P P或P a 6纤维增强混凝土及界面过渡区的研究

孟凯，曹红红，张建军，吴还珠

（1. 中北大学材料科学与工程学院，山西 太原 030051；2. 山西喜跃发路桥建筑材料有限公司，山西 太原 030100）

0 引言

与钢纤和无机纤维相比，合成高分子纤维因力学性能优良、质轻且耐蚀性好等诸多优点，在纤维增强混凝土中的应用日渐广泛，尤其是拉丝性能好的聚丙烯（PP）和聚酰胺 6（Pa6）纤维[1-3]。作为纤维增强混凝土力学性能薄弱环节的纤维界面一直是众多学者的关注重点，对其研究包括界面力学分析、粘结性能及其分析方法等[4-6]。混凝土骨料界面过渡区是骨料外表面 10～50μm 左右的区域，具有多孔低强和 CH 晶粒大且取向度高的特点。随低水灰比的降低和硅灰掺量的增加，过渡区的微结构得以改善：孔隙消失、CH 取向度降低且 C-S-H 凝胶可进入过渡区[7-8]。外掺的 PP 和 Pa6纤维，无论其表面极性、表面能还是力学性能和密度，都与常见的无机骨料有显著的区别（表 1），这些区别都将影响到纤维过渡区的形成和结构特征，进而影响混凝土的施工和力学性能。为此，本文在试验 PP 或 Pa6纤维的长度和掺量对 C50 混凝土坍落度和抗折强度影响的基础上，用 SEM 和 EPMA 方法研究了水泥石—PP或 Pa6 纤维界面过渡区的结构特征，以及加萘系减水剂的影响。

1 试验部分

1.1 试验材料

试验所用的混凝土强度等级为 C50，配合比设计如表 2 所示。

表 1 高分子纤维和骨料的性能对比

表 2 C 5 0 混凝土配合比 k g/m3

聚丙烯（PP）和尼龙（Pa6）纤维直径 160μm，剪成不同长度掺加入混凝土。

1.2 试验方法

掺加纤维的混凝土测定完坍落度后再装模，标准养护 24h 拆模继续养护至 28 天。根据 GB/T 50081—2002采用三分点弯曲试验法，在 WE-600B 型数显万能材料试验机测试抗折强度。

将 100g 水泥、外加剂（掺量 1.0%）、纤维（纤维掺量为 0.9%、长度为 9～11 mm）和水（W/C=0.4）加入水泥净浆搅拌机，拌合好后，装 (2×2×2)cm3试模，养护至 28 天后用无水乙醇终止水化，在 50℃ 和 100～120mmHg 下抽空 4～6 小时，保存备用。在 EVO MA15型扫描电镜上进行 SEM 和 EPMA 的界面区特征分析。

2 试验结果和分析

2.1 掺加纤维对混凝土性能的影响

在 C50 混凝土中掺加不同量的 9～11mm 长的 PP或 Pa6 纤维，混凝土的坍落度和 28 天抗折强度如表 3所示。随 PP 或 Pa6 纤维掺量的增加，混凝土坍落度逐渐下降，尤其在 2.5kg/m3掺量时坍落度下降达到 50%以上；抗折强度则随纤维掺量的增加而增加，在 2kg/m3掺量时达到 44% 的最大增幅，但是掺量 2.5kg/m3时抗折强度开始下降；在相同掺量下，掺加 Pa6 纤维比掺加PP 纤维的抗折强度要高出约 5%。

表 3 纤维掺量对混凝土性能的影响

在 Pa6 纤维掺量 1.2kg/m3下，改变纤维长度，混凝土的坍落度和抗折强度如表 4 所示。可见，随 Pa6 纤维长度的增加，抗折强度逐渐增加而坍落度则明显下降。

表 4 掺加不同长度尼龙纤维的混凝土抗折强度

2.2 PP 和 Pa 6 界面过渡区的结构特征

图 1 为 PP 和 Pa6 纤维与水泥净浆界面的 SEM图，两种纤维与水化产物之间结合并不紧密，都有约2～4μm 的间隙，与玄武岩纤维的界面类似（图 2），表面极性相差很大的纤维的间隙尺度区别并不明显，但刚性的玄武岩纤维水化产物的界面轮廓更明显一些，且都未发现晶粒大且取向度高的 CH。

图 1 PP 和 Pa6 纤维的界面过渡区 SEM

表 5 为图 1 中界面过渡区 SEM 中六个点的主要元素分析结果，A、C、E 三点靠近界面间隙，B、D、F三点离界面间隙 10μm 以上，远近两点的 Ca 和 Si 元素并未出现明显的富集和贫化。

图 2 为 Pa6 纤维界面过渡区 Ca 和 Si 元素面扫描，与玄武岩纤维界面过渡区 Ca 元素面扫描结果，与定点定量分析的结论是一致的。

3 结论

（1）掺加 PP 和 Pa6 短纤维都可以增加混凝土的抗折强度，在掺量为 2kg/m3时可达到 44% 的最大增幅，但掺加纤维将影响混凝土的流动性；增加纤维长度可以增加混凝土的抗折强度，同样也会影响混凝土的流动性。

表 5 定点定量主要元素分析结果

（2）PP 和 Pa6 纤维界面过渡区，除水化产物的界面轮廓不明显外，与刚性玄武岩纤维的界面过渡区结构特征一致，在界面过渡区内未发现明显的元素富集现象和 CH 取向。

图 2 P a 6 和玄武岩纤维界面过渡区的元素面扫描

[1] 赵国藩，刘亚平．钢纤维增强混凝土的应用[J]．混凝土与水泥制品，1987(02): 16-18．

[2] 李俊毅，陈家华．尼龙纤维增强混凝土的试验研究[J]．混凝土与水泥制品，1998(5): 48-51．

[3] 张付东．关于水泥混凝土中化学合成纤维的运用研究[J]．当代化工，2014，43(10): 2084-2089．

[4] 王志，胡晓波，鲍光玉，等．纤维—水泥基体界面粘结性能研究述评[J]．混凝土，2003(11): 7-10．

[5] 李建辉，邓宗才，张建军，等．合成纤维与混凝土界面粘结性能研究与发展[J]．混凝土，2005(3): 31-34．

[6] 刘永胜．纤维混凝土增强机理的界面力学分析[J]．混凝土，2008(4): 34-35．

[7] 何小芳，缪昌文，张云升，等．水泥基材料界面过渡区结构及其性能的分析方法综述[J]．混凝土，2009(10): 19-23．

[8] 冯乃谦．高性能混凝土结构[M]．北京：机械工业出版社，2004．