聚丙烯纤维对混凝土抗折,抗冲击性能的影响

聚丙烯纤维对混凝土抗冲击和
抗折性能的影响
丁春奎1，高强1，季涛1，张丽哲1
（南通大学纺织服装学院，南通226019,12150008@）
摘要：研究了不同长度的聚丙烯纤维对混凝土的抗折和抗冲击性能的影响。

试验结果表明：在混凝土中分别掺入纤维体积率为0.5%的6种不同长度的聚丙烯纤维，均能提高混凝土的破坏冲击次数和冲击延性指数；当纤维长度为35 mm时，纤维混凝土的破坏冲击次数较素混凝土提高近2倍；在混凝土中掺入聚丙烯纤维，混凝土的抗折强度降低，而混凝土的中心挠度显著提高，较素混凝土最多增加达1 mm,能有效改善混凝土的韧性。

关键词：混凝土;聚丙烯纤维; 抗冲击性能;抗折性能
Effects of Polypropylene Fibers on the Impact And Flexural
Resistance of Concrete
Ding Chun-kui1,Gao Qiang1,Ji Tao1,Zhang Li-zhe1
(School of Textile and Clothing, Nantong University, Nantong, Jiangsu, 226019,China,
12150008@)
Abstract: By experiment to study the effects of different lengths of polypropylene fibers on flexural and impact resistance of concrete. The results showed that: with a volume fraction of 0.5% ,six different lengths of the fiber added to the concrete respectively, can improve the impact frequency and impact ductility index. when the fiber length was 35mm , the frequency of impact damage increased nearly 2 times; Addition of PP fibers , the flexural strength of the concrete was reduced, but the fracture deflection of concrete was improved significantly, compared to plain concrete,represent an increases up to 1mm, improved the fracture toughness of the concrete effectively .
Kay word: Concrete ;Polypropylene Fiber;Impact properties;Flexural properties
普通混凝土拥有较高的抗压强度，但其抗拉强度低，抗裂性差，韧性小限制了其在冲击、疲劳等动载荷作用下的使用。

因此，研究混凝土的抗冲击性能和抗折性能对混凝土的应用和发有重要意义[1-3]。

研究表明，在混凝土中加入少量短切聚丙烯纤维，能有效提高混凝土的能量吸收能力，减少混凝土收缩裂缝的形成，提高了混凝土的连续性和稳定性，起到明显的阻裂与增韧作用，在加载时表现出更好的弯曲性能和
收稿日期：2014-10-21
基金项目：产学研联合创新资金--前瞻性联合研究项目（BY2013042-02).
作者简介：丁春奎，男，1989年生，在读硕士研究生。

研究方向为聚丙烯纤维增强混凝土的力学性能研究.
通讯作者：高强，研究员，E-mail:gao.q@
抗冲击性能[4-7]。

本文通过试验研究了10mm到35mm范围内的六种不同长度的聚丙烯纤维对混凝土的抗折性能和抗冲击性能的影响。

1试验过程
1.1试验材料
水泥强度等级为P.O 42.5普通硅酸盐水泥
砂子细度模数为1.82的细砂
粗集料 3mm到19mm连续粒级碎石
纤维南通新帝克单丝科技股份有限公司生产的圆形截面聚丙烯纤维，其物理力学性能见表1。

表1 聚丙烯纤维的物理力学性能
纤维直径/mm 密度 /（g/cm3）断裂强度/MPa 断裂伸长率/% 聚丙烯0.20 0.91 5.91 18.06
1.2试验方法
根据《混凝土结构设计规范GB50010-2002》，设计混凝土的强度等级为C30，配合比为水：水泥：砂：石子（质量比）=0.48:1:1.47:2.74，硬化混凝土的表观密度为2420kg/m3。

各试样中纤维长度如表2所示。

表2试样中纤维长度
试样编号纤维长度
C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6
- 10mm 15mm 20mm 25mm 30mm 35mm
抗折性能试验采用100⨯100⨯300mm的非标准试模，纤维体积率为0.5%，每种试样浇筑3个试件。

浇筑完成，静置24小时后脱模，在温度为20℃，相对湿度为95%的恒温恒湿条件下养护28天取出，在电子万能试验机上进行抗折强度测试，中心跨
距150mm,加载速度为0.5mm/min。

按照美国ACI544委员会推荐的落重法进行抗冲击试验[8]。

抗冲击性能实验采用直径为152mm，高63.5mm的圆柱型标准试模。

纤维体积率为5%，每种试样浇筑3个试件。

将抗冲击试件从养护箱中取出后，在温度为20±2℃、相对湿度为60±5%的环境条件下放置4小时后,擦干表面水分，在自由落锤装置上完成测试。

重锤质量为4.5kg,下落高度460mm。

冲击测试过程中，仔细观察试件表面，记录初次出现裂纹时的冲击次数和破坏时的冲击次数。

2 实验结果与讨论
2.1 不同长度的聚丙烯纤维对混凝土抗冲击性能的影响
对素混凝土和纤维混凝土的抗冲击测试，取3个试件受冲击次数的平均值，纤维长度和冲击次数的关系曲线如图1所示。

