譚 剛 王志亮

（1.中交武漢港灣工程設計研究院有限公司，湖北 武漢 430040；2.中交二航武漢港灣新材料有限公司，湖北 武漢 430040）

混凝土具有強度高、成本低、生產(chǎn)工藝簡單等特點，在建筑工程中得到廣泛應用。因其較好的抗壓強度，成為了建筑結構的主要材料。但是，混凝土在承受較大壓力的情況下，容易發(fā)生脆性破壞，產(chǎn)生裂縫，因其延性較差，破壞后不具備完整性，完全失去了承載能力，給建筑結構帶來了一定的安全隱患。隨著纖維混凝土研究的不斷深入，聚丙烯纖維因其具有較好的抗拉強度、韌性好等特點，成為目前優(yōu)化混凝土力學性能的一個研究熱點。在20世紀70年代，聚丙烯纖維已經(jīng)應用到建筑工程中，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，聚丙烯纖維可以提升混凝土性能，但是，過量添加也會出現(xiàn)負增長的情況。為了明確混凝土中聚丙烯纖維摻量對抗壓性能的影響，需要通過試驗等方面的研究，了解其不同摻量對混凝土性能產(chǎn)生的影響。

1 研究現(xiàn)狀

混凝土的抗壓性能是評價混凝土是否生產(chǎn)合格的基本指標。針對混凝土的抗壓強度，在摻合聚丙烯纖維的過程中產(chǎn)生不同的變化趨勢，很多學者對聚丙烯纖維摻量進行了相應的研究。

（1）Ede等學者對不同聚丙烯纖維摻量情況下的混凝土性能進行了試驗，認為其摻量在0.25%可以達到最佳的效果，其抗壓強度可以提高約9%。

（2）Wang的試驗表明，隨著聚丙烯纖維的添加，混凝土的抗壓、抗拉強度都有很強的增長趨勢。

（3）王乾璽的研究表明，添加聚丙烯纖維可以將混凝土的抗拉強度提高5%左右。

（4）徐禮華等研究表明，聚丙烯纖維摻量在0.05%、0.1%、0.15%和0.2%時，混凝土抗壓強度相比普通的混凝土可以提高約2.1%、12.1%、15.8%、18.6%。這充分說明了聚丙烯纖維對于混凝土抗壓強度的整體提升具有重要的作用。但是，也有學者提出了反對意見，張恒通過研究認為，聚丙烯纖維的添加對混凝土的抗壓強度影響較小。

（5）Choi等學者認為，通過摻入聚丙烯纖維，會使混凝土抗拉強度有所提升，但是，對其抗壓強度沒有相應的影響，甚至會降低抗壓強度。

眾多學者對聚丙烯纖維混凝土做出了大量的研究，得出了不同的結論。本文針對不同摻量的聚丙烯纖維在混凝土不同養(yǎng)護齡期下進行研究，使用最為常見的19mm長聚丙烯纖維，在0～1.5kg/m3的摻量情況下做了立方體和軸心抗壓測試，希望得到在不同齡期情況下的最佳摻量。

2 試驗設計

2.1 試驗材料

本次試驗涉及的材料有普通硅酸鹽水泥、Ⅱ級粉煤灰、礫石粗骨料、連續(xù)集配。細骨料的細度模數(shù)為2.5，減水劑為萘系高效減水劑。聚丙烯纖維選用了長度19mm、直徑31.0μm的單絲纖維。

2.2 配合比設計

本試驗的配合比設計參照C30混凝土，水膠比為0.35。同時，聚丙烯纖維的摻量過大會導致其纖維分布較為密集，出現(xiàn)水泥包裹不足的情況。因此，在考慮不影響混凝土性能的情況下，分別使用0.3kg/m3、0.6kg/m3、1.0kg/m3、1.5kg/m3的摻量進行試驗，以普通混凝土未摻加聚丙烯纖維作為對照組。其他的摻量分別以PF-0.3、PF-0.6、PF-1.0，PF-1.5進行命名。具體的配合比設計見表1。

