聚丙烯纤维混凝土纤维增强作用机理研究

唐百晓

(安康学院，陕西 安康 725000)

混凝土是当前建筑工程中应用最广泛的材料之一，其适用范围广[1]；其不仅可应用在建筑工程领域，还可应用在其他方面，同时其价格相对便宜，在进行浇筑时容易成型。但是，混凝土同时存在脆性较大、强度较低等缺陷[2]。

随着建筑行业的不断发展，混凝土基材料也随之不断优化，混凝土的强度也得到了增加，使得现代建筑能够在恶劣环境下保持稳定、安全，还能够使建筑保持重载以及大跨度等状态[3]。但是，若材料强度过高，同时会引起材料耐久性变差以及出现非荷载裂缝问题等，导致混凝土出现脆性[4]。因此，如何解决脆性问题是现阶段大多学者仍在研究的问题，有学者指出，聚合物混凝土、纤维混凝土可以增强材料韧性，提高混凝土抗渗、抗蚀能力[5]，纤维混凝土是指采用混凝土作为基体，通过添加不同种类的纤维构成的水泥复合基材料。有较多学者对不同纤维混凝土进行了研究，例如添加聚丙烯纤维后试件的受力性能[6]，但该方法仅能够研究得出试件的受力情况，未详细分析材料的抗渗性等情况；研究聚丙烯纤维透水水泥混凝土受力性能[7]，但该研究结果不够全面，未分析材料的耐高温特性。为此，本试验研究聚丙烯纤维对混凝土性能的增强情况，分析添加聚丙烯纤维后的材料质量变化情况。

1 聚丙烯纤维混凝土分析

1.1 试验材料

选用普通硅酸盐水泥作为本文试验水泥。添加材料选用粉煤灰；粗、细骨料分别选用中石、小石以及人工中粗砂。同时选取引气减水剂作为外加剂。聚丙烯纤维的材料特性如表1所示。

表1 聚丙烯纤维材料特性Tab.1 Characteristics of polypropylene fiber materials

选取山东广通工程材料有限公司的网状聚丙烯纤维进行试验。分析水泥中掺入不同含量的网状聚丙烯纤维时的纤维增强作用；聚丙烯纤维混凝土配合比如表2所示。

表2 试验混凝土配合比以及拌合物配比Tab.2 Test concrete mix proportion and mixture ratio

1.2 试件制备

将骨料与三分之一的水加入到强制式搅拌机中，进行3 min搅拌，之后添加余下的水、水泥，继续搅拌3 min，搅拌完成后缓慢撒入纤维[8-10]，在此时尽量保证纤维均匀撒在材料中，撒完纤维后，开始3～5 min的搅拌，使纤维疏散效果更好[11]；当搅拌完成后静置2 h，取出后分别制备尺寸为10 cm×10 cm×30 cm的试件，分别制备材料，得到试件1，不添加聚丙烯纤维混凝土；试件2，添加0.05%网状聚丙烯纤维混凝土；试件3，添加0.10%网状聚丙烯纤维混凝土；试件4，添加0.15%网状聚丙烯纤维混凝土。

1.3 试验过程

1.3.1聚丙烯纤维混凝土抗压、抗折与抗剪强度分析

按照GBJ 81—1985标准测试试件抗压性能；并按照CECS 13:89标准，利用双面直接剪切法验证试件抗剪性能，对4种试件分别进行不同龄期的试验。

1.3.2聚丙烯纤维混凝土塑性收缩能力分析

选取未添加聚丙烯纤维的试件1与添加聚丙烯纤维含量0.10%的试件3进行试验分析，将试件放置在周边具有约束的板型装置中，模拟混凝土现实工程环境[12-13]，利用风扇进行强行干燥试验，分析不同龄期下的混凝土塑性收缩情况。

