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【摘 要】对胶粉混凝土、纤维混凝土、胶粉/纤维混凝土进行了自由落锤冲击试验。试验结果表明：胶粉和纤维的掺入可提高水泥混凝土的抗冲击性能，而且胶粉纤维的协同作用远远大于单一掺合料对混凝土的影响。并通过冲击应变曲线定性地说明了胶粉、纤维改善混凝土抗冲击韧性的机理。
【关键词】胶粉；纤维；混凝土路面；冲击韧性
Powder / fiber blends of the impact resistance of concrete
Liang Shu-wei
(Shijiazhuang Local Road Management Office Shijiazhuang Hebei 050000)
【Abstract】Of powder concrete, fiber reinforced concrete, powder / fiber reinforced concrete for the free drop hammer impact test. The results showed: the incorporation of rubber powder and fiber can improve the impact resistance of concrete and fiber powder is much larger than a single synergistic admixture on concrete. Strain curves by the impact of qualitative description of the powder, fiber to improve the mechanism of impact toughness of concrete.
【Key words】Powder;Fiber;Concrete pavement;Impact toughness
水泥混凝土路面以其刚度大，强度高、稳定性好、使用寿命长及养护费用少等优点在地方道路尤其是重交通公路中处于重要的地位，但同时具有的抗拉强度低，脆性大，易开裂，动载冲击与疲劳性能差等缺点，制约了其发展应用。如何改善水泥混凝土柔韧性，降低脆性，一直是混凝土领域致力研究的课题。本文就这一问题，向混凝土内添加纤维和废旧胶粉，利用纤维的高抗拉和高延性以及橡胶的高弹性来对水泥混凝土进行改性，分析胶粉和纤维的掺量对混凝土的冲击性能的影响，以求能达到改变混凝土力学性能并提高混凝土的耐久性的要求。
1. 试验方法
目前世界各国确定增强混凝土的冲击抗力方法不尽一致，目前还没有一个统一的标准，本试验参照ACI（美国混凝土协会）544委员会推荐的“落重法”进行试验，如图1所示使用冲击锤，落锤是一个实心圆柱体，锤头为球面，锤重2Kg，下落高度为300mm，试件两端为简支，跨距为300mm，在试件的中心位置粘贴应变片，把应变片用导线连接到应变仪上，由计算机自动采集数据，每次冲击从落锤自由下落开始，至落锤完全静止结束，落锤的冲击荷载通过钢板传递到试件上，冲击过程中尽量避免落锤与套筒内表面接触，如此反复冲击直到试件破坏。每次冲击循环后，仔细观察试件表面，直到试件表面出现第一条裂缝时，记录下冲击次数。然后重复进行冲击循环，直至试件破坏。
通过以下指标比较、评价混凝土的抗冲击能力：（1）初裂的冲击次数；（2）破坏的冲击次数；（3）混凝土的冲击韧性按如下的公式计算：
W=Nmgh式1
式中：W——冲击韧性，N•m;N——试件破坏时的冲击次数；
m——钢锤重量，Kg; h——冲击锤下落高度；
g——重力加速度9.81m/s2
2. 配合比方案
采用水泥总量为407 Kg/m3，水灰比为0.40，砂率为37%为基准配比，其他各组试件保持在基准配比不变的情况下，将德国科恩多兰纤维按0.06%、0.09%、0.12%的体积率、胶粉按水泥质量的2%、5%、8%分别掺入，根据试验确定出纤维的最佳掺量，按照最佳纤维掺量，在混凝土中按照水泥质量的4%、8%、12%掺加胶粉。具体配合比方案见表1。.
