聚乙烯纖維混凝土的制備及其耐久性研究

李立群，張啟志

(1.駐馬店市建設工程質量監督站，河南 駐馬店 463000； 2.黃淮學院，河南 駐馬店 463000)

混凝土是建筑領域中使用較為廣泛的材料之一，但由于混凝土在各領域中所處的環境較為復雜，對混凝土的性能要求也各不相同，如橋墩混凝土要求良好的抗滲性能，路面混凝土要求良好的耐磨性能，當建筑物長期暴露于空氣中時混凝土要求良好的抗碳化性能等[1-5]。因而不少研究學者對混凝土的耐久性進行分析。楊榮俊等[6]研究表明在混凝土中摻入礦粉可降低漿體水化熱，大幅提高抗水滲透性能。劉見表[7]研究表明玄武巖纖維可改善混凝土的抗滲性能，且纖維摻量對混凝土抗滲性能的影響更明顯。何山等[8]研究表明在壓力管道外包混凝土中摻入鋼-聚丙烯混雜纖維能夠限制壓力管道外包混凝土裂縫的開展，降低管道的開裂荷載，鋼材的應力值也隨著混雜纖維摻量的增加而減少。閆國新等[9]對植物納米纖維混凝土分別進行抗壓、劈裂和抗折試驗，納米纖維對抗壓強度和劈裂強度提高明顯，最高增幅分別達15.7%，19.2%。邊策等[10]研究發現摻入超高相對分子質量聚乙烯纖維后,混凝土流動性降低,但均勻性、抗滲性和抗沖磨性能提高較大。

從上述研究結果可知，在混凝土中摻入外加材料能夠明顯地提高混凝土的力學性能和耐久性。相對而言，在所有外加材料中，纖維材料具有很高的性價比，即只要在混凝土中摻入低含量的纖維便能夠提高混凝土的耐久性[11-13]。另外，混凝土的配制中水灰比對其自身耐久性影響也很大。因此，作者為配制耐久性良好的混凝土，將水泥、砂、石、水和聚乙烯纖維等進行混合攪拌，制備聚乙烯纖維混凝土；以水灰比和纖維摻量作為變量，研究混凝土的耐磨性能、抗滲性能和抗碳化性能的變化情況，并分析性能變化的原因，為今后高性能混凝土的研發提供依據。

1 實驗

1.1 原料

P.O.42.5R水泥：二氧化硅(SiO2)質量分數21.13%，氧化鈣(CaO)質量分數63.03%，三氧化二鋁(Al2O3)質量分數4.96%，氧化鎂(MgO)質量分數1.97%，三氧化二鐵(Fe2O3)質量分數2.98%，三氧化硫(SO3)質量分數2.26%，初凝時間3.2 h，終凝時間4.5 h，抗壓強度43.6 MPa，抗折強度7.2 MPa，嘉祥信聯建材有限公司生產；砂、石：砂粒徑0～5 mm、堆積密度1 930 kg/m3、表觀密度3 200 kg/m3，石粒徑5～15 mm、堆積密度1 750 kg/m3、表觀密度2 800 kg/m3，均由杭州耕彩商貿有限公司提供；聚乙烯纖維：長度6 mm，斷裂強度1 200 MPa，彈性模量35 GPa，直徑15 μm，耐熱水性98 ℃，山東浩森新材料有限公司提供；蒸餾水：自制。

1.2 主要設備及儀器

JW350型多功能攪拌機：鄭州卓輝機械設備有限公司制；HMP-20型耐磨儀：鈺展儀器設備(滄州)有限公司制；DTL型氯離子電通量測試儀：上海榮計達儀器科技有限公司制；TH-W型全自動建材碳化試驗箱：天津科安儀器科技有限公司制。

1.3 聚乙烯纖維混凝土的制備

使用JW350型多功能攪拌機將水泥、砂、石、水和聚乙烯纖維等進行混合攪拌，其中水泥:砂:石子質量比為1.00:1.23:2.86，聚乙烯纖維摻量(質量分數)為 0～1.0%，水灰比(質量比)分別為0.3，0.4，0.5，0.6。隨后放入振動臺上進行振動，使得成型的混凝土內部材料均勻且密實，并在不同環境溫度下對混凝土試件進行標準養護28 d(溫度為20 ℃，相對濕度為95%)，得到不同纖維摻量的聚乙烯纖維混凝土。

