纤维增强混凝土的试验研究

□文/尹秀波

纤维增强混凝土的试验研究

□文/尹秀波

文章论述了聚丙烯纤维混凝土的特点和主要性能，通过在基体混凝土中掺加聚丙烯纤维对混凝土进行改性，试验主要是通过对混凝土力学性能的测试，检验纤维对混凝土改性的效果。初步的研究结果表明，在基体混凝土中掺加1.3 t/m3的聚丙烯纤维最为适宜并建议添加适量的粉煤灰(替代20%的水泥)对混凝土原料进行复配。

聚丙烯纤维；混凝土；力学性能；粉煤灰

纤维增强混凝土简称纤维混凝土，它是以水泥浆、砂浆或混凝土为基体，以金属纤维、无机非金属纤维、合成纤维或天然有机纤维为增强材料组成的复合材料[1]。在纤维混凝土中，由于纤维以单位体积内较大的数量均匀分布于混凝土内部，故混凝土由收缩变形引起的微裂缝在产生的过程中必然遭遇纤维的阻挡，消耗了能量，难以进一步发展。纤维可以提高混凝土的抗拉强度，同时钝化原生裂隙尖端的应力集中。

纤维混凝土在工程中应用比较广泛，用量较大的有石棉纤维水泥制品和玻璃纤维水泥制品，钢纤维混凝土以及合成纤维混凝土[2]。合成纤维用于增强水泥混凝土最早于1965年由S.Goldfein提出，他建议用聚丙烯纤维作为混凝土掺合料，建造美国工兵部队的防爆建筑。随后，由于其优良的品质和低廉的价格，聚丙烯纤维混凝土被迅速推广应用。据悉，目前美国所用混凝土总量中合成纤维混凝土约占7%，超过先期研究的钢纤维混凝土3%的比例。高性能聚丙烯改性纤维混凝土，是21世纪水泥基材料的发展方向之一，据专家预测，21世纪初将是我国钢筋混凝土破坏的高峰期，每年所需维修费将高达数千亿元；而聚丙烯能改善混凝土的耐久性，使混凝土高性能化，效果显著，在建筑行业中将会具有广阔的发展前景。

虽然砂浆与混凝土的性能存在差异，但纤维改性的机理是相似的。本文采用在砂浆中添加纤维掺合料的方法，研究纤维对混凝土性能改善的问题。分别测试了样品第3 d和第28 d的抗折、抗压强度性能，以此来检验纤维对混凝土力学性能的改善情况。鉴于粉煤灰在混凝土工程中的大量应用，其对混凝土性能的改善作用已得到公认，故本文考虑将纤维及粉煤灰共同作为混凝土掺合料，对其应用于混凝土工程进行初步研究。

1　试验方案

1.1原材料

1）水泥：骆驼425普通硅酸盐水泥。

2）标准砂：厦门艾思欧标准砂。

3）聚丙烯纤维：天津市欣晨建筑材料有限公司生产。

4）减水剂：天津市政工程公司12%高效减水剂。

5）粉煤灰：天津市第一热电厂Ⅰ级超细粉煤灰。

表1中给出了聚丙烯纤维的主要性能指标，表2和表3中分别给出了粉煤灰的物理性能及其化学成分组成。

表1　聚丙烯纤维性能指标

表2　粉煤灰的物理性能

表3　粉煤灰的化学组成%

1.2试验仪器

水泥胶砂搅拌机：JJ-5型，绍兴市肯特机械电子有限公司。

水泥胶砂振实台：ZT36型，绍兴市肯特机械电子有限公司。

标准恒温恒湿养护箱：YH-40B型，天津市锡宁建筑仪器总厂。

水泥电动抗折试验机：KZJ-5000-1型，山东省荣成市石岛仪器厂。

电子液压式压力试验机：YAW-300C型，北京海智科技开发中心。

水泥细度负压筛析仪：FSY-150B型，天津庆达试验仪器有限公司。

1.3性能测试

分别对试块进行3 d和2 d抗折和抗压试验并按照相应的标准要求对强度值进行计算。

2　试验结果与讨论

2.1砂浆添加减水剂和粉煤灰的试验

在不添加任何外加剂的情况下，按照标准砂浆配合比(水灰比=0.47)进行试验，砂浆不易拌和，考虑到减水剂在工程界及学术界已得到广泛认同和应用，故在方案1中在基础砂浆的基础上添加减水率为12%的高效减水剂，添加量为水泥量2%，方案2中采用粉煤灰替代部分水泥，具体配合比见表4。

表4　方案1配合比g

经观察砂浆拌和较易，减水效果明显(水灰比=0.41)。分别对上述试验的3、28d强度进行试验，见表5和表6。

表5　抗折试验比较MPa

表6　抗压试验比较MPa

由表5和表6可以看出，尽管方案2的3d抗折、抗压强度略低，但其28 d性能明显高于方案1。综合考虑，在实际应用中用适量的粉煤灰替代水泥能够起到混凝土的增强作用。

2.2砂浆掺加聚丙烯纤维试验

在方案1、2的基础上分别添加不同量的聚丙烯，确定试验方案3～6，见表7。

表7　纤维砂浆方案g

分别对上述试验进行3、28 d的力学性能试验，见表8和表9。

表8　纤维砂浆抗折试验比较MPa

表9　纤维砂浆抗压试验比较MPa

由表8和表9可以看出，在砂浆中掺加1 g聚丙烯纤维，其抗折及抗压性能均有不同程度的改良。同时其与文献中列举的最佳掺合量（0.9～1.5 kg/m3即0.7～1.15g)基本吻合。同时，在纤维混凝土中掺加适量的粉煤灰，对混凝土各项性能产生有益的影响，具有较高的实际应用价值。

另外，通过制作混凝土试块并做抗压试验观察，可以看出，素混凝土破坏严重，伴有松落，大量裂缝等现象，而纤维混凝土除边角小部分松落，其结构基本完好，更具实际应用价值。

3　结论

1）聚丙烯纤维对混凝土力学性能具有积极的影响，尤其在改普混凝土抗折强度等方面比较突出。

2）聚丙烯纤维可显著改善混凝土材料的阻裂性能，它在混凝土中起阻裂和细化裂缝的作用，改善程度与掺量等因素有关。实际工程中可在混凝土构件中适当使用聚丙烯纤维。

3）粉煤灰替代一定量的水泥(推荐量为20%)，其性能指标不但不会随成本的减少而降低，反而会大大提高，具有实际应用价值，并已得到实践的检验。

4）粉煤灰与聚丙烯纤维共同掺入混凝土，既可以发挥各自的作用，又可以优势互补，增强混凝土的力学性能。

[1]黄承逵.纤维混凝土结构[M].北京：机械工业出版社,2004.

[2]铁道部产品质量监督中心.建筑材料及工程质量检验[M].北京：中国铁道出版社,1999.

□DOI编码：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.04.002

□TU528.41

□C

□1008-3197（2015）04-03-03

□2015-05-21

□尹秀波/女，1974年出生，高级工程师，天津一建建筑工程有限公司，从事建筑材料及建筑工程检测方面的研究和管理工作。