1.3.3聚丙烯纤维混凝土拉伸性能分析

选取混凝土拉伸试验机进行试件拉伸试验，该试验机最大荷载为3 000 kN。将试件放置在拉伸试验机中，通过计算机控制加载，进行加载时观察试件裂缝变化。

通过以下计算方式分析混凝土试件裂缝扩展规律，以此分析试件拉伸性能。假设δ为试件拉伸时的总变形量，则该变形量可通过公式计算：

δ=δe+δo+w

(1)

式中：相对裂缝扩展宽度用w表示；位于变形曲线上的断裂区外的弹性变形以及剩余变形依次用δe、δo表示，且二者可公式计算：

(2)

式中：峰值应力为σp，与其相应的变形为δp；弹性模量用Et表示；试件长度为l，该长度与相对裂缝宽展阔度w不存在关联；当处于最大荷载值之前，不存在宏观裂缝。对此，采用公式计算相对裂缝扩展宽度：

w=δ-δe-δo

(3)

通过式(3)即可求得相对裂缝扩展宽度。同时，本文利用回归方法计算相对裂缝扩展宽度与相对拉伸应力之间关系：

(4)

式中：wf为最大缝宽；材料参数依次用λ、φ表示，这些参数与纤维掺量有关；ft为混凝土拉伸强度。通过上述计算，即能够获取混凝土试件相对裂缝宽度与相对轴向拉伸应力之间的关系。

1.3.4聚丙烯纤维混凝土耐高温性能分析

对不同试件依次进行高温试验，试验过程采用高温箱式电阻炉，当温度位于400 ℃以下时，升温速率保持在10 ℃/min；当温度处于400～800 ℃时，升温速率保持在5 ℃/min，达到目标温度后，进行2 h保温处理，之后停止加热。当试件冷却后，取出对其进行外表观察试验以及性能测试。

1.3.5聚丙烯纤维混凝土抗渗性分析

选取抗渗试验机对试件进行加压试验，采用对试件施加水压力的方法，分析混凝土试件的抗渗性能。将试件装入抗渗仪中，在初始试验时，将水压调整为0.6 MPa；之后每隔8 h提升0.1 MPa，之后观测试件表面渗水情况。

1.3.6聚丙烯纤维混凝土塌落度分析

混凝土的流动性是能够评价其性能的关键指标之一[14-15]。本文采用塌落度试验方法，对不同试件进行龄期为28 d的试验观察。

2 试验分析

2.1 聚丙烯纤维对混凝土抗压、抗折与抗剪强度的影响

分析28 d龄期内不同试件的抗压、抗折与抗剪强度，分析结果如图1所示。

(a)不同试件抗压强度分析

(b)不同试件抗折强度分析

(c)不同试件抗剪强度分析图1 聚丙烯纤维对不同试件的性能影响Fig.1 Effect of polypropylene fiber on properties of different specimens

从图1(a)可以看出，在试验初期，各试件的抗压强度较低，当龄期达到16 d时，全部试件抗压强度达到最高，当龄期处于28 d时，抗压强度均有所下降；其中，添加聚丙烯纤维后的试件抗压强度均得到提高，当添加聚丙烯纤维含量为0.10%时的试件性能最佳。从图1(b)、(c)还可看出，在试验不断进行过程中，试件的抗剪、抗折强度均保持下降趋势，未添加聚丙烯纤维的试件1抗剪、抗压能力均较差，由此说明，添加聚丙烯纤维能够有效改善试件稳定性，且添加0.10%含量聚丙烯纤维的试件抗压、抗折和抗剪能力最佳。

2.2 聚丙烯纤维对混凝土塑性收缩的影响

分析未添加聚丙烯纤维的混凝土试件与添加聚丙烯纤维含量0.10%的混凝土试件塑性收缩情况，分析结果如图2所示。

(a)未添加聚丙烯纤维的混凝土试件

(b)添加聚丙烯纤维0.10%的混凝土试件图2 混凝土塑性收缩性能变化Fig.2 Change of plastic shrinkage performance of concrete

