聚丙烯纖維水泥混凝土試驗性能探析

文／楊帥 山東恒建工程檢測有限公司 山東濰坊 261057

引言：

聚丙烯纖維不僅價格低、工藝簡單，還具有較好的性能，在混凝土中得到廣泛應用。本文通過對聚丙烯纖維水泥混凝土進行試驗，研究其各項性能，為其在建設工程中的應用提供更多數據支持及實踐經驗。

1.項目概述

該工程項目為濱海地區的一處跨鐵路立交橋，修建于2008年。橋梁全長576.06m，共十九跨分六聯（第一聯跨徑組合為4×30m、其余各聯跨徑組合均為3×30m）。橋梁全寬24.5m，分兩幅，每幅橋寬12m，其中每幅橋凈寬11m。上部結構采用等高度預應力混凝土連續梁（單箱雙室直腹板斷面），梁高1.6m，結構體系為連續梁體系。該橋梁是當地進出港口的主通道，重交通負荷，該橋橋面破損嚴重，嚴重影響了進出港車輛的行車舒適性和道路安全性。2020年建設單位對該橋梁進行維修加固，主要改造內容為：鑿除舊橋面瀝青鋪裝層，澆筑新的水泥混凝土橋面。在新圖紙設計中，為了有效的提高橋面鋪裝層的抗裂抗滲性能，本次混凝土采用了摻入聚丙烯纖維的技術。

在項目設計中，摻入0.9kg/m3聚丙烯纖維和水泥用量8%的抗裂防水劑，然后橋梁伸縮縫處混凝土里面摻入水泥重量12%的抗裂膨脹劑，以及1.2kg/m3的聚丙烯纖維，混凝土強度等級提升了5MPa。在該項目中，為了有效把控項目質量，在檢測實驗室對聚丙烯纖維水泥混凝土的性能進行檢測。

2.聚丙烯纖維水泥混凝土分析

2.1 纖維作用和性能

纖維的作用不僅和自身性能有關，還與其在混凝土基體中的狀態有一定的關系。混凝土中摻入纖維后，將水泥基體里面的連通裂縫減少，有效阻止了水分的侵入；同時，纖維具有阻裂作用，防止水泥基體中微小裂縫的擴展，還可以延緩新裂縫的出現；纖維具有增強作用，通過使用高彈性模量纖維，有助于提升基體抗拉強度；纖維具有耐久作用，可以適當改善水泥基體的抗疲勞等各種性能。但并不是所有的纖維在混凝土中可以起到相同作用，這與纖維自身性能有關，不同纖維和混凝土復合形成的纖維混凝土，其性能存在一定的差異性，不過也存在一定的共性，即所有的纖維在混凝土中具有抗裂作用[1]。

2.2 纖維混凝土增強機理

纖維混凝土增強機理主要有兩種，一種是復合材料理論，另一種是纖維阻裂理論。其一，復合材料理論，該理論體系中，復合材料被視作為一種多相系統，性能為多個性能之和，在混凝土的應用中，假設纖維沿著應力作用的方向，連續均勻排列；纖維和水泥基體之間有著良好的連接，沒有出現相對滑移的情況。復合材料理論的精髓之處便是中心質效應能夠疊加，而復合材料需要復合主要是因為基礎性材料的性能各不相同，具有互補性特點，發揮著重要的作用。不過，在材料科技水平的影響下，復合材料并非總是完善的。混凝土材料結構不是均質的，在承受拉力作用的時候，混凝土構件的截面受力不是均勻的，有許多不規則應力集中點。通過適當配置抗拉力筋，可以有效約束混凝土塑性變形，防止混凝土裂縫的出現。從復合材料理論來分析，如果纖維無法在混凝土體系中均勻的分散，混凝土基體內纖維較少或者沒有的區域便成為薄弱地帶，施工后可能會產生裂縫，所以說，混凝土內纖維的均勻分散非常重要。其二，纖維阻裂理論，該理論認為混凝土內部有固有缺陷，想要提升強度，就需要將缺陷的程度盡可能降低，從而提升材料的抗變形能力。纖維阻裂理論指的是纖維在混凝土中均勻分布，可以有效阻止塊體內的裂縫逐漸擴展。該理論的假設前提是纖維可以均勻分散，若分散不均勻，說明該條件不成立，該理論失效。由此可見，纖維在混凝土中的分散性，是保證其抗裂效果的關鍵。

