纤维长径比对碳-聚丙烯混杂纤维混凝土力学性能的影响*

张丽哲 丁春奎 孙启龙 高 强

南通大学纺织服装学院， 江苏 南通 226019



纤维长径比对碳-聚丙烯混杂纤维混凝土力学性能的影响*

张丽哲 丁春奎 孙启龙 高 强

南通大学纺织服装学院， 江苏 南通 226019

通过试验研究不同长径比的碳纤维和聚丙烯纤维混杂对混凝土力学性能的影响。结果表明：混凝土的抗压强度受混杂纤维长径比的影响不明显，但在小幅度范围内混杂纤维会产生正、负两种混杂效应；混杂纤维长径比对混凝土的抗折性能影响较大，在纤维掺量一定的情况下，最优的混杂纤维长径比组合为碳纤维取650、聚丙烯纤维取750。

碳纤维，聚丙烯纤维，长径比，混杂纤维混凝土，抗压强度，抗折强度

在混凝土结构中掺入纤维是解决混凝土材料自重大、脆性大、抗拉强度低等固有弱点的有效方法之一。目前，国内外对纤维增强混凝土材料的研究已从单一纤维发展到混杂纤维，大量试验研究表明，不同性质、不同尺度的纤维混杂不仅能充分发挥各种纤维的尺度和性能优势，改善单一纤维增强混凝土的某些性能，而且还能减轻质量、降低成本、提高经济效益[1-4]。聚丙烯纤维凭借其良好的物理化学性能和价格优势，在混凝土中应用较为广泛；而碳纤维不仅具有强度高、弹性模量大、耐腐蚀等优点，而且是一种智能材料，将其用于混凝土结构中，可发挥其力学性能和功能作用的双重优势[5-7]。本文将低弹模、高延性的聚丙烯纤维与高强、高模的碳纤维进行混杂，通过改变两种纤维的长径比，研究混杂纤维混凝土的力学性能，以期为工程应用提供试验依据。

1 试验研究方法

1.1 试验材料

试验采用P·O42.5普通硅酸盐水泥；细骨料采用细度模数为2.5的优质河砂、中砂；粗骨料采用5～20 mm的碎石，连续级配；拌合水为普通自来水；纤维选用长丝短切型聚丙烯纤维和碳纤维，纤维性能见表1。

表1 纤维性能

1.2 混凝土配合比

本试验基准混凝土的设计强度定为C25，配合质量比为M水泥∶M水∶M细砂∶M石子=1.00∶0.33∶1.44∶2.56， 其中水泥用量为465 kg/m3。试验采用三种直径的聚丙烯纤维分别与碳纤维进行混杂，通过调整两种纤维的长径比研究混杂纤维对混凝土力学性能的影响。混凝土中两种纤维的体积分数不变，聚丙烯纤维为0.15%， 碳纤维为0.50%。

1.3 试验设计

为研究两种纤维以不同的长径比组合用于混凝土材料时的混杂效应，本文对混杂纤维混凝土的抗压强度和抗折强度各设计了15组试验，试验方案见表2和表3。其中抗压性能试验中a、b、c三组使用的聚丙烯纤维直径分别为95、48和25 μm， 抗折性能试验分组方法与此相同。

表3 混杂纤维混凝土抗折性能试验方案

1.4 试验方法

抗压强度和抗折强度试验参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试。抗压强度试验的试件尺寸为70 mm×70 mm×70 mm，抗折强度试验的试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm。均采用液压式万能测试仪进行测试，上夹头压缩速度为5 mm/min，记录加载破坏过程及试验结果。

2 试验结果与分析

2.1 长径比对混杂纤维混凝土抗压强度的影响

根据表2所列试验方案对混杂纤维混凝土的抗压强度进行测试，试验结果如图1所示。

图1 纤维长径比与混杂纤维混凝土抗压强度的关系

由图1可知，本试验设计的混凝土强度为25 MPa， 掺入不同长径比组合的聚丙烯纤维和碳纤维的混杂纤维混凝土的抗压强度与标准设计强度相比，其值在±10%之间波动，说明在此试验范围内，两种纤维混杂对混凝土的抗压强度增强效果不显著。但从碳纤维和聚丙烯纤维长径比变化的趋势来看，混杂纤维混凝土的抗压强度与纤维的长径比之间存在一定的联系。当碳纤维长径比小于600时，混杂纤维混凝土的抗压强度低于标准设计强度；只有当碳纤维长径比大于650时，混杂纤维才能提高混凝土的抗压强度；但当碳纤维长径比为950时，混杂纤维混凝土的抗压强度会出现波动，这是由于在此情况下，碳纤维与聚丙烯纤维受到本身材质的影响，无法在混凝土受载荷作用的不同阶段发挥正混杂效应，从而导致混凝土抗压强度的降低。因此，为获得较高的抗压强度，碳纤维长径比可选择700～900或1 000以上。就聚丙烯纤维而言，随着其长径比的增加，混杂纤维混凝土的抗压强度整体呈增加趋势，但当长径比达到1 000 时，混凝土的抗压强度出现波动，不利于抗压强度的提高。因此，聚丙烯纤维与碳纤维进行混杂时，以长径比不超过1 000为宜。