注：S指素混凝土；SD指添加德国科恩多兰纤维的水泥混凝土； SX指添加胶粉的水泥混凝土；DX指德国科恩多兰纤维与胶粉混掺的水泥混凝土
3. 试验结果分析
3.1 胶粉混凝土抗冲击性能分析
表2列出了胶粉混凝土的冲击次数和冲击韧性随掺量的变化情况。
通过分析上表，可得出如下结论：
胶粉混凝土的冲击韧性较基准混凝土有大幅提高，随着胶粉掺量的逐渐增加，其冲击韧性呈线性上升趋势。当胶粉掺量为2%时，混凝土抗冲击韧性提高的优势就已经表现出来，通过冲击次数数据分析发现，基准混凝土在达到初裂次数后，仅仅经过4次锤击，就达到终裂，而胶粉混凝土的终裂次数和初裂次数的差值均达到20次以上，说明水泥混凝土在试样初裂后继续保持整体性的能力或者说继续吸收能量的能力提高了5倍。另外，其冲击韧性也有大幅提高，胶粉掺量为2%时，冲击韧性提高到普通混凝土的3.82倍，而当胶粉掺量为8%时，提高幅度达 9.14倍。
掺入胶粉粉，试样冲击韧性显著得到改善，其原因是，胶粉作为弹性材料，掺加后降低了混凝土的脆性，同时橡胶粉可以作为应力的缓冲区，能吸收较大部分的冲击能，具体情况可以通过计算机采集到的混凝土的冲击应变曲线进行分析，见图3~图5。
分析发现，基准混凝土试件在冲击过程中，达到初裂次数之前，几乎是一条直线，说明其应变变化微小，一旦达到初裂次数，便迅速发生脆性破坏。由胶粉混凝土的冲击应变曲线分析，混凝土在初裂之前，呈现一条波浪形曲线，随着冲击次数的增加，曲线段出现振荡上扬的趋势，直至达到终裂发生破坏。而随着胶粉掺量的增加，曲线的起伏状态逐渐增大，说明试件在受到荷载冲击后，会发生较大的变形，撤去荷载后，混凝土变形能够迅速恢复，在冲击过程中，胶粉自身的弹性能够吸收部分冲击能，随着胶粉掺量的增加，混凝土试件破坏过程吸收的全部冲击能和初裂后吸收的冲击能均表现出增加趋势。
3.2 纤维混凝土的冲击韧性试验结果分析。
表3列出了纤维混凝土的冲击次数和冲击韧性随掺量的变化情况。
由表中试验结果可知，掺入纤维后，混凝土初裂次数和终裂次数呈相对明显的增长趋势，且终裂冲击次数与初裂冲击次数的差值也变得比较明显，说明掺加纤维可使水泥混凝土抗冲击韧性明显提高，且试样在初裂后可以继续保持整体性，继续吸收能量的能力比基准水泥混凝土继续吸收能量的能力要高的多。在纤维掺量为0.06%时，抗冲击韧性达到最大，比基准混凝土提高5.45倍，随纤维掺量继续增加，抗冲击性能下降。本文认为，就冲击韧性指标考虑，德国纤维的最佳掺量为0.06%。
纤维能改善水泥混凝土的抗冲击性能，主要是因为聚丙烯纤维的掺入能使由水化热、温差、干湿、离析等因素作用形成的原生裂隙的尺寸有效细化，由此可以提高基体材料介质的连续性，减小了冲击波被阻断引起的局部应力集中现象，纤维混凝土的冲击应变曲线见图6和图7所示。
通过分析上述冲击应变曲线图，发现纤维增强混凝土的抗冲击性能的应变曲线在冲击过程中，达到初裂之前，应变曲线均出现了一个小幅上扬的过程，后随着冲击次数的增加，变形逐渐增大，但缓冲区域也较明显。
纤维改善混凝土的抗冲击性能主要体现在以下几个方面: （1）聚丙烯纤维虽然刚度较低,传递荷载的能力差,但能有效减小裂隙尺度,增强材料介质连续性,减小了冲击波被阻断引起的局部应力集中现象; （2）低模量的有机材料能吸收冲击能量; （3）纤维能有效约束裂缝的扩展。
3.3 胶粉/纤维混凝土的冲击韧性试验结果分析。
表4列出了胶粉/纤维混凝土的冲击次数和冲击韧性随掺量的变化情况。
由表4中可以看出，在纤维和胶粉的共同作用下，混凝土的抗冲击韧性成倍增长，其中DX-1提高幅度最大，同条件下，掺胶粉和纤维的混凝土抗冲击能力是基准混凝土的17.55倍，是纤维混凝土的3.22倍，是胶粉混凝土的2.9倍。随着胶粉掺量的逐渐增加，混凝土材料的冲击韧性迅速下降，初裂次数和终裂次数均随着胶粉掺量的增加而减少，纤维在混凝土冲击破坏过程中发挥了阻裂、耗能的作用; 胶粉在冲击破坏过程中既缓解了裂纹尖端的应力集中, 又发挥了耗能的作用。
主要是由于胶粉未经任何处理，纤维掺量一定时，胶粉与混凝土基体之间的结合较弱，胶粉掺量越高，出现的薄弱结合面越多，导致混凝土强度下降，虽然胶粉有很好的抗冲击作用，但是不能很好的起到阻止由于材料受冲击时产生的裂纹扩展作用，使混凝土材料的冲击韧性出现了下降较为严重的现象。
下述表示了胶粉/纤维混凝土的抗冲击应变图：
通过胶粉/纤维混凝土的抗冲击应变图分析发现，初裂之前的曲线起伏程度明显变大，说明在纤维和胶粉共同混合下，混凝土的变形较胶粉混凝土、纤维混凝土的变形大。达到初裂次数后，混凝土虽然出现了较大的变形，但仍能够承受一定的荷载，是因为混凝土初裂后，低弹性模量的聚丙烯纤维使混凝土保持一个整体,在少量胶粉的共同作用下，继续吸收冲击能的能力有明显提高，从而有效地减少了应力集中作用，可以有效地阻碍混凝土中裂缝的迅速扩展,从而提高混凝土的抗冲击性能。
当胶粉和纤维混掺到混凝土中后，不仅胶粉因其优异的变形能力可以耗散大量的冲击能，同时，纤维的高抗拉强度和高极限伸长率可进一步抑制裂纹的发展， 并通过纤维自身的变形和拔出而耗散冲击能。因此，通过掺加胶粉和纤维共同改性的混凝土具有最佳的抗冲击性能。