2.3 聚丙烯纖維水泥混凝土制備過程

聚丙烯纖維水泥混凝土的制備主要是在普通混凝土配合比的標準上，適當摻入聚丙烯纖維。聚丙烯纖維混凝土所需的原材料主要有水泥、礦物摻合料、骨料、外加劑、水、PP 纖維，其中，礦物摻合料主要為粒化高爐礦渣粉、磨細粉煤灰、硅粉等。對于聚丙烯纖維混凝土的配合比，應保證符合JGJ55-2011《普通混凝土配合比設計規程》的規范要求，不僅要滿足結構設計要求的抗折強度、抗壓強度，還應確保滿足抗滲性、抗裂性、耐腐蝕性等多項要求。在聚丙烯纖維混凝土的實際生產中，PP 纖維的具體摻加比例，可以結合纖維混凝土使用目的，或者依據抗折、抗拉強度的配制要求合理添加[2]。對于聚丙烯纖維混凝土的稠度，可以根據工程對普通混凝土稠度的要求來確定，在混凝土中摻入聚丙烯纖維，能夠有效改善其粘聚性以及保水性。

3.聚丙烯纖維水泥混凝土性能試驗

3.1 正交試驗

正交試驗法是處理多因子試驗的有效方法之一，能夠在工藝過程中為了試制新產品、配方、流程等，遇到多水平、多因子、多指標等問題，如果采用傳統孤立變量法，那么試驗的次數比較多，試驗周期比較長，試驗的誤差也比較大，并且還會耗費大量人力物力。通過使用正交試驗法，在正式試驗之前，先使用提前制作好的正交表，有計劃地安排試驗，并在試驗之后經過表格運算，合理分析試驗結果，在這樣的試驗中，只需要幾次試驗便可以找到不同因子在試驗中的主次作用，從而確定好的生產條件。對于試驗所需的結果，將其作為指標，例如，在進行聚丙烯纖維混凝土各項性能試驗時，可以將混凝土抗彎拉強度、抗裂強度、抗壓強度等作為試驗指標，將水泥的用量、纖維的長度、水灰比、砂率作為試驗因子。因子越多，試驗的次數也會增加，在試驗之前，應結合平時經驗選擇主要因子來安排試驗。

3.2 試驗原材料

聚丙烯纖維是新型高分子材料，使用改性母料，將其添加到聚丙烯切片當中，通過共混、紡絲、拉伸、切斷，從而制成適用于混凝土的工程纖維。本試驗所用的纖維類型為束狀單絲，截面形狀為Y 型，導電導熱性較低，沒有毒性和吸水性，性能見表1。水泥選擇昌樂山水水泥生產的P.O42.5，其具有凝結時間適宜特點，后期具有較高的強度。砂子最好選擇細度模數超出2.5-3.0 的中砂，其中，對于粒徑小于0.075mm 的顆粒，保證控制在10%以內，同時MB 值≤1.0；以避免對水泥、集料粘接性產生影響，如果砂子細度過粗，回彈量會隨之增加。對于砂子的含水量，最好控制在3%至6%之間，含水量過高或者過低，都不太好。骨料選擇本地產石灰巖碎石，骨料的最大粒徑應控制在26.5mm 以內，為了確保骨料間空隙率，不應使用間斷級配的級配方式。對于試驗中使用的水，選擇生活自來水[3]。本次聚丙烯纖維混凝土進行室內配合比設計時，加入拌鍋的原材料投料順序最開始為，砂、石預攪拌—摻入水泥干攪拌—加入水—加入纖維—加入外加劑，攪拌時間為2min。室內攪拌時發生了聚丙烯纖維被水泥漿包裹、水泥膠結成團塊的現象。為此，調整生產流程，原材料投料順序為：砂、石預攪拌—加入纖維干拌—加入水泥攪拌—加水濕攪拌—加入外加劑。改進后，混凝土混合料未再出現結塊現象。

