聚丙烯纖維摻量與長度對混凝土新拌性能的影響研究

萬 新 唐杰斌 熊志武

（廣東電網有限責任公司廣州供電局）

0 引言

混凝土因其原材料來源廣泛，生產工藝簡單，生產成本較低，且具有良好的抗壓強度、可模性、耐久性和耐火性等優點，一直被土木工程界所青睞。然而，隨著時代的發展，各種超限高層建筑物和大體積混凝土的應用，使普通混凝土抗拉強度低、韌性差、易產生裂縫等缺點逐漸顯現。為了滿足新時代的需求，人們致力于高性能混凝土（high-performance concrete，HPC）的研發，而纖維增強混凝土就是其中之一[1]。

雖然加入纖維可以有效提高混凝土抗拉強度，改善其抗開裂、抗收縮性能，但對混凝土的流變性能卻可能有不利影響[2-5]。特別是對HPC，纖維對流變性能的影響更不能忽視，因為HPC 不僅要求硬化混凝土良好的力學性能，還要求新拌混凝土具有良好的新拌性能[6，7]。

雖然常規坍落度法是目前用于評價混凝土和易性能最為廣泛的試驗方法，但其坍落度指標僅能綜合表征新拌混凝土的屈服應力，難以對其塑性粘度做出評價，也無法對其他新拌性能進行評估，故而僅靠常規坍落度法難以準確地評定高性能混凝土的新拌性能[8，9]。

因此，為了更系統研究纖維增強混凝土的新拌性能，本研究以聚丙烯纖維（polypropylene Fibre，PPF）增強混凝土為對象，采用坍落擴展度試驗、J 環試驗、V型漏斗試驗和篩析穩定性試驗來綜合研究在不同水灰比、PPF 摻量、PPF 長度下，混凝土和易性、間隙通過性、流動性和抗離析穩定性的變化規律，為纖維增強混凝土的配合比設計提供有益參考。

1 原材料

⑴水泥：廣州石井水泥公司生產的強度等級為42.5 的普通硅酸鹽水泥，其性能參數見表1。

表1 水泥性能參數

⑵骨料：細骨料采用廈門艾思歐標準砂有限公司提供的ISO 標準砂，其最大粒徑為1.18mm，表觀密度為2.66g/cm3，細度模數為2.0。粗骨料采用花崗巖碎石，5mm～10mm 連續級配，表觀密度為2.68g/cm3。

⑶高效減水劑：蘇博特新材料有限公司提供的第三代聚羧酸高效減水劑，其固含量為20%，密度為1.03 g/cm3。

⑷聚丙烯纖維：深圳維特耐工程材料有限公司的WK-2 型聚丙烯纖維，其相應的性能參數見表2。

表2 纖維性能指標

⑸拌合水：普通自來水。

2 試驗方案

2.1 配合比設計

為了研究水灰比、PPF 摻量、PPF 長度對新拌混凝土流變性能的影響，本研究共分兩部分：第一部分，研究水灰比和PPF 摻量的影響；第二部分，研究水灰比和PPF長度的影響。

混凝土配合比的主要參數如下：漿體體積（水+水泥體積占混凝土總體積的百分比）：36%；水灰比：0.30，0.35，0.40，0.45；減水劑摻量（減水劑質量與膠凝材料質量的百分比）：1.5%；砂率：0.5。

對于第一部分，PPF 摻量（纖維體積占混凝土總體積的百分比）定為0.00%、0.06%、0.09%、0.12%、0.15%，而纖維長度固定為9mm。對于第二部分，纖維摻量固定為0.09%，而纖維長度分別為3mm、6mm、9mm、19mm。

2.2 試驗方法

本研究采用坍落擴展度試驗、J 環試驗、V 型漏斗試驗和篩析穩定性試驗，綜合研究PPF 混凝土拌合物的流變性能。各試驗將按照相關規范[10，11]進行，具體試驗方法如下。

2.2.1 坍落擴展度試驗

試驗按《JGJT 283－2012》[10]規程進行，測量混凝土拌合物在坍落擴展過程中的最大擴展直徑以及與之垂直的直徑的平均值作為擴展直徑，再扣減坍落度筒底部直徑作為坍落擴展度（flow spread），以此表征混凝土拌合物的和易性。