4. 结语
4.1 胶粉混凝土的冲击韧性较基准混凝土有大幅提高，随着胶粉掺量的逐渐增加，其冲击韧性呈线性上升趋势。
4.2 说明掺加纤维可使水泥混凝土抗冲击韧性明显提高，且试样在初裂后可以继续保持整体性，继续吸收能量的能力比基准水泥混凝土继续吸收能量的能力要高的多。
4.3 在纤维和胶粉的共同作用下，混凝土的抗冲击韧性成倍增长，其中DX-1提高幅度最大，同条件下，掺胶粉和纤维的混凝土抗冲击能力是基准混凝土的17.55倍，是纤维混凝土的3.22倍，是胶粉混凝土的2.9倍。
参考文献
［1］ 宋强，林国仁等.聚丙烯腈纤维混凝土基本力学性能的试验研究［J］.福建建筑， 2007.5：50-52.
［2］ 孙增智，申爱琴.聚丙烯纤维网混凝土的动力学性能［J］.中南公路工程，2006.3（31）：75-77.
［3］ 杨成忠，刘新荣等.掺加聚丙烯纤维对路面混凝土抗冲击韧性的影响［J］.重庆建筑大学，2008.6（30）：42-45.
［4］ 张晓燕，陈尚江等.纤维混凝土抗冲击性试验研究［J］.低温建筑技术.2009.6：20-21.
［5］ 文周礼.聚丙烯纤维与再生橡胶粉混杂的高强混凝土高温性能试验研究［D］.广东：广东工业大学.2007.5.
［文章编号］1006-7619（2011）04-13-367
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
【关键词】胶粉；纤维；混凝土路面；冲击韧性
Powder / fiber blends of the impact resistance of concrete
Liang Shu-wei
(Shijiazhuang Local Road Management Office Shijiazhuang Hebei 050000)
【Abstract】Of powder concrete, fiber reinforced concrete, powder / fiber reinforced concrete for the free drop hammer impact test. The results showed: the incorporation of rubber powder and fiber can improve the impact resistance of concrete and fiber powder is much larger than a single synergistic admixture on concrete. Strain curves by the impact of qualitative description of the powder, fiber to improve the mechanism of impact toughness of concrete.
【Key words】Powder;Fiber;Concrete pavement;Impact toughness
水泥混凝土路面以其刚度大，强度高、稳定性好、使用寿命长及养护费用少等优点在地方道路尤其是重交通公路中处于重要的地位，但同时具有的抗拉强度低，脆性大，易开裂，动载冲击与疲劳性能差等缺点，制约了其发展应用。如何改善水泥混凝土柔韧性，降低脆性，一直是混凝土领域致力研究的课题。本文就这一问题，向混凝土内添加纤维和废旧胶粉，利用纤维的高抗拉和高延性以及橡胶的高弹性来对水泥混凝土进行改性，分析胶粉和纤维的掺量对混凝土的冲击性能的影响，以求能达到改变混凝土力学性能并提高混凝土的耐久性的要求。
1. 试验方法
目前世界各国确定增强混凝土的冲击抗力方法不尽一致，目前还没有一个统一的标准，本试验参照ACI（美国混凝土协会）544委员会推荐的“落重法”进行试验，如图1所示使用冲击锤，落锤是一个实心圆柱体，锤头为球面，锤重2Kg，下落高度为300mm，试件两端为简支，跨距为300mm，在试件的中心位置粘贴应变片，把应变片用导线连接到应变仪上，由计算机自动采集数据，每次冲击从落锤自由下落开始，至落锤完全静止结束，落锤的冲击荷载通过钢板传递到试件上，冲击过程中尽量避免落锤与套筒内表面接触，如此反复冲击直到试件破坏。每次冲击循环后，仔细观察试件表面，直到试件表面出现第一条裂缝时，记录下冲击次数。然后重复进行冲击循环，直至试件破坏。
通过以下指标比较、评价混凝土的抗冲击能力：（1）初裂的冲击次数；（2）破坏的冲击次数；（3）混凝土的冲击韧性按如下的公式计算：
W=Nmgh式1
式中：W——冲击韧性，N•m;N——试件破坏时的冲击次数；
m——钢锤重量，Kg; h——冲击锤下落高度；
g——重力加速度9.81m/s2
2. 配合比方案
采用水泥总量为407 Kg/m3，水灰比为0.40，砂率为37%为基准配比，其他各组试件保持在基准配比不变的情况下，将德国科恩多兰纤维按0.06%、0.09%、0.12%的体积率、胶粉按水泥质量的2%、5%、8%分别掺入，根据试验确定出纤维的最佳掺量，按照最佳纤维掺量，在混凝土中按照水泥质量的4%、8%、12%掺加胶粉。具体配合比方案见表1。.
