第３２卷第２期 ２０１３年６月 武汉工业学院学报 Ｖｏ１．３２Ｎｏ．２ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｗｕｈａｎ Ｐｏｌ￣ｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｊｕｎ．２０１３ 文章编号：１００９－４８８１（２０１３）０２－００８９－０４ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９－４８８１．２０１３．０２．０２３ 聚丙烯纤维对混凝土力学性能的影响 李文武，刘肖凡，李凯 （武汉工业学院结构与新材料研究所，湖北武汉４３００２３） 摘要：在混凝土中加入不同掺量的聚丙烯纤维，形成聚丙烯纤维混凝土，通过立方体抗压强 度试验、弯曲韧性试验、早期收缩抗裂试验，并与素混凝土试验结果进行对比，来确定不同掺量 的聚丙烯纤维对于混凝土各个力学性能的影响，从而确定最佳的聚丙烯纤维掺量。 关键词：聚丙烯纤维；混凝土；力学性能；掺量 中图分类号：ＴＵ ５２８．４１ 文献标识码：Ａ Ｉ ｍｐａｃｔ ｏｎ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｆｉｂｅｒ Ｌ／Ｗｅｎ一１ｔ）１１，，ＬＩＵ Ｘｉａｏ－ｆａｎ，ＬＩ Ｋａｉ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｎｅｗ Ｍａｔｅｒｉａｌ，Ｗｕｈａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００２３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ Ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｆｉｂｅｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｆｏｒｍ ｏｆ ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｆｉｂｅｒ ｃｏｎｃｒｅｔｅ，ｂｙ ｃｕｂｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｔｅｓｔ ａｎｄ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｔｅｓｔ ａｎｄ ｅａｒｌｙ ｃｏｎｔｒａｃｔｉｏｎｃｒａｃｋ ｔｅｓｔ，ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｐｌａｉｎ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｔｅｓｔ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｄｏｓａｇｅ ｏｆ ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｆｉｂｅｒｓ ｆｏｒ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ，ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｄｏｓａｇｅ ｏｆ ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｆｉｂｅｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｆｉｂｅｒｓ；ｃｏｎｃｒｅｔｅ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ；ｃｏｎｔｅｎｔ 聚丙烯纤维混凝土作为一种新型混凝土材料， 在国外已有近５Ｏ多年的发展历程，近２０年来，在国 内的混凝土工程中也逐渐被应用。聚丙烯纤维作为 一了低掺率合成纤维在混凝土中的作用机制，总结出合 成纤维作为混凝土增强材料的特点，明确指出低掺率 合成纤维在混凝土中具有阻裂作用和增韧作用 。 本文着重于研究聚丙烯纤维对混凝土的抗压强度、弯 曲韧性、早期收缩抗裂性能方面的影响。 