聚丙烯纤维的掺入对混凝土力学性能的影响研究

王 军

（厦门大学嘉庚学院 土木工程学院，福建 漳州 363000）

0 引言

塑性收缩裂缝仍然是许多混凝土浇筑的主要问题。早期的开裂会加速，促进钢的腐蚀，并在长期造成与耐久性相关的重大问题。新拌混凝土的处于于塑性状态时，水分可能通过蒸发到大气和被地基或模板吸收而流失[1-2]。虽然通过这种方式失去的一些水可以通过后期养护补充，如果表面水分的损失超过0.5 kg/m2/h 时[1]，混凝土中出现负毛细压力，引起内部压缩应变。在这种压缩应变可能导致应力远远超过混凝土初期能够抵抗的最大开裂应力。现阶段大部分的改善办法都是用过养护来抵抗混凝土表面水分的流失。然后这种情况单靠养护是远远不够得，用纤维加固混凝土是控制塑性收缩开裂的一种有效方法。近年来，纤维特别是聚丙烯纤维在混凝土中的应用越来越广泛，主要是为了提高素混凝土的抗收缩开裂性和韧性，聚丙烯纤维在相对较低的体积分数下被商业化地用于控制混凝土的塑性收缩开裂。

聚丙烯是一种合成烃聚合物，其纤维是通过模具热拉挤出工艺制成的。聚丙烯纤维是连续的单丝纤维，具有圆形截面，可以切割成所需的长度，或纤维化薄膜或矩形截面的带。所有这些优点都与纤维的种类及其在混合物中的浓度有关；它的高熔点（165℃）和化学中性使它具有很强的耐酸和耐碱性。聚丙烯纤维具有疏水性，可防止其被水泥浆影响。聚丙烯的疏水性对混凝土所需的水量没有影响[2-3]。表1 列出了聚丙烯纤维的物理特性。聚丙烯纤维并不能提高混凝土的强度，但能提高混凝土的延性、韧性和抗冲击性能，但在低体积分数下，纤维对混凝土强度性能和抗冲击性能的影响相对较小，需要对大量试验进行仔细的统计分析，以区分实际纤维效应和试验结果的随机变化。本文制备了不同掺量的聚丙烯纤维混凝土试块，讨论了不掺入量对混凝土力学性能的影响以及其微观结构。通过调整聚丙烯纤维的掺入量改善混凝土的抗压和劈裂抗压性能。

1 试验材料

本研究水泥采用由漳平红狮水泥厂生产的P·O 42.5 级普通硅酸盐水泥；湖南长沙立行建材提供的6mm 短切聚丙烯纤维，其物理特性如表1；厦门艾斯欧标砂有限公司提供的标准砂作为细骨料；FDN（β-萘磺酸钠甲醛）减水剂由山东万山集团提供；自来水。

表1 聚丙烯纤维的物理特性

2 实验仪器

本实验使用HYE3000B 压力试验机进行测试，将实验位移控制范围为0-200 mm，加载速率为 0.5kN/s。

破坏后的样品取粉末干燥后镀金，至于飞纳Phenom Pro 电子显微镜（SEM）观察其微观形貌。

3 试验方案

本实验设计如下：向旋转搅拌机中加入石子和沙子搅拌30s 后继续加入2/3 含1%的FDN 减水剂的水，搅拌2min，后加入聚丙烯纤维搅拌2min，确保纤维在胶凝复合材料中分布均匀，最后加入剩余的水。并持续搅拌5min。将混凝土拌合物倒入试块模具后放于振动台上振捣1min，静置1 天后拆模，将混凝土试块置于混凝土养护箱内（温度20±2℃，湿度大于等于95%）养护28 天。进行抗压强度和劈裂抗拉强度测试。

4 不同聚丙烯纤维体积率下混凝土的力学性能

为了对掺入聚丙烯纤维的混凝土的力学性能讨论，设计实验如下：在混凝土中分别加入0%，0.3%，0.6%，1%，1.2%五种不同体积分数的聚丙烯纤维，按试验方案设计制得150×150×150 规格立方体试块，并对其进行编号（每个编号样品制作三个3 试块）如下：

表2 试件编号汇总表

4.1 试验结果的计算

4.1.1 抗压强度

参照国家混凝土强度测试标准GB50107-2010，将混凝土试块至于压力机压板下中心位置，以0.5MPa/s 给予持续压力。立方体试块破坏后记录破坏荷载。并根据公式1 计算单个抗压强度（计算结果保留至0.1MPa）。同一编号试块3 个为一组，记录平均值[3]。

抗压强度计算公式如下:

其中,A 为抗压强度，为 B 为破坏荷载,S 为试件承压面积。

4.1.2 劈裂抗拉强度试验

根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T50081—2016 相关内容,将试块从养护箱取出，干燥后对试块进行劈裂抗拉强度测试，同一编号样品3 个位一组，并计算平均值。测试结果根据公式2 计算劈裂抗拉强度，单个劈裂抗拉强度强度结果计算至0.1MPa[3]。

劈裂抗拉强度的计算公式如下

其中，F1为试块的劈裂抗拉强度,单位MPa；Fmax为劈裂抗拉破坏荷载,单位N；S 为劈裂面积,单位mm²。

5 结果与讨论

5.1 抗压强度试验结果

聚丙烯纤维的加入使得试块抗压强度得到提升（如图1）。当掺入量从初始的0 增加到0.3%，抗压强度增加了5.2%。较小的聚丙烯纤维加入混凝土中后，使得混凝土开裂时细小裂缝的发展得到延缓。说明聚丙烯纤维掺入混凝土后能够增加其抗压性能。随着掺入量增加，立方体试块的抗压强度也进一步增加，当掺入量为0.8%时，试块抗压强度增加9.5%.可见随着聚丙烯纤维的掺入量增加，混凝土试块抗压强度进一步增加，但增加的并不多，这可能是因为，聚丙烯纤维表面过于光滑，和混凝土的咬合力不如波浪形钢纤维，所以强度增加并不多[4]。继续提高纤维的掺入量，混凝土抗压强度不但没有提高，反而降低了，这可能是因为，过多极其柔软的聚丙烯纤维的加入，在搅拌过程中并未足够的分散的混凝土拌合物中，而是有成团现象的产出，水泥浆液无法进入其中[5]，使得混凝土内部出现应力集中破坏点。强度不但没有升高，反而降低了[6，8]。

图1 混凝土立方体抗压强度直方图

5.2 劈裂抗拉强度试验结果

如图2 所示，未加入纤维的空白混凝土试块，劈裂抗拉强度为3.3。随着聚丙烯纤维的加入，混凝土的劈裂抗拉强度得到增加。当掺入量分别为0.3%、0.8%、1%时，混凝土劈裂抗拉强度分别4.1Mpa、4.9Mpa 和5.4Mpa,。但继续增加聚丙烯纤维的掺入量，混凝土试块的劈裂抗拉强度增加减慢。这主要是因为，当掺入量小于1%时，聚丙烯纤维的均匀分布到混凝土试块中后，试块受到外力出现较小裂缝时，纤维与混凝土形成的三维网状结构的提升了混凝土抵抗微小裂缝的能力。但随着纤维掺入量增加，较柔软的聚丙烯纤维互相成团交结在一起[5]，水泥浆液无法足够的包裹纤维，使得劈裂抗拉强度并没有随着掺入量增加而进一步增加[7,8]。

图2 混凝土试块的劈裂抗拉强度直方图

5.3 SEM 分析

由图3 可知未加聚丙烯纤维的混凝土试块内部混凝土未层状交叠在一起，故混凝土的抗压强度较大，但单纯混凝土试块的抗劈裂强度并不大。随着聚丙烯纤维的加入，纤维分散与混凝土拌合物中，硬化后形成一个网络结构，互相胶结的结构使得试块的抗劈裂强度得到增加。增大的比表面积也增加其对聚丙烯纤维的握裹力，整体性也得到进一步增强[9]。同时较少的聚丙烯纤维较容易分散在混凝土拌合物中，较少发生团聚现象。

图3 未加聚丙烯纤维的混凝土试块（a）、掺入量为1%的聚丙烯纤维混凝土（b）试块SEM 图

6 结论

通过制备不同掺入量的聚丙烯纤维混凝土，并对比其抗压强度和劈裂抗拉强度，发现对于聚丙烯纤维的加入，抗压强度虽有增加，但增加的量并不大，可见聚丙烯纤维对混凝土抗压强度影响并不大。对比不同掺入量试块的劈裂抗拉强度发现，聚丙烯纤维的加入对混凝土试块的劈拉强度提升较多。但掺入量大于1%时，劈拉强度增加趋势放缓。由此可见，聚丙烯纤维的加入可以使得抗压强度和劈裂抗拉强度得到增长。但成团现象的出现使得聚丙烯纤维的掺入量增加到一定值后并不使得抗压强度和劈裂抗拉强度进一步增加。SEM图片也进一步说明纤维分散于混凝土，和拌合物形成的三维网络结构也使得混凝土结构更加密实。