〔提 要〕測試了聚丙烯纖維混凝土的抗沖擊和疲勞特性。通過和普通混凝土對比后得出結(jié)論：較低摻量的聚丙烯纖維能有效提高混凝土的沖擊韌性和抗疲勞性能，改善混凝土的抗動載能力。對產(chǎn)生上述結(jié)果的機(jī)理文中也給予了分析。
〔關(guān)鍵詞〕聚丙烯纖維混凝土 沖擊韌性 疲勞壽命 疲勞損傷
1. 前言
聚丙烯纖維是一種新型的混凝土增強(qiáng)纖維。該纖維的特點是：直徑小(10μm～100μm)、數(shù)量多、易分散，但彈性模量較低(3.5GPa～3.8GPa)。在混凝土中的通常用法是以較低的摻量(纖維體積率Vf一般不大于0.2％)直接投入混凝土拌合物中，依靠拌合物自身的摩擦和揉搓作用使纖維分散。由于聚丙烯纖維具有直徑小、數(shù)量多、纖維間距小等特點，因而能減小混凝土因失水、溫差、自干燥等作用因素引起的原生裂隙尺度，增強(qiáng)混凝土的抗塑裂能力。通常把聚丙烯纖維當(dāng)作混凝土的防裂纖維或"次要增強(qiáng)筋"使用。聚丙烯纖 維的這種功能使其很適用于路面、橋面工程，對提高面板的整體性、改善使用功能有利。
作為路用材料使用，應(yīng)測試聚丙烯纖維對混凝土抗沖擊、抗疲勞等抗動載能力的影響。由于微細(xì)的聚丙烯纖維對混凝土性能的改善是通過減小裂隙尺度、改善混凝土的內(nèi)在品質(zhì)實現(xiàn)的，該種纖維應(yīng)對混凝土的抗動載能力有提高作用。本文測試了聚丙烯纖維摻入后對混凝土的沖擊韌性、疲勞壽命和疲勞損傷過程的影響，并對作用 機(jī)理進(jìn)行了分析。
2. 聚丙烯纖維混凝土的抗沖擊性能
2.1 試驗介紹
沖擊試驗按ACI(美國混凝土協(xié)會)544委員會推薦的方法進(jìn)行，其中：
(1)按標(biāo)準(zhǔn)方法成型試件，尺寸150×64mm。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天?br> (2)沖擊錘重4.5kg，下落高度h＝457mm。傳力球直徑64mm，測試擋板和試件間距5mm；
(3)傳力球和試件同心，并在沖擊錘的中線上。測試時，沖擊錘自由落下；
該試驗方法通過以下幾項指標(biāo)評價或比較混凝土的抗沖擊能力：①出現(xiàn)第一條裂縫(初裂)的沖擊次數(shù)n1；②初裂后，試件體積膨脹，當(dāng)試件和4塊擋板中任意3塊接觸時的沖擊次數(shù)n2。n2被定為試件破壞次數(shù)；③試件初裂和破壞時沖擊次數(shù)的差值(n2-n1)；④沖擊韌性W和ΔW，即試件破壞過程吸收的全部沖擊能量和初裂后能繼續(xù)吸收的沖擊能量。計算式如下：
W=n·mgh
其中：h--沖擊錘下落高度(457mm)，
g--重力加速度9.81m/s2。
試驗原材料為：19mm長聚丙烯纖維 (fibermesh)，物性指標(biāo)見表1；425#普通硅酸鹽水泥；5～20連續(xù)級配石灰石；Mx=2.8河砂。基準(zhǔn)試驗配比見表2。
表1 聚丙烯纖維物性指標(biāo)
密度(kg/m3) 抗拉強(qiáng)度(MPa) 纖維直徑(μm) 抗拉彈性模量(GPa)
0.91 560～770 100 3.5
表2 抗沖擊(抗折)試驗基準(zhǔn)混凝土配比(kg/m3)
試驗編號 纖維 水泥 水 河砂 碎石
CCon. 0 435 200 580 1230
摻入纖維后不改變基準(zhǔn)配比。不同摻量的試驗編號分別為：CFMl纖維摻量0.9kg/m3(體積率0.1％)，CFM2纖維摻量1.8kg/m3(體積率0.2％)。標(biāo)準(zhǔn)抗壓試件和抗沖擊試件同時制作和養(yǎng)護(hù)至28天測試。
2.2 測試結(jié)果及分析
按ACI 544委員會推薦的方法進(jìn)行測試和評價，聚丙烯纖維混凝土的抗沖擊性能測試和計算的結(jié)果見表3。表3示出：
表3 聚丙烯纖維混凝土的抗沖擊試驗結(jié)果
試驗編號 抗壓強(qiáng)度(MPa) n1 n2 Δn=n2-n1 W(N·m) ΔW(N·m)
CCon. 43.8 52 57 5 1150 101
CFM1 44.0 293 306 13 6173 262
CFM2 48.0 283 302 19 6092 383
(1)較低摻量的聚丙烯纖維對混凝土的靜態(tài)抗壓強(qiáng)度無顯著影響。以混凝土的沖擊韌性W為指標(biāo)進(jìn)行評價可見，摻入0.1％～0.2％的聚丙烯纖維能使混凝土的抗沖擊能力提高5倍以上。
(2)以初裂后的ΔW進(jìn)行評價可知，聚丙烯纖維體積率為0.1％和0.2％時，能使混凝土的裂后抗沖擊能力分別提高2.62倍和3.83倍。
(3)聚丙烯纖維摻量較高的CFM2并未顯示出比摻量較低的CFM1更高的沖擊韌性，但在初裂后繼續(xù)吸收沖擊能量的能力ΔW明顯提高。
聚丙烯纖維對混凝土的抗壓強(qiáng)度無明顯影響是因為摻量小，體積率低。纖維改善混凝土的抗沖擊性的機(jī)理則主要體現(xiàn)在以下幾個方面：①聚丙烯纖維雖然剛度較低，傳遞荷載的能力差，但能有效減小裂隙尺度，增強(qiáng)材料介質(zhì)連續(xù)性，減小了沖擊波被阻斷引起的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象；②低模量的有機(jī)材料能吸收沖擊能量；③纖維能有效約束裂縫的擴(kuò)展。
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