聚丙烯纖維對高性能混凝土抗折、抗沖擊性能影響研究

一.前言

    高性能混凝土不僅要有良好的強(qiáng)度性能，還應(yīng)有優(yōu)異的耐久性能和適宜的工作性能，以滿足目前和未來的大規(guī)模重混凝土工程的施工需要，經(jīng)過大量的試驗(yàn)研究，我們應(yīng)用硅灰和粉煤灰配制出高性能混凝土，這種混凝土不僅具有很高的強(qiáng)度，而且工作性好，硬化混凝土的抗凍融性能、抗?jié)B透性能和抗侵蝕性能優(yōu)異。但脆性大、抗沖擊性差是影響高性能混凝土實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)重要因素。有研究認(rèn)為，自收縮開裂，濕脹開裂和脆性是目前高性能混凝土亟待解決的重要問題。本文將采用聚丙烯纖維來改善高性能混凝土脆性和抗沖擊性能。

二. 實(shí)驗(yàn)方法

1. 原材料

1.1 水泥

    采用三航局小野田水泥有限公司525#普硅水泥，其化學(xué)成分及力學(xué)性能列于表1和表2中。

    表1 水泥的化學(xué)成分（Table 1. Chenical Composition of cement）

    表2 水泥的物理力學(xué)性能（Table2. Physical and mechanical properties of cement）

1.2 摻合料

    試驗(yàn)采用化聯(lián)外加劑廠提供的硅灰、化學(xué)成分列于表3中。減水劑采用五四助劑廠生產(chǎn)的SN-11高效減水劑。

表 3 硅灰的化學(xué)成分（Table3. Chemical Composition of fume）

1.3 集料

    粗集料采用5-8mm的石英碎石，細(xì)集料采用標(biāo)準(zhǔn)石英砂。

1.4 聚丙烯纖維

    聚丙烯纖維采用美國Fibermesh纖維，其物理性能列于表4。

表4. 聚丙烯纖維網(wǎng)的物理性能（Table4. Physical properties of polypropylene fibermesh）

2.試驗(yàn)方法

    抗折、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)按GB177-85水泥膠砂強(qiáng)度度試驗(yàn)方法進(jìn)行。用水量是采用標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量，其標(biāo)準(zhǔn)稠度及凝結(jié)時(shí)間均按GB134-77水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量進(jìn)行。

    耐磨試件尺寸為15cm×15cm×7cm。磨損試驗(yàn)采用GLM-200鋼輪式混凝土磨損試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)方法按GB/T12988-91《無機(jī)地面材料耐磨性試驗(yàn)方法》進(jìn)行。耐磨性用長度L表示，單位mm，耐磨實(shí)驗(yàn)每組5塊，取十次實(shí)驗(yàn)平均值。

    抗沖擊性試件尺寸為15cm×15cm×5cm，每組共5個(gè)試件。將8kg重的鋼球從25cm高度自由落下，當(dāng)試件裂縫寬度大于3mm時(shí)，記錄沖擊次數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果取中間3個(gè)數(shù)據(jù)的平均值。

三.結(jié)果與討論

    1. 聚丙烯纖維網(wǎng)對高性能混凝土脆性影響

    高性能混凝土的強(qiáng)度和耐久性主要受水灰比和礦物聚合物的影響，當(dāng)水灰比（W/C）定時(shí)，礦物摻合料摻量將直接影響到高性能混凝土上的各種物理力學(xué)性能。而摻聚丙烯纖維可以改善高性能混凝土各種物理性能。表5是高性能混凝土改變纖維摻量（0、0.1%、0.15%）對混凝土強(qiáng)度影響。

表5 高性能水泥基聚丙烯纖維網(wǎng)復(fù)合材料強(qiáng)度（Table5. strength of polypropylene Fibermesh reinforced high performance composite material）

SF-silica fume   PFM-polypropylene Fibermesh

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)水灰比（w/c）一定時(shí)，混凝土力學(xué)性能隨摻量增加而提高，與此同時(shí)混凝土的耐久性能也大幅度提高。但硅灰摻量變化對混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度影響程度是不一樣的。由表中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)硅灰從0-10%混凝土抗壓強(qiáng)度提高30%以上，而抗折強(qiáng)度僅僅提高15%左右，這樣高性能混凝土的脆性就隨之顯著提高。

    試驗(yàn)結(jié)果表明摻加聚丙烯纖維可以改善高性能混凝土的脆性。當(dāng)聚丙烯纖維含量從（0-15%）高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度幾乎沒有變化、而抗折強(qiáng)度提高27%以上。使混凝土的脆度系數(shù)從8.39下降到6.5%。從而表現(xiàn)為高性能混凝土在保證抗壓強(qiáng)度和耐久性能不變的前提下大幅度降低混凝土的脆性。

2. 聚丙烯纖維網(wǎng)對高性能混凝土抗沖擊性影響

    聚丙烯纖維網(wǎng)對高性能混凝土抗沖擊性具有較大影響。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在高性能混凝土中摻加纖維可以顯著改善混凝土的抗沖擊性能。高性能混凝土的抗沖擊性能隨纖維摻量增加而明顯提高，混凝土抗沖擊性提高與纖維摻量成正比。此外纖維高性能混凝土的抗沖擊性能隨混凝土基材料強(qiáng)度的提高而增長。因此，纖維與高性能混凝土基村復(fù)合是配制高性能水泥基復(fù)合材料的主要技術(shù)途徑之一。

