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浅谈使用聚丙烯纤维提高混凝土抗裂性能云南建工集团市政总承包部-周永荣摘 要本文针对聚丙烯纤维在混凝土中的应用技术问题，进行了实验研究，以阐明聚丙烯纤维改善混凝土物理力学性能的效果。通过聚丙烯纤维的参量与抗折强度之间的关系试验研究，阐述了聚丙烯纤维参量对混凝土的力学性能指标的影响规律，并通过同水灰比同坍落度条件下的力学性能与聚丙烯纤维参量的关系的对比试验研究，得出了聚丙烯纤维增强混凝土的条件及作用机理。试验研究表明，聚丙烯纤维能有效改善混凝土的抗折性能，从而提高混凝土抗裂力学性能，本文主要针对其中的抗折性能进行论述。关键词：聚丙烯纤维 混凝土 抗折性能 试验 改善 抗裂 抗折引 言混凝土作为十分广泛的建筑材料发展到今天，种类繁多，许多力学性能也有不同程度的改善，但由于混凝土材料本身的空隙及其其它缺陷，使其存在抗拉强度低,延性差，在拉应力或冲击荷载作用下易发生脆性破坏等缺点，在很大程度上制约了混凝土材料的力学性能和进一步的应用和发展。为了适应现代工程对混凝土性能的要求，必须从根本上改变混凝土的抗裂方面的不足。试验表明，在混凝土中掺入聚丙烯纤维能改良混凝土的抗裂性能。聚丙烯纤维是以丙烯单体在一定条件下聚合而成的结构规整的结晶型聚合物，属于合成纤维的一种，它的商品名是丙纶。基本特性是:乳白色、无味、无溴、无毒、质轻、不吸湿、不溶于水、耐腐蚀、抗拉强度高。在混凝土内掺入专用的聚丙烯纤维并经搅拌后，由于聚丙烯纤维与水泥基集料有极强的结合力，可以迅速而轻易地混凝土材料混合，分布均匀，能在混凝土内部构成一种均匀的乱向支撑体系。在混凝土硬化过程时，由于水泥浆的化学收缩，使水泥浆与骨料之间的粘结面处产生拉应力，所以混凝土中存在着大量的极细小的微裂缝，这些微裂缝在混凝土受力时极易产生应力集中而导致破坏。在纤维加入到混凝土中后，当水泥基体收缩时，由于纤维这些微细配筋的作用而消耗了能量，以抑制混凝土开裂的过程，有效地减少混凝土干缩时所引起的微小裂缝，大大提高了硬化后混凝土的抗裂能力和韧性，对克服高强混凝土的脆性有较 理想的效果，同时在混凝土中掺入一定量的聚丙烯纤维还能提高混凝土的抗冲耐磨性能，同时能改善混凝土的抗裂性能。本文从聚丙烯纤维混凝土的配合比设计入手，选择最佳配合比确保聚丙烯纤维混凝土的强度，并对聚丙烯纤维的掺量对混凝土抗折性能的影响进行试验比较和分析。1、聚丙烯纤维的发展概况近年来,国外发展了应用合成纤维混凝土进行抗裂防水的新技术，美国于20世纪90年代初研制开发出纤维混凝土，并在随后几年中得到了迅速的发展，其中应用最多的是聚丙烯纤维混凝土。在混凝土中掺加聚丙烯纤维,以控制混凝土龟裂，我国也已开始在防水工程中应用聚丙烯纤维混凝土，美国希尔兄弟化学公司的聚丙烯纤维(杜拉纤维)已打入我国市场,先后用于公路路面和桥面的修补，聚丙烯纤维易加工，生产和加工能耗低、密度小、单位质量纤维体积最大、化学性质稳定。作为一种新型的混凝土增强纤维，聚丙烯网状纤维正成为继玻璃纤维、钢纤纤维后纤维混凝土科学研究和应用领域的新热点。2、聚丙烯纤维混凝土抗裂性能的试验研究2.1试验原材料1水泥水泥为P·I52.5级,实测抗压强度为58.5MPa，密度=3100kg/m3。2砂子砂为清洁河砂，细砂细度模数为2.4，级配良好表观密度=2680kg/m3，现场含水率=5.0%。3碎石碎石用一级石灰岩轧制，最大粒径20，表观密度=2780kg/m3，现场含水率=1.0%4水水为符合混凝土拌合用水要求的自来水。5纤维纤维为聚丙烯纤维。聚丙烯技术参数(见表1)表1 主要技术参数长度规格/mm单丝当量直径/m抗拉强度/MPa弹性模量/MPa密度/g·cm3断裂延伸率/%630205035035000.91±0.018302.2混凝土配合比计算设计混凝土为预应力混凝土，设计要求混凝土强度等级为C40，实测抗压强度为58.5MPa。工程要求的强度保证率为95%，水泥混凝土施工强度标准差6.0MPa；要求混凝土拌合物的坍落度为3050。