土失效[15]，因而通常呈脆性破坏形式。而加入纤维会削弱脆性破坏的特性，增加混凝土基体的延展性，使其在达到最大荷载后仍不破碎[16]。

从试验来看，普通混凝土的破坏过程从出现裂纹至混凝土破裂，呈明显的脆性破坏，达到最大荷载后迅速被压坏，且碎块零散，完整度差。而纤维混凝土破坏特性明显不同，聚丙烯纤维混凝土试件在受压破坏后，没有崩碎现象，只有少数碎片被挤压脱落，其余部分整体性较强。虽然试件破裂，但仍然具有承受较小荷载的能力。这种现象表明，聚丙烯纤维对混凝土的开裂失效有抑制作用，当压力机的输出能量相同时，普通混凝土已经碎裂，但聚丙烯纤维混凝土只处于开裂状态，并仍有一定承载能力抵抗残余变形。表现为混凝土受压破坏后，部分纤维使裂缝两边的混凝土相连，增加了混凝土的延展性。这说明聚丙烯纤维在被拉断和拉脱时已经较多地消耗了能量，从而提高了混凝土抗压能力。混凝土试件破坏形态如图2所示。

图2 聚丙烯纤维混凝土立方体抗压破坏形态（以NC和PF-0.8为例）

2.1.2 立方体抗压应力-应变曲线分析

图3—图5分别为三种试验龄期下，聚丙烯纤维混凝土立方体抗压应力-应变曲线。

图3 聚丙烯纤维混凝土立方体抗压应力-应变曲线（14天）

图4 聚丙烯纤维混凝土立方体抗压应力-应变曲线（28天）

图5 聚丙烯纤维混凝土立方体抗压应力-应变曲线（60天）

从图3—图5中可以看出，加入聚丙烯纤维后，混凝土的抗压强度呈现先增后减的趋势，14天和28天养护龄期下，0.8kg/m3掺量抗压强度最高，60天养护龄期下，0.4kg/m3掺量抗压强度最高。随着养护龄期的增加，纤维掺量对混凝土抗压强度的影响各不相同，普通混凝土随养护龄期增加，抗压强度也增加，但增加幅度较小。在聚丙烯纤维0.4kg/m3、1.2kg/m3、1.6kg/m3掺量下的混凝土抗压性能也随龄期增加而增加。其中，0.4kg/m3掺量下提升幅度最大，1.6kg/m3掺量下提升幅度最小，且小于普通混凝土的抗压强度提升幅度。0.8kg/m3掺量下的混凝土抗压强度随养护龄期增加呈现先增后减的趋势。整体上看，随养护龄期的增加，聚丙烯纤维掺量的增加会使抗压强度提升幅度先增后减，纤维掺量不宜过多，因为1.6kg/m3掺量下增长幅度已经小于普通混凝土，过量的纤维掺量会抑制混凝土的强度发展。相较于普通混凝土，聚丙烯纤维混凝土的荷载位移曲线更宽更高。普通混凝土呈脆性破坏，而聚丙烯混凝土在达到峰值荷载后，荷载位移曲线下降缓而平，表明其更具延展性。达到极限荷载后，龄期越短，普通混凝土与聚丙烯纤维混凝土的区别越明显，聚丙烯纤维混凝土下降段呈现得更平缓，下降更缓慢，说明聚丙烯混凝土破坏后仍具有一定的承载能力，但聚丙烯纤维掺量与破坏后承载能力的相关性并不显著。

2.2 聚丙烯纤维对混凝土轴心抗压性能影响分析

2.2.1 试验现象及破坏形态

轴心抗压试验选用的试件尺寸为100mm×100mm×300mm，与立方块不同的是，轴心抗压试件呈现更明显的脆性，一旦产生裂缝，试件就立即破坏失效。普通混凝土与聚丙烯纤维混凝土试件轴压破坏形态如图6所示。在试验过程中，普通混凝土试件表面脱落严重，裂缝发展迅速，呈30°～45°迅速贯通。聚丙烯纤维混凝土破坏时表面脱落现象不明显，并且随着聚丙烯纤维掺量的增加，表面脱落量更少；聚丙烯纤维混凝土表面的裂缝更加细微，并且与纤维掺量相关，掺量越大，裂缝越细微，但0.8～1.6kg/m3掺量的试件裂缝细微程度相差不大，且完整性相差很小。聚丙烯纤维混凝土的裂缝发展方向与普通混凝土差别不大，同样在30°～45°之间。

图6 聚丙烯纤维混凝土轴心抗压破坏形态

2.2.2 试验结果分析

图7—图9分别为三种试验龄期下，聚丙烯纤维混凝土轴心抗压应力-应变曲线。

图7 聚丙烯纤维混凝土轴心抗压应力-应变曲线（14天）

图8 聚丙烯纤维混凝土轴心抗压应力-应变曲线（28天）

图9 聚丙烯纤维混凝土轴心抗压应力-应变曲线（28天）

由图7—图9对比可得，轴心抗压峰值荷载随养护龄期的增加而增大。并且还可以看出，掺入聚丙烯纤维可提高混凝土的轴心抗压强度，最优掺量为1.2kg/m3，这与立方体抗压试验所得到的0.8kg/m3掺量不同。养护14天后，掺量为1.2 kg/m3的聚丙烯纤维混凝土的轴心极限抗压强度最大，比普通混凝土高出18.54%；养护28天后，掺量为1.2kg/m3的聚丙烯纤维混凝土的轴心极限抗压强度最大，比普通混凝土高出9.62%；当龄期为60天时，掺量为0.8 kg/m3的聚丙烯纤维混凝土的轴心极限抗压强度略高于掺量为1.2 kg/m3的试件，比普通混凝土高出19.12%，但纤维掺量为1.2 kg/m3的试件比纤维掺量为0.8 kg/m3的试件变形更大。随养护龄期的增长，纤维掺量可提高混凝土抗压强度的增长幅度，增长幅度最大值对应的掺量为0.8 kg/m3，其次为1.2 kg/m3，1.6 kg/m3掺量下的抗压强度提升最小，且小于普通混凝土，并且并未出现各纤维掺量下抗压强度随龄期增加而降低的现象。随养护龄期的增长，各混凝土试件的极限应变并未因聚丙烯纤维的掺入而产生明显且规律的变化，说明聚丙烯纤维可延缓开裂速度，却不能增加破坏时的变形量。普通混凝土与聚丙烯纤维混凝土的曲线差异不明显，说明破坏过程相似，都为脆性破坏，但聚丙烯纤维混凝土整体性更好。