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3.3 抗壓強度試驗

在抗壓強度試驗中，從養護室將試件取出來，擦拭干凈，打開試驗機，待試件和上壓板靠近的時候，適當調整壓力機的球座結構，保證試塊與上下壓板接觸均衡。在加壓期間，對試驗機進行適當調節，確保均勻加荷，至于加速度，將其把控在0.5MPa 至0.8MPa 之間即可。在加壓過程中，當試件快要破壞并且快速變形的時候，將試驗機油門關停，一直到試件破壞，并將破壞荷載記錄下來。混凝土立方體抗壓強度公式為：fcc=F/A。其中，fcc為混凝土立方體抗壓強度（MPa），F 為試件的破壞荷載（N），A 為試件的承壓面面積（mm2）。

根據對聚丙烯纖維混凝土抗壓強度的試驗數據分析，當PP 摻入量低于0.3kg/m3時，混凝土的抗彎拉強度、抗壓強度、靜力抗壓彈性模量、立方體軸心劈裂強度4 項常規力學性能沒有明顯改變。當pp 的摻入量達到0.9kg/m3時，此4 項常規力學性能才有一明顯增幅。未摻pp纖維的混凝土試塊在達到極限荷載時，首先表現為試塊表面的表層剝落，同時壓力試驗機的壓力值直線下降，試塊表現為明顯的環箍效應；而摻入PP 纖維的混凝土試塊達到極限荷載時，試件表面首先出現眾多裂紋，而不是呈現表面剝落，同時壓力試驗機讀數則是緩慢降低。這說明摻入PP 纖維混凝土相比未摻PP 纖維的混凝土具有較高的抗變形能力。

3.4 抗折強度試驗

在混凝土抗折性能試驗中，對于試驗機的加載速度，一般控制在0.05MPa/s 至0.08MPa/s，一直持續到試件斷裂為止。混凝土抗折強度（ff）和試件截面的高（h）、寬（b）、支座間距離（L）、試件破壞所承受的荷載（F）有一定的關系，公式為：ff=FL/(bh2)。在試驗過程中，物料配比為720kg 的砂子、395kg 的水泥、1145kg 的集料、190kg 的水、165.8g 的減水劑，然后添加不同比例的聚丙烯纖維材料，分別為0、0.5kg、0.7kg、0.9kg，通過添加不同比例的聚丙烯纖維，并在養護室養護28 天檢測抗彎拉強度，最終的結果為表2。

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根據室內配合比設計的混凝土抗彎拉強度統計數據得出，摻入0.9%PP 纖維的混凝土抗彎拉強度代表值能夠達到了設計彎拉強度值的116%。試塊在彎拉受荷過程中，試塊底部的跨中部位會先出現數道細微裂縫，細微裂縫寬度隨著荷載的增大逐漸加寬，最終形成主裂縫，至最大力時試塊被彎拉破壞。而未摻入PP 纖維的混凝土試塊在受荷加載過程中，底部跨中達到極限荷載時表現為瞬時斷裂，是一種典型的脆性破壞。

3.5 抗沖擊試驗

在聚丙烯纖維混凝土抗沖擊試驗中，使用8kg的鋼球，從高位25cm 位置處做自由落體，砸向試件，試件的裂縫超過3mm 時，將沖擊的次數記錄下來。在每一組試驗中，都應經最大值、最小值舍掉，然后將剩余三個數值的平均值作為最終結果。在抗沖擊性能試驗中，分別針對聚丙烯纖維不同添加量的混凝土進行試驗，未添加聚丙烯纖維的混凝土，第一次裂開的沖擊次數是41 次，破壞沖擊次數是50 次；添加量為0.5kg/m3的混凝土，第一次裂開的沖擊次數是85次，破壞沖擊次數是92次；添加量為0.7kg/m3的混凝土，第一次裂開的沖擊次數是108 次，破壞沖擊次數118 次；添加量為0.9kg/m3的混凝土，第一次裂開的沖擊次數是114 次，破壞沖擊次數是121 次。由此可見，從試驗中這幾組數據來看，聚丙烯纖維的添加量越高，相應的抗沖擊能力越強。