1.4 分析與測試

根據GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》，對養護成型的聚乙烯纖維混凝土進行耐久性試驗，試驗結果取每組3塊試件的平均值作為最終結果。

耐磨性能：以磨坑深度來表征，磨坑深度越大，耐磨性越差。通過耐磨儀上的摩擦鋼輪轉動對混凝土進行耐磨性測試，測試時間為24 h。

抗滲性能：以電通量來表征，電通量越大，抗滲性能越差。通過氯離子電通量測試儀對混凝土進行抗滲性能測試，測試時間為24 h，其中氯化鈉質量分數為3.0%。

抗碳化性能：以碳化深度來表征，碳化深度越大，抗碳化性能越差。將混凝土放置在碳化試驗箱中24 h，其中碳化試驗箱中二氧化碳體積分數為20%。

2 結果與討論

2.1 耐磨性能

在不同水灰比(0.3，0.4，0.5，0.6)和不同聚乙烯纖維摻量(0，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，1.0%)的情況下，混凝土的耐磨性能變化如圖1所示。在相同的纖維摻量下，隨著水灰比的增加，混凝土的磨坑深度逐漸增加，耐磨性變差。如聚乙烯纖維摻量為0.8%時，水灰比為0.3的混凝土的磨坑深度為26.9 mm，水灰比為0.4的混凝土的磨坑深度為27.4 mm，水灰比為0.5的混凝土的磨坑深度為28.1 mm，水灰比為0.6的混凝土的磨坑深度為28.6 mm。這是因為水灰比越大，混凝土中的水分含量比例也就越大，進而混凝土的流動性增大，耐磨性變差[15]。因此，混凝土的水灰比不宜過大，結合混凝土通用規范，建議水灰比應在0.5以下。

圖1 不同纖維摻量下混凝土的磨坑深度隨水灰比的變化Fig.1 Variation of grinding pit depth of concrete with water cement ratio under different fiber content■—0；●—0.2%；▲—0.4%；▼—0.6%；◆—0.8%；?—1.0%

從圖1還可以看出，當水灰比相同時，隨著纖維摻量的增加，混凝土的磨坑深度逐漸下降，耐磨性提高，且磨坑深度下降速率先增加后逐漸降低，在纖維摻量為0.8%時下降速率最大。如水灰比為0.5時，未摻入纖維的混凝土的磨坑深度為29.9 mm，纖維摻量為0.2%的混凝土的磨坑深度為29.3 mm，纖維摻量為0.4%的混凝土的磨坑深度為28.8 mm，纖維摻量為0.6%的混凝土的磨坑深度為28.4 mm，纖維摻量為0.8%的混凝土的磨坑深度為28.1 mm，纖維摻量為1.0%的混凝土的磨坑深度為28.0 mm。這是因為纖維的摻入能夠填充混凝土內部的孔隙，提高混凝土的密實度，進而提高混凝土的耐磨性能[16]。

綜合考慮，選擇水灰比為0.5以下、聚乙烯纖維摻量為0.8%時，聚乙烯纖維混凝土的磨坑深度為28.1 mm，耐磨性能較好。

2.2 抗滲性能

在不同水灰比(0.3，0.4，0.5，0.6)和不同聚乙烯纖維摻量(0，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，1.0%)的情況下，混凝土的抗滲性能變化如圖2所示。在相同的纖維摻量下，隨著水灰比的增加，混凝土的電通量逐漸增加，抗滲性能變差。如當聚乙烯纖維摻量為0.8%時，水灰比為0.3的混凝土的電通量為854 C，水灰比為0.4的混凝土的電通量為873 C，水灰比為0.5的混凝土的電通量為895 C，水灰比為0.6的混凝土的電通量為916 C。這是因為水灰比越大，水泥含量就越少，而水泥的膠結性是使得混凝土具有良好的抗滲性的重要特性之一，導致混凝土的抗滲性越差。結合混凝土的通用規范，水灰比應在0.5以下。

圖2 不同纖維摻量下混凝土的電通量隨水灰比的變化Fig.2 Variation of electric flux of concrete with water cement ratio under different fiber content■—0；●—0.2%；▲—0.4%；▼—0.6%；◆—0.8%；?—1.0%