（1）计算配制强度（fcu,0）根据设计要求混凝土强度等级fcu,k=40MPa，强度标准差=6.0MPa带入混凝土配制强度计算式fcu,0fcu,k+1.645 （2-1）经计算得fcu,0=40+1.645×6.0=49.87（MPa）（2）计算水灰比（W/C）混凝土水灰比按下式计算： （2-2） 表2 回归系数,选用表（JGJ/T55-2010）集料品种碎石0.460.07卵石0.480.33其中:,回归系数，由于粗骨料为碎石,根据规程查表2取=0.46,取0.07；经计算得:W/C=0.46×58.5/(49.87+0.46×0.07×58.5)=0.52预应力混凝土所处坏境正常，根据规程查表知其最大水灰比为0.6，故符合要求，取计算水灰比0.52（3）确定单位用水量根据设计要求混凝土拌合物的坍落度为3050，碎石最大粒径为20，根据规程查表选取混凝土单位用水量为=195kg/m3(4)计算单位水泥用量根据单位水用量及计算水灰比计算其单位水泥用量为 (2-3)经计算得=375kg/m3查规程知符合耐久性要求的最小水泥用量为300kg/m3，所以取按强度计算的单位水泥用量=375kg/m3.（5）确定砂率()合理砂率按表3的确定:表3 混凝土砂率选用表（%）（JGJ/T55-2010)水灰比W/C卵石最大粒径（）碎石最大粒径（）1020401620400.402632253124303035293427320.503035293428333338323730350.603338323731363641354033380.70364135403439394438433641根据水灰比为0.52，粗骨料类型为：碎石，粗骨料粒径：20(mm),查表3，取合理砂率=34%；(6)计算粗、细集料用量按照体积法将、和带入2-4 (2-4)因为为非引气混凝土所以取1；联立解得砂用量=699 kg/m3；碎石用量=1151kg/m3.（7)混凝土配合比结论混凝土的基准配合比为: 水泥:水:砂:石子=375：195：699：11512.3试验方案2.3.1抗折强度试验方法(1)概述水泥混凝土抗折强度是水泥混凝土路面设计的重要参数。在水泥混凝土路面施工时，为了保证施工质量，也必须按规定测定抗折强度。水泥混凝土抗折强度是以150mm×l50mm×550mm的梁形试件，在标准养护条件下达到规定龄期后，在净跨450mm、双支点荷载作用下的弯拉破坏，并按规定的计算方法得到强度值。(2)试验仪具1试验机：50300KN抗折试验机或万能试验机；2抗折试验装置：即三分点处双点加荷和三点自由支承式混凝土抗折强度与抗折弹性模量试验装置，如下图3。图1抗折试验装置图(3)试验方法1、试验前先检查试件，如试件中部1/3长度内有蜂窝(大于7mm×2mm)，该试件应即作废。2、在试件中部量出其宽度和高度，精确至lmm。图23抗折试验装置图（单位；mm）3、调整两个可移动支座，使其与试验机下压头中 1、2、6-一个钢球；3、5-两个钢球；4-试件心距离为225mm，并旋紧两支座将试件妥放在支座 7-活动支座； 8-机台；9-活动船形垫板上，试件成型时的侧面朝上，几何对中后，缓缓加一初荷载，约lkN，而后以0.50.7MPa/s 的加荷速度，均匀而连续地加荷(低标号时用较低速度)；当试件接近破坏而开始迅速变形，应停止调整试验机油门，直至试件破坏，记下最大荷载。(4)试验结果计算1、当断面发生在两个加荷点之间时，抗折强度 (以MPa 计)按式(2-6)计算： （2-6）式中：F极限荷载(N)；L支座间距离，L450mm；b试件宽度(mm)；h试件高度(mm)。2、以3 个试件测值的算术平均值作为该组试件的抗折强度值。3 个测值中的最大值或最小值中如有一个与中间值的差值超过中间值的15，则把最大值或最小值一并舍除，取中间值为该组试件的抗折强度。如有两个测值与中间值的差均超过中间值的15，则该组试件的试验结果无效。3、如断面位于加荷点外侧，则该试件之结果无效；如有两根试件之结果无效，则该组结果作废。注：断面位置在试件断块短边一侧的底面中轴线上量得。2.3.2抗折强度试件制作试件150mm×l50mm×550mm的梁形试件，做两组实验分别是不加纤维的B组，和加不同体积掺量聚丙烯纤维的C组。B组为对照组，C组为实验组。每组试件做三个共18个。其实验方案如表4、表5：表4 B组配合比设计数据表组别单位水泥用量（Kg/m³）单位水用量（Kg/m³）细集料用量（Kg/m³）粗集料用量（Kg/m³）B13751956991151B23451946891132B34191967111171表5 C组配合比设计数据表组别聚丙烯纤维体积参量（%）聚丙烯纤维混凝土配合比（Kg/m³）水灰比砂率（%）水泥水砂石子C12.537519570011510.5234C23.537519670011510.5234C34.537519470011510.5234根据GB/T50081-2002普通混凝土力学性能实验方法标准的规定，将试块放在温度为（20±5）环境中静置24h之后编号拆模，然后立即放在温度（20±2）、湿度95%以上的标准养护室中养护。