干濕循環(huán)條件下聚丙烯纖維摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

齊鵬飛 陳珊珊 韓霄羽

（1.中鐵十四局集團(tuán)有限公司市政工程分公司，山東 青島 266700；2.華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450045）

0 引言

干濕循環(huán)作用是指混凝土構(gòu)件或部分結(jié)構(gòu)處于連續(xù)浸泡狀態(tài)和空氣干燥狀態(tài)的交替作用。在自然界，隨著環(huán)境變化，混凝土結(jié)構(gòu)物在水位線上下變化時(shí)，或者位于水庫(kù)水位變動(dòng)區(qū)以及浪濺區(qū)，由于受干濕循環(huán)作用，混凝土劣化機(jī)理要復(fù)雜得多。為此，專家學(xué)者進(jìn)行了大量研究：Jingjun Li[1]等的研究表明，在輕集料混凝土中加入高性能聚丙烯纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能有顯著影響，其抗彎強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗彎韌性和抗沖擊性能均提高，但對(duì)抗壓強(qiáng)度沒有明顯影響；Islam[2]得出與普通混凝土相比，摻入0.1%纖維的混凝土抗壓強(qiáng)度降低了2%，抗拉強(qiáng)度提高了39%的結(jié)論；在混凝土中摻入0.1%～0.3%纖維，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果表明，與普通混凝土相比，塑性收縮裂縫減少了50%～99%；文獻(xiàn)[3-7]對(duì)纖維混凝土快速凍融循環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到在混凝土中加入聚丙烯纖維后，由凍融引起混凝土損傷減輕。目前的研究多集中在力學(xué)性能和凍融循環(huán)方面，對(duì)干濕循環(huán)的研究相對(duì)較少，因此，有必要對(duì)混凝土在干濕循環(huán)作用下的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 干濕循環(huán)試驗(yàn)

將試塊在水中養(yǎng)護(hù)至28d時(shí)取出，開始做干濕循環(huán)試驗(yàn)。烘干溫度為（60±3）℃，烘干時(shí)間為6h，浸泡時(shí)間為18h，干濕循環(huán)一次需要1d，每20次干濕循環(huán)測(cè)定混凝土的質(zhì)量、相對(duì)動(dòng)彈性模量和力學(xué)性能，直至干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到100次。為保證復(fù)合鹽溶液的濃度不變，每15d更換一次溶液。

1.2 試驗(yàn)材料及性能

選用P·O42.5普通硅酸鹽水泥。水泥3d抗壓強(qiáng)度30.7MPa，28d抗壓強(qiáng)度59.2MPa。粗骨料：采用粒徑為5～10mm連續(xù)級(jí)配、表面粗糙且質(zhì)地堅(jiān)硬的碎石。細(xì)骨料：中砂，細(xì)度模數(shù)為3.0～2.3，堆積密度1550kg/m3，表觀密度2614kg/m3，顆粒級(jí)配良好。拌和用水采用普通自來水。

偏高嶺土（Metakaolin，簡(jiǎn)稱MK）是高嶺土在適當(dāng)溫度下（約540℃～880℃）脫水而得到的鋁硅酸鹽，是一種高活性人工火山灰材料。偏高嶺土為白色粉末狀（圖1），偏高嶺土的化學(xué)成分見表1。

圖1 偏高嶺土

表1 偏高嶺土的化學(xué)成分

聚丙烯纖維（Polypropylene Fiber，簡(jiǎn)稱PPF）采用耐拉短絲纖維（圖2），其性能指標(biāo)見表2。

表2 聚丙烯纖維性能指標(biāo)

圖2 聚丙烯纖維

1.3 混凝土配合比設(shè)計(jì)

由于摻入偏高嶺土和聚丙烯纖維會(huì)影響混凝土的工作性能，故根據(jù)MK和PPF的摻量改變減水劑的摻量，保證不同配合比的混凝土有一致的工作性能，混凝土配合比見表3。試件尺寸采用40mm×40mm×160mm的長(zhǎng)方體試塊。

表3 混凝土配合比

2 聚丙烯纖維摻量對(duì)混凝土物理力學(xué)性能的影響

2.1 混凝土外觀

表4所示為摻入10%MK（0kg/m3PPF、0.6kg/m3PPF、0.9kg/m3PPF、1.5kg/m3PPF)混凝土試件經(jīng)過0次、20次、40次、60次、80次、100次干濕循環(huán)試驗(yàn)后試件圖片。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試件表面均無(wú)變化。