表1 聚丙烯纖維混凝土配合比（單位：kg/m3）

2.3 試驗方法

本試驗參照《纖維混凝土應用技術規(guī)程》（JGJ/T 221-2010）進行試驗方法的設計，通過立方體和軸心抗壓試驗研究不同摻量對纖維混凝土抗壓性能的影響。通過繪制發(fā)展曲線可以發(fā)現(xiàn)，混凝土在養(yǎng)護14d以前強度迅速增長；但在14～28d階段，發(fā)展相對較為緩慢；28d之后，雖然還有一定的增長，但已經(jīng)趨于穩(wěn)定。根據(jù)相關文獻記載，使用標準養(yǎng)護方式分別設計了14d、28d、60d的養(yǎng)護齡期，通過不同齡期、摻量下的混凝土，各設置六個試塊進行分析。立方體抗壓試驗試件尺寸為100mm×100mm×100mm，軸心抗壓試驗采用 100mm×100mm×300mm。

3 試驗結果分析

3.1 混凝土立方體抗壓性能影響分析

3.1.1 試驗現(xiàn)象

在普通混凝土被壓縮的過程中，快速產(chǎn)生了縱、橫向裂縫，裂縫發(fā)展較為迅速，裂縫的貫通使混凝土失效，發(fā)生脆性破壞。而加入聚丙烯纖維會抵消部分脆性破壞的影響，增加混凝土的延性，使其在達到最大荷載后仍不發(fā)生破碎。從試驗破壞形態(tài)來看，普通混凝土在破壞過程中，從出現(xiàn)裂紋到混凝土破壞，顯示了明顯的脆性，達到最大荷載后，迅速被壓制為零散狀。而摻加聚丙烯纖維后，其破壞性能不明顯，沒有出現(xiàn)破碎的現(xiàn)象，只有少數(shù)的碎片被壓落，其余整體性較好，雖然試件出現(xiàn)了破壞，但仍能承受一定的荷載。這種情況說明，聚丙烯纖維的添加對于混凝土的開裂具有很強的保護作用，同時，對其脆性有一定的改善。在壓力機輸出能量相同時，普通混凝土出現(xiàn)破壞的情況，同樣的壓力，摻加聚丙烯纖維的混凝土只處于開裂狀態(tài)，仍有一定的承載能力。在受壓破壞的過程中部分纖維混凝土兩側增加了抗拉性能，有效地提高其延性。這說明纖維被拉斷的過程中消耗了較多的能量，從而提高了混凝土的整體力學性能。圖1為普通混凝土與聚丙烯纖維摻量為0.8kg/m3的混凝土破壞對比圖。

圖1 普通混凝土與聚丙烯纖維摻量為0.8kg/m3的混凝土破壞對比圖

3.1.2 立方體抗壓曲線分析

通過3種不同齡期的聚丙烯纖維混凝土立方體抗壓強度應變曲線分析，在添加聚丙烯纖維后，混凝土的抗壓強度出現(xiàn)了先增后減的趨勢。在14d和28d的養(yǎng)護齡期情況下，0.6kg/m3的抗壓強度增長最多。在60d的養(yǎng)護齡期情況下，0.3kg/m3的抗壓強度增長最多。隨著齡期的不斷增長，聚丙烯纖維的摻量對混凝土抗壓強度表現(xiàn)出不同的影響趨勢。普通混凝土隨著齡期的增加，抗壓強度也出現(xiàn)了增加，但增加幅度相對較小。聚丙烯纖維在0.3kg/m3、1.0kg/m3、1.5kg/m3的摻量下，混凝土的壓強隨著齡期的增長不斷增加，但隨著摻量的不斷提升，其提升幅度出現(xiàn)了逐漸變小的趨勢，且小于普通混凝土的提升范圍。在0.6kg/m3的聚丙烯纖維摻量下，混凝土抗壓強度隨著齡期的增加出現(xiàn)了先增后減的趨勢。從試驗的整體結論看，隨著養(yǎng)護齡期的不斷增長，聚丙烯纖維摻量的增加也會使其抗壓強度出現(xiàn)先增后減的情況。因此，這說明聚丙烯纖維的摻量不宜過多，當摻量大于1.5kg/m3時，其性能的提升已經(jīng)小于普通混凝土。添加聚丙烯纖維過量會對其強度增長造成一定的影響。同時，聚丙烯纖維混凝土的位移曲線也相對普通混凝土有了較大的發(fā)展，普通混凝土出現(xiàn)了脆性破壞，而添加聚丙烯纖維的混凝土在達到最大荷載后，其荷載位移曲線下降較為平緩，體現(xiàn)了一定的延性。養(yǎng)護齡期越短的普通混凝土與聚丙烯纖維混凝土的破壞區(qū)別就更為明顯了，聚丙烯纖維混凝土的下降顯得較為平緩，說明其在破壞之后仍具備一定承受荷載的能力，在添加聚丙烯纖維后，混凝土的抗破壞性能得到了很大提升。