注：S指素混凝土；SD指添加德国科恩多兰纤维的水泥混凝土； SX指添加胶粉的水泥混凝土；DX指德国科恩多兰纤维与胶粉混掺的水泥混凝土
3. 试验结果分析
3.1 胶粉混凝土抗冲击性能分析
表2列出了胶粉混凝土的冲击次数和冲击韧性随掺量的变化情况。
通过分析上表，可得出如下结论：
胶粉混凝土的冲击韧性较基准混凝土有大幅提高，随着胶粉掺量的逐渐增加，其冲击韧性呈线性上升趋势。当胶粉掺量为2%时，混凝土抗冲击韧性提高的优势就已经表现出来，通过冲击次数数据分析发现，基准混凝土在达到初裂次数后，仅仅经过4次锤击，就达到终裂，而胶粉混凝土的终裂次数和初裂次数的差值均达到20次以上，说明水泥混凝土在试样初裂后继续保持整体性的能力或者说继续吸收能量的能力提高了5倍。另外，其冲击韧性也有大幅提高，胶粉掺量为2%时，冲击韧性提高到普通混凝土的3.82倍，而当胶粉掺量为8%时，提高幅度达 9.14倍。
掺入胶粉粉，试样冲击韧性显著得到改善，其原因是，胶粉作为弹性材料，掺加后降低了混凝土的脆性，同时橡胶粉可以作为应力的缓冲区，能吸收较大部分的冲击能，具体情况可以通过计算机采集到的混凝土的冲击应变曲线进行分析，见图3~图5。
分析发现，基准混凝土试件在冲击过程中，达到初裂次数之前，几乎是一条直线，说明其应变变化微小，一旦达到初裂次数，便迅速发生脆性破坏。由胶粉混凝土的冲击应变曲线分析，混凝土在初裂之前，呈现一条波浪形曲线，随着冲击次数的增加，曲线段出现振荡上扬的趋势，直至达到终裂发生破坏。而随着胶粉掺量的增加，曲线的起伏状态逐渐增大，说明试件在受到荷载冲击后，会发生较大的变形，撤去荷载后，混凝土变形能够迅速恢复，在冲击过程中，胶粉自身的弹性能够吸收部分冲击能，随着胶粉掺量的增加，混凝土试件破坏过程吸收的全部冲击能和初裂后吸收的冲击能均表现出增加趋势。
3.2 纤维混凝土的冲击韧性试验结果分析。
表3列出了纤维混凝土的冲击次数和冲击韧性随掺量的变化情况。
由表中试验结果可知，掺入纤维后，混凝土初裂次数和终裂次数呈相对明显的增长趋势，且终裂冲击次数与初裂冲击次数的差值也变得比较明显，说明掺加纤维可使水泥混凝土抗冲击韧性明显提高，且试样在初裂后可以继续保持整体性，继续吸收能量的能力比基准水泥混凝土继续吸收能量的能力要高的多。在纤维掺量为0.06%时，抗冲击韧性达到最大，比基准混凝土提高5.45倍，随纤维掺量继续增加，抗冲击性能下降。本文认为，就冲击韧性指标考虑，德国纤维的最佳掺量为0.06%。
纤维能改善水泥混凝土的抗冲击性能，主要是因为聚丙烯纤维的掺入能使由水化热、温差、干湿、离析等因素作用形成的原生裂隙的尺寸有效细化，由此可以提高基体材料介质的连续性，减小了冲击波被阻断引起的局部应力集中现象，纤维混凝土的冲击应变曲线见图6和图7所示。
通过分析上述冲击应变曲线图，发现纤维增强混凝土的抗冲击性能的应变曲线在冲击过程中，达到初裂之前，应变曲线均出现了一个小幅上扬的过程，后随着冲击次数的增加，变形逐渐增大，但缓冲区域也较明显。
纤维改善混凝土的抗冲击性能主要体现在以下几个方面: （1）聚丙烯纤维虽然刚度较低,传递荷载的能力差,但能有效减小裂隙尺度,增强材料介质连续性,减小了冲击波被阻断引起的局部应力集中现象; （2）低模量的有机材料能吸收冲击能量; （3）纤维能有效约束裂缝的扩展。