由图2(a)可以看出，当龄期逐渐加大，混凝土试件的裂缝面积、最大缝宽以及失水速率逐渐上升，导致试件性能变差；而添加0.10%聚丙烯纤维后，从图2(b)可以看出，混凝土试件的塑性收缩性能较好，当龄期上升，试件的裂缝面积迅速下降，且最大缝宽与失水速率也呈下降趋势，使试件应用性更高，具有较高水平的塑性收缩能力。

2.3 聚丙烯纤维对混凝土拉伸性能影响

分析4种试件的拉伸性能，分析结果如图3所示。

图3 不同试件相对轴向拉伸应力分析Fig.3 Analysis of relative axial tensile stress of different specimens

从图3可以看出，当相对裂缝扩展宽度逐渐加大，试件的相对轴向拉伸应力也会随之降低。其中，未添加聚丙烯纤维的试件1拉伸应力始终最低，说明该试件的拉伸效果较差；而添加聚丙烯纤维后，试件的拉伸应力均得到提升，其中添加聚丙烯纤维含量为0.10%的混凝土试件拉伸应力最高，当聚丙烯纤维含量逐渐加大，达到0.15%时，试件的拉伸应力有所下降。

2.4 聚丙烯纤维对混凝土耐高温性能的影响

分析高温作用下，不同试件混凝土的强度、质量损失率变化情况，结果如图4所示。

(a)强度损失率

(b)质量损失率图4 高温作用下混凝土试件性能变化Fig.4 Performance change of concrete specimen under high temperature

从图4可以看出，当试验温度不断增加，不同试件的强度损失率与质量损失率均会随之提升。其中，各个试件的强度损失率相对较高，试件1的强度损失最高达到60%以上；添加聚丙烯纤维后的试件2、试件3、试件4强度损失率均有所下降，其中试件3的强度损失率最低，保持在50%以下；不同试件的质量损失率相对较低，但试件1的质量损失率依然在全部试件中保持最高水平，且最高达到20%以上。添加聚丙烯纤维含量为0.10%的混凝土试件质量损失率最低，且始终保持在10%以下。

2.5 聚丙烯纤维对混凝土抗渗性的影响

分析不同试件在不同时间下的平均渗水压力，分析结果如图5所示。

图5 不同试件的平均渗水压力Fig.5 Average seepage pressure of different specimens

从图5可以看出，由于试件1未添加聚丙烯纤维混凝土，因此该试件的平均渗水压力始终较大，说明该试件抗渗性较差。添加聚丙烯纤维后的3种试件均呈现较小的渗水压力，其中聚丙烯纤维含量0.10%的试件3抗渗性最佳；而聚丙烯纤维添加含量继续增加后，达到0.15%的混凝土试件抗渗性要低于0.10%聚丙烯纤维含量的混凝土试件。

2.6 聚丙烯纤维对混凝土塌落度的影响

分析不同试件在所选龄期内的塌落度值变化情况，分析结果如表3所示。

表3 不同试件塌落度值变化情况Tab.3 Variation of slump value of different test pieces

由表3可知，在7 d时，试件1的塌落度值最大，达到107 mm，说明该试件在试验初期已出现较大塌落度；当处于试验28 d时，试件1的塌落度达到132 mm，依然处于最大塌落度值。针对添加聚丙烯纤维的混凝土试件，其塌落度均保持较低水平，其中聚丙烯纤维含量为0.10%的试件3塌落度最高仅有41 mm，说明添加聚丙烯纤维后可以有效防止混凝土出现塌落现象。

3 结语

研究聚丙烯纤维混凝土纤维增强作用机理，将不同含量的网状聚丙烯纤维添加至混凝土中进行试验，并对比未添加聚丙烯纤维的混凝土试件，得出添加聚丙烯纤维后对混凝土各方面的影响。在未来研究阶段，可利用当前试验结果继续进行优化试验，使添加聚丙烯纤维的混凝土应用效果更强。