寒區(qū)聚丙烯纖維混凝土的抗凍性試驗(yàn)研究

劉 雙，石振武，李兆林，張永志

(1．東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院;2．內(nèi)蒙古阿里河林業(yè)局)

1 混凝土簡(jiǎn)述

1．1 聚丙烯纖維

本研究中采用的四種纖維分別是聚丙烯單絲纖維、聚丙烯腈纖維、聚丙烯網(wǎng)狀纖維和束狀絞聯(lián)增強(qiáng)聚丙烯纖維。為敘述方便，下文中將以上幾種纖維分別稱(chēng)為1#、2#、3#和4#纖維，相應(yīng)地，摻加了纖維的混凝土分別稱(chēng)為1#、2#、3#和4#混凝土，另外沒(méi)有摻加纖維的混凝土稱(chēng)為0#混凝土。四種聚丙烯纖維的性能指標(biāo)如表1所示。

表1 四種聚丙烯纖維的性能指標(biāo)

由表1可見(jiàn)，四種聚丙烯纖維的抗拉強(qiáng)度值非常接近。1#纖維與2#纖維的長(zhǎng)度與彈性模量有很大差異;1#纖維與3#纖維除了在形狀上有所不同，其他方面差異不大;1#纖維與4#纖維在長(zhǎng)度、形狀和當(dāng)量直徑差距很大。

1．2 混凝土配合比

本試驗(yàn)采用哈爾濱亞泰天鵝P．O42．5普通硅酸鹽水泥，水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)按照設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度45MPa、設(shè)計(jì)抗彎拉強(qiáng)度4．5MPa進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)容重為2450kg/m3，水灰比為0．39，砂率為0．39，各種材料比例為 m水泥∶m水∶m砂∶m石∶m引氣減水劑=390∶152．1∶709∶1108．9∶15．6。四種聚丙烯纖維摻量按表 2進(jìn)行摻加。

表2 聚丙烯纖維摻加量 kg/m3

1．3 投料順序

為了使聚丙烯纖維在混凝土中分散良好，并獲得較好的工作性能，本試驗(yàn)采用圖1所示的投料順序進(jìn)行混凝土拌和。

圖1 混凝土拌和的投料順序

1．4 力學(xué)性能

混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)按照《水泥混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》(T0553-2005)進(jìn)行;混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)按照《水泥混凝土抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法》(T0558-2005)進(jìn)行。力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，聚丙烯纖維混凝土強(qiáng)度相對(duì)普通混凝土提高幅度如表4所示。

表3 混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果 MPa

表4 聚丙烯纖維混凝土強(qiáng)度提高幅度 %

表3結(jié)果顯示五種混凝土的強(qiáng)度均能滿足強(qiáng)度要求;表4顯示聚丙烯纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度要高于普通混凝土，但效果不明顯。

2 抗凍性試驗(yàn)研究

2．1 研究現(xiàn)狀

混凝土抗凍性是指混凝土在飽水狀態(tài)下，能經(jīng)受多次凍融循環(huán)作用而不破壞的能力。與普通混凝土相比，摻人聚丙烯纖維后混凝土的抗凍性能可以得到提高。原因在于混凝土中摻人聚丙烯纖維，可以緩解因溫度變化而引起的混凝土內(nèi)部的溫度應(yīng)力，當(dāng)初始裂紋發(fā)生后，可以阻止溫度裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。

2．2 抗凍性試驗(yàn)

混凝土抗凍性試驗(yàn)按照《水泥混凝土抗凍性試驗(yàn)方法(快凍法)》(T0565-2005)進(jìn)行。按照配合比制取每組3個(gè)100mm×100mm×400mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，并將試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室養(yǎng)護(hù)，其中溫度為20℃ ±2℃，相對(duì)濕度保持95%以上。試件養(yǎng)生齡期為28d，在規(guī)定齡期的前4d，將試件放在20℃±2℃的飽和石灰水中浸泡，水面至少高出試件20mm，浸泡4d后進(jìn)行試驗(yàn)。凍融試驗(yàn)達(dá)到以下三種情況的任何一種時(shí)，即可停止試驗(yàn)：(1)凍融至300次循環(huán);(2)試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量下降至60%以下;(3)試件的質(zhì)量損失率達(dá)5%。

2．3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)歷300次凍融循環(huán)后，混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量、質(zhì)量減少率與凍融循環(huán)次數(shù)的變化情況分別如圖2和圖3表示。

(1)由圖2以看出，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，所有混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量都下降。參照?qǐng)D3以看出，由于相對(duì)動(dòng)彈性模量降低至60%以下而結(jié)束試驗(yàn)的2#和4#混凝土，其質(zhì)量減少率均沒(méi)有超過(guò)5%。另外，經(jīng)過(guò)50次凍融循環(huán)，五種混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量均下降至95%左右。

