聚丙烯纤维混凝土抗冲击性能研究

王玉鹏

1 试验目的

纤维混凝土就是在混凝土拌合过程中加入一定量的纤维材料，通过纤维的密集分布来提高混凝土的综合性能。随着纤维混凝土技术的发展，人们把研究重点倾向于合成纤维，合成纤维成本低，当在混凝土中均匀分布后，能提供更好的韧性。混凝土是硬性材料，合成纤维是软性材料，这种钢柔相济的办法能提高混凝土坚韧性。在合成纤维中，聚丙烯是性价比较好的材料，耐腐蚀，与混凝土的相容性好，在提高混凝土性能方面扮演着日益重要的角色。

随着技术的进步，国外应用纤维混凝土进行抗裂防水的新技术有了很好的发展，在混凝土中添加适量的聚丙烯纤维，是克服混凝土早期开裂的措施之一。经过搅拌机搅拌以后，纤维在混凝土中形成了乱向支撑体系，能够适当减少混凝土的早期泌水，降低混凝土中的空隙率，并且减少混凝土的早期干缩、塑性裂缝，阻止混凝土发生沉降裂缝，因而能较大幅度地提高混凝土的抗渗性、抗裂性等性能。美国于90年代初研制出纤维混凝土，在随后的几年中得到迅速发展，其中应用最多的是聚丙烯纤维混凝土。如今，在美国新建筑物中的地下室和屋面混凝土中大多采用了聚丙烯纤维混凝土，国内亦开始在许多工程中得到了成功应用。

对于地面结构，承受的动荷载比较大，这就要求混凝土有比较好的韧性以及良好的冲击性能，在动荷载的作用下尽量减小破坏发生的概率。在混凝土掺入聚丙烯纤维，从常规分析上可以知道其可以改善混凝土的韧性以及冲击性能，但是没有确切数据。此项试验，旨在了解在掺加聚丙烯纤维以后混凝土的韧性是否有明显的改善，并掌握具体数据。

2 原材料选择及试验配合比

具体原材料厂家以及规格型号见表1。

表1 各种原材料厂家以及规格型号

对于试验配合比，对聚丙烯纤维采用不同的掺量，而其它原材料用量不变进行试验，具体配合比见表2。

3 试验方法

冲击试验，按ACI（美国混凝土协会）544委员会推荐的方法进行，试验方法见图1。其中：

1. 按标准方法成型试件，尺寸Φ150×64mm。标准养护3d、7d、14d、28d。

2. 冲击锤重4.5kg，下落高度h＝457mm。传力球直径64mm，测试挡板和试件间距5mm；

3. 传力球和试件同心，并在冲击锤的中线上。测试时，冲击锤自由落下；

图1 抗冲击（韧性）试验方法

该试验方法通过以下几项指标评价或比较混凝土的抗冲击能力：

n1—出现第一条裂缝（初裂）的冲击次数；

n2—初裂后，试件体积膨胀，当试件和4块挡板中任意3块接触时的冲击次数。n2被定为试件破坏次数；

（n2-n1）—试件初裂和破坏时冲击次数的差值；

Wi—试件破坏过程吸收的冲击能量；

ΔW—试件破坏过程初裂后能继续吸收的冲击能量，ΔW=W2-W1。

Wi—试件破坏过程吸收的冲击能量；

h—冲击锤下落高度（457mm）；

g—重力加速度9.81m/s2。

成型完毕在室温为（20±2）℃，相对湿度为（60±5）%条件下养护24h，然后拆模，放入室温为（20±2）℃，相对湿度为大于95%的标准条件下养护，按照所要求龄期测试各个龄期的抗压强度以及抗冲击次数。

4 试验数据分析

研究聚丙烯纤维混凝土的抗冲击（韧性）性能，是因为当地面承受的动荷载比较大时候，就要求混凝土有比较好的韧性以及良好的抗冲击性能，在动荷载的作用下尽量减小破坏发生的概率。

表2 具体配合比

表3 抗冲击试验混凝土不同龄期冲击性能

图2 混凝土初裂曲线

图3 混凝土破坏曲线

图4 混凝土抗压曲线

图5 抗冲击试验混凝土不同龄期总能量

图6 抗冲击试验混凝土不同龄期能量差值

冲击试验，将依据以上试验方法进行，配合比采用表2配合比，混凝土抗压强度试验，属于在静载作用下无侧限试验，而抗冲击性能试验是属于在动载作用下有侧限试验，因此后者更能够体现混凝土的工作状态。在配制混凝土过程中，混凝土用水量保持不变，成型完毕在标准条件下养护，按照所要求龄期测试各个龄期抗冲击次数表3。具体数据如下：

由以上数据可以看出，掺入不同量的聚丙烯纤维，对混凝土的抗冲击能力的影响主要表现在以下几个方面：

1. 从图2、3可以看出，与未掺聚丙烯纤维的混凝土相比，加入聚丙烯纤维后，无论掺量多少，随着龄期的增长，对混凝土的抗冲击性能的提高越来越显著。

2. 由图4可以看出，以混凝土的冲击韧性W为指标进行评价可见，聚丙烯纤维单方掺量在0.9kg～1.5kg时，聚丙烯纤维能使混凝土的抗冲击能力提高5倍以上。

3. 以初裂后的ΔW（图5）进行评价可知，聚丙烯纤维单方维掺量为1.2和1.5时，能使混凝土的裂后抗冲击能力分别有所提高，但是对混凝土的其它性能无显著影响。

4. 聚丙烯纤维掺量较低的2试验对提高混凝土的抗冲击韧性有一定的提高，但是在达到C3试验的掺量时能够达到比较理想的效果，聚丙烯纤维掺量较高的C4、C5试验并未显示出比掺量较低的3更高的冲击韧性，但在初裂后继续吸收冲击能量的能力ΔW明显提高。

5. 纤维改善混凝土的抗冲击性的机理则主要体现在以下几个方面：①聚丙烯纤维虽然刚度较低，传递荷载的能力差，但能有效减小裂隙尺度，增强材料介质连续性，减小了冲击波被阻断引起的局部应力集中现象；②低模量的有机材料能吸收冲击能量；③纤维能有效约束裂缝的扩展。

6. 本试验中，3试验中聚丙烯纤维的单方掺量为0.9kg，已能够消除试件内裂隙的产生。由于较高的纤维掺量对裂缝扩展的约束力更强，使4、5试验裂后的冲击韧性更高。

结论

在混凝土中掺加聚丙烯纤维，可以提高混凝土的抗冲击性能，但是，聚丙烯纤维对混凝土的抗冲击性能的提高是有限的，要综合提高混凝土的各项性能，还要对聚丙烯纤维与其他材料的复合性能进行研究，以便更好解决工程中出现的各种问题。

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