种新型材料，它掺加工艺简单，用量需求少，价格 低且耐碱性优良。在美国，纤维混凝土已被大量使 用于地下防水工程、工业与民用建筑的屋面、墙体、 地坪、水池道路及桥梁等工程中 。 目前对于合成纤维混凝土的研究多集中于聚丙 烯纤维的阻裂机理，以及聚丙烯纤维对混凝土强度的 改善。黄贻凤等 对聚丙烯纤维混凝土的力学性 能和耐久性进行了较系统的研究，但没有研究其抗冲 击韧性性能。中国建筑材料科学研究院沈荣熹研究 １试验方法 １．１试验原材料 试验采用的是湖北华新水泥股份有限公司生产 的Ｐ．Ｃ ３２．５复合硅酸盐水泥。 聚丙烯纤维：采用武汉新途工程纤维制造有限 公司生产的聚丙烯单丝纤维，呈束状单丝结构，具有 收稿日期：２０１３－０１－２１． 作者简介：李文武（１９８７一），男，硕士研究生，Ｅ－ｍａｉｌ：１ｗｗｔｗｉｎｓ＠１６３．ｔｏｍ． 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０９０８１８２）；湖北省优秀中青年科技创新团队计划项目（Ｉ２０１１０７） 武汉工业学院学报 ２０１３焦 良好的分散性能。 粗骨料：为机制碎石，粒径５—２０ ｍｌｎ，堆积密度为 １５２０ ｋｇ／ｍ￣表观密度为２５８０ ｋｇ／ｍ￣，含泥量１．３％。 ，凝材料的包裹效果会有所下降，因而混凝土的强度 随着纤维掺量的增加而逐渐降低 。 ２．２纤维掺量对混凝土弯曲韧性的影响 细骨料：采用机制砂，堆积密度１５６０ ｋｇ／ｍ’，表 图１（ａ～ｄ）为四种聚丙烯纤维掺量的混凝土所 得的弯曲韧性试验结果曲线图。比较图１中的四条 观密度２５８０ ｋｇ／ｍ ，经过筛子过滤后，砂子粗细均 匀，计算得细骨料细度模数为２．４８。 １．２试样方案及制备 在配合比设计中，基准混凝土强度等级设计为 Ｃ３０，具体材料配比情况为：水泥４２６ ｋｇ／ｍ ，水１８１ ｋｇ／ｍ ，砂７５２ ｋｇ／ｍ’，碎石１０１６ ｋｇ／ｍ 。为了对比 聚丙烯纤维的作用效果，避开其它因素的影响，在配 合比设计时，保持混凝土中其它材料用量不变，分别 掺人０％，０．１％，０．２％，０．３％（均为每ｍ 混凝土的 体积掺量）的聚丙烯纤维进行试配。 试件制作时，先将砂、水泥、碎石加入搅拌器中， 加水并开始搅拌。为了使纤维能均匀的分布在混凝 土中，在搅拌时需要不断的通过人工手段来喷撒聚 丙烯纤维，使其完全分散，搅拌时间较普通混凝土适 当延长ｌ＿一２ ｍｉｎ。 ２试验结果及分析 ２．１纤维掺量对混凝土抗压强度的影响 表１为聚丙烯纤维掺量对混凝土２８ ｄ抗压强 度的影响。 表１ 不同掺量聚丙烯纤维抗压强度值 由表１数据可以看出，当聚丙烯纤维掺量由０ 增加到０．３％时，聚丙烯纤维混凝土的抗压强度在 逐步降低，与１号试件素混凝土相比，４号试件，即 ０．３％体积掺量的聚丙烯纤维混凝土抗压强度反而 下降了８．１３％。与素混凝土相比，掺人低掺量的聚 丙烯纤维后，混凝土的抗压强度变化不大，随着掺量 的增加，混凝土的抗压强度反而会略有下降，由此可 知聚丙烯纤维对混凝土抗压强度是没有改善的，反 而会略有不利影响。 当掺人聚丙烯纤维后，混凝土抗压强度值会下 降，之所以会发生这种情况，是因为加人聚丙烯纤维 后，混凝土的引气效果较为明显，使得混凝土胶凝材 料与骨料间的结合力有所下降，所以混凝土的强度 会随之有所下降，而随着纤维掺量的增加，混凝土胶 曲线，当荷载达到峰值时，试件出现第１条裂缝，素 混凝土的承载能力较低，不能观察到初始裂缝的产 生，脆断即告破坏，荷载一挠度曲线所包围的面积很 小，表明耗能能力较差。而纤维混凝土试件在发生 初裂后，虽然承载能力也有所下降，但仍可在较长一 段时间内继续承受一定的荷载，它的应变曲线下降 缓慢，表明聚丙烯纤维混凝土有较高的对荷载能量 的吸收能力，具有良好的韧性。 可见掺加聚丙烯纤维的混凝土与素混凝土相 比，承载能力均有一定程度的提高，荷载一挠度曲线 所包围的面积也较为丰满，其中一些曲线有较稳定 的下降段，表明聚丙烯纤维混凝土初裂后仍有较大 的剩余强度，延性较好，这与混凝土基体中纤维的存 在密切相关。 由以上试验结果，可得出以下结论： 聚丙烯纤维能有效地阻止裂缝的产生及发展， 使得在混凝土开裂时不会产生较大裂缝，纤维能够 承担一部分拉应力，其应变曲线下降缓慢，最大以及 平均裂缝宽度均大幅减小，增强了材料介质连续性， 减小被阻断引起的局部应力集中现象，并阻碍了混 凝土中裂缝的进一步扩展，增强了混凝土的韧性，使 得混凝土的传统脆性弱点得到了较大改善。 ２．３纤维掺量对混凝土早期收缩抗裂性能影响 用于浇筑试件的平板法试件采用钢制模具，其 尺寸设计为６００ ｍｍ×６００ ｍｍ×６３ ｍｍ，模具底板采 用木质密度板，厚度为３０ ｍｍ，模具底板的表面铺有 低摩阻的聚乙烯薄膜隔离层，用以隔离底板，方便成 型。模具的四边与底板通过螺栓固定在一起，以提 高模具的刚度。浇注砂浆前，模具与底板结合处用 石膏填缝密实，以防止浇注砂浆后出现漏浆现象，影 响试验的准确性。浇筑后，当平板试件发生收缩时， 试件四周将受到栓钉与槽钢的约束。 依据《ｃＥｃｓ３８—２００４纤维混凝土结构技术规 程》进行试验，仅为评定纤维阻裂效果时采用砂浆 试件，即以砂浆为基体，掺人纤维，试件厚度为２０ ｍｍ，制作４组不同掺量的聚丙烯纤维砂浆试件，聚 丙烯纤维掺量分别为０％，０．１％，０．２％，０．３％。 图２为４组试件的裂缝扩展图，在试验过程中 可以观察到： 武汉工业学院学报 ２０１３经 表２为四种不同纤维掺量的混凝土所产生裂缝 面积的情况。从表２的数据和图２中的裂缝扩展情 况可以看出，单种纤维的加入明显减少了砂浆的裂 缝面积，纤维砂浆的裂缝总面积最高不超过素砂浆 裂缝总面积的６５％，可见聚丙烯纤维对抑制混凝土 试件产生裂缝具有明显的作用，尤其是体积掺量在 ０．１％－－－４）．２％时效果尤佳，但当体积掺量增加到０． ３％时，效果反而会减弱，表现出纤维砂浆的裂缝面 积突然增大，裂缝条数和裂缝宽度相比较低掺量纤 维也有所增加，可见纤维加入的越多并不代表阻裂 效果越好。 表２聚丙烯纤维掺量与裂缝面积的关系 试件 聚丙烯纤维 裂缝条 裂缝面积 编号 掺量／％数／条 ／ｍｍ ｌ ０ ２１ １４３１．３３ ２ ０．１ ９ １８３．０９ ３ ０．２ １０ ２２１．４３ ４ ０．３ ｌｌ ８８０．３９ 由以上试验结果，可得出以下结论： 聚丙烯纤维密度小，单位质量内纤维根数多，大 量的聚丙烯纤维均匀分布在砂浆基体内，相互之间 纤维净距较小，能有效的起到微小桥接作用，从而能 有效的抑制早龄期裂缝的出现和发展。但当聚丙烯 纤维的体积掺量过大时，由于纤维与砂浆粘结界面 增加，使形成孔隙的几率相应增大，最终使混凝土内 部薄弱环节相应增多，从而增加了砂浆产生早龄期 微裂缝的可能性。由此说明聚丙烯纤维的掺量存在 一个合理的范围，并非掺量越多阻裂效果越好，建议 单掺聚丙烯纤维体积掺量控制在０．１～０．２％范围 内阻裂效果较好。 ３ 结论 （１）聚丙烯纤维的掺人会降低混凝土的抗压强 度，当掺量在０．１％－－０．２％时对抗压强度影响不 大，但随着纤维掺量的逐步增加，抗压强度下降的越 明显。 （２）聚丙烯纤维的掺入，使得混凝土的传统脆 性弱点得到了较大的改善，混凝土的韧性有了很大 的提高。对比素混凝土，纤维体积掺量为０．３％时 混凝土的荷载一挠度曲线延伸较大，试件在发生初 裂后，仍可在较长一段时间内继续承受一定荷载，聚 丙烯纤维增强了材料介质连续性，减小被阻断引起 的局部应力集中现象，可以阻碍混凝土中裂缝的扩 展。 （３）聚丙烯纤维的掺人能有效的改善混凝土抗 裂收缩效果，能很好的抑制混凝土早龄期裂缝的出 现和发展，并可以将大裂缝细化成较小的裂缝，具有 细化作用，对混凝土的抗裂性能具有很好的效果，尤 其是体积掺量为０．１％－－４）．２％时效果尤佳，但体积 掺量不宜过大，否则会造成相反的效果。 （４）考虑到聚丙烯纤维对抗压强度的影响，在 选择聚丙烯纤维作为单加掺量时，建议选用低掺量 聚丙烯纤维，尤其是体积掺量在０．１％时能发挥出 聚丙烯纤维的最佳效益。 参考文献： ［１］ 龚益，沈荣熹，李清海．杜拉纤维在土建工程 中的应用［Ｍ］．北京：机械工业出版社．２００２． ［２］ 黄贻凤，杨成忠，刘道荣．聚丙烯纤维路面混 凝土耐久性能的试验研究［Ｊ］．铁道建筑， ２００８（４）：１０３—１０４． ［３］ 杨成忠，黄贻风，杨吉新，等．聚丙烯纤维路面 混凝土力学性能试验研究［Ｊ］．公路交通科 技，２００７（１２）：５０—５２． ［４］ 沈荣熹．低掺率合成纤维在混凝土中的作用 机制，水泥基复合材料科学技术［Ｍ］．北京： 中国建材工业出版社．１９９９． ［５］ 鞠丽艳，张雄．聚丙烯纤维对高性能混凝土高 温性能的影响［Ｊ］．建筑材料学报，２００４，７ （１）：２５—２８．
