纤维对混凝土力学性能的影响研究

　　摘要：为了提高混凝土的力学性能，研究了聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维对混凝土试件的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度的影响。试验结果表明：随着混凝土中聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维质量分数的不断增大，混凝土试件的抗压强度和劈裂抗拉强度均呈现出先升高后降低的趋势，而抗折强度则呈现出逐渐升高的趋势。当混凝土中聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维的质量分数分别为0.6%和0.3%时，混凝土试件的抗压强度和劈裂抗拉强度值均达到最大，因此，推荐混凝土中聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维的最佳质量分数分别为0.6%和0.3%。

　　关键词：聚丙烯纤维;聚乙烯醇纤维;混凝土;力学性能;

　　作者简介：贾青(1982—)，女，汉族，山东聊城人，硕士，讲师，主要从事建筑新材料方面的研究工作。;

　　基金：“十三五”国家重点研发计划项目(2016YFC0730014);

　　Abstract：In order to improve the mechanical properties of concrete, the effects of polypropylene fiber and polyvinyl alcohol fiber on the compressive strength, splitting tensile strength and flexural strength of concrete were studied. The experimental results show that with the increasing of the mass fraction of polypropylene fiber and polyvinyl alcohol fiber in concrete, the compressive strength and splitting tensile strength of concrete specimens show a trend of first increasing and then decreasing, while the flexural strength shows a trend of gradually increasing. When the mass fraction of polypropylene fiber and polyvinyl alcohol fiber in concrete is 0.6% and 0.3% respectively, the compressive strength and splitting tensile strength of concrete specimens reach the maximum value. Therefore, the optimal mass fraction of polypropylene fiber and polyvinyl alcohol fiber in concrete is 0.6% and 0.3% respectively.

　　Keyword：polypropylene fiber; polyvinyl alcohol fiber; concrete; mechanical property;

　　混凝土以其较强的抗压强度、良好的黏结性能以及较低的价格成为目前应用最为广泛的一种建筑材料[1,2,3]。然而普通混凝土本身的抗拉强度较低，脆性较大，耐久性能较差，为了满足各种特殊工程的应用需要，必须在普通混凝土中加入一定的掺合料或外加剂来提高普通混凝土的各种物理性能。纤维的加入就可以有效提高普通混凝土的抗拉强度、抗折强度以及耐久性能，进而提高混凝土的综合力学性能，满足混凝土在不同实际工程应用中的需求[4,5,6]。因此，研究纤维的加入对混凝土力学性能的影响具有比较重要的现实意义。

　　目前，常用于混凝土中的纤维类型主要包括钢纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、棉纤维以及碳纤维[7,8,9,10]，其中，聚丙烯纤维与其他纤维相比，具有低密度、低导电性以及较低的价格等优势，在混凝土中得到了比较广泛的应用[11,12]。聚乙烯醇纤维是由具有较高聚合度的聚乙烯醇制备而来，具有较高的强度、较低的密度、较好的隔热性能、良好的耐化学腐蚀以及不吸水等优点，在混凝土中加入聚乙烯醇纤维可以有效提高其韧性和抗裂强度，使混凝土试件具备更强的抗冲击能力和抗变形能力，并且聚乙烯醇纤维的生产工艺较为成熟，制作成本也相对较低，这使其具备了在普通混凝土中大规模推广应用的条件[13,14]。因此，本文以聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维为研究对象，考察了两种纤维不同加入量对混凝土试件抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度的影响，以期为聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维在混凝土中的实际应用提供一定的技术支持和参考。

　　1 试验

　　1.1 原材料

　　P.O 42.5普通硅酸盐水泥，3 d抗压强度和抗折强度分别为28.5、5.5 MPa,28 d抗压强度和抗折强度分别为48.2、8.1 MPa；Ⅱ级粉煤灰，密度为2.39 g/cm3;S95级矿渣粉，细度为1.2；聚羧酸型高性能减水剂；粗骨料为青石碎石，连续级配为5～10 mm；细骨料为标准河砂，细度模数为2.25；聚丙烯纤维长度为50 mm，直径为910μm；聚乙烯醇纤维，长度为30 mm，直径为650μm。