2.2.2 J環試驗

該試驗按《JGJT 283－2012》[10]規程進行。該試驗測量有J 環阻礙下混凝土的最大擴展直徑以及與之垂直的直徑的平均值作為擴展直徑，再扣減坍落度筒底部直徑作為J 環坍落擴展度，再將J 環坍落擴展度與不加J環時的坍落擴展度的比值（用百分比表示）作為間隙通過比（gap passing ratio），以此表征混凝土拌合物的間隙通過性。

2.2.3 V 型漏斗試驗

該試驗按英國標準《BS EN 12350》[11]進行，測量混凝土拌合物從V 型漏斗中的流空時間，再用V 型漏斗槽內體積除以流空時間得出流速（flow rate），以此表征混凝土拌合物的流動性。

2.2.4 篩析穩定性試驗

該試驗按英國標準《BS EN 12350》[11]進行，采用孔徑為5mm 的方孔篩。試驗時，將混凝土拌合物從上方倒入方孔篩，通過稱量從方孔篩流出到底盤的混凝土質量，除以所倒入的混凝土質量，所得到的比值（用百分比表示）作為篩析指數（sieve segregation index，SSI），以此表征混凝土拌合物的抗離析穩定性。

3 結果與討論

3.1 水灰比與PPF 摻量對混凝土流變性能的影響

3.1.1 坍落擴展度

不同PPF 摻量下混凝土拌合物的坍落擴展度隨水灰比的變化情況如圖1 所示。如圖可見，在相同PPF 摻量下，坍落擴展度隨水灰比的增加而增加，這說明水灰比可以提高混凝土拌合物的和易性。更重要的是，在相同水灰比下，坍落擴展度隨PPF 摻量的增加而降低，尤其在低水灰比0.3 時，PPF 摻量對和易性的降低更為顯著。這說明PPF 摻量會顯著降低混凝土拌合物的和易性。

圖1 不同纖維摻量下坍落擴展度隨水灰比的變化

3.1.2 間隙通過比

不同PPF 摻量下混凝土拌合物的間隙通過比隨水灰比的變化情況如圖2 所示。需要說明的是，在0.3 水灰比下，沒有摻PPF 混凝土的間隙通過比結果是因為在該配合比下混凝土拌合物未能擴展穿過J 環。如圖可見，在相同PPF 摻量下，間隙通過比隨水灰比的增加而增加，這說明水灰比可以提高混凝土拌合物的間隙通過性。更重要的是，在相同水灰比下，間隙通過比隨PPF 摻量的增加而降低，尤其在低水灰比0.3 時，摻PPF 使得混凝土無法擴展至J 環。這表明PPF 摻量會顯著降低混凝土拌合物的間隙通過性。

圖2 不同纖維摻量下間隙通過比隨水灰比的變化

3.1.3 流速

不同PPF 摻量下混凝土拌合物的流速隨水灰比的變化情況如圖3 所示。從圖可見，在相同PPF 摻量下，流速隨水灰比的增加而增加，這說明水灰比可以提高混凝土拌合物的流動性。更重要的是，在相同水灰比下，流速隨PPF 摻量的增加而顯著降低，尤其在低水灰比0.3時，摻入PPF 已使得混凝土無法流出V 型漏斗。這說明，PPF 摻量會顯著降低混凝土拌合物的流動性。

圖3 不同纖維摻量下流速隨水灰比的變化

3.1.4 篩析指數

不同PPF 摻量下混凝土拌合物的篩析指數隨水灰比的變化情況如圖4 所示。從圖中可以發現，在相同PPF 摻量下，篩析指數隨水灰比的增加而逐漸增加，這說明水灰比會降低混凝土拌合物的抗離析穩定性。更重要的是，在相同水灰比下，篩析指數隨PPF 摻量的增加而顯著降低，由其在低水灰比0.30 和0.35 時，摻入纖維已使混凝土離析指數幾乎為零。這表明PPF 摻量可以顯著提高混凝土拌合物的抗離析穩定性。

