寒区聚丙烯纤维混凝土的抗冻性试验研究

刘 双，石振武，李兆林，张永志

(1．东北林业大学土木工程学院;2．内蒙古阿里河林业局)

1 混凝土简述

1．1 聚丙烯纤维

本研究中采用的四种纤维分别是聚丙烯单丝纤维、聚丙烯腈纤维、聚丙烯网状纤维和束状绞联增强聚丙烯纤维。为叙述方便，下文中将以上几种纤维分别称为1#、2#、3#和4#纤维，相应地，掺加了纤维的混凝土分别称为1#、2#、3#和4#混凝土，另外没有掺加纤维的混凝土称为0#混凝土。四种聚丙烯纤维的性能指标如表1所示。

表1 四种聚丙烯纤维的性能指标

由表1可见，四种聚丙烯纤维的抗拉强度值非常接近。1#纤维与2#纤维的长度与弹性模量有很大差异;1#纤维与3#纤维除了在形状上有所不同，其他方面差异不大;1#纤维与4#纤维在长度、形状和当量直径差距很大。

1．2 混凝土配合比

本试验采用哈尔滨亚泰天鹅P．O42．5普通硅酸盐水泥，水泥混凝土配合比设计按照设计抗压强度45MPa、设计抗弯拉强度4．5MPa进行设计，设计容重为2450kg/m3，水灰比为0．39，砂率为0．39，各种材料比例为 m水泥∶m水∶m砂∶m石∶m引气减水剂=390∶152．1∶709∶1108．9∶15．6。四种聚丙烯纤维掺量按表 2进行掺加。

表2 聚丙烯纤维掺加量 kg/m3

1．3 投料顺序

为了使聚丙烯纤维在混凝土中分散良好，并获得较好的工作性能，本试验采用图1所示的投料顺序进行混凝土拌和。

图1 混凝土拌和的投料顺序

1．4 力学性能

混凝土抗压强度试验按照《水泥混凝土立方体抗压强度试验方法》(T0553-2005)进行;混凝土抗折强度试验按照《水泥混凝土抗弯拉强度试验方法》(T0558-2005)进行。力学性能试验结果如表3所示，聚丙烯纤维混凝土强度相对普通混凝土提高幅度如表4所示。

表3 混凝土力学性能试验结果 MPa

表4 聚丙烯纤维混凝土强度提高幅度 %

表3结果显示五种混凝土的强度均能满足强度要求;表4显示聚丙烯纤维混凝土的抗压强度和抗折强度要高于普通混凝土，但效果不明显。

2 抗冻性试验研究

2．1 研究现状

混凝土抗冻性是指混凝土在饱水状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏的能力。与普通混凝土相比，掺人聚丙烯纤维后混凝土的抗冻性能可以得到提高。原因在于混凝土中掺人聚丙烯纤维，可以缓解因温度变化而引起的混凝土内部的温度应力，当初始裂纹发生后，可以阻止温度裂缝的进一步发展。

2．2 抗冻性试验

混凝土抗冻性试验按照《水泥混凝土抗冻性试验方法(快冻法)》(T0565-2005)进行。按照配合比制取每组3个100mm×100mm×400mm标准立方体试件，并将试件放入标准养生室养护，其中温度为20℃ ±2℃，相对湿度保持95%以上。试件养生龄期为28d，在规定龄期的前4d，将试件放在20℃±2℃的饱和石灰水中浸泡，水面至少高出试件20mm，浸泡4d后进行试验。冻融试验达到以下三种情况的任何一种时，即可停止试验：(1)冻融至300次循环;(2)试件的相对动弹性模量下降至60%以下;(3)试件的质量损失率达5%。

2．3 试验结果及分析

根据试验结果，经历300次冻融循环后，混凝土的相对动弹性模量、质量减少率与冻融循环次数的变化情况分别如图2和图3表示。

(1)由图2以看出，在整个试验过程中，所有混凝土试件的相对动弹性模量都下降。参照图3以看出，由于相对动弹性模量降低至60%以下而结束试验的2#和4#混凝土，其质量减少率均没有超过5%。另外，经过50次冻融循环，五种混凝土试件的相对动弹性模量均下降至95%左右。