3. 聚丙烯纖維對高性能混凝土增折與抗沖擊性能改善的機(jī)理初探

    綜上所述，在高性能混凝土中摻入聚丙烯纖維后能顯著提高混凝土抗折強(qiáng)度和抗沖擊性能，其抗沖擊性能的提高尤為顯著。究其原因，在于纖維的阻裂效應(yīng)。實(shí)際上高性能混凝土從無缺陷理想狀態(tài)來講，其抗壓、抗折強(qiáng)度增長幅度應(yīng)該是基本一致的。之所以高性能混凝土抗壓強(qiáng)度提高幅度大大地大于抗折強(qiáng)度提高幅度，原因就在于高性能混凝土內(nèi)部存在不同尺度。由于高性能混凝土脆性及自收縮等造成內(nèi)部存在不同尺度的微裂縫，而微裂縫對抗折強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)大于抗壓強(qiáng)度。由于高性能混凝土脆性及自收縮等造成內(nèi)部存在不同尺度的微裂紋，在結(jié)構(gòu)形成過程中，聚丙烯纖維阻止了這些裂縫的引發(fā)，從而減少了裂縫源的數(shù)量，并使裂縫尺度變小，這就降低了裂縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子，緩和了裂縫尖端受力集中程度，在受力過程中，又抑制了裂縫的引發(fā)與擴(kuò)展。這樣就可以充分發(fā)揮高性能混凝土高抗折強(qiáng)度效應(yīng)，這就是纖維能大幅度提高高性能混凝土抗折強(qiáng)度而不能提高其抗壓強(qiáng)度的原因。但為了充分發(fā)揮纖維混凝土阻裂效果，必須加強(qiáng)界面粘結(jié)性能，而界面粘結(jié)特性又直接受水灰比（w/c）和硅灰的影響。

    (1)減小w/c對界面區(qū)影響

    w/c的大小是影響聚丙烯纖維與混凝土基材、集料與水泥石界面的粘結(jié)主要因素。界面粘結(jié)與界面區(qū)微觀礦物組成和其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。當(dāng)w/c較大時(shí)，混凝土集料和纖維界面區(qū)域內(nèi)由于泌水等原因使局部w/c增大，使表層界面區(qū)域的w/c比基材大得多，離子濃度低，由于離子擴(kuò)散及晶體生長等因素，Ca(OH)2晶體在此區(qū)域發(fā)育完善和取向指數(shù)高、Ca(OH)2板狀晶體富集，并產(chǎn)生定向排列、晶體生長約束力小而尺度大，導(dǎo)致界面結(jié)構(gòu)疏松。纖維混凝土增折，高沖擊性能就得不到發(fā)揮。界面高效減水劑降低w/c就可以減少上述弊端，增強(qiáng)界面粘結(jié)力，使高性能混凝土抗折強(qiáng)度、脆性和抗沖擊性能得以大幅度改善。

    （2）加入硅灰對界面區(qū)影響

    在聚丙烯纖維混凝土摻入硅灰，同時(shí)加入高效減水劑，可使其抗折強(qiáng)度和抗沖擊性大為提高。硅灰與水泥石孔隙中的離子起化學(xué)反應(yīng)，使C-S-H凝膠增加，導(dǎo)致水泥石中大孔減少，凝膠孔增加，結(jié)構(gòu)變得致密，強(qiáng)度顯著提高，摻入適量硅灰、改善纖維混凝土中水泥漿體與集料、纖維界面區(qū)的結(jié)構(gòu)，使界面區(qū)的Ca(OH)2晶體數(shù)量下降，取向度明顯降低，晶粒細(xì)化、C-S-H凝膠數(shù)量增加，加強(qiáng)了界面粘結(jié)力，提高聚丙烯纖維高性能混凝土的抗沖擊性能和降低其脆性。

四. 結(jié)論

    1.高性能混凝土由于脆性，自收縮開裂和內(nèi)部微裂縫使其抗折強(qiáng)度增長幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度增長幅度，并且后期強(qiáng)度和耐久性能有可能下降。

    2.在高性能混凝土中摻加聚丙烯纖維可以充分發(fā)揮高性能混凝土高強(qiáng)效應(yīng)，特別是高抗折效應(yīng)。當(dāng)高性能混凝土中摻加纖維體積分?jǐn)?shù)為0.15%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度幾乎不變，而抗折強(qiáng)度提高30%以上。

    3.聚丙烯纖維高性能混凝土在沖擊荷載下的抗裂性能是高性能混凝土的3-4倍。而高性能混凝土的抗沖擊性能幾乎與普通混凝土一樣。

    參考文獻(xiàn)

   1.孫家瑛 大口徑排水管用高性能混凝土滲透對耐久性影響，山東建材學(xué)院學(xué)報(bào)1999

    2.孫家瑛 傳統(tǒng)方法制備市政工程用高性能混凝土利弊談，第二屆高性能混凝土學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集1999

    3.馮刀謙 中國的高性能混凝土技術(shù)、山東建材學(xué)院學(xué)報(bào)1998

摘自：中國混凝土網(wǎng)