PPE改性水電工程用復合材料的和易性與密度研究

張鈿 宋振聰 龔振如 賈偉瓏 關昊龍

摘 要：基于聚丙烯纖維（PPF）是一種輕質熱塑性纖維，具有微小的直徑、低密度、低彈性模量，且無吸水性，因此，聚丙烯纖維混凝土通常表現出優良的和易性、力學特性、抗裂特性及抗滲特性。這使得它能有效地解決水利水電工程中的混凝土滲透和開裂問題。研究將聚丙烯纖維作為增強相添加至混凝土體系中，探究不同聚丙烯纖維摻雜量對混凝土和易性、密度、力學強度和楊氏模量的影響規律，以制備出性能最佳的聚丙烯纖維增強混凝土，并在水利水電工程中得到廣泛的應用。

關鍵詞：聚丙烯纖維；混凝土；摻量；水利水電工程；實際應用

中圖分類號：TQ342+.62

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）11-0161-04

Study on workability and density of PPF modified composite materials for hydropower engineering

ZHANG Xi，SONG Zhencong，GONG Zhenru，JIA Weilong，GUAN Haolong

（HenanLuoning Pumped Storage Co.，Ltd.，Luoyang 471000，Henan China

）

Abstract：polypropylene fiber（PPF） is a lightweight thermoplastic fiber with a small diameter，low density，low elastic modulus，and no water absorption.Therefore，polypropylene fiber concrete usually exhibits excellent workability，mechanical properties，crack resistance，and impermeability.This makes it an effective material to solve the problem of concrete penetration and cracking in hydraulic and hydroelectric engineering.Polypropylene fiber was added to concrete system as reinforcement phase，and the influence law of different polypropylene fiber doping amount on concrete workability，density，mechanical strength and Youngs modulus was studied to prepare polypropylene fiber reinforced concrete with the best performance，and it was widely used in hydraulic and hydroelectric engineering.

Key words：polypropylene fiber;concrete;doping;hydraulic and hydroelectric engineering; practicalapplication

為了解決水利水電工程中的混凝土抗沖擊磨損技術問題，全球的學者對其進行了大量的研究。除了需要對建筑物的表面特性進行科學的水力設計外，更應采用優質的新型混凝土材料以及合理的施工方法來保護和修復排水建筑物。聚丙烯纖維混凝土最初用于美國軍事項目，主要用以增強混凝土的韌性［1-3］。聚丙烯纖維混凝土相較于普通混凝土，其脆性指數和彈性模量顯著降低，而極限拉伸變形顯著增大［4］。這些特性有助于提升混凝土的延展性，增強其抵抗變形的能力，進而有效抑制混凝土裂縫的擴展。因此聚丙烯纖維混凝土在水利水電工程中得到了廣泛的應用［5］。通過在混凝土中摻雜聚丙烯纖維，研究纖維摻量對混凝土和易性、密度和力學性能等性質的影響，旨在開發一種適用于水電水利工程的高性能混凝［6］。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

在試驗中所用的水泥為P·O42.5的普通硅酸鹽水泥，其主要性質見表1；通過X射線衍射分析確定碳酸鈣為水泥的主要成分。研究中所用的粗骨料和聚丙烯纖維（PPF）具體特性見表2和表3；其中，聚丙烯纖維為市售聚丙烯纖維，其平均長度為12 mm，有效直徑為25～42 μm，具體如圖1所示。

1.2 混凝土配合比

通過在混凝土中摻雜不同含量的聚丙烯纖維制備了幾種聚丙烯纖維增強混凝土，其摻量分別為0%、0.25%、0.5%、0.75%和1%。采用0.45的水灰比和0.75的膠砂比來配置強度大于25 MPa的標準混凝土。此外，為了保持所有樣品的均勻性，采用了聚羧酸高效減水劑，其使用劑量保持在水含量的0.5%～0.9%。

1.3 混凝土成型與養護

混凝土的攪拌使用手動裝載的實驗室攪拌機進行。聚羧酸高效減水劑最初與水混合以實現高效減水劑的均勻分散，高效減水劑的用量在水質量的0.5%～0.9%變化，以保持60 mm的最小坍落度值。此外，為了考慮高效減水劑對硬化性能的影響，將其添加到對比樣與聚丙烯纖維增強混凝土中。目前，配合比設計方法是分2個階段添加混合水［7-9］。

將所有骨料和一半的水混合2 min，然后加入水泥、沙子和剩余的水，并進一步攪拌2 min以獲得所需的和易性和可加工性。根據BIS（IS-1199-1959）標準，對所有樣品類型進行坍落度試驗，以確保制備的混凝土具有合適的和易性。養護24 h后，將樣品從模具中取出，放置于標準養護室養護至規定時間［10］。

對于抗壓強度測試，制備150 mm×150 mm×150 mm的標準立方體，在養護室養護7 d和28 d后進行抗壓強度測試［11］。對于抗彎強度測試，制備500 mm×100 mm×100 mm的標準長方體，在養護室養護28 d后進行抗彎強度測試［12］。對于劈裂強度測試，制備Φ150 mm×300 mm的標準圓柱樣品，在養護室養護28 d后進行劈裂強度測試［13］。此外，還需要準備16個圓柱形樣品，用于彈性模量測試。在試驗中，上述所有測試分別進行3次并取平均值作為實驗結果［14］。