图2 混凝土相对动弹性模量

图3 混凝土质量减少率

由图3可以看出，50次冻融循环结束后，五种混凝土的质量都有所增加，但所有混凝土试件并没有表皮脱落的现象。这主要是由于混凝土试件在冻融循环中充分吸水所致。同时参考图2，五种混凝土的动弹性模量变化很小，说明进入混凝土内部外界水并没有使其强度降低。随着冻融循环次数的增加，0#混凝土的质量损失都远远大于掺加了聚丙烯纤维的混凝土，造成这种现象的主要原因是混凝土内部大量分布的聚丙烯纤维起到了抗剥落作用，避免了试件表皮脱落所引起的质量损失。

(2)将1#和3#混凝土与0#混凝土对比，不难发现，1#纤维和3#纤维对混凝土的抗冻性有显著提高。虽然在前200次冻融循环过程中，0#混凝土在相对动弹性模量方面与1#和3#的差异性很小，但经过最后100次冻融循环，其相对动弹性模量大幅度下降。这是因为经过200次的冻融循环而积累的试件内部损伤才逐渐表现出来，并且损伤的速率开始加快。而聚丙烯单丝纤维和聚丙烯网状纤维直径很细、单位体积内分布比较广泛，可以较好地抑制混凝土内部的塑性开裂，缓解混凝土在冻融过程中出现的内应力。因此，这两种聚丙烯纤维混凝土的抗冻性有所提高。

1#和3#混凝土在整个冻融循环过程中，相对动弹性模量和质量减少率保持了极为相似的变化趋势，而且经过300次冻融循环，这两种混凝土的相对动弹性模量均能保持在90%以上。然而从质量损失方面看，3#混凝土的质量损失速率大于1#混凝土，表明1#纤维对于混凝土的抗冻性的提高要优于3#纤维。

(3)将2#和4#混凝土与0#混凝土对比，2#纤维和4#纤维非但没有提高混凝土的抗冻性，反而使其大大降低，冻融循环次数仅仅达到200次和250次。

在50次冻融循环之后，2#混凝土的相对动弹性模量几乎成直线下降，经过200冻融循环即降至59%;4#混凝土的相对动弹性模量虽然在150～200次冻融循环中变化较小，但是整体的下降趋势非常明显，经过250冻融循环即降至58．5%。

虽然2#混凝土仅仅经过200次冻融循环就停止试验，但该混凝土没有出现大面积表皮脱落，这一点从图3可以明显看出：即其质量变化很小。同时参照表1可以看出，2#纤维的直径和长度相对更小，从而使其在混凝土内部分布更为均匀，阻碍了混凝土虽然有表皮脱落的趋势;另一方面4#混凝土的质量减少率很大，仅仅低于0#混凝土。但是，2#纤维和3#纤维的掺入均使得新拌混凝土的流动性变差，从而影响硬化后混凝土的密实度与均匀性，混凝土中有害空隙、毛细管等内部缺陷的增多导致抗冻性下降。

3 结论

(1)聚丙烯纤维的掺人对于混凝土抗压强度和抗折强度的提高作用并不显著。

(2)一些聚丙烯纤维(如聚丙烯单丝纤维和聚丙烯网状纤维)能够提高混凝土的抗冻性，提高效果比较明显;而一些聚丙烯纤维(如聚丙烯腈纤维和束状绞联增强聚丙烯纤维)，不但没有提高混凝土的抗冻性，还使其相应混凝土的抗冻性明显下降。

(3)抗冻性试验结果表明，聚丙烯单丝纤维能够提高混凝土的抗冻性，并且明显优于其他三种聚丙烯纤维，300次冻融循环后的相对动弹性模量高达90．4%，并且能够改善钢纤维在混凝土中的缺点，在寒区混凝土应用中具有重要作用，拥有很好的应用前景。

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