〔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。對產生上述結果的機理文中也給予了分析。
〔關鍵詞〕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纖維。該纖維的特點是：直徑小(10μm～100μm)、數量多、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，增強混凝土的抗塑裂能力。通常把聚丙烯纖維當作混凝土的防裂纖維或"次要增強筋"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、改善混凝土的內在品質實現的，該種纖維應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 機理進行了分析。
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(美國混凝土協會)544委員會推薦的方法進行，其中：
(1)按標準方法成型試件，尺寸150×64mm。標準養護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評價或比較混凝土的抗沖擊能力：①出現第一條裂縫(初裂)的沖擊次數n1；②初裂后，試件體積膨脹，當試件和4塊擋板中任意3塊接觸時的沖擊次數n2。n2被定為試件破壞次數；③試件初裂和破壞時沖擊次數的差值(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)，物性指標見表1；425#普通硅酸鹽水泥；5～20連續級配石灰石；Mx=2.8河砂。基準試驗配比見表2。
表1 聚丙烯纖維物性指標
密度(kg/m3) 抗拉強度(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％)。標準抗壓試件和抗沖擊試件同時制作和養護至28天測試。
2.2 測試結果及分析
按ACI 544委員會推薦的方法進行測試和評價，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果
試驗編號 抗壓強度(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抗壓強度無顯著影響。以混凝土的沖擊韌性W為指標進行評價可見，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理則主要體現在以下幾個方面：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，增強材料介質連續性，減小了沖擊波被阻斷引起的局部應力集中現象；②低模量的有機材料能吸收沖擊能量；③纖維能有效約束裂縫的擴展。
|