图2 试件b5抗压试验破坏载荷随时间的变化

从试件破坏过程来看，以试件b5为例，通过对图2的抗压试验破坏载荷与时间变化曲线及试件破坏状态分析可知：从开始施加载荷到破坏载荷达到最大值期间，试件四壁逐渐产生裂缝；随着载荷的增加，裂缝由小变大、且数量增加；当达到破坏载荷峰值时，试件表面混凝土脱落，但试件并未完全破碎，保持了其整体性。分析其原因，可认为是由于碳纤维和聚丙烯纤维材质本身强度和弹性模量的不同，它们能够分别在宏观和较微观层面上对混凝土起到增强作用，从而使混凝土试件从受荷开始到载荷达到最大值期间，两种纤维对不同形态的裂缝产生抑制作用，使试样的破坏形态与基体的脆性断裂形态不同，呈复合破坏形态。

2.2 长径比对混杂纤维混凝土抗折强度的影响

根据表3所列试验方案对混杂纤维混凝土的抗折强度进行测试，结果如图3所示。

图3 纤维长径比与混杂纤维混凝土抗折强度的关系

由图3可知，在本试验设计的长径比范围内，当碳纤维长径比为650时，混杂纤维混凝土的抗折性能最优，而当其长径比大于此值时，混凝土的抗折强度明显下降，最大降幅可达28%。对于聚丙烯纤维而言，其长径比为950和1 150时，混凝土抗折强度几乎相同，说明此范围内聚丙烯纤维的长径比变化对混凝土的抗折性能无影响；而当聚丙烯纤维的长径比较小(750)时，混凝土的抗折强度明显提高，最大增幅可达28%。根据试验结果，综合考虑两种纤维的混杂作用，聚丙烯纤维和碳纤维的长径比都取较小值时，混杂纤维对混凝土的抗折性能具有较好的增强作用。

图4为试件C5在抗折试验中破坏载荷与时间的关系。从图中可以看出，试件的破坏过程分为两个阶段：在第一阶段，纤维与混凝土组成的复合材料共同承受载荷，在此阶段，由强度和弹性模量均高于基体的碳纤维起主要增强作用，当破坏载荷达到第一个峰值时，试件表面出现明显裂缝；在此后的一段时间内，由于试件出现弯折，上夹具与试件表面出现短暂的非接触现象，因此破坏载荷有所回落；随着上夹具的持续下降，混凝土试件的抗折试验进入第二阶段，此时外部载荷主要由高延性、高断裂应变的聚丙烯纤维承担，当破坏载荷达到极限时，纤维全部断裂或部分断裂、部分被从基体中抽拔出。

图4 试件C5抗折试验破坏载荷随时间的变化

3 结论

通过对不同长径比的碳纤维和聚丙烯纤维混杂纤维混凝土抗压和抗折性能进行试验与分析，得出以下结论：

(1) 混杂纤维的长径比对混凝土抗压强度的影响不明显，但在小幅度范围内会产生正、负混杂两种效应，当碳纤维长径比为650以上、聚丙烯纤维长径比不超过1 000时，两种纤维混杂可对混凝土的抗压强度起到一定的增强作用。

(2) 混杂纤维的长径比对混凝土的抗折强度影响较为显著，当两种纤维的长径比较小时，混杂纤维混凝土的抗折强度较高。本试验条件下，混杂纤维的最优长径比组合为碳纤维取650、聚丙烯纤维取750。

[1] 吴辉琴，田毅，程建棚，等. CFRP/GFRP混杂纤维拉伸性能试验研究[J]. 广西工学院学报，2011,22(1)：35-38.

[2] 李智，卢哲安，陈猛，等. 混杂纤维混凝土冲击压缩性能SHPB试验研究[J]. 混凝土，2011(5):20-22.

[3] 刘毅，仇为波，李德军. 混杂纤维对混凝土干燥收缩的影响[J]. 建筑技术与应用，2008(2)：1-3.

[4] 王成启，吴科如. 不同几何尺寸纤维混杂混凝土的混杂效应[J]. 建筑材料学报，2005,8(3)：250-255.

[5] 王璞，黄真，周岱，等. 碳纤维混杂纤维混凝土抗冲击性能研究[J]. 振动与冲击，2012,31(12)：14-18.

[6] 周建方，吴国松，周美英. 碳纤维增强水泥/混凝土材料力学性能的研究[J]. 混凝土与水泥制品，2003(2):35-36.

[7] 李洪磊，顾强康，李婉. 碳纤维混凝土智能化研究中的问题[J]. 路基工程，2009(2):123-124.

播种一棵树苗

收获一片绿荫

献出一份爱心

托起一份希望

Effects of fiber length to diameter ratio on the mechanical properties of carbon-polypropylene hybrid fiber reinforced concrete

ZhangLizhe,DingChunkui,SunQilong，GaoQiang

School of Textile and Clothing, Nantong University, Nantong 226019, China

The effect of different length to diameter ratios of hybrid fiber, including carbon fiber and polypropylene fiber, on the mechanical properties of concrete was studied experimentally. The results showed that the length to diameter ratio of hybrid fiber had no obvious influence on the compressive strength of concrete. Nevertheless, hybrid fiber had both positive and negative effects in a small range. The fracture resistance of the concrete was affected greatly by the length to diameter ratio of hybrid fiber. In case of a certain amount of hybrid fiber, the optimal combination of hybrid fiber length to diameter ratio was 650 for carbon fiber and 750 for polypropylene fiber.

carbon fiber, polypropylene fiber, length to diameter ratio, hybrid fiber reinforced concrete, compressive strength, fracture resistance

*江苏省产学研联合创新项目(BY2013042-02)；江苏省高校自然科学研究面上项目(15KJD430008)；南通大学交通运输专项项目(13ZJ009)

2015-02-21

张丽哲，女，1982年生，副教授，研究方向为纤维在混凝土中的性能与应用

TS102.5

A

1004-7093(2016)04-0009-04