張麗哲 丁春奎 孫啟龍 高 強(qiáng)

南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院， 江蘇 南通 226019

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纖維長(zhǎng)徑比對(duì)碳-聚丙烯混雜纖維混凝土力學(xué)性能的影響*

張麗哲 丁春奎 孫啟龍 高 強(qiáng)

南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院， 江蘇 南通 226019

通過(guò)試驗(yàn)研究不同長(zhǎng)徑比的碳纖維和聚丙烯纖維混雜對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：混凝土的抗壓強(qiáng)度受混雜纖維長(zhǎng)徑比的影響不明顯，但在小幅度范圍內(nèi)混雜纖維會(huì)產(chǎn)生正、負(fù)兩種混雜效應(yīng)；混雜纖維長(zhǎng)徑比對(duì)混凝土的抗折性能影響較大，在纖維摻量一定的情況下，最優(yōu)的混雜纖維長(zhǎng)徑比組合為碳纖維取650、聚丙烯纖維取750。

碳纖維，聚丙烯纖維，長(zhǎng)徑比，混雜纖維混凝土，抗壓強(qiáng)度，抗折強(qiáng)度

在混凝土結(jié)構(gòu)中摻入纖維是解決混凝土材料自重大、脆性大、抗拉強(qiáng)度低等固有弱點(diǎn)的有效方法之一。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)纖維增強(qiáng)混凝土材料的研究已從單一纖維發(fā)展到混雜纖維，大量試驗(yàn)研究表明，不同性質(zhì)、不同尺度的纖維混雜不僅能充分發(fā)揮各種纖維的尺度和性能優(yōu)勢(shì)，改善單一纖維增強(qiáng)混凝土的某些性能，而且還能減輕質(zhì)量、降低成本、提高經(jīng)濟(jì)效益[1-4]。聚丙烯纖維憑借其良好的物理化學(xué)性能和價(jià)格優(yōu)勢(shì)，在混凝土中應(yīng)用較為廣泛；而碳纖維不僅具有強(qiáng)度高、彈性模量大、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，而且是一種智能材料，將其用于混凝土結(jié)構(gòu)中，可發(fā)揮其力學(xué)性能和功能作用的雙重優(yōu)勢(shì)[5-7]。本文將低彈模、高延性的聚丙烯纖維與高強(qiáng)、高模的碳纖維進(jìn)行混雜，通過(guò)改變兩種纖維的長(zhǎng)徑比，研究混雜纖維混凝土的力學(xué)性能，以期為工程應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)研究方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)為2.5的優(yōu)質(zhì)河砂、中砂；粗骨料采用5～20 mm的碎石，連續(xù)級(jí)配；拌合水為普通自來(lái)水；纖維選用長(zhǎng)絲短切型聚丙烯纖維和碳纖維，纖維性能見(jiàn)表1。

表1 纖維性能

1.2 混凝土配合比

本試驗(yàn)基準(zhǔn)混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度定為C25，配合質(zhì)量比為M水泥∶M水∶M細(xì)砂∶M石子=1.00∶0.33∶1.44∶2.56， 其中水泥用量為465 kg/m3。試驗(yàn)采用三種直徑的聚丙烯纖維分別與碳纖維進(jìn)行混雜，通過(guò)調(diào)整兩種纖維的長(zhǎng)徑比研究混雜纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響?；炷林袃煞N纖維的體積分?jǐn)?shù)不變，聚丙烯纖維為0.15%， 碳纖維為0.50%。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究?jī)煞N纖維以不同的長(zhǎng)徑比組合用于混凝土材料時(shí)的混雜效應(yīng)，本文對(duì)混雜纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度各設(shè)計(jì)了15組試驗(yàn)，試驗(yàn)方案見(jiàn)表2和表3。其中抗壓性能試驗(yàn)中a、b、c三組使用的聚丙烯纖維直徑分別為95、48和25 μm， 抗折性能試驗(yàn)分組方法與此相同。

表3 混雜纖維混凝土抗折性能試驗(yàn)方案

1.4 試驗(yàn)方法

抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的試件尺寸為70 mm×70 mm×70 mm，抗折強(qiáng)度試驗(yàn)的試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。均采用液壓式萬(wàn)能測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試，上夾頭壓縮速度為5 mm/min，記錄加載破壞過(guò)程及試驗(yàn)結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)徑比對(duì)混雜纖維混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

