聚丙烯纤维轻骨料混凝土抗压强度试验研究

熊志文，李建强，王志飞，张 莹

（辽宁科技大学 土木工程学院，辽宁 鞍山 114051）

聚丙烯纤维轻骨料混凝土抗压强度试验研究

熊志文，李建强，王志飞，张 莹

（辽宁科技大学 土木工程学院，辽宁 鞍山 114051）

为了研究聚丙烯短纤维长度和掺量以及陶粒的掺量对混凝土砌块抗压强度的影响，制备了不同材料的57个立方体试件进行抗压强度试验，实验数据及试件破坏形态表明，聚丙烯纤维轻骨料混凝土能有效提高混凝土的抗压、抗裂强度，控制裂缝的发展。

聚丙烯纤维；抗压强度；陶粒混凝土；配合比

纤维轻骨料混凝土是采用轻骨料、砂、水泥和水为材料，掺入一定量纤维材料制成的混凝土，其表观密度不大于1 950 kg/m3。与普通的混凝土相比，其具有轻质、高强、耐火、隔热、保温性能好、抗震性好、抗渗性好、变形性能好、节能环保等一系列优点。近年来，关于轻骨料混凝土的研究在国内外取得了较大的发展。但由于其弹性模量较低，收缩和徐变比较大，更容易产生脆性破坏，因此其应用的范围有限，不具有长远的经济效益［1］。为了提高混凝土的抗裂、抗压强度，控制裂缝的发展，本文采用在混凝土中掺入高强纤维的方法提高轻骨料陶粒混凝土的力学性能。目前工程上应用较多的高强度纤维主要有钢纤维、聚丙烯纤维、碳纤维等，其中聚丙烯纤维具有成本低、强度高、弹性模量高、轻质和良好导电导热性等力学性能，应用最为广泛。文献［2］探讨了钢纤维对混凝土抗压及抗剪强度的影响；文献［3］研究了钢纤维对混凝土弯曲韧性的影响，并提出了相应评价方法；文献［4-5］探讨了碳纤维对混凝土抗压强度的影响，并提出了应力-应变本构关系模型。但到目前，聚丙烯纤维对轻骨料发泡陶粒混凝土的力学性能影响研究较少。本试验以聚丙烯纤维和粉煤灰陶粒为变量，通过改变聚丙烯短纤维的掺量、规格及改变陶粒的掺量，研究对混凝土性能的影响，找到最优配比，为纤维增强陶粒混凝土各材料用量提出合理建议。

1 试验设计

1.1 试验材料选择

本试验所需材料：水泥、砂、粉煤灰陶粒、聚丙烯纤维、发泡剂。

粉煤灰陶粒堆积密度为530 kg/m3，表观密度为1 638 kg/m3，1 h吸水率为8.3%，筒压强度为3.3 MPa，压碎指标为30.5%，粒径5～15 mm，耐火度大于500 ℃。矿物组成成分SiO2，Al2O3，Fe2O3，CaO，C3S，C2S，C3A，C4AF的质量分数分别为22.4%，5.16%，2.49%，63.3%，57.3%，21.3%，8.62%，10.1%。

砂细度模数为2.4，平均粒径为0.5～0.35 mm。

水泥采用辽宁省鞍山市生产的42.5普通硅酸盐水泥。

聚丙烯短纤维采用河北廊坊生产的束状单丝纤维，长度为3～9 mm，直径为48 μm，抗拉强度≥400 MPa，弹性模量≥3.5GPa。

发泡剂采用山东烟台生产的发泡剂，减水率为10%。

1.2 配合比的确定

本试验采用三种不同纤维长度和纤维掺量（掺量为水泥质量的0.3%、0.5%、0.7%）以及陶粒掺量进行试验。并设计六组素混凝土试件作为对照，各材料的用量参考JGJ51-2002《轻骨料混凝土技术规程》，采用松散体积法［6］制作混凝土试件，养护28 d，对混凝土试件进行抗压试验。材料用量见表1，其中水泥用量均为444.4 kg/m3，水用量均为207.4 kg/m3，砂用量均为 592.6 kg/m3，发泡剂用量均为0.44 kg/m3。

表1 混凝土试件各材料用量Tab.1 Use level of material in concrete specimen

1.3 试验过程

聚丙烯短纤维不易分散，为了避免在制作试件中纤维过于集中，采取直接加入、人工分散的方法。制作之前先将陶粒进行24 h的浸泡，测出预湿后的轻骨料混水率以控制搅拌时的用水量。先将陶粒、砂、水泥放入搅拌机中并将纤维较均匀地撒在骨料上，先干拌1 min左右，之后加入水与发泡剂进行搅拌4 min左右［7］。最后将搅拌好的轻骨料碳纤维混凝土注入标准试模中、在震动台上充分震动后成型。如此，分别控制纤维的长度、掺量以及陶粒的掺量制作不同的混凝土标准砌块。试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm。并在（20±5）℃情况下静置一昼夜，然后编号拆模［8］。拆模后的试件立即放入温度（20±2）℃，湿度为95%以上的标准养护室养护28 d。