從圖2還可以看出，當水灰比相同時，隨著纖維摻量的增加，混凝土的電通量逐漸下降，抗滲性能提高，且電通量下降速率先增加后逐漸降低，在纖維摻量為0.8%時下降速率最大。如水灰比為0.5時，未摻入纖維的混凝土的電通量為916 C，纖維摻量為0.2%的混凝土的電通量為911 C，纖維摻量為0.4%的混凝土的電通量為905 C，纖維摻量為0.6%的混凝土的電通量為899 C，纖維摻量為0.8%的混凝土的電通量為895 C，纖維摻量為1.0%的混凝土的電通量為892 C。這是因為聚乙烯纖維具有一定的活性，當其與水泥等材料混合攪拌時，能夠促進水泥的水化，提高混凝土的密實性，從而提高混凝土的抗滲性能[17]。過多的纖維也仍能提高混凝土的抗滲性，但其性價比較低。綜合考慮，選擇水灰比為0.5以下、聚乙烯纖維摻量為0.8%時，聚乙烯纖維混凝土的電通量為895 C，抗滲性能較好。

2.3 抗碳化性能

在不同水灰比(0.3，0.4，0.5，0.6)和不同聚乙烯纖維摻量(0，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，1.0%)的情況下，混凝土的抗碳化性能變化如圖3所示。在相同的纖維摻量下，隨著水灰比的增加，混凝土的碳化深度逐漸增加，抗碳化性能變差。如當聚乙烯纖維摻量為0.8%時，水灰比為0.3的混凝土的碳化深度為12.5 mm，水灰比為0.4的混凝土的碳化深度為12.8 mm，水灰比為0.5的混凝土的碳化深度為13.1 mm，水灰比為0.6的混凝土的碳化深度為13.6 mm。這是因為水灰比越大，水分的含量越多時，制備出的混凝土的孔隙率也就越多，使得二氧化碳能夠快速侵蝕混凝土的內部，導致混凝土內部孔隙坍塌和破壞，混凝土的抗碳化性能降低，因此建議水灰比應在0.5以下。

圖3 不同纖維摻量下混凝土的碳化深度隨水灰比的變化Fig.3 Variation of carbonation depth of concrete with water cement ratio under different fiber content■—0；●—0.2%；▲—0.4%；▼—0.6%；◆—0.8%；?—1.0%

從圖3還可以看出，當水灰比相同時，隨著纖維摻量的增加，混凝土的碳化深度逐漸下降，抗碳化性能提高，且碳化深度下降速率先增加后逐漸降低，在纖維摻量為0.8%時下降速率最大。如水灰比為0.5時，未摻入纖維的混凝土的碳化深度為14.1 mm，纖維摻量為0.2%的混凝土的碳化深度為13.8 mm，纖維摻量為0.4%的混凝土的碳化深度為13.5 mm，纖維摻量為0.6%的混凝土的碳化深度為13.3 mm，纖維摻量為0.8%的混凝土的碳化深度為13.1 mm，纖維摻量為1.0%的混凝土的碳化深度為12.9 mm。這是因為混凝土在制備過程中會存在著許多孔隙和小泡孔，通過摻入纖維則能夠填充孔隙，提高混凝土的密實性，進而提高混凝土的抗碳化能力[18]。通過實驗數據趨勢可知，選擇水灰比為0.5以下、聚乙烯纖維摻量為0.8%時，聚乙烯纖維混凝土的碳化深度為13.1 mm，抗碳化性能較好。

3 結論

a.在相同的聚乙烯纖維摻量下，隨著水灰比的增加，混凝土的磨坑深度、電通量、碳化深度均逐漸增加，即混凝土的耐磨性能、抗滲性能、抗碳化性能均變差。

b.當水灰比相同時，隨著聚乙烯纖維摻量的增加，混凝土的磨坑深度、電通量、碳化深度均逐漸下降，且下降速率均先增加后逐漸降低，均在纖維摻量為0.8%時下降速率最大，即聚乙烯纖維摻量為0.8%時混凝土的耐磨性能、抗滲性能、抗碳化性能較好。

c.根據混凝土通用規范，建議水灰比在0.5以下、聚乙烯纖維摻量為0.8%，此時纖維混凝土的磨坑深度為28.1 mm，電通量為895 C，碳化深度為13.1 mm，具有良好的耐磨性能、抗滲性能和抗碳化性能，即耐久性好。