根據(jù)表2所列試驗(yàn)方案對(duì)混雜纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 纖維長(zhǎng)徑比與混雜纖維混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

由圖1可知，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的混凝土強(qiáng)度為25 MPa， 摻入不同長(zhǎng)徑比組合的聚丙烯纖維和碳纖維的混雜纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)強(qiáng)度相比，其值在±10%之間波動(dòng)，說(shuō)明在此試驗(yàn)范圍內(nèi)，兩種纖維混雜對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)效果不顯著。但從碳纖維和聚丙烯纖維長(zhǎng)徑比變化的趨勢(shì)來(lái)看，混雜纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度與纖維的長(zhǎng)徑比之間存在一定的聯(lián)系。當(dāng)碳纖維長(zhǎng)徑比小于600時(shí)，混雜纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)強(qiáng)度；只有當(dāng)碳纖維長(zhǎng)徑比大于650時(shí)，混雜纖維才能提高混凝土的抗壓強(qiáng)度；但當(dāng)碳纖維長(zhǎng)徑比為950時(shí)，混雜纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，這是由于在此情況下，碳纖維與聚丙烯纖維受到本身材質(zhì)的影響，無(wú)法在混凝土受載荷作用的不同階段發(fā)揮正混雜效應(yīng)，從而導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度的降低。因此，為獲得較高的抗壓強(qiáng)度，碳纖維長(zhǎng)徑比可選擇700～900或1 000以上。就聚丙烯纖維而言，隨著其長(zhǎng)徑比的增加，混雜纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度整體呈增加趨勢(shì)，但當(dāng)長(zhǎng)徑比達(dá)到1 000 時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)波動(dòng)，不利于抗壓強(qiáng)度的提高。因此，聚丙烯纖維與碳纖維進(jìn)行混雜時(shí)，以長(zhǎng)徑比不超過(guò)1 000為宜。

圖2 試件b5抗壓試驗(yàn)破壞載荷隨時(shí)間的變化

從試件破壞過(guò)程來(lái)看，以試件b5為例，通過(guò)對(duì)圖2的抗壓試驗(yàn)破壞載荷與時(shí)間變化曲線(xiàn)及試件破壞狀態(tài)分析可知：從開(kāi)始施加載荷到破壞載荷達(dá)到最大值期間，試件四壁逐漸產(chǎn)生裂縫；隨著載荷的增加，裂縫由小變大、且數(shù)量增加；當(dāng)達(dá)到破壞載荷峰值時(shí)，試件表面混凝土脫落，但試件并未完全破碎，保持了其整體性。分析其原因，可認(rèn)為是由于碳纖維和聚丙烯纖維材質(zhì)本身強(qiáng)度和彈性模量的不同，它們能夠分別在宏觀和較微觀層面上對(duì)混凝土起到增強(qiáng)作用，從而使混凝土試件從受荷開(kāi)始到載荷達(dá)到最大值期間，兩種纖維對(duì)不同形態(tài)的裂縫產(chǎn)生抑制作用，使試樣的破壞形態(tài)與基體的脆性斷裂形態(tài)不同，呈復(fù)合破壞形態(tài)。

2.2 長(zhǎng)徑比對(duì)混雜纖維混凝土抗折強(qiáng)度的影響

根據(jù)表3所列試驗(yàn)方案對(duì)混雜纖維混凝土的抗折強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖3所示。

圖3 纖維長(zhǎng)徑比與混雜纖維混凝土抗折強(qiáng)度的關(guān)系

由圖3可知，在本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的長(zhǎng)徑比范圍內(nèi)，當(dāng)碳纖維長(zhǎng)徑比為650時(shí)，混雜纖維混凝土的抗折性能最優(yōu)，而當(dāng)其長(zhǎng)徑比大于此值時(shí)，混凝土的抗折強(qiáng)度明顯下降，最大降幅可達(dá)28%。對(duì)于聚丙烯纖維而言，其長(zhǎng)徑比為950和1 150時(shí)，混凝土抗折強(qiáng)度幾乎相同，說(shuō)明此范圍內(nèi)聚丙烯纖維的長(zhǎng)徑比變化對(duì)混凝土的抗折性能無(wú)影響；而當(dāng)聚丙烯纖維的長(zhǎng)徑比較小(750)時(shí)，混凝土的抗折強(qiáng)度明顯提高，最大增幅可達(dá)28%。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮兩種纖維的混雜作用，聚丙烯纖維和碳纖維的長(zhǎng)徑比都取較小值時(shí)，混雜纖維對(duì)混凝土的抗折性能具有較好的增強(qiáng)作用。