2 试验结果分析

采用NYL－2000D型压力试验机进行抗压强度实验。本实验57组标准试块的抗压强度见表2。

混凝土立方体试件抗压强度计算

式中：fcu为混凝土立方体试件抗压强度，MPa；F为破坏荷载，kN；A为试件的承压面积，m3。

从表2可以看出，纤维的用量和长度的选择以及陶粒的用量对混凝土抗压强度有着明显的影响。为了更直观地反映出这些因素对混凝土抗压强度的影响，对表2进行整理分析得到图1。

与普通混凝土相比，控制掺入的陶粒量以及纤维长度不变时，混凝土的抗压强度随着纤维用量的增加而增大，当纤维掺量为0.7%时抗压强度增幅更加明显；控制掺入的陶粒量以及纤维用量不变，增加纤维长度能有效提高普通混凝土的抗压强度。当加入的纤维长度为9 mm时混凝土试件的抗压强度增加最为明显。当控制纤维用量以及长度时，合理增加陶粒用量对提高普通混凝土的抗压强度起着显著作用。这表明纤维掺量为0.7%时轻骨料聚丙烯纤维混凝土比较密实，聚丙烯纤维掺量合理，即为实验最佳掺量。掺入一定量的纤维可以增强混凝土的抗压强度，而纤维量过多超过某一个量时，不仅对增强强度无益，反而会降低其强度［9］。

表2 掺入不同量纤维和陶粒的混凝土试件抗压强度，MPaTab.2 Compressive strength of different use level of fiber and ceramists in concrete specie，MPa

图1 抗压强度随纤维掺量的变化Fig.1 Strength change with fiber content

在抗裂性能方面，如图2所示，普通混凝土在加载过程中试件表面出现众多可见的细微小裂缝，随着荷载不断加大，裂缝开展明显。试件表面从开始出现碎片到剥落，至裂缝出现及迅速开展，平均仅有2 min。然而聚丙烯纤维混凝土试件在加载过程中开始也会出现类似于素混凝土破坏情况，但是随着不断的加载试件表面不会有碎片产生，裂缝的展开比较缓慢，只是在一定程度上不断地发展扩大，如图3所示。前者为脆性破坏，后者的破坏属于一种缓慢的过程。

图2 素混凝土试件破环情况Fig.2 Failure of plain concrete specimens

分析认为之所以会出现这种差异，是由于纤维的存在限制了裂缝的展开，并且纤维排列的杂乱无章，如图4所示，导致混凝土试件在破坏时裂缝不能沿着规则路径展开，从而导致试件在破坏前，其裂缝的展开是不明显的。

图3 纤维混凝土试件破环情况Fig.3 Failure of fiber concrete specimens

图4 纤维混凝土内部构造Fig.4 Internal structure of fiber reinforced concrete

3 结论

（1）纤维长度、掺量以及陶粒的掺量都能在不同程度上影响轻骨料混凝土抗压强度。

（2）当纤维的掺量为0.7%时抗压强度增幅更加明显；加入的纤维长度为9 mm时混凝土试件的抗压强度增加最为明显。当控制纤维的用量以及长度时，合理增加陶粒用量可提高普通混凝土的抗压强度。

（3）纤维的存在限制了裂缝的展开，加载过程中不会有碎片产生，只是在一定程度上不断地发展扩大。

［1］牛建刚，林红.轻骨料混凝土的发展与研究展望［J］.城市建筑，2012（13）：108-109.

［2］杨勇，任青文.钢纤维混凝土力学性能试验研究［J］.河海大学学报，2006，34（1）：92-94.

［3］高丹盈，赵亮平，冯虎，等.钢纤维混凝土弯曲韧性及其评价方法［J］.建筑材料学报，2014，17（5）：783-789.

［4］周乐，王晓初，刘洪涛.碳纤维混凝土应力-应变曲线试验研究［J］.工程力学，2013，30（7）：200-204.

［5］于良，程华，靳雨欣，等.碳纤维混凝土单轴受压应力-应变本构关系［J］.后勤工程学院学报，2013，29（4）：6-12.

［6］丁威，龚洛书，周运灿，等.JGJ51-2002轻骨料混凝土技术规程［M］.北京：中国建筑工业出版社，2002：13-17.

［7］石建军，杨雨山，周立科.轻骨料碳纤维混凝土的力学性能［J］.混凝土，2009（4）：70-74.

［8］张彩霞.实用建筑材料试验手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，2011：213-215.

［9］马南湘.聚丙烯纤维混凝土抗裂防渗性能研究与施工方法［M］.北京：中国建筑工业出版社，2011：30-38.

Experimental study on compressive strength of concrete with polypropylene fiber lightweight aggregate

XIONG Zhiwen，LI Jianqiang，WANG Zhifei，ZHANG Ying

（School of Civil Engineering，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China）

In order to study the influence of the length and proportion of polypropylene fiber and ceramsite content on compressive strength of concrete，57 concrete blocks with different size of polypropylene fiber were prepared.The experimental data and damage morphology showed that polypropylene fiber，as lightweight aggregate in concrete，can effectively improve the compressive strength and the rupture strength of the lightweight aggregate concrete and，control the development of crack.

polypropylene fiber；compressive strength；ceramsite concrete；mix proportion

April 1，2017）

TU528.572

A

1674-1048（2017）03-0237-04

10.13988/j.ustl.2017.03.015

2017-04-01。

辽宁省大学生创新创业项目（201610146040）。

熊志文（1995—），男，河南正阳人。

李建强（1979—），男，山东庆云人，讲师。