改性聚丙烯纤维对混凝土抗冲击性能的影响机理与试验研究

李武学 （天津新金融投资有限公司 天津300456）

张宝明 （天津津滨发展股份公司 天津300456）

20世纪60年代初国外在水泥净浆与砂浆中掺入少量聚丙烯纤维，研究发现其可以明显提高混凝土抗裂性能。由于这种纤维像人造纤维一样质量稳定、来源较广，其变形性能好、抗冲击能力强，故在砼领域中应用前景广阔。我国掺聚丙烯纤维混凝土的研究与应用起步较晚，为了开展这项研究和应用工作，我们进行了低掺量聚丙烯纤维混凝土抗冲击性能的研究。

1 实验方法

1.1 材料

水泥：采用普通硅酸盐水泥，强度等级32.5。砂子：采用河砂。碎石：最大粒径25 mm。

1.2 配合比（见表1）

表1 混凝土配合比 kg/m3

注：①设备采用自制设备，将7.26 kg重的钢球从25 cm高度自由落下，当试件裂缝宽度大于3 mm记录冲击次数，作为评价破坏标志，试验结果取中间3个数据的平均值。②抗冲击实验条件为常温。③实验采用碎石方法、标准为上海市市政工程研究院实验方法（自定）。

1.3 试件制作及试验

试件尺寸为150 mm×150 mm×50 mm，为使纤维在试件内均匀分布，先将砂、石、水泥、水、聚丙烯纤维称重，按顺序放入搅拌机内，搅拌约3 min即装入试模，振捣3 d后拆模，置标准养护箱，养护28 d。

2 试验结果及分析

2.1 试件破坏形态

掺入量为0的混凝土试件，在抗冲击破坏试验中，开裂比较突然，一旦出现裂缝，很快被破坏。

试件掺入改性聚丙烯纤维后，在抗冲击破坏试验中，开裂比较缓慢，破坏次数比未掺纤维的混凝土提高3倍以上。试验结果列于表2：

表2 混凝土抗冲击试验结果

试验结果还表明，当掺量相同时，30 mm长丝比19 mm短丝抗冲击次数分别提高5.45%、12.9%。通过观察破坏断面上的纤维，掺入长度19 mm的聚丙烯纤维混凝土试件，除少数纤维被拉断外，大多数是从混凝土试件中被拔出，其主要原因是纤维长度较短，本身粘结强度和延性还未充分发挥作用就产生粘结破坏。掺入长度为30 mm的聚丙烯纤维混凝土试件，试件受冲击破坏后，穿过破坏断面的纤维被拔出的数目有所减少，而被拉断的数目有所增加，这是由于纤维长度增加而粘结强度亦明显增加的结果。若纤维在破坏断面两侧混凝土中长度大致相等，粘结强度高于纤维本身的抗拉强度则纤维被拉断，并且纤维长度超过石子粒径，有部分拉力传递于石子之中，握裹力明显提高，石子和纤维共同作用也是抗冲击能力提高的一个因素。

2.2 低掺量改性聚丙烯纤维对混凝土抗冲击性能的影响机理

为探索低掺量改性聚丙烯纤维对混凝土抗冲击性能的影响机理，我们进行了掺纤维混凝土基本力学性能试验，试验结果见表3。

表3 纤维混凝土基本力学性能试验结果

改性聚丙烯纤维经过特殊的纤维生产工艺和纤维表面处理工艺与水泥基料有极强的粘合力，纤维可握裹更多的基料，有更紧密的结合力。因此可在混凝土材料中混合分布极其均匀，能在混凝土内部形成一直均匀的乱向分布体系，在混凝土中纤维的乱向分布有助于大大削弱混凝土塑性收缩及冻融张力，同时有效地增强了混凝土的韧性，抑制了微细裂缝的产生和发展。无数的纤维单丝在混凝土内部形成乱向分布体系，可以有效阻止骨料的离析，保证混凝土拌合物和易性，从而阻止初始裂缝的形成。试验证明，同普通混凝土相比，纤维混凝土抗裂能力提高近100%～200%，聚丙烯纤维的阻裂效应主要体现在消除或减轻了早期混凝土中原生裂缝的发生和发展，抗冲击能力的提高主要基于混凝土早期裂缝的减少，提高了抗剪强度。因此，聚丙烯纤维的作用机理是通过消除或减少原生裂缝的数量和尺度，使材料介质的连续性得以提高，以及纤维对冲击能力的吸收使混凝土抗冲击性能得以提高。

3 结论

低掺量改性聚丙烯混凝土试件的抗冲击能力比未掺聚丙烯试件的抗冲击性能提高很多。在本次试验条件下，掺量0.9 kg/m3或1.2 kg/m3时，抗冲击能力提高3倍以上。

当掺量相同，掺入30 mm长度纤维比19 mm长度纤维的抗冲击能力分别提高5.45%、12.9%。

低掺量聚丙烯纤维混凝土大大提高了抗冲击能力，因此对于桩、路面等要求抗冲击性能较高的混凝土工程宜采用改性聚丙烯混凝土或聚丙烯砂浆。■

[1]吴东云，孙锦镖，成全喜.改性聚丙烯纤维混凝土抗冲击性能试验研究[J].建筑技术开发，2007（5）：23-25.

[2]张伟.改性聚丙烯纤维增强混凝土抗疲劳性能的研究[D].大连交通大学，2008.