丝纤维混凝土抗劈裂性能研究

摘 要：丝纤维混凝土是一种掺入少量短切聚丙烯纤维来增强或改善混凝土某些性能的复合材料。其具有抑制塑性收缩裂缝、抗冲击和弯曲疲劳性能较好、抗松散性较好、剩余强度较高、抗渗性较好、抗拉及抗折弯强度有所增加、耐气候老化、抗冻融性较好等优点。本文通过实验室试验探讨了丝纤维掺量对混凝土劈裂抗拉性能的影响：1、通过对100×100×100mm的立方体试块进行劈裂抗拉试验，研究了丝纤维掺量的对混凝土抗压和劈裂抗拉强度的影响。2、实验分为6组，分别加入0g/m3、400g/m3、800g/m3、1200g/m3、1600g/m3和2000g/m3的丝纤维，通过实验得出最佳掺量。实验证明：混凝土劈裂抗拉的最佳掺量为800g/m3。3、通过实验丝纤维混凝土的性能研究和数据处理的分析可以得到：在一定的掺量范围内，在混凝土掺入丝纤维对混凝土的劈裂抗拉性能有增强作用。

关键词：丝纤维；混凝土；劈裂抗拉；最佳掺量

一、绪论

混凝土是当今世界上用量最大、使用最广泛的材料之一，丝纤维在提高混凝土性能方面扮演着重要的角色。聚丙烯纤维混凝土是一种掺入少量短切聚丙烯纤维来增强或改善混凝土某些性能的复合材料。大量的室内试验和工程实践证明，丝纤维混凝土具有抑制塑性收缩裂缝、抗冲击和弯曲疲劳性能较好、抗松散性较好、剩余强度较高、抗渗性较好、抗拉及抗折弯强度有所增加、耐气候老化、抗冻融性较好等优点。

1.1 丝纤维混凝土在国内的研究和应用状况

国内关于聚丙烯纤维混凝土的研究起步较晚，在20世纪70年代开始了纤维混凝土技术的研究和应用。从目前国内研究水平来看，主要集中于对混凝土聚丙烯纤维增强混凝土的物理和力学性能的研究。浙江省宁波市将聚丙烯纤维混凝土用于水库大坝面板、溢洪道进水渠底防护工程。目前国内已有多家工厂生产聚丙烯纤维以满足各行业不同混凝土施工需要。在试验研究方面，国外在聚丙烯纤维混凝土的力学性能、耐久性、施工工艺、纤维增强机理等方面做了大量的工作，并且已编制了这方面的有关试验规范和技术标准，而我国只有上海同济大学、大连理工大学等院校做了一些研究工作，远远不能满足我国发展这项技术的要求。

1.2 丝纤维混凝土存在的问题

适用的纤维掺量取何值？从合成纤维的制成材料来看，由于其耐酸碱、以及物理性的增韧和增强，广义地来说对混凝土是有益无害的。但到底何掺量才合适，理论界与工程界的意见不尽相同。从合成纤维在混凝土中所起作用的实质来看，只要添加合成纤维，必然能不同程度地解决混凝土先天的缺陷――脆性，因此无论怎样加都没有问题，似乎只有采用模糊理论来解决幅度变化是最好的办法。但是，从设计和施工角度来考虑必须要有量化的指标。另从混凝土的工作性方面来考虑，又不得不考虑适应施工的有关要求。目前没有国家技术规程，所有的工程应用尚处于探索阶段，掺量差异的理论根据不足，决定纤维掺量的最可靠办法是因应工程目的进行试配，从而进行认真地比较。尤其是大型工程的结构性部位应用更要认真、慎重进行纤维多种掺量的试配和性能比较，从而选择最佳方案。