一直养护到要求的龄期再进行相应实验。2.3.3.混凝土抗折强度试验当试件达到设计的养护龄期后，从养护室中取出，将试件擦干净，通过测量尺寸、检查外观等方法，确定本实验试件均合格，画线并分组摆放如图4。图23、试验结果分析3.2聚丙烯纤维对混凝土抗折强度的影响分析根据GB/T50081-2002普通混凝土力学性能实验方法标准的规定进行抗折强度试验，测得不加聚丙烯纤维和各掺量聚丙烯纤维混凝土的抗折强度值见表6。表6 混凝土的抗折强度值组别试件高（）极限破坏荷载（KN）强度（MPa）平均抗折强度（MPa）断面情况B1-115239.515.35.2正常B1-215141.975.6正常B1-315235.884.8正常B2-115240.955.45.7正常B2-215342.935.7正常B2-315345.036.0正常B3-115148.306.45.7正常B3-215237.845.0正常B3-315342.435.6正常C1-115144.495.95.8正常C1-215338.495.1正常C1-315548.666.5正常C2-115345.676.16.3异常C2-215249.696.6正常C2-315246.606.2正常C3-115147.176.36.6正常C3-215248.186.4正常C3-315254.187.2正常试件制作日期：4月18 测值日期：5月7本试验以掺聚丙烯纤维掺与不掺聚丙烯纤维，以及掺不同体积的聚丙烯为变量，通过测其抗折强度值，来分析聚丙烯纤维对混凝土的抗裂性能的影响。当试件在受压力机荷载作用时，普通混凝土试件达到破坏强度时完全断开，而加入纤维的混凝土试件，在达到破坏强度时，样品仍保持为一体，说明混凝土内加入聚丙烯纤维后，混凝土的韧性、抗裂性能大大增强了。其对比图片如图7（图中左边为不加纤维的试件，右边是加纤维的试件）。综上所述，在混凝土中掺入聚丙烯纤维后能显著提高混凝土抗折强度。之所以聚丙烯纤维能提高混凝土抗折强度，原因就在于混凝土内部存在不同尺度。由于混凝土脆性及自收缩等造成内部存在不同尺度的微裂缝，在结构形成过程中，聚丙烯纤维阻止了这些裂缝的引发，从而减少了裂缝源的数量，并使裂缝尺度变小，这就降低了裂缝尖端的应力强度因子，缓和了裂缝尖端受力集中程度，在受力过程中，又抑制了裂缝的引发与扩展。这样就可以充分发挥混凝土高抗折强度效应，这就是聚丙烯纤维能大幅度提高混凝土抗折强度的原因。图3通过试验可以看出，不同掺量的聚丙烯纤维混凝土的抗折强度不同，其变化规律如图4所示。图4图4为不同体积掺量的聚丙烯纤维与混凝土抗折强度的关系，其中B2组是不加纤维的基准组，B1是同比减少配合比组成的组，而B3是同比增加配合比组成的组，从这三组来比较可以看出相同强度条件下，适当增加配合比的组成可以小幅改变其抗折强度。C组为加聚丙烯纤维的试验组，从C组跟B组对比可以看出，加入聚丙烯纤维后其抗折强度有所提高，但是加入体积掺量为2.5%时提升很小，加入体积掺量为4.5%提升很大，所以在体积掺量为2.5%到4.5%这个区间随着纤维体积掺量的增加其抗折强度值成线性增长。且4.5%的纤维体积率是最佳的体积率，C3组对应的配合比也是最佳配合比。从图4可以看出聚丙烯纤维的掺入可以提高混凝土的抗折强度，而且其抗折强度值随着聚丙烯纤维体积掺量的增加而线性增加。4、结论本文通过对聚丙烯纤维混凝土的抗折试验研究得出以下结论:1、聚丙烯纤维的掺入可以提高混凝土的抗折强度。而且其强度的增长值是随掺入的体积增加而增加的。同时存在一个最佳值，抗折强度的聚丙烯纤维掺入最佳体积率是4.5%。2、通过对聚丙烯纤维混凝土抗折性能的实验研究，证明了聚丙烯纤维是增强抗折性能的良好材料，聚丙烯纤维对水泥混凝土抗折性能有着显著的提高，在混凝土中加入聚丙烯纤维是提高混凝土抗折性能的有效途径。3、聚丙烯纤维可以显著改善混凝土的抗折性能，从而提高混凝土抗裂力学性能。实际工程中可在混凝土构件中适当加入聚丙烯纤维来增强混凝土的抗裂性能。参考文献1唐明，傅柏权，张戚聚丙烯纤维混凝土早期塑性开裂特征及分形评价沈阳建筑大学学报，2007(07)2张建峰，罗平，周世华纤维对混凝土早期塑性开裂的影响 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