　　1.2 混凝土配合比设计

　　根据试验需要，所用混凝土试件的水胶质量比均为0.4，砂率均为质量分数40%，以此为基础设计了混凝土配合比，具体结果见表1。

表1 混凝土配合比设计结果

　　1.3 力学性能评价方法

　　根据1.2中混凝土配合比设计结果，在混凝土中掺入不同的纤维，制作混凝土试件，然后按照国家标准GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》评价混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度，试验龄期均为28 d。其中抗压强度和劈裂抗拉强度试验用混凝土试件的尺寸均为150 mm×150 mm×150 mm，抗折强度试验用混凝土试件的尺寸为150 mm×150 mm×600 mm。

　　2 结果与讨论

　　2.1 纤维对混凝土抗压强度的影响

　　按照1.2中的配合比设计和1.3中的力学性能评价方法，评价了不同纤维类型以及不同纤维质量分数对混凝土抗压强度的影响，试验结果见图1、2。

　　由图1可以看出，随着聚丙烯纤维质量分数逐渐升高，混凝土试件的抗压强度值呈现出先升高后降低的趋势。未加纤维的混凝土试件的抗压强度为50.6 MPa；当聚丙烯纤维质量分数的增大至0.6%时，混凝土试件的抗压强度可以增大至55.6MPa，达到最大；再继续增大聚丙烯纤维的质量分数，混凝土试件的抗压强度则明显降低，当聚丙烯纤维质量分数增大至1.5%时，混凝土试件的抗压强度值降低至43.2 MPa，明显低于空白混凝土试件。这是由于聚丙烯纤维的加入会在一定程度上起到限制混凝土膨胀的作用，从而能够增大混凝土试件的抗压强度；但是聚丙烯纤维的加入同样又会增大混凝土试件的孔隙率，所以当聚丙烯纤维的加量较大时，混凝土试件的基体会变得更为疏松，从而降低抗压强度。依据抗压强度试验结果来看，推荐聚丙烯纤维在混凝土中的最佳质量分数为0.6%。

图1 聚丙烯纤维质量分数对混凝土抗压强度的影响

图2 聚乙烯醇纤维质量分数对混凝土抗压强度的影响

　　由图2试验结果可以看出，随着聚乙烯醇纤维质量分数的逐渐增大，混凝土试件的抗压强度同样呈现出先升高后降低的趋势。当聚乙烯醇纤维质量分数为0.3%时，混凝土试件的抗压强度达到最大，为54.2 MPa；再继续增大聚乙烯纤维的质量分数，混凝土试件的抗压强度则逐渐降低。与聚丙烯醇纤维的加入原理一样，聚乙烯醇纤维的加入同样可以起到约束混凝土膨胀的作用，但同样会增大混凝土试件的孔隙率，仅从抗压强度试验结果来看，推荐聚乙烯醇纤维在混凝土中最佳质量分数为0.3%。

　　2.2 纤维对混凝土劈裂抗拉强度的影响

　　按照1.2中设计的配合比和1.3中的力学性能评价方法，评价了不同纤维类型以及不同纤维质量分数对混凝土劈裂抗拉强度的影响，试验结果见图3、4。

　　由图3和图4可以看出，随着聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维质量分数的不断增大，混凝土试件的劈裂抗拉强度均呈现出先升高后降低的趋势。对于聚丙烯纤维而言，当其质量分数为0.6%时，混凝土试件的劈裂抗拉强度达到最大，为5.2 MPa；而未加入纤维的空白混凝土试件的劈裂抗拉强度仅为3.1MPa；再继续增大聚丙烯纤维的质量分数，混凝土试件的劈裂抗拉强度则逐渐降低。对于聚乙烯醇纤维而言，当其质量分数为0.3%时，混凝土试件的劈裂抗拉强度达到最大，为5.4 MPa，再继续增大聚乙烯醇纤维的质量分数，混凝土试件的劈裂抗拉强度则逐渐降低。