二、实验配合比和实验方法

丝纤维混凝土的强度主要来自混凝土本身，水泥的强度与水灰比都会对实验有影响。

2.1 实验配合比

2.1.1 配合比：

水泥：水：砂：石 = 1：0.45：1.30：2.13 = 478：215：623：1017 （g/升混凝土）

W/C=0.45 砂率=0.38

市场上有各种型号的水泥，而本实验采用强度为32.5强度等级的普通硅酸盐水泥。

砂石采用中砂，其砂率为0.38，碎石的最大粒径为15mm，砂石的含水率通过实验测得。

本实验混凝土设计强度为C30，施工塌落度为30～50mm，强度标准差为4.0MPa。

2.1.2 丝纤维参数：

丝纤维直径=50.9μm 丝纤维长度=18.0mm

丝纤维长径比=354 丝纤维熔点=165～173℃

2.1.3 实验参数设置

本实验将丝纤维混凝土劈裂抗拉设为6组，组别为B1、B2～B6。其中将B1设定为对照组（不掺入丝纤维的素混凝土），在B2～B6中分别掺入400g/m3、800g/m3、1200g/m3、1600g/m3、2000g/m3的丝纤维作为掺量变化，其他条件均全部相同。丝纤维混凝土劈裂抗拉实验每组6个试件，试件为非标准的100×100×100mm立方体试块。养护时间为实验室标准养护28天。

2.2实验方法

2.2.1 实验步骤

a）用电子天平分别称量出一次除去含水率之后的砂、石、水、水泥和丝纤维的含量。一次称量的量为一组混凝土抗压和劈裂抗拉的量。（由于砂、石放置在室外，所以实验之前先测得砂石的含水率）（表2-1）

表2-1 实验配比

编号 水/kg 水泥/kg 砂/kg 石/kg 丝纤维掺量/g

B1 3.2207 9.4644 13.0082 20.5001 0

B2 3.2207 9.4644 13.0082 20.5001 12

B3 3.2207 9.4644 13.0082 20.5001 24

B4 3.2207 9.4644 13.0082 20.5001 36

B5 3.2207 9.4644 13.0082 20.5001 48

B6 3.2207 9.4644 13.0082 20.5001 60

其中：

B1为素混凝土，B2、B3、B4、B5、B6分别表示掺入400g/m3、800g/m3、1200g/m3、1600g/m3、2000g/m3丝纤维的混凝土。

b）理论上需要配制16.125升的混凝土，但考虑实验中混凝土会有一定量的损耗，所以在配制时需要适量增加，所以一次实验的量为18升。

c）本实验采用先干后湿搅拌法，先将砂和石子倒入自动搅拌机中搅拌均匀（搅拌时间为30s），再将水泥倒入自动搅拌机中搅拌均匀（搅拌时间30s），将丝纤维倒入水中搅拌均匀（搅拌时间2min），最后将搅拌均匀的水和丝纤维倒入自动搅拌机中搅拌均匀（搅拌时间4min）。

d）在搅拌的过程中，将试件模具进行涂油，搅拌完成之后将拌合物平均地倒入模具中，倒入模具完成后将模具放到振捣台上机械振捣（振捣时间3min），振捣完成进行封膜成型，然后拆模，共计养护28天。

e）另外五组均按照以上方法进行试件制备。

2.2.2 混凝土劈裂抗拉强度实验方法

a）至试验龄期时，自养护室取出试件，应尽快试验，避免其湿度变化。

b）试件从养护地点取出后，擦拭干净，测量尺寸，检查外观，在试件中部划出劈裂面位置线。劈裂面与试件成型时的顶面垂直，尺寸测量精确至lmm。

c）采用0.05～0.08MPa/s的速度连续而均匀地加荷，当上压板与试件接近时，调整球座使接触均衡，当试件接近破坏时，应停止调整油门，直至试件破坏，记下破坏荷载，准确至0.01kN；混凝土立方体劈裂抗拉强度按照公式2―2计算：

（2―2）

式中：

fts――混凝土立方体劈裂抗拉强度，MPa；

F ――试件破坏荷载，N；

N ――试件破裂面积，mm2。

d）丝纤维混凝土劈裂抗拉实验，以6个试件测值的算术平均为测定值。如任一个测值与中值的差超过中值的15%时，则取中值为测定值。本实验中有数值与中值的差超过中值的15%，所以将最大值与最小值一并舍弃之后剩余四个的算术平均值为测定值，最后以公式 并乘以换算系数0.85计算得出丝纤维混凝土的劈裂抗拉强度填入表格。