圖4 不同纖維摻量下篩析指數隨水灰比的變化

3.2 水灰比與PPF 長度對混凝土流變性能的影響

3.2.1 坍落擴展度

不同PPF 長度下混凝土拌合物的坍落擴展度隨水灰比的變化情況如圖5 所示。與第一階段結果類似，坍落擴展度隨水灰比的增加而增加。更重要的是，在相同水灰比下，坍落擴展度隨PPF 長度的增加而逐漸降低。這表明PPF 長度會降低混凝土拌合物的和易性。

圖5 不同纖維長度下坍落擴展度隨水灰比的變化

3.2.2 間隙通過比

不同PPF 長度下混凝土拌合物的間隙通過比隨水灰比的變化情況如圖6 所示。需要說明的是，在較低水灰比和PPF 長度較長的情況下，由于混凝土拌合物未能擴展穿過J 環，因此沒有間隙通過比的試驗結果。與第一階段結果類似，間隙通過比隨水灰比的增加而增加。更重要的是，在相同水灰比下，間隙通過比隨PPF 長度的增加而降低，尤其在低水灰比0.30 時，摻入纖維已使混凝土無法擴展至J 環。這表明PPF 長度會顯著降低混凝土拌合物的間隙通過性。

圖6 不同纖維長度下間隙通過比隨水灰比的變化

3.2.3 流速

不同PPF 長度下混凝土拌合物的流速隨水灰比的變化情況如圖7 所示。與第一階段結果類似，流速隨水灰比的增加而增加。更重要的是，在相同水灰比下，流速隨PPF 長度的增加而降低，由其在低水灰比0.3 時，摻入纖維已使得混凝土幾乎無法流出V 型漏斗。這表明PPF 長度會顯著降低對混凝土拌合物的流動性。

圖7 不同纖維長度下流速隨水灰比的變化

3.2.4 篩析指數

不同PPF 長度下混凝土拌合物的篩析指數隨水灰比的變化情況如圖8 所示。與第一階段結果類似，流速隨水灰比的增加而增加。更重要的是，在相同水灰比下，篩析指數隨PPF 長度的增加而顯著降低。這充分表明PPF 長度可以顯著提高混凝土拌合物的抗離析穩定性。

圖8 不同纖維長度下篩析指數隨水灰比的變化

3.3 分析與討論

從試驗結果可知，水灰比可以提高新拌混凝土的和易性、間隙通過性和流動性，但會降低抗離析穩定性。這是由于水灰比的提高會使混凝土中水量增加，使混凝土更易于流動。

另一方面，PPF 摻量和長度均對混凝土拌合物的流變性能有顯著影響：降低新拌混凝土的和易性、間隙通過性和流動性，但可以顯著提高抗離析穩定性。其主要原因可能在于混凝土基體內的纖維會相互搭接構成“三維網狀結構”，該結構一方面增大了拌合物內部摩擦阻力阻礙了混凝土的流動，但同時該結構可以有效包裹拌合物顆粒，從而提高了拌合物的整體性，改善抗離析性能。

4 結論

本試驗綜合采用坍落擴展度試驗、J 環試驗、V 型漏斗試驗和篩析穩定性試驗，對水灰比、PPF 摻量、PPF 長度變化的纖維增強混凝土拌合物的新拌性能進行了系統研究。得到的主要結論如下：

⑴水灰比從0.30 提高至0.45 可以提高混凝土拌合物的和易性、間隙通過性和流動性，但會降低抗離析穩定性。

⑵PPF 摻量從0.00%提高至0.15%會降低混凝土拌合物的和易性、間隙通過性和流動性，但可以提高抗離析穩定性。

⑶PPF 長度從3mm 提高至19mm 會降低混凝土拌合物的和易性、間隙通過性和流動性，但可以提高抗離析穩定性。

⑷在纖維增強混凝土，尤其是HPC 設計時，應綜合考慮纖維摻量和長度對各項新拌性能的影響，優選PPF的摻量和長度，以實現混凝土性能的最優。