聚丙烯纖維長度和摻量對混凝土耐久性影響試驗研究

汪華莉

（瀘州職業技術學院 建筑工程學院，四川 瀘州 646000）

0 引言

高性能混凝土既能夠保證建筑力學等性能要求，同時也能夠實現節材等環保要求。因此高性能混凝土的研發是綠色建筑的重要研究熱點之一。楊濤[1]分析了原材料的技術參數對高強混凝土的影響規律。目前從施工、設計和基本材料等方面得出了高性能混凝土的最佳配合比方案，在混凝土中摻入活性纖維材料也成為當下研究高性能混凝土的手段之一。馬士賓等[2]研究了聚丙烯纖維摻量對高性能混凝土工作性、力學性能和抗沖擊性能的影響。楊力輝等[3]提出了聚丙烯纖維自燃煤矸石輕骨料混凝土的配合比設計方法。徐禮華等[4]通過單軸循環加載試驗，研究了聚丙烯纖維混凝土的力學行為。姚秀鵬等[5]的研究得出，在高溫環境下聚丙烯纖維的摻量及長度對混凝土的表觀密度和孔隙率無明顯影響。周興宇等[6]研究了多尺度聚丙烯纖維混凝土的力學性能，破壞后的外貌形態以及損傷演化過程的差異。林海威等[7]探究了聚丙烯纖維類型對透水混凝土抗拉性能的改善作用。在混凝土中摻入纖維材料能有效提高混凝土的力學性能、工作性能和耐久性能。本試驗研究了聚丙烯纖維摻量和長度對混凝土坍落度、抗壓強度和抗氯離子侵蝕性能的影響。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：P·O42.5水泥，鄭州市建文特材科技有限公司，主要化學成分見表1；磷渣：寧波鼎創新材料有限公司生產，粒徑約為3 mm，密度2.84 g/cm3；骨料：青州市雙盈環保設備有限公司生產，粗骨料為5~15 mm碎石，細骨料為機制砂，細度模數2.7；聚丙烯纖維：石家莊豐瑞建筑材料有限公司，長度分別為11、13、16、20、24 mm，抗拉強度518 MPa，密度0.84 g/cm3；水：自來水。

表1 水泥的主要化學成分 %

1.2 試驗方法

混凝土基準配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（機制砂）∶m（磷渣）∶m（碎石）∶m（水）=230∶297∶26∶662∶90。控制聚丙烯纖維長度為16 mm，研究聚丙烯纖維體積摻量分別為0、0.2%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%時對混凝土工作性能、力學性能和耐久性能測試影響；控制聚丙烯纖維摻量為1.0%，研究聚丙烯纖維長度分別為11、13、16、20、24 mm時對混凝土工作性能、力學性能和耐久性能的影響。

混凝土拌合物坍落度參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行測試；混凝土抗壓強度參照GB/T 50081—2019《混凝土力學性能試驗方法標準》進行測試；氯離子滲透深度參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行測試。

試驗儀器設備：德卡精密量儀（深圳）有限公司生產的坍落度測試儀、長春新特試驗機有限公司生產的萬能試驗機、北京京晶科技有限公司生產的氯離子滲透儀、蘇州沃弗本精密機械有限公司生產的掃描電鏡。

2 試驗結果與分析

2.1 聚丙烯纖維摻量對混凝土性能的影響（見表2）

表2 聚丙烯纖維摻量對混凝土性能的影響

由表2可見：

（1）隨著聚丙烯纖維摻量的增加，混凝土的坍落度逐漸減小，聚丙烯纖維摻量為1.0%、2.0%的混凝土坍落度較未摻聚丙烯纖維的基準組分別減小了9.5%、11.9%。這是因為，聚丙烯纖維能夠填充混凝土的內部空隙，提高混凝土的密實度，從而減小混凝土的坍落度；但當聚丙烯纖維摻量過多時，混凝土的空隙已填滿，纖維對混凝土的坍落度不會產生明顯的改變，坍落度的減小幅度變緩。

（2）隨著聚丙烯纖維摻量的增加，混凝土的抗壓強度先提高后降低，聚丙烯纖維摻量為1.0%時混凝土抗壓強度最高，較基準組提高了12.9%。這是因為，聚丙烯纖維能夠填充混凝土的內部空隙，提高混凝土的密實度，從而提高混凝土的抗壓強度。但當過量的聚丙烯纖維摻入混凝土中時，混凝土的抗壓強度則會出現下降規律。這是因為纖維摻量過多時，包裹纖維的水泥漿含量相對變少，出現薄弱界面，導致抗壓強度降低。

（3）隨著聚丙烯纖維摻量的增加，混凝土的氯離子滲透深度先減小后增大，聚丙烯纖維摻量為1.0%時混凝土的氯離子滲透深度最小，較基準組減小了20.8%。

（4）綜合坍落度、抗壓強度和氯離子滲透深度，本試驗中聚丙烯纖維的最佳摻量為1.0%。

2.2 聚丙烯纖維長度對混凝土性能的影響（見表3）

表3 聚丙烯纖維長度對混凝土性能的影響

由表3可見：

（1）隨著聚丙烯纖維長度的增加，混凝土的坍落度逐漸增大。這是因為，纖維的長度越長，其分散性越差，導致混凝土的坍落度增大。對比表2可知，摻入1.0%、長度為24 mm聚丙烯纖維時，其對混凝土坍落度的影響等同于摻入0.5%、長度為16 mm的聚丙烯纖維。

（2）隨著聚丙烯纖維長度的增加，混凝土的抗壓強度逐漸降低、氯離子滲透深度逐漸增大。這是因為，當纖維長度逐漸增大時，較長的纖維不能完全填充混凝土的內部孔隙，從而降低混凝土的密實度，導致抗壓強度降低、氯離子滲透深度增大。對比表2可知，摻入1.0%、長度為24 mm聚丙烯纖維時，其對混凝土抗壓強度和氯離子滲透深度的影響等同于摻入0.5%、長度為16 mm的聚丙烯纖維。

（3）綜合坍落度、抗壓強度和氯離子滲透深度，本試驗中聚丙烯纖維的長度應小于16 mm。

2.3 微觀分析

對水化28 d基準混凝土、摻1.0%聚丙烯纖維（纖維長度分別為16、20 mm）的混凝土進行微觀分析，結果見圖1。

圖1 基準混凝土與聚丙烯纖維混凝土的SEM照片

由圖1可見，水化28 d后，相比于聚丙烯纖維混凝土，基準混凝土的微觀結構松散，孔洞較多，孔隙率較大；對比2種不同纖維長度的聚丙烯纖維混凝土可以看出，隨著纖維長度的增加，混凝土的微觀結構分散不均勻也逐漸增加，部分纖維會凝聚在一起。

3 結論

（1）隨著聚丙烯纖維摻量的增加，混凝土的坍落度逐漸減小，抗壓強度先提高后降低，氯離子滲透深度先減小后增大。聚丙烯纖維摻量為1.0%時，抗壓強度最高，氯離子滲透深度最小，抗壓強度較基準組提高了12.9%、氯離子滲透深度較基準組減小了20.8%。

（2）隨著聚丙烯纖維長度的增加，混凝土的坍落度和氯離子滲透深度逐漸增大，抗壓強度逐漸降低。摻入1.0%、長度為24 mm聚丙烯纖維時，其對混凝土坍落度、抗壓強度和抗氯離子性能的影響相當于摻入0.5%、長度為16 mm的聚丙烯纖維。

（3）綜合混凝土的坍落度、抗壓強度和氯離子滲透深度可知，聚丙烯纖維的最佳摻量為1.0%，長度應小于16 mm。