聚丙烯纤维混凝土力学性能试验及其机理浅析.pdf

2 02 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u il d i n g S c i e n c e 第 3 6卷第 4期 2 0 1 0年 8月 聚丙烯纤维混凝土力学性能试验及其机理浅析 胡晓东， 陈文猛 ， 黄俊友， 俞青荣 ( 江苏省水利科学研究院， 江苏 南京2 1 0 0 1 7 ) 摘要： 通过对混凝土抗压、 抗折、 抗劈拉、 抗冲击的试验研究 ， 比较了聚丙烯纤维混凝土同素混凝土之间的力学性能 ， 并针对 两者之间的差异， 简要分析了聚丙烯纤维对混凝土力学性能的影响机理。 关键词： 聚丙烯纤维； 混凝土； 力学性能； 机理 中图分类号： T U 5 2 8 ． 5 7 2 文献标识码： B 文章编号： 1 0 0 8—1 9 3 3 ( 2 0 1 0 ) 0 4— 2 0 2— 0 2 0 前言 1 原材料及配合比 由于聚丙烯纤维具有较高的抗拉强度和拉伸变 形能力⋯ ， 越来越广泛地掺入素混凝 土中用 于改变 其脆性 J 。但 由于聚丙烯纤维应用时间不长 ， 在我 国尚缺乏系统的试验分析和研究， 造成一定程度上 盲 目使用纤维的现象 。有的研究发现， 聚丙烯纤 维能降低混凝土 的强度 引。本文作者通过对聚丙 烯纤维混凝土力学性能 的试验， 考察素混凝土中掺 人聚丙烯纤维后 力学性能 的变化 ， 并用“ 复合材料 理论” 和“ 纤维间距理论”【 6 J ， 简要分析了这些 变化 产生的机理。 表 1 格雷斯聚丙烯纤维物理力学性能 1 ． 1 试验原材料 水泥采用浙江中立达 3 2 5号普通硅酸盐水泥， 其 2 8 d实测标号为 3 8 ． 6 M P a 。粗骨料采用产地为 浙江的人工碎石， 其泥含量为 0 ． 3 ％。细骨料采用 中砂， 符合 Ⅱ区颗粒级配区， 产地安徽， 细度模数为 2 ． 5 ， 泥含量为 0 ． 9 ％。外加剂为常熟产的 M H一 5 型缓凝高效泵送剂 ， 该外加剂属萘系复合型混凝土 泵送剂， 具有缓凝和减水双重功效。聚丙烯纤维采 用美国进口的格雷斯束状单丝纤维， 其物理力学性 能见表 1 。 1 ． 2配合比 混凝土设计强度为 C 2 5 ， 根据纤维的性能指标 ， 表2 混凝土配合比 厂家推荐产量 0 ． 6 k g ／ m 。 混凝土 ， 本试验仅考察这一 个掺量的纤维混凝土， 配合比见表2 。 2 试验 结果 2 ． 1 抗压、 抗折和劈裂抗拉强度 混凝土 2 8 d的抗压、 抗折和劈裂抗拉强度 的试 验结果 ， 见表 3 。 收稿 目期 ： 2 0 0 9 -0 2 -0 4 作者简介 ： 胡晓东( 1 9 7 9一) ， 男 ， 重 庆人 ， 工程 师， 主要从 事水工材 料 方面的研究。 基金项目： 江苏省水利科技资助项 目( 2 0 0 4 2 4 6 ) E —ma i l h u x i a o d o n g 1 9 7 9@ s o h u ． c o n 1 表 3 混凝土抗压、 抗折和劈裂抗拉强度 从表 3中可 以看 出， 掺加了聚丙烯纤维的混凝 土相 比于素混凝土 ， 其抗压强度、 抗折强度和劈裂抗 拉强度都有提高， 提高的幅度分别为7 ． 5 ％， 9 ． 2 ％ 和1 5 ％。其中， 抗压强度提高的幅度最小， 而劈裂 抗拉强度提高的幅度最大 ， 这 同普遍认为的聚丙烯 2 0 1 0 N o ． 4 胡晓东 ， 等： 聚丙烯纤维混凝土力学性能试验及其机理浅析 2 0 3 纤维能大幅提高混凝土抗弯韧性和断裂变形能的观 点 是一致的。从试验结果来看 ， 聚丙烯纤维混凝 土压折比的降低， 也充分说明了这一点。 2 ． 2 抗冲击强度 抗冲击试验采用 A C I 一5 4 4推荐的方法 ， 即落 锤冲击圆板试验。落锤质量为 4 ． 4 5 k g ， 自由下落高 度为 4 5 7 mm。试件尺寸 为 6 1 5 0 mm6 4 m m。标 准养护 2 8 d后进行试验。并依据 A C I 一 5 4 4委员会 推荐的方法， 计算冲击能量： W= nmgh 式中 ——冲击能量， 单位为( N m ) ； —— 冲击次数； m——落锤质量， 单位为 k g ； g——重力加速度 ， 单位为( m ／ s ) ； h ——落锤下落的高度， 单位为 m 。 