聚丙烯纖維對輕骨料混凝土物理力學性能的影響研究?

史陽光 ，高 峰 ，劉 磊

（1.伊犁師范大學 物理科學與技術學院； 2.新疆凝聚態相變與微結構實驗室，新疆 伊寧835000；3.新疆農業大學 水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊830052）

0 引言

陶粒作為新型建筑材料，內部疏松多孔，表觀密度小，吸聲隔聲效果好［1］，常用來制作具輕骨料混凝土。但由于陶粒自身強度較低，配置出的混凝土具有脆性突出、易開裂的缺點［2］，這在一定程度上限制了其大規模的工程化應用。研究表明摻加聚丙烯纖維可以有效改善混凝土的力學性能和韌性［3］。梁寧慧等［4］通過改變聚丙烯纖維用量研究其對抗拉強度和劈拉強度的影響，結果表明當纖維摻量3 kg／m3時，7 d、14 d、28 d 的抗壓強度增長最大，對于劈拉強度的最優摻量為6 kg／m3，且纖維對劈拉強度增強效果明顯優于抗壓強度。但也有學者研究表明，摻加聚丙烯纖維后抗壓強度較不摻纖維時有所下降［5－6］。一些學者開展了不同纖維長度對混凝土力學性能的影響研究，如Bagherzadeh 等［7］研究結果表明纖維長度小于19 mm 時，抗壓強度有所增長，當纖維長度為19 mm 時，抗壓強度沒有明顯變化； 熊志文等［8］研究表明當纖維摻量為9 mm 時，對抗壓強度的增長最為顯著。另外，合適的聚丙烯纖維摻量可以降低混凝土的滲透性能，從而提高結構的耐久性［9］。楊冬鵬研究表明聚丙烯纖維對混凝土早期的干燥收縮抑制效果不顯著，隨著齡期的增加，抑制作用逐漸增加［10］。劉新榮等開展了粗細聚丙烯纖維對混凝土的沖擊性能的研究，結果表明粗、細纖維分別提升了破壞前、后的抗沖擊性能，而復摻后各個階段的沖擊性能均有所提高［11］。在結構設計中，劈拉強度是表征結構抗裂性能的一個重要參數。施工過程中混凝土拌合物的流動性影響著工程質量，因此開展纖維摻量對輕骨料混凝土力學性能和工作性能的研究有著重要意義。

基于此，本文以聚丙烯纖維摻量作為變量因素，研究不同含量下聚丙烯纖維對混凝土坍落度、劈拉強度的影響規律，結合試件的破壞形態并利用細觀分析探討纖維對混凝土的改善機理； 最后通過能量耗散分析，定量評價聚丙烯纖維對輕骨料混凝土的耗能能力和韌性； 研究結果以期得到纖維最佳摻量，為纖維輕骨料混凝土在工程上的大規模應用提供理論依據。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

陶粒： 新疆烏魯木齊市騰達珍珠巖保溫材料有限公司生產的頁巖陶粒，物理力學性能指標見表1。聚丙烯纖維： 采用河北廊坊拓盛保溫材料有限公司生產的聚丙烯纖維，物理力學性能指標見表2。水泥： 新疆天山水泥廠生產的P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥，物理力學性能指標見表3。砂：II 區 砂，細 度 模 數 為2.6，中 砂，顆 粒 粒 徑：0.15～4.75 mm，吸水率0.52%，堆積密度為1641 kg／m3，表觀密度2668 kg／m3。減水劑： 新疆建華天寶公司生產的聚羧酸高效減水劑，減水率27%，摻量為水泥用量的1%。拌合用水： 普通飲用水。

表1 陶粒物理力學性能指標Table 1 Physical and mechanical properties of ceramic particles

表2 聚丙烯纖維物理力學性能指標Table 2 Physical and mechanical properties of polypropylene fiber

