P P或P a 6纖維增強混凝土及界面過渡區的研究

孟凱，曹紅紅，張建軍，吳還珠

（1. 中北大學材料科學與工程學院，山西 太原 030051；2. 山西喜躍發路橋建筑材料有限公司，山西 太原 030100）

0 引言

與鋼纖和無機纖維相比，合成高分子纖維因力學性能優良、質輕且耐蝕性好等諸多優點，在纖維增強混凝土中的應用日漸廣泛，尤其是拉絲性能好的聚丙烯（PP）和聚酰胺 6（Pa6）纖維[1-3]。作為纖維增強混凝土力學性能薄弱環節的纖維界面一直是眾多學者的關注重點，對其研究包括界面力學分析、粘結性能及其分析方法等[4-6]。混凝土骨料界面過渡區是骨料外表面 10～50μm 左右的區域，具有多孔低強和 CH 晶粒大且取向度高的特點。隨低水灰比的降低和硅灰摻量的增加，過渡區的微結構得以改善：孔隙消失、CH 取向度降低且 C-S-H 凝膠可進入過渡區[7-8]。外摻的 PP 和 Pa6纖維，無論其表面極性、表面能還是力學性能和密度，都與常見的無機骨料有顯著的區別（表 1），這些區別都將影響到纖維過渡區的形成和結構特征，進而影響混凝土的施工和力學性能。為此，本文在試驗 PP 或 Pa6纖維的長度和摻量對 C50 混凝土坍落度和抗折強度影響的基礎上，用 SEM 和 EPMA 方法研究了水泥石—PP或 Pa6 纖維界面過渡區的結構特征，以及加萘系減水劑的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

試驗所用的混凝土強度等級為 C50，配合比設計如表 2 所示。

表 1 高分子纖維和骨料的性能對比

表 2 C 5 0 混凝土配合比 k g/m3

聚丙烯（PP）和尼龍（Pa6）纖維直徑 160μm，剪成不同長度摻加入混凝土。

1.2 試驗方法

摻加纖維的混凝土測定完坍落度后再裝模，標準養護 24h 拆模繼續養護至 28 天。根據 GB/T 50081—2002采用三分點彎曲試驗法，在 WE-600B 型數顯萬能材料試驗機測試抗折強度。

將 100g 水泥、外加劑（摻量 1.0%）、纖維（纖維摻量為 0.9%、長度為 9～11 mm）和水（W/C=0.4）加入水泥凈漿攪拌機，拌合好后，裝 (2×2×2)cm3試模，養護至 28 天后用無水乙醇終止水化，在 50℃ 和 100～120mmHg 下抽空 4～6 小時，保存備用。在 EVO MA15型掃描電鏡上進行 SEM 和 EPMA 的界面區特征分析。

2 試驗結果和分析

2.1 摻加纖維對混凝土性能的影響

在 C50 混凝土中摻加不同量的 9～11mm 長的 PP或 Pa6 纖維，混凝土的坍落度和 28 天抗折強度如表 3所示。隨 PP 或 Pa6 纖維摻量的增加，混凝土坍落度逐漸下降，尤其在 2.5kg/m3摻量時坍落度下降達到 50%以上；抗折強度則隨纖維摻量的增加而增加，在 2kg/m3摻量時達到 44% 的最大增幅，但是摻量 2.5kg/m3時抗折強度開始下降；在相同摻量下，摻加 Pa6 纖維比摻加PP 纖維的抗折強度要高出約 5%。

表 3 纖維摻量對混凝土性能的影響

在 Pa6 纖維摻量 1.2kg/m3下，改變纖維長度，混凝土的坍落度和抗折強度如表 4 所示。可見，隨 Pa6 纖維長度的增加，抗折強度逐漸增加而坍落度則明顯下降。

表 4 摻加不同長度尼龍纖維的混凝土抗折強度

2.2 PP 和 Pa 6 界面過渡區的結構特征

圖 1 為 PP 和 Pa6 纖維與水泥凈漿界面的 SEM圖，兩種纖維與水化產物之間結合并不緊密，都有約2～4μm 的間隙，與玄武巖纖維的界面類似（圖 2），表面極性相差很大的纖維的間隙尺度區別并不明顯，但剛性的玄武巖纖維水化產物的界面輪廓更明顯一些，且都未發現晶粒大且取向度高的 CH。

圖 1 PP 和 Pa6 纖維的界面過渡區 SEM

表 5 為圖 1 中界面過渡區 SEM 中六個點的主要元素分析結果，A、C、E 三點靠近界面間隙，B、D、F三點離界面間隙 10μm 以上，遠近兩點的 Ca 和 Si 元素并未出現明顯的富集和貧化。

圖 2 為 Pa6 纖維界面過渡區 Ca 和 Si 元素面掃描，與玄武巖纖維界面過渡區 Ca 元素面掃描結果，與定點定量分析的結論是一致的。

3 結論

（1）摻加 PP 和 Pa6 短纖維都可以增加混凝土的抗折強度，在摻量為 2kg/m3時可達到 44% 的最大增幅，但摻加纖維將影響混凝土的流動性；增加纖維長度可以增加混凝土的抗折強度，同樣也會影響混凝土的流動性。

表 5 定點定量主要元素分析結果

（2）PP 和 Pa6 纖維界面過渡區，除水化產物的界面輪廓不明顯外，與剛性玄武巖纖維的界面過渡區結構特征一致，在界面過渡區內未發現明顯的元素富集現象和 CH 取向。

圖 2 P a 6 和玄武巖纖維界面過渡區的元素面掃描

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