试验时， 将落锤从 4 5 7 r n m的高度 自由落下 ， 当 试件出现裂缝时， 记录冲击次数， 试验结果见表4 。 表 4 抗 冲击强度试验 结果 注 ： 冲击次数 为 3次试验的均值。 结果表明 ， 聚丙烯纤维混凝土的抗 冲击性 能明 显高于素混凝土， 其平均抗冲击次数比素混凝土高 l 2 ． 4次 ， 高出近 5 0 ％。 3机理浅析 目前 ， 纤维混凝土力学性能的机理有两种理论 ， 分别是“ 复合材料理论” 和“ 纤维间距理论” 。首先， 来看一下“ 复合材料理论” ， 其公式表示如下： _l+ -1 ) ( 1 ) m 7 ． =T f +7 - ( 2 ) 式中0-——抗压强度； —— 抗拉强度 ； E——弹性模量； ， —— 纤维体积分数和混凝土基体体积分 数 ； —— 纤维分布方向系数( 当纤维在混凝 土 中为三维乱向分布时 ， 可取 ) ； 下标f ， m， c 分别表示聚丙烯纤维 、 混凝 土基体 和纤维} 昆 凝土复合材料。 根据我国国家标准 G B J 1 0 —8 9 《 混凝土结构设 计规范》， C 2 5混凝 土弹性模量值为 2 8 G P 。并将 表 1 中各项数值代人式 ( 1 ) ， ( 2 ) 中可 以得： 0- = 0 ． 9 9 9 9 1 2 5 0 - 和 丁 =0 ． 9 9 9 4 7 5 z 。这说 明， 聚丙烯 纤维的掺入， 混凝土的抗压和抗拉强度都有减小的 趋势 ， 且 由公式( 1 ) ， ( 2 ) 可以看出， 由于聚丙烯纤维 相对于混凝土弹性模 量较小 ， 当掺量越大 ， 抗压、 抗 拉就变得越小。 再看“ 纤维间距理论” ， 表达式为 ： ： √ M 式中．s ——纤维间距 ； d ——纤维直径； —— 纤维掺量。 将各项值代到上式中， 可以得出 = 1 0 ． 1 4 m， 而根据该理论 ， 当纤维间距小于 7 ． 6 mm时 ， 纤维的 掺人就能提高混凝土强度。而且 ， 根据上面的公式 ， 当纤维掺量越大 ， 纤维间距就越小 ， 如果单纯按照该 理论， 强度提高的幅度就越大， 这与“ 复合材料理 论” 相左 。所 以， 聚丙烯纤 维对混凝土力学性能 的 影响， 应该是两种理论共同作用的结果。而本次的 结果显示 ， “ 纤维间距理论” 在本次试验过程中 占主 导地位。 4 结 论 聚丙烯纤维掺量为 O ． 6 k g ／ m 的混凝土与水泥 用量相同的素混凝土相比， 其抗压、 抗折、 劈裂抗拉 强度 以及抗 冲击性 能分 别提 高 了 7 ． 5 ％ ， 9 ． 2 ％， 1 5 ％和 5 0 ％ ， 而且 降低 了压折 比， 使混凝土具有柔 性， 能释放混凝土涨缩时产生的形变应力。 聚丙烯 纤维对 混凝 土力 学性 能 的影 响， 受 到 “ 复合材料理论” 和“ 纤维问距理论” 共同作 用。本 试验过程中， “ 纤维间距理论” 占主导作用， 而两者 之间的相互关系 ， 需要进一步研究 。 参 考 文 献： [ 1 ] 华渊 ， 刘荣华 ， 曾艺．纤维 增韧高性 能混凝土 的试 验研究 [ J ] ． 混凝土与水泥制品， 1 9 9 9 ( 3 ) ： 4 J0 ． 4 3 ． [ 2 ] 朱江． 聚丙烯纤维在高性能混凝土中的应用[ J ]． 广东工业 大学学报 ， 2 0 0 0 ， 1 7 ( 3 ) ： 1 5 一 l 8 ． [ 3 ] 罗毅 ， 张云广 ， 金 德才． 聚丙烯 纤维混 凝土应 用现状及 浅见 [ J ] ． 四川水利发电， 2 0 0 4 ， 2 3 ( 1 ) ： 3 2 - 3 5 ． [ 4 ] 董香军 ， 王岳华 ， 高淑玲． 钢纤 维和聚丙 烯纤维 混凝土 的试验 研究 [ J ] ．混 凝土， 2 0 0 3 ( 1 1 ) ： 1 4 — 1 6 ． [ 5 ] 李北星， 陈明祥， 舒恒， 等． 聚丙烯纤维混凝土力学性能试验 研究[ J ] ． 混凝土 ， 2 0 0 3 ( i 1 )： 2 1 - 2 4 ． [ 6 ] 汉南特 D J ． [ 英] ． 纤维水泥与纤维混凝土[ M] ． 北京： 中国建 筑工业出版社 ， 1 9 9 9 ： 4 1 _ 6 1 ． [ 7 ] 邓 宗才． 高 件能 合成 纤 维混 凝 土 [ M ．北 京 ： 科 学 出版 社 ， 2 0 0 3． 1 — 1 3 ．