图3 聚丙烯纤维质量分数对混凝土劈裂抗拉强度的影响

图4 聚乙烯醇纤维质量分数对混凝土劈裂抗拉强度的影响

　　分析原因认为，当纤维的质量分数达到一定值时，纤维在混凝土中达到均匀分布的状态，使混凝土在硬化阶段的裂缝诱发率显着降低，从而降低混凝土在遭受破坏前所形成的裂缝数量；另外，纤维与混凝土中碎石等骨料表面可以形成比较紧密的结合作用，在混凝土受到劈裂破坏作用时可以对裂缝起到一定的约束效果，使其具有更大的劈裂抗拉强度。而当纤维的质量分数过大时，又会显着提高混凝土试件的孔隙率，降低了混凝土中骨料与砂浆之间的黏合力，从而降低了混凝土试件的劈裂抗拉强度。因此，仅从混凝土试件的劈裂抗拉强度试验结果来看，推荐混凝土中聚丙烯纤维的最佳质量分数为0.6%，聚乙烯醇纤维的最佳质量分数为0.3%，这与2.1中抗压强度试验结果相吻合。

　　2.3 纤维对混凝土抗折强度的影响

　　按照1.2中设计的配合比和1.3中的力学性能评价方法，评价了不同类型纤维以及不同纤维质量分数对混凝土抗折强度的影响，试验结果见图5、6。

图5 聚丙烯纤维质量分数对混凝土抗折强度的影响

图6 聚乙烯醇纤维质量分数对混凝土抗折强度的影响

　　由图5、6可以看出，随着聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维质量分数的不断增大。混凝土试件的抗折强度均呈现出逐渐升高的趋势。未掺入纤维时空白混凝土试件的抗折强度仅为3.7 MPa，而当聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维质量分数都为1.5%时，混凝土试件的抗折强度分别增大至8.1 MPa和8.9 MPa，与空白混凝土试件相比，抗折强度分别增大了118.9%和140.5%，提升幅度明显。

　　分析原因认为，聚丙烯纤维的表面通常为波浪形，这使其容易与混凝土基体之间产生较强的机械啮合力，并且纤维的质量分数越大，机械啮合力就越大，从而提高了混凝土试件的抗折强度；而聚乙烯醇纤维表面则容易与混凝土中的胶凝材料之间产生较强的黏结力，从而使其紧密性提高，并且纤维的质量分数越大，这种黏结力就越强，从而使混凝土试件的抗折强度得到提高。因此，仅从混凝土试件的抗折强度试验结果来看，混凝土中聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维的质量分数越大越好，然而纤维的质量分数过大会明显降低混凝土试件的抗压强度和劈裂抗拉强度，因此，综合考虑，推荐混凝土中聚丙烯纤维的最佳质量分数为0.6%，聚乙烯醇纤维的最佳质量分数为0.3%，在此条件下，能使混凝土试件的综合力学性能得到较好的提升。

　　3 结语

　　在混凝土中加入不同加量的聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维，通过测试混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度来研究纤维对混凝土力学性能的影响规律，并分析了不同类型以及不同质量分数纤维对混凝土力学性能影响的原因，得出以下结论。

　　(1)随着混凝土中聚丙烯纤维质量分数的不断增大，混凝土试件的抗压强度和劈裂抗拉强度均呈现出先升高后降低的趋势，而其抗折强度则逐渐增大。当聚丙烯纤维质量分数为0.6%时，混凝土试件的抗压强度和劈裂抗拉强度均可以达到最大，再继续增大聚丙烯纤维的加量，混凝土试件的抗压强度和劈裂抗拉强度均有所降低。推荐混凝土中聚丙烯纤维的最佳质量分数为0.6%。

　　(2)随着混凝土中聚乙烯醇纤维质量分数的不断增大，混凝土试件的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度的变化趋势与加入聚丙烯纤维时相同，当聚乙烯醇纤维质量分数为0.3%时，混凝土试件的抗压强度和劈裂抗拉强度均可以达到最大。推荐混凝土中聚乙烯醇纤维的最佳质量分数为0.3%。

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