圖4為試件C5在抗折試驗(yàn)中破壞載荷與時(shí)間的關(guān)系。從圖中可以看出，試件的破壞過(guò)程分為兩個(gè)階段：在第一階段，纖維與混凝土組成的復(fù)合材料共同承受載荷，在此階段，由強(qiáng)度和彈性模量均高于基體的碳纖維起主要增強(qiáng)作用，當(dāng)破壞載荷達(dá)到第一個(gè)峰值時(shí)，試件表面出現(xiàn)明顯裂縫；在此后的一段時(shí)間內(nèi)，由于試件出現(xiàn)彎折，上夾具與試件表面出現(xiàn)短暫的非接觸現(xiàn)象，因此破壞載荷有所回落；隨著上夾具的持續(xù)下降，混凝土試件的抗折試驗(yàn)進(jìn)入第二階段，此時(shí)外部載荷主要由高延性、高斷裂應(yīng)變的聚丙烯纖維承擔(dān)，當(dāng)破壞載荷達(dá)到極限時(shí)，纖維全部斷裂或部分?jǐn)嗔选⒉糠直粡幕w中抽拔出。

圖4 試件C5抗折試驗(yàn)破壞載荷隨時(shí)間的變化

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同長(zhǎng)徑比的碳纖維和聚丙烯纖維混雜纖維混凝土抗壓和抗折性能進(jìn)行試驗(yàn)與分析，得出以下結(jié)論：

(1) 混雜纖維的長(zhǎng)徑比對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響不明顯，但在小幅度范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生正、負(fù)混雜兩種效應(yīng)，當(dāng)碳纖維長(zhǎng)徑比為650以上、聚丙烯纖維長(zhǎng)徑比不超過(guò)1 000時(shí)，兩種纖維混雜可對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度起到一定的增強(qiáng)作用。

(2) 混雜纖維的長(zhǎng)徑比對(duì)混凝土的抗折強(qiáng)度影響較為顯著，當(dāng)兩種纖維的長(zhǎng)徑比較小時(shí)，混雜纖維混凝土的抗折強(qiáng)度較高。本試驗(yàn)條件下，混雜纖維的最優(yōu)長(zhǎng)徑比組合為碳纖維取650、聚丙烯纖維取750。

[1] 吳輝琴，田毅，程建棚，等. CFRP/GFRP混雜纖維拉伸性能試驗(yàn)研究[J]. 廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)，2011,22(1)：35-38.

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播種一棵樹(shù)苗

收獲一片綠蔭

獻(xiàn)出一份愛(ài)心

托起一份希望

Effects of fiber length to diameter ratio on the mechanical properties of carbon-polypropylene hybrid fiber reinforced concrete

ZhangLizhe,DingChunkui,SunQilong，GaoQiang

School of Textile and Clothing, Nantong University, Nantong 226019, China

The effect of different length to diameter ratios of hybrid fiber, including carbon fiber and polypropylene fiber, on the mechanical properties of concrete was studied experimentally. The results showed that the length to diameter ratio of hybrid fiber had no obvious influence on the compressive strength of concrete. Nevertheless, hybrid fiber had both positive and negative effects in a small range. The fracture resistance of the concrete was affected greatly by the length to diameter ratio of hybrid fiber. In case of a certain amount of hybrid fiber, the optimal combination of hybrid fiber length to diameter ratio was 650 for carbon fiber and 750 for polypropylene fiber.

carbon fiber, polypropylene fiber, length to diameter ratio, hybrid fiber reinforced concrete, compressive strength, fracture resistance

*江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新項(xiàng)目(BY2013042-02)；江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目(15KJD430008)；南通大學(xué)交通運(yùn)輸專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(13ZJ009)

2015-02-21

張麗哲，女，1982年生，副教授，研究方向?yàn)槔w維在混凝土中的性能與應(yīng)用

TS102.5

A

1004-7093(2016)04-0009-04