表4 混凝土干濕循環(huán)試驗(yàn)后外觀

2.2 混凝土質(zhì)量損失

圖3所示為摻入10%MK（0kg/m3PPF 0.6kg/m3PPF、0.9kg/m3PPF、1.5kg/m3PPF)混凝土試件經(jīng)歷0次、20次、40次、60次、80次、100次干濕循環(huán)試驗(yàn)后質(zhì)量變化的試驗(yàn)結(jié)果。由圖3可見，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土質(zhì)量略微增加，4種混凝土中，摻有0kg/m3PPF混凝土的質(zhì)量增加最多。

圖3 不同聚丙烯纖維摻量下混凝土質(zhì)量損失率

2.3 混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量

圖4所示為摻入10%MK（0kg/m3PPF、0.6kg/m3PPF、0.9kg/m3PPF、1.5kg/m3PPF)混凝土試件經(jīng)歷0次、20次、40次、60次、80次、100次干濕循環(huán)試驗(yàn)后相對(duì)動(dòng)彈性模量的試驗(yàn)結(jié)果。由圖4可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)和PPF摻量的增加，相對(duì)動(dòng)彈性模量的損傷減小。進(jìn)行至100次干濕循環(huán)時(shí)，摻有1.5kg/m3PPF混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量約為100%；而摻0kg/m3PPF混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量約為150%。表明摻PPF并未提高混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量。

圖4 不同聚丙烯纖維摻量下混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化

2.4 混凝土抗壓強(qiáng)度

圖5所示為摻入10%MK（0kg/m3PPF、0.6kg/m3PPF、0.9kg/m3PPF、1.5kg/m3PPF)混凝土試件經(jīng)歷0次、20次、40次、60次、80次、100次干濕循環(huán)試驗(yàn)后抗壓強(qiáng)度損失率結(jié)果。由圖5可知，在干濕循環(huán)條件下，經(jīng)過100次干濕循環(huán)試驗(yàn)后，摻有0kg/m3PPF、0.6kg/m3PPF、0.9kg/m3PPF、1.5kg/m3PPF混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率分別達(dá)到約-40%、-10%、-25%、10%，結(jié)果表明，摻入PPF后混凝土的抗壓強(qiáng)度并未明顯提高。

圖5 不同聚丙烯纖維摻量下混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率

2.5 混凝土抗折強(qiáng)度

圖6所示為摻入10%MK（0kg/m3PPF、0.6kg/m3PPF、0.9kg/m3PPF、1.5kg/m3PPF)混凝土試件經(jīng)歷0次、20次、40次、60次、80次、100次干濕循環(huán)試驗(yàn)后抗折強(qiáng)度損失率結(jié)果。由圖6可知，在干濕循環(huán)條件下，經(jīng)過100次干濕循環(huán)試驗(yàn)后，摻有0kg/m3PPF、0.6kg/m3PPF、0.9kg/m3PPF、1.5kg/m3PPF混凝土的抗折強(qiáng)度損失率分別達(dá)到約5%、-10%、-32%、-40%；可以確定，摻入1.5kg/m3PPF時(shí)，混凝土的抗折強(qiáng)度明顯提高。原因是PPF具有阻裂的作用，可減少裂縫源數(shù)量，并使裂縫尺度變小，這就降低了裂縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子，緩和了裂縫尖端應(yīng)力集中程度；在受力過程中，PPF能夠抑制裂縫擴(kuò)展，從而使混凝土的強(qiáng)度得到提高。

圖6 不同聚丙烯纖維摻量下混凝土的抗折強(qiáng)度損失率

2.6 混凝土抗拉強(qiáng)度

圖7所示為摻入10%MK（0kg/m3PPF、0.6kg/m3PPF、0.9kg/m3PPF、1.5kg/m3PPF)混凝土試件經(jīng)歷0次、20次、40次、60次、80次、100次干濕循環(huán)試驗(yàn)后抗拉強(qiáng)度損失率結(jié)果。可知，經(jīng)過100次干濕循環(huán)試驗(yàn)后，摻有0kg/m3PPF、0.6kg/m3PPF、0.9kg/m3PPF、1.5kg/m3PPF混凝土的抗拉強(qiáng)度損失率分別達(dá)到約10%、-20%、-10%、-30%；說明混凝土中摻入1.5kg/m3PPF可提高其抗拉強(qiáng)度。原因是PPF在混凝土中可起到次級(jí)加強(qiáng)筋的作用，具有良好的阻裂性能，因此混凝土的抗裂性能有所提高。

圖7 不同聚丙烯纖維摻量下混凝土的抗拉強(qiáng)度損失率

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)不同摻量下聚丙烯纖維混凝土在干濕循環(huán)作用下的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

（1）聚丙烯纖維摻量為1.5kg/m3可以顯著提高干濕循環(huán)條件下的混凝土抗折強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度；

（2）聚丙烯纖維能夠增強(qiáng)混凝土的抗裂性。