2 結果與討論

2.1 和易性與密度

研究了不同摻量聚丙烯纖維混凝土的和易性和密度，具體結果如圖2所示。坍落度試驗顯示，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，制備的聚丙烯纖維混凝土可加工性進一步降低，可加工性變差［15］。而密度結果顯示，隨著聚丙烯纖維含量的增加，制備的混凝土整體密度均表現出下降的趨勢，其根本原因在于聚丙烯纖維的比重要明顯低于混凝土本身［16］。因此，為了配置聚丙纖維增強的高性能混凝土，要盡可能控制聚丙烯纖維的含量，保證混凝土最基本的可加工性［17］。

2.2 力學性能

混凝土具有良好的力學特性，聚丙烯纖維的加入降低了混凝土脆性，雖然會一定程度上降低混凝土抗壓特性，但會顯著增強其抗彎和抗拉特性［18］。不同摻量的聚丙烯纖維混凝土力學性能，如圖3所示。

由圖3（a）可知 ，由于聚丙烯纖維與混凝土基材的不相容性，制備的聚丙烯纖維混凝土抗壓強度會出現一定程度的降低。而對于劈裂強度和抗彎強度，當纖維摻量為0.5%～0.75%時，其劈裂強度和抗彎強度將增加至最大，可分別達到2.8 MPa和3.7 MPa，相對于未摻雜纖維的對比樣分別提升25%和15.6%。

為了從機理上驗證聚丙烯纖維增強混凝土力學強度提升的原因，通過場發射掃描電鏡對摻量為0.75%的混凝土微觀形貌做了分析，具體如圖4所示［19］。眾所周知，混凝土的力學強度由界面特性所決定。由圖3可以看出，聚丙烯纖維被大量C—S—H凝膠包裹，顯著增強了纖維的橋接能力，從而增大了混凝土抗劈裂和抗彎特性。然而，過量摻雜聚丙烯纖維又會導致混凝土內部出現大量裂紋和空隙［20］。因此，適量的摻雜聚丙烯纖維可以在保證混凝土抗壓強度的同時提升抗劈裂強度和抗彎特性，制備高性能纖維增強混凝土。

2.3 楊氏模量

摻量為0.75%的聚丙烯纖維混凝土微觀形貌如圖5所示。

由圖5可知，

隨著聚丙烯纖維含量的增加，混凝土的彈性模量整體呈現出先增大后降低的趨勢。當聚丙烯纖維的摻量保持在0.5%時，其彈性模量達到最大，為34.5 GPa。分析其原因，由于聚丙烯纖維具有良好的柔性和延展性，在混凝土中添加聚丙烯纖維對其裂縫增長、裂縫橋接以及裂紋延展提供了顯著的改善效果，可以顯著增強混凝土的抗變形能力和楊氏模量。然而，隨著聚丙烯纖維含量的進一步增加，混凝土體系內會出現較多的微裂紋，這又會顯著降低混凝土抵抗變形的能力，導致其楊氏模量顯著降低。因此，適量的聚丙烯纖維摻入會使得混凝土彈性模量先增加后減小，圖5中楊氏模量的變化規律以及圖4中展現出的微裂紋均驗證了這一點。

在試驗中，摻量為0.5%～0.75%的聚丙烯纖維混凝土具有良好的力學性能、抗裂強度高、韌性強，有望可以在水利水電工程得到廣泛的應用。在目前大壩和閘門的建設中，大壩和閘門起著至關重要的作用，它們對于控制水流、儲存水源、防止洪水有著舉足輕重的地位。因此，它們需要使用強度高、抗裂性強、耐久性好的材料，而上述制備的聚丙烯纖維混凝土正好滿足這些要求，這種混凝土的使用可以增強大壩和閘門的穩定性，從而提高工程的安全性和壽命。此外，像水電站建設、防洪墻和排水系統建設、海堤和港口建設中，聚丙烯纖維混凝土均可表現出顯著的優越性。使用聚丙烯纖維混凝土可以顯著提高上述水利水電工程的使用壽命和穩定性，可進一步提升水利工程的效益和可靠性。

3 結語

（1）0.5%～0.75%摻量的聚丙烯纖維混凝土可以保持良好的和易性，保持混凝土良好的易加工特性；

（2）隨著聚丙烯摻量的增加，混凝土密度逐漸降低，這是由于纖維的比重顯著低于混凝土導致的；

（3）當聚丙烯摻量增至0.5%時，混凝土抗劈裂和抗彎強度均顯著增加。然而，如果進一步增加聚丙烯纖維的摻量，混凝土抗劈裂和抗彎強度均呈現下降的趨勢。這是由于適量的聚丙烯纖維摻雜會導致聚丙烯纖維被大量C—S—H凝膠包裹，顯著增強纖維的橋接能力和混凝土的抗劈裂和抗彎特性。然而，過量摻雜聚丙烯纖維又會導致混凝土內部出現大量裂紋和空隙，使其力學性能顯著下降；

（4）隨著聚丙烯纖維摻量的增加，混凝土的彈性模量整體呈現出先增大后降低的趨勢。當聚丙烯纖維的摻量保持在0.5%時，其彈性模量達到最大，為34.5 GPa。

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收稿日期：2023-06-20；修回日期：2023-09-21

作者簡介：張 鈿（1984-），男，工程師，主要從事水電工程施工新技術研究；E-mail：hyom0919@163.com。

引文格式：張 鈿，宋振聰，龔振如，等.PPF改性水電工程用復合材料的和易性與密度研究［J］.粘接，2023，50（11）：161-164.