聚丙烯纤维掺量与长度对混凝土新拌性能的影响研究

万 新 唐杰斌 熊志武

（广东电网有限责任公司广州供电局）

0 引言

混凝土因其原材料来源广泛，生产工艺简单，生产成本较低，且具有良好的抗压强度、可模性、耐久性和耐火性等优点，一直被土木工程界所青睐。然而，随着时代的发展，各种超限高层建筑物和大体积混凝土的应用，使普通混凝土抗拉强度低、韧性差、易产生裂缝等缺点逐渐显现。为了满足新时代的需求，人们致力于高性能混凝土（high-performance concrete，HPC）的研发，而纤维增强混凝土就是其中之一[1]。

虽然加入纤维可以有效提高混凝土抗拉强度，改善其抗开裂、抗收缩性能，但对混凝土的流变性能却可能有不利影响[2-5]。特别是对HPC，纤维对流变性能的影响更不能忽视，因为HPC 不仅要求硬化混凝土良好的力学性能，还要求新拌混凝土具有良好的新拌性能[6，7]。

虽然常规坍落度法是目前用于评价混凝土和易性能最为广泛的试验方法，但其坍落度指标仅能综合表征新拌混凝土的屈服应力，难以对其塑性粘度做出评价，也无法对其他新拌性能进行评估，故而仅靠常规坍落度法难以准确地评定高性能混凝土的新拌性能[8，9]。

因此，为了更系统研究纤维增强混凝土的新拌性能，本研究以聚丙烯纤维（polypropylene Fibre，PPF）增强混凝土为对象，采用坍落扩展度试验、J 环试验、V型漏斗试验和筛析稳定性试验来综合研究在不同水灰比、PPF 掺量、PPF 长度下，混凝土和易性、间隙通过性、流动性和抗离析稳定性的变化规律，为纤维增强混凝土的配合比设计提供有益参考。

1 原材料

⑴水泥：广州石井水泥公司生产的强度等级为42.5 的普通硅酸盐水泥，其性能参数见表1。

表1 水泥性能参数

⑵骨料：细骨料采用厦门艾思欧标准砂有限公司提供的ISO 标准砂，其最大粒径为1.18mm，表观密度为2.66g/cm3，细度模数为2.0。粗骨料采用花岗岩碎石，5mm～10mm 连续级配，表观密度为2.68g/cm3。

⑶高效减水剂：苏博特新材料有限公司提供的第三代聚羧酸高效减水剂，其固含量为20%，密度为1.03 g/cm3。

⑷聚丙烯纤维：深圳维特耐工程材料有限公司的WK-2 型聚丙烯纤维，其相应的性能参数见表2。

表2 纤维性能指标

⑸拌合水：普通自来水。

2 试验方案

2.1 配合比设计

为了研究水灰比、PPF 掺量、PPF 长度对新拌混凝土流变性能的影响，本研究共分两部分：第一部分，研究水灰比和PPF 掺量的影响；第二部分，研究水灰比和PPF长度的影响。

混凝土配合比的主要参数如下：浆体体积（水+水泥体积占混凝土总体积的百分比）：36%；水灰比：0.30，0.35，0.40，0.45；减水剂掺量（减水剂质量与胶凝材料质量的百分比）：1.5%；砂率：0.5。

对于第一部分，PPF 掺量（纤维体积占混凝土总体积的百分比）定为0.00%、0.06%、0.09%、0.12%、0.15%，而纤维长度固定为9mm。对于第二部分，纤维掺量固定为0.09%，而纤维长度分别为3mm、6mm、9mm、19mm。

2.2 试验方法

本研究采用坍落扩展度试验、J 环试验、V 型漏斗试验和筛析稳定性试验，综合研究PPF 混凝土拌合物的流变性能。各试验将按照相关规范[10，11]进行，具体试验方法如下。

2.2.1 坍落扩展度试验

试验按《JGJT 283－2012》[10]规程进行，测量混凝土拌合物在坍落扩展过程中的最大扩展直径以及与之垂直的直径的平均值作为扩展直径，再扣减坍落度筒底部直径作为坍落扩展度（flow spread），以此表征混凝土拌合物的和易性。

2.2.2 J环试验

该试验按《JGJT 283－2012》[10]规程进行。该试验测量有J 环阻碍下混凝土的最大扩展直径以及与之垂直的直径的平均值作为扩展直径，再扣减坍落度筒底部直径作为J 环坍落扩展度，再将J 环坍落扩展度与不加J环时的坍落扩展度的比值（用百分比表示）作为间隙通过比（gap passing ratio），以此表征混凝土拌合物的间隙通过性。

2.2.3 V 型漏斗试验

该试验按英国标准《BS EN 12350》[11]进行，测量混凝土拌合物从V 型漏斗中的流空时间，再用V 型漏斗槽内体积除以流空时间得出流速（flow rate），以此表征混凝土拌合物的流动性。

2.2.4 筛析稳定性试验

该试验按英国标准《BS EN 12350》[11]进行，采用孔径为5mm 的方孔筛。试验时，将混凝土拌合物从上方倒入方孔筛，通过称量从方孔筛流出到底盘的混凝土质量，除以所倒入的混凝土质量，所得到的比值（用百分比表示）作为筛析指数（sieve segregation index，SSI），以此表征混凝土拌合物的抗离析稳定性。

3 结果与讨论

3.1 水灰比与PPF 掺量对混凝土流变性能的影响

3.1.1 坍落扩展度

不同PPF 掺量下混凝土拌合物的坍落扩展度随水灰比的变化情况如图1 所示。如图可见，在相同PPF 掺量下，坍落扩展度随水灰比的增加而增加，这说明水灰比可以提高混凝土拌合物的和易性。更重要的是，在相同水灰比下，坍落扩展度随PPF 掺量的增加而降低，尤其在低水灰比0.3 时，PPF 掺量对和易性的降低更为显著。这说明PPF 掺量会显著降低混凝土拌合物的和易性。

图1 不同纤维掺量下坍落扩展度随水灰比的变化

3.1.2 间隙通过比

不同PPF 掺量下混凝土拌合物的间隙通过比随水灰比的变化情况如图2 所示。需要说明的