e）将实验数据汇总处理，表格如下（表2-3）

表2-3 丝纤维混凝土劈裂抗拉实验数据

编号 B1 B2 B3 B4 B5 B6

试件抗 31.57 47.41 45.92 41.06 50.30 41.48

拉极限 57.76 43.52 44.01 34.28 38.68 39.60

荷载/KN 31.12 31.57 42.80 43.09 52.66 39.98

33.51 33.52 50.30 47.37 31.30 40.90

40.18 53.85 33.26 43.89 44.84 38.40

44.47 30.04 48.48 46.57 40.36 42.57

抗拉极 35.08 36.20 44.24 43.00 42.18 40.49

限荷载

平均值

/KN

2.3 本章小结

本实验为混凝土劈裂抗拉强度试验。试验设置劈裂抗拉每组6个试块，组别为B1～B6，丝纤维掺入量分别为0g/m3、400g/m3、800g/m3、1200g/m3、1600g/m3和2000g/m3。劈裂抗拉试验采用非标准的100×100×100mm立方体试块。制模、养护、实验试件为28天，试验按照普通混凝土力学性能实验方法标准GB/T 50081-2002进行。

三、 数据处理及分析

3.1 丝纤维掺量对混凝土劈裂抗拉强度的影响

3.1.1 实验结果

丝纤维混凝土28天的劈裂抗拉强度值如下表3-1所示

表3-1 掺丝纤维混凝土的28天劈裂抗拉强度（MPa）

编号（纤维

掺量/g/m3） B1（0） B2（400） B3（800） B4（1200） B5（1600） B6（2000）

平均值/Pa 35.08 36.20 44.24 43.00 42.18 40.49

换算系数 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85

fts/MPa 0.84 0.87 1.06 1.03 1.02 0.97

增减比例 0.00% 3.57% 26.19% 22.62% 21.43% 15.48%

3.1.2 结果分析

图3-2 丝纤维混凝土28天劈裂抗拉强度-掺量关系曲线图

由图3-2可以得知：

1）在混凝土中掺入适量的丝纤维能够提高到混凝土的劈裂抗拉强度。且相对于抗压强度，丝纤维掺量对混凝土抗拉强度的影响更为明显。

2）丝纤维掺量的多少对混凝土劈裂抗拉性能的影响呈现准抛物线的趋势，即在掺量800g/m3之前，抗拉强度逐渐增加，在800g/m3之后，逐渐递减，即可认为丝纤维的最佳掺量在800g/m3附近。

3）丝纤维掺量为2000g/m3时，其抗拉强度仍然要高于素混凝土。依据两者关系曲线的趋势，我们有信心认为，对于继续增加丝纤维掺量，将会使得其抗拉强度反而低于素混凝土，当然确切的数据和论证，需要通过进一步的实验才能确定。

3.2 本章小结

本章通过对得到的实验数据进行整理汇总，按照公式计算得到所需数据，并将数据填入表格，制作折线图进行分析。可以得到：

1、掺入丝纤维后，在一定范围内，混凝土的劈裂抗拉性能随着丝纤维的掺量呈现先上升后下降的一种趋势

2、混凝土劈裂抗拉性能的最佳掺量在800g/m3左右，增强幅度为26.1

四、结论

4.1 结论

本实验对丝纤维混凝土的劈裂抗拉强度进行了研究，通过在相同配合比的条件下对混凝土掺入不同量纤维劈裂抗拉实验，得到以下结论：

1）加入丝纤维以后混凝土的劈裂抗拉强度都是随着丝纤维的掺量先上升再下降的一种趋势。

2）掺入丝纤维对混凝土对混凝土的劈裂抗拉强度的提高效果较为明显。

3）丝纤维对混凝土劈裂抗压性能的提高的最佳掺为量在800g/m3附近。

参考文献

[1] 盛黎明，邓运清.混凝土聚丙烯纤维的发展与应用[J]桥梁.2002.6：47～68

[2] 阎利.聚丙烯纤维增强混凝土概述[J]化学建材.2003.1：35～72

[3] 王立伍.聚丙烯纤维对混凝土性能的影响和工程应用[A].见：程庆国.全国第七届纤维水泥与纤维混凝土学术会议论文集[C].北京：中国铁道出版社，1998：14～19

[4] Toutanji，HoussamA.Properties of polypropylene fiber reinferced silica fume expansive―cement concrete.Construction and building materials[J].June 1，1999：171～177

[5] Soroushian Parviz，Myamany Hafez，Tlili Atet.Oscowari ken mixed fracture properties of concrete，Rein forced with low vcaume fractions of steelm [J].1998：67～78

[6] ，杨鼎宣，周明耀.聚丙烯纤维混凝土的研究现状与趋势[M].清华大学出版社，2004.26～28