3.6 抗滲性能試驗

聚丙烯纖維在水泥混凝土中的應用具有極大的優勢，有助于提升其抗滲性能。聚丙烯纖維是一種抗裂增強材料，對于水泥混凝土抗滲性能的影響，直接關系著工程的安全性。將聚丙烯纖維加入混凝土中有助于防止早期開裂，或者避免裂縫逐步擴展，有效減少收縮性裂紋的出現，增強混凝土防水性能。試驗分為五組，如表1所示，為混凝土的配合比。具體的試驗內容包括吸水率、滲水高度、氯離子濃度等，在吸水率試驗中，制作立方體試件，邊長為100mm，養護時間28 天，然后將其烘干并放入水中進行測試，測試時間為三個小時，觀察其吸水量占據混凝土質量的百分比。在滲水高度的測試中，制作一個圓柱體試件，上下底面的直徑分別為175、185mm，高度為150mm，養護時間28 天，測試條件為1.2±0.05MPa，在恒壓下，保證測試時間為24h，然后觀察試件滲水高度。在氯離子濃度測試中，制作棱柱體試件，規格為100mm×100mm×300mm，測試在不同深度，試件的氯離子濃度，將試件養護28天之后，磨去試件表層的浮漿，并使用敬酒擦洗干凈，涂刷一層環氧樹脂，并留出一個長方形截面，將其作為滲透面。接著，將試件放進裝有氯化鈉溶液的鐵箱，保證溶液將試件完全淹沒，在整個測試過程中，保證氯化鈉溶液濃度在3.5%左右，然后定期添加溶液，浸泡時間180 天，取出后從滲透面分層鉆取粉末試樣，并測出其中總的氯離子含量。

經過試驗，得知第一組的吸水率、滲透高度、28d 抗壓強度分別為4.81%、0.8mm、49MPa；第二組分別為4.3%、1.6mm、54MPa；第三組分別為4.11%、2.3mm、57MPa；第四組分別為4.65%、11mm、50MPa；第五組分別為5.46%、13.1mm、56MPa。在第1-3組中，硅粉、粉煤灰摻合料的增加，聚丙烯纖維混凝土吸水率下降，主要是因為其火山灰活性效應的影響。當添加PP 纖維之后，混凝土吸水率有所增加。對于滲水高度，摻入PP 纖維之后，試件的滲透性能有所下降，導致滲水高度增加。但是摻入PP 纖維后，混凝土拌合物的流動性降低，導致其密實性變得更差，并且在壓力水作用下，滲透性有所增加，抗滲性能下降，或者是添加纖維之后，混凝土界面增加，從而在壓力水影響下，混凝土中的滲水通道增加。見表3

表3 混凝土配合比（kg/m3）

結語：

聚丙烯纖維具有較強的技術經濟優勢，在混凝土工程中，能夠有效滿足抗沖擊性、抗裂性等要求。對比我國使用了聚丙烯纖維的水泥混凝土的工程檢測數據，其混凝土的抗裂、抗滲性能都得到了有效提高。本次通過對聚丙烯纖維水泥混凝土的性能進行試驗，可以得出每一項性能的變化規律，從而更好地滿足工程項目對聚丙烯纖維混凝土的使用需求。在抗壓、抗折、抗拉強度上，由于聚丙烯纖維是高延伸率、低彈性模量的聚合物纖維，將其摻入混凝土，對于混凝土抗壓強度的改善不是特別突出，不過可以有效改善混凝土抗折、抗拉強度；在抗沖擊性能上，混凝土的抗沖擊強度隨著聚丙烯纖維的摻入比例增大而同時提高；在抗裂性能上，適量摻入聚丙烯纖維，便可以有效增大混凝土的抗裂效果，并遏制裂紋的進一步擴散；在抗滲性能上，在混凝土中摻入適量的聚丙烯纖維，能夠有效控制裂縫的出現，提升其抗滲性能。