3.3 胶粉/纤维混凝土的冲击韧性试验结果分析。
表4列出了胶粉/纤维混凝土的冲击次数和冲击韧性随掺量的变化情况。
由表4中可以看出，在纤维和胶粉的共同作用下，混凝土的抗冲击韧性成倍增长，其中DX-1提高幅度最大，同条件下，掺胶粉和纤维的混凝土抗冲击能力是基准混凝土的17.55倍，是纤维混凝土的3.22倍，是胶粉混凝土的2.9倍。随着胶粉掺量的逐渐增加，混凝土材料的冲击韧性迅速下降，初裂次数和终裂次数均随着胶粉掺量的增加而减少，纤维在混凝土冲击破坏过程中发挥了阻裂、耗能的作用; 胶粉在冲击破坏过程中既缓解了裂纹尖端的应力集中, 又发挥了耗能的作用。
主要是由于胶粉未经任何处理，纤维掺量一定时，胶粉与混凝土基体之间的结合较弱，胶粉掺量越高，出现的薄弱结合面越多，导致混凝土强度下降，虽然胶粉有很好的抗冲击作用，但是不能很好的起到阻止由于材料受冲击时产生的裂纹扩展作用，使混凝土材料的冲击韧性出现了下降较为严重的现象。
下述表示了胶粉/纤维混凝土的抗冲击应变图：
通过胶粉/纤维混凝土的抗冲击应变图分析发现，初裂之前的曲线起伏程度明显变大，说明在纤维和胶粉共同混合下，混凝土的变形较胶粉混凝土、纤维混凝土的变形大。达到初裂次数后，混凝土虽然出现了较大的变形，但仍能够承受一定的荷载，是因为混凝土初裂后，低弹性模量的聚丙烯纤维使混凝土保持一个整体,在少量胶粉的共同作用下，继续吸收冲击能的能力有明显提高，从而有效地减少了应力集中作用，可以有效地阻碍混凝土中裂缝的迅速扩展,从而提高混凝土的抗冲击性能。
当胶粉和纤维混掺到混凝土中后，不仅胶粉因其优异的变形能力可以耗散大量的冲击能，同时，纤维的高抗拉强度和高极限伸长率可进一步抑制裂纹的发展， 并通过纤维自身的变形和拔出而耗散冲击能。因此，通过掺加胶粉和纤维共同改性的混凝土具有最佳的抗冲击性能。
4. 结语
4.1 胶粉混凝土的冲击韧性较基准混凝土有大幅提高，随着胶粉掺量的逐渐增加，其冲击韧性呈线性上升趋势。
4.2 说明掺加纤维可使水泥混凝土抗冲击韧性明显提高，且试样在初裂后可以继续保持整体性，继续吸收能量的能力比基准水泥混凝土继续吸收能量的能力要高的多。
4.3 在纤维和胶粉的共同作用下，混凝土的抗冲击韧性成倍增长，其中DX-1提高幅度最大，同条件下，掺胶粉和纤维的混凝土抗冲击能力是基准混凝土的17.55倍，是纤维混凝土的3.22倍，是胶粉混凝土的2.9倍。
参考文献
［1］ 宋强，林国仁等.聚丙烯腈纤维混凝土基本力学性能的试验研究［J］.福建建筑， 2007.5：50-52.
［2］ 孙增智，申爱琴.聚丙烯纤维网混凝土的动力学性能［J］.中南公路工程，2006.3（31）：75-77.
［3］ 杨成忠，刘新荣等.掺加聚丙烯纤维对路面混凝土抗冲击韧性的影响［J］.重庆建筑大学，2008.6（30）：42-45.
［4］ 张晓燕，陈尚江等.纤维混凝土抗冲击性试验研究［J］.低温建筑技术.2009.6：20-21.
［5］ 文周礼.聚丙烯纤维与再生橡胶粉混杂的高强混凝土高温性能试验研究［D］.广东：广东工业大学.2007.5.
［文章编号］1006-7619（2011）04-13-367
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文