试件从无裂缝至产生第一条微裂缝，即当试件受冲击应变发生突变时为初裂。

试件上的主裂纹贯穿至上表面时为破坏。

纤维混凝土的破坏冲击次数和初裂冲击次数的比值定义为纤维混凝土的冲击延性指数[9]，纤维长度与冲击延性指数的关系曲线如图2所示。

图1 纤维长度与冲击次数关系曲线图2 纤维长度与冲击延性指数关系曲线
从图1和图2中可见，聚丙烯纤维的加入能有效改善混凝土的抗冲击性能，且不同长度的聚丙烯对混凝土的抗冲击性能增强作用不同。

纤维长度在10mm到35mm 范围内，随着纤维长度的增加，混凝土的抗冲击性能增加。

当纤维长度为35mm时，破坏冲击次数是素纤维混凝土的两倍。

掺入纤维的混凝土均比素混凝土的冲击延性指数高。

掺入纤维后，冲击延性指数总体呈先上升后下降再上升的趋势。

相同体积率，C3断裂面内承力纤维根数较C2
中少，抗裂阻力不足，因此冲击延性指数较C2有所下降。

同时，20mm 的纤维与基体的有效接触面积小于25mm 以上的纤维，导致C3中纤维与混凝土基体之间的握裹力不足，因此冲击延性指数小。

试件在受冲击外力作用时，其截面上的受力是不均匀的，存在大量的应力集中点，这些应力集中点首先达到强度极限而发生破坏，产生微裂纹。

由于纤维的阻裂增强作用，微裂纹并没有迅速扩展，当裂纹宽度增大到一定程度，纤维逐渐被拔出，纤维混凝土产生的裂缝失稳拓展，最后出现贯穿裂缝而破坏。

2.2 不同长度的聚丙烯纤维对混凝土抗折性能的影响
根据GB/T50081《普通混凝土力学性能实验方法标准》中“抗折强度实验”方法，在万能试验机上对试件进行测试。

破坏强度按如下公式计算，非标准试件的测试结果应折算成标准件的相应强度值，折算系数为0.85。

纤维长度与破坏力、初裂强度、中心挠度（加载点位移）的关系曲线如图3和图4所示。

2,/bh l F f cra cra fc
式中 cra fc f ,---纤维混凝土的初裂强度（MPa ）
cra F ---纤维混凝土的初裂载荷(N)
l ---支座间距（mm ）
h ---试件截面高度（mm ）
b ---试件截面宽度（mm ）
图3 纤维长度和抗折强度关系曲线
由图3中可见，细度为0.2mm 的聚丙烯纤维以0.5%的体积率加入到混凝土中，会降低混凝
土的抗折强度。

纤维的加入，相当于在混凝土基体中形成了大量的缺陷，在外力作用下更容易形成应力集中点。

当加入长度为10mm的纤维时，混凝土抗折强度大幅下降。

因为长度太短的纤维与混凝土的有效接触面积小，抗裂阻力小，抗折强度较低。

15mm到25mm的纤维加入到混凝土中，其抗折强度较10mm的聚丙烯纤维混凝土呈增长趋势。

此时，纤维和混凝土的有效接触面积大，在受外力作用时能提供更大的抗裂阻力。

纤维长度继续增加，纤维在混凝土中分散困难，可能形成纤维团，且相同体积率下试件中的纤维根数减少，导致混凝土的抗折强度急剧下降。

图4 纤维长度和中心挠度曲线
由图4可见，加入纤维后，混凝土的中心挠度明显增大。

当纤维长度为20mm时，挠度增大值下降。

相同体积率，C3断裂面内承力纤维根数较C1和C2中少，抗裂阻力不足，因此中心挠度较C1、C2有所下降。

且提供的抗裂阻力小于25mm到35mm的聚丙烯纤维，因此对混凝土中心挠度的增大量不如其他几种长度的纤维。

长度太短，纤维与混凝土的有效接触面积不够，纤维与混凝土的握裹力不足以对微裂纹的形成和发展产生作用。

纤维过长，其在混凝土基体中分散不均，纤维之间会产生缠结，形成纤维团，对其强度有致命影响。

为了解混凝土的中心挠度随受力的变化情况，将素混凝土和部分纤维混凝土的载荷-中心挠度曲线绘制如图5所示。

(a) C0 (b) C1-10mm
(c) C3-20mm (d)C5-30mm
图5 载荷-中心挠度曲线
从图5中可以看出，素混凝土在受外力时为脆性断裂，且形变较小，韧性差。

加入聚丙
烯后，混凝土韧性明显提高。

当中心挠度量为2mm时，C3可继续承载，而C0已经破坏。

从图
5-（d）可看出，C5表现出较好的韧性。

纤维可以看做混凝土中的次要加强筋，能跨横裂缝
起桥接作用，缓解裂缝尖端的应力集中，增加了裂缝的扩张阻力，提高了混凝土的韧性。

3 结语
本文通过试验研究了聚丙烯纤维增强混凝土的抗折性能和抗冲击性能，通过对
试验数据的分析，得出以下结论:
(1) 细度为0.2mm的聚丙烯纤维，短切成10-35mm范围内的不同长度，以0.5%
的体积率加入混凝土基体中时均能有效提高混凝土的抗冲击性能，但混凝土的抗折
强度降低。

(2) 不同长度的聚丙烯纤维，对混凝土的抗折性能影响不同，过短或过长均不
利于提高混凝土的抗折强度。

聚丙烯纤维的加入对提高混凝土的韧性具有重要意义。

参考文献
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