3.2 軸心抗壓性能影響分析

3.2.1 試驗現(xiàn)象分析

軸心抗壓試驗與立方體試驗不同，軸心抗壓試驗體現(xiàn)了更為明顯的脆性破壞，一旦產(chǎn)生裂縫，隨即發(fā)生整體的破壞。其破壞的形態(tài)分析如下：在試驗過程中，普通混凝土出現(xiàn)了快速的裂縫發(fā)展，呈30°～45°的快速貫通。而聚丙烯纖維混凝土在發(fā)生破壞的過程中無明顯脫落，沒有出現(xiàn)整體的碎裂。同時，聚丙烯纖維的添加，使其表面的裂縫更加細小，摻量越大，裂縫越細小。當混凝土的摻量在0.6kg/m3和1.5kg/m3時，出現(xiàn)裂縫的細微程度相差不大，整體性也相差較小，且纖維混凝土裂縫的發(fā)展與普通混凝土30°～45°的發(fā)展狀況較為相似。

3.2.2 軸心抗壓曲線的分析

經(jīng)過軸心抗壓曲線的分析發(fā)現(xiàn)，軸心抗壓的峰值隨著齡期的增加而增大。摻入的聚丙烯纖維可以有效地提高其軸心抗壓能力。得出的結論是：在1.0kg/m3的摻量時，可以使其抗壓效果達到最佳，這與上文立方體抗壓試驗的0.6kg/m3的最佳摻合量是具有不同結論的。在養(yǎng)護齡期為14d時，1.0kg/m3摻量的聚丙烯纖維混凝土軸心抗壓強度增長較為迅速，超出了普通混凝土的17.93%。在養(yǎng)護齡期為28d時，摻量為1.0kg/m3的聚丙烯纖維混凝土軸心抗壓強度達到了最大值，比普通混凝土高出了9.14%。當養(yǎng)護齡期為60d時，聚丙烯纖維摻量在0.6kg/m3的情況下，其軸心抗壓強度略高于1.0kg/m3摻量的混凝土，比普通混凝土高出18.39%。但是，在1.0kg/m3的摻量情況下試件體現(xiàn)了更大的變形，增長幅度最大值對應為0.6kg/m3。在摻量1.5kg/m3時，其抗壓強度提升最小，同時也小于普通混凝土。在此過程中，在各纖維不同摻量的情況下，并未出現(xiàn)隨著齡期增長而下降的情況。隨著齡期的增長，混凝土的極限并未因其摻量的變化而產(chǎn)生明顯的、有規(guī)律的變化情況。這充分說明了聚丙烯纖維的添加可以有效地抵御混凝土開裂的情況，但不能增加其變形量。與普通混凝土的對比說明，兩者在受拉破壞的情況下，體現(xiàn)了相似的規(guī)律，但在摻加聚丙烯纖維后，混凝土的整體性明顯更好。

4 結語

本文通過不同摻量聚丙烯纖維混凝土抗壓強度試驗分析，可以得出以下結論：

（1）在摻加聚丙烯纖維過程中，混凝土整體脫落情況較少，有效地增加了混凝土的延性，對其整體性有所加強，同時，也可以在最大荷載的情況下，承受一定的壓力。

（2）通過對混凝土立方體和軸心抗壓強度的試驗表明，聚丙烯纖維的添加使得混凝土的整體性高于普通混凝土，并且隨著摻加量的增加，抗壓強度出現(xiàn)了先增后減的趨勢。同時，經(jīng)過分析得出，聚丙烯纖維摻量在0.6～1.0kg/m3的情況下，可以達到混凝土最優(yōu)的抗壓性能，建議在混凝土生產(chǎn)過程中進行應用。