圖2 混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量

圖3 混凝土質(zhì)量減少率

由圖3可以看出，50次凍融循環(huán)結(jié)束后，五種混凝土的質(zhì)量都有所增加，但所有混凝土試件并沒(méi)有表皮脫落的現(xiàn)象。這主要是由于混凝土試件在凍融循環(huán)中充分吸水所致。同時(shí)參考圖2，五種混凝土的動(dòng)彈性模量變化很小，說(shuō)明進(jìn)入混凝土內(nèi)部外界水并沒(méi)有使其強(qiáng)度降低。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，0#混凝土的質(zhì)量損失都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于摻加了聚丙烯纖維的混凝土，造成這種現(xiàn)象的主要原因是混凝土內(nèi)部大量分布的聚丙烯纖維起到了抗剝落作用，避免了試件表皮脫落所引起的質(zhì)量損失。

(2)將1#和3#混凝土與0#混凝土對(duì)比，不難發(fā)現(xiàn)，1#纖維和3#纖維對(duì)混凝土的抗凍性有顯著提高。雖然在前200次凍融循環(huán)過(guò)程中，0#混凝土在相對(duì)動(dòng)彈性模量方面與1#和3#的差異性很小，但經(jīng)過(guò)最后100次凍融循環(huán)，其相對(duì)動(dòng)彈性模量大幅度下降。這是因?yàn)榻?jīng)過(guò)200次的凍融循環(huán)而積累的試件內(nèi)部損傷才逐漸表現(xiàn)出來(lái)，并且損傷的速率開(kāi)始加快。而聚丙烯單絲纖維和聚丙烯網(wǎng)狀纖維直徑很細(xì)、單位體積內(nèi)分布比較廣泛，可以較好地抑制混凝土內(nèi)部的塑性開(kāi)裂，緩解混凝土在凍融過(guò)程中出現(xiàn)的內(nèi)應(yīng)力。因此，這兩種聚丙烯纖維混凝土的抗凍性有所提高。

1#和3#混凝土在整個(gè)凍融循環(huán)過(guò)程中，相對(duì)動(dòng)彈性模量和質(zhì)量減少率保持了極為相似的變化趨勢(shì)，而且經(jīng)過(guò)300次凍融循環(huán)，這兩種混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量均能保持在90%以上。然而從質(zhì)量損失方面看，3#混凝土的質(zhì)量損失速率大于1#混凝土，表明1#纖維對(duì)于混凝土的抗凍性的提高要優(yōu)于3#纖維。

(3)將2#和4#混凝土與0#混凝土對(duì)比，2#纖維和4#纖維非但沒(méi)有提高混凝土的抗凍性，反而使其大大降低，凍融循環(huán)次數(shù)僅僅達(dá)到200次和250次。

在50次凍融循環(huán)之后，2#混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量幾乎成直線下降，經(jīng)過(guò)200凍融循環(huán)即降至59%;4#混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量雖然在150～200次凍融循環(huán)中變化較小，但是整體的下降趨勢(shì)非常明顯，經(jīng)過(guò)250凍融循環(huán)即降至58．5%。

雖然2#混凝土僅僅經(jīng)過(guò)200次凍融循環(huán)就停止試驗(yàn)，但該混凝土沒(méi)有出現(xiàn)大面積表皮脫落，這一點(diǎn)從圖3可以明顯看出：即其質(zhì)量變化很小。同時(shí)參照表1可以看出，2#纖維的直徑和長(zhǎng)度相對(duì)更小，從而使其在混凝土內(nèi)部分布更為均勻，阻礙了混凝土雖然有表皮脫落的趨勢(shì);另一方面4#混凝土的質(zhì)量減少率很大，僅僅低于0#混凝土。但是，2#纖維和3#纖維的摻入均使得新拌混凝土的流動(dòng)性變差，從而影響硬化后混凝土的密實(shí)度與均勻性，混凝土中有害空隙、毛細(xì)管等內(nèi)部缺陷的增多導(dǎo)致抗凍性下降。

3 結(jié)論

(1)聚丙烯纖維的摻人對(duì)于混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的提高作用并不顯著。

(2)一些聚丙烯纖維(如聚丙烯單絲纖維和聚丙烯網(wǎng)狀纖維)能夠提高混凝土的抗凍性，提高效果比較明顯;而一些聚丙烯纖維(如聚丙烯腈纖維和束狀絞聯(lián)增強(qiáng)聚丙烯纖維)，不但沒(méi)有提高混凝土的抗凍性，還使其相應(yīng)混凝土的抗凍性明顯下降。

(3)抗凍性試驗(yàn)結(jié)果表明，聚丙烯單絲纖維能夠提高混凝土的抗凍性，并且明顯優(yōu)于其他三種聚丙烯纖維，300次凍融循環(huán)后的相對(duì)動(dòng)彈性模量高達(dá)90．4%，并且能夠改善鋼纖維在混凝土中的缺點(diǎn)，在寒區(qū)混凝土應(yīng)用中具有重要作用，擁有很好的應(yīng)用前景。

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