表3 普通水泥的物理力學性能指標Table 3 Physical properties of Portland cement

1.2 試驗配合比及方法

依據JGJ51－2002 《輕骨料混凝土技術規程》配置基準強度C30 的混凝土，按體積摻量0、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%加入聚丙烯纖維，水灰比取0.44，具體配合比如表4 所示。每組制作3 塊100 mm×100 mm×100 mm 立方體試件，由于陶粒具有吸水性，試件制作前預濕24 h，拌合物的投料順序為： 先將砂子混合攪拌1 min后，加入水泥攪拌1 min，然后加減水劑和水攪拌1.5 min，振搗成型，放入養護室養護28 d。利用坍落度筒測試拌合物的流動性，利用電子萬能試驗機按GB／T 50081－2002 《普通混凝土力學性能力學試驗方法標準》 規定進行劈拉強度測試，用千分表記錄試件的橫向位移，為避免劈拉破壞時千分表脫落，千分表布置在試件表面中心偏右的位置，加載速率設置為0.3 kN／s，其測試結果取3塊試件的平均值。采用深圳市福鼎熙有限公司生產的HU508A 顯微鏡對破壞后的試件進行細觀成像掃描，觀察纖維在混凝土內部的分布情況。

表4 混凝土配合比設計Table 4 Mix proportion of concrete ／（kg／m3）

2 結果與討論

2.1 坍落度

對6 組混凝土拌合物進行坍落度測試，得到不同纖維摻量下的坍落度的測試結果，如圖1 所示。由圖1 可知，隨著纖維的摻加，坍落度呈現下降的趨勢，坍落度值分別為78 mm、68 mm、59 mm、53 mm、42 mm、35 mm，摻加纖維的坍落度較不摻纖維的對照組分別下降了12.8%、24.4%、32.1%、46.2%、55.1%； 說明纖維的加入降低了混凝土的流動性。坍落度降低的原因是：纖維需要水泥砂漿包裹，隨著纖維摻量的增加，越來越多的水泥漿被消耗，導致拌合物的流動性降低； 此外，隨著纖維的大量加入，拌合過程中纖維出現團簇現象，纖維與水泥砂漿之間的摩擦力增大［12］，這在一定程度上降低了混凝土的流動性，導致坍落度下降。

圖1 纖維對坍落度的影響Fig.1 Effect of fibers on slump

2.2 破壞形態

對于劈裂破壞，達到峰值荷載時，不摻加纖維的試件立即被劈裂成獨立的兩部分如圖2 （a）所示； 而摻加纖維的試件雖出現上述貫通裂縫，但試件在纖維的作用下并未完全分開如圖2 （b）、圖2 （c） 所示； 同時可以觀察到摻加纖維的試件裂縫明顯窄于不摻纖維的對照組，且摻加纖維時的整個加載過程所需時間長于對照組； 圖2 （c）還給出了裂縫處可見纖維繃緊、斷裂、拔出的現象，說明纖維阻礙了裂縫的發展。由于試驗所用陶粒自身筒壓強度較低，劈拉試件，除水泥與骨料界面破壞外，陶粒也出現破碎現象。

圖2 混凝土的劈拉破壞形態Fig.2 Failure mode of concrete

2.3 劈拉強度

對各組試件進行劈拉強度測試，分別得到不同纖維摻量下混凝土28 d 的試驗結果，如圖3所示。

由圖3 知，隨著纖維摻量的增加，劈拉強度先增大后減小，且強度值均高于對照組； 劈拉強度增長率分別為0.6%、12.6%、25.3%、27.3%、10.1%，當纖維摻量0.25%時，劈拉強度增長率最大。當纖維摻量0.1%～0.15%時，劈拉強度的增長較為緩慢。當纖維摻量0.2%～0.25%時，劈拉強度的增長率明顯變大，出現這種現象的原因是：聚丙烯纖維彈性模量低，低摻量下，對劈拉強度增長有限； 此外，纖維雜亂分布在混凝土中，劈拉強度除受到纖維摻量的影響外，還與纖維方向和受力方向有關［13］，當纖維方向與受力方向一致時，纖維才能最大程度的發揮作用，當纖維摻量較小時，有效纖維數目較少，劈拉強度增加不明顯。隨著纖維摻量的逐漸增大，有效纖維數量增多，劈拉強度的增長率較大； 但纖維摻量過大時（0.3%），雖然有效纖維數量增多，但纖維成團分布在混凝土內部，造成更多的缺陷，導致劈拉強度增長率下降。

2.4 細觀分析

為進一步揭示纖維對坍落度的影響和劈拉強度的增韌機理，采用細觀成像掃描。如圖4 （a）所示，纖維在混凝土內部堆疊聚集成團分布。這就解釋了混凝土拌合物隨著纖維增加流動性下降的原因； 同時也說明纖維摻量過大時劈拉強度增長率下降。由圖4 （b）、圖4 （c） 可知，聚丙烯纖維被拉斷或拔出，說明纖維起到橋接作用，降低了凝土的彈性應變能釋放速率，增大了混凝土

圖4 劈拉試件纖維分布形態Fig.4 Fiber distribution pattern of split tensile specimen

的耗散能［14］，從而提高了混凝土的延性和韌性，使劈拉強度提高。上述纖維分布均與砂漿界面形成一定的機械咬合力，劈拉破壞時，隨著微裂縫的發展，聚丙烯纖維發揮二次加筋作用［15］； 此外，聚丙烯纖維可作為水泥基質的粘結基礎，水泥基質附著在聚丙烯纖維上，水泥水化過程中可以吸收更多的生成物，填充薄弱孔隙進而提高混凝土的劈裂抗拉強度。

2.5 耗能能力

為定量評價試件劈裂破壞時的耗能能力，以荷載－位移曲線包絡的面積表示能量的損耗，定義坐標原點至劈裂荷載峰值點和橫坐標軸包圍的面積為劈裂破壞吸收能（SEC），劈裂荷載峰值后的下降段曲線包圍的面積定義為殘余劈裂能（FEC），整條曲線所包圍的面接為劈裂總能量吸收能（SE），將SE與SEC 比值定義為韌性指數［16］。劈拉荷載－位移曲線如圖5 所示，劈拉性能的能量計算結果如圖6 所示，韌性指數如圖7 所示。

圖5 荷載－位移曲線圖Fig.5 load－displacement curve

圖6 纖維摻量對耗能能力的影響Fig.6 Effect of fiber on energy consumption

圖7 纖維摻量對韌性指數的影響Fig.7 Effect of fiber on toughness

由圖5 可知，摻加纖維的峰值荷載均高于不加纖維的對照組，且劈裂峰值荷載過后，曲線均出現下降段。不摻纖維的對照組下降段迅速，橫向位移值較??； 而摻加纖維后的下降段較平緩，橫向位移較大。說明纖維提高了試件抗劈裂承載能力，弱化了試件卸載后的衰減程度。衰減程度與纖維摻量的關系為： 0 ＞0.1%＞0.3%＞0.15%＞0.20%＞0.25%，這也說明了纖維摻量并非越多衰減程度越緩，超過最佳摻量0.25%時，衰減程度反而加劇。

由圖6 可知，摻加纖維后劈裂破壞吸收能、殘余劈裂能、劈裂總耗能均有所提高； 其中殘余劈裂能占劈裂總耗能的78%－95%，說明纖維混凝土對劈裂能量的耗散主要表現在卸載階段，卸載階段越平緩，劈裂能量消耗越多，混凝土的延性越好。隨著纖維含量的增加，劈裂破壞吸收能較對照組分別提高了1.05、1.25、1.4、0.18、2.67 倍；殘余劈裂能分別提高了1.6、3.84、4.51、5.35、2.89 倍； 劈裂總耗能分別提高了1.48、3.26、4.04、4.2、2.84 倍。這也定量說明了摻加纖維后，由于纖維的拔出或拉斷，提高了輕骨料混凝土的耗能能力。由劈裂總耗能可知纖維最優摻量為0.25%。

由圖7 可知，摻加纖維后韌性指數均有所提高； 韌性指數較不摻纖維時分別提高了0.21、0.89、0.48、3.4、0.05 倍。說明適量摻加纖維（0.1%～0.25%） 可以提高混凝土的韌性，當纖維摻量過大時（0.3%），韌性指數提高不明顯。由韌性指數可知纖維最優摻量為0.25%。

3 結論和建議

（1） 聚丙烯纖維的加入，降低了混凝土的流動性，但提高輕骨料混凝土的劈拉強度，纖維最佳摻量為0.25%，劈拉強度提高了27.3%。

（2） 聚丙烯纖維的加入改變了輕骨料混凝土的破壞模式，劈拉破壞后裂縫變窄，沒有出現完全分開的兩部分，對裂縫的開展起到了一定的抑制作用。

（3） 聚丙烯纖維的加入延緩了卸載后試件的能量吸收能力，消耗了更多的能量，從能量耗散和韌性指數綜合考慮，纖維最優摻量為0.25%。細觀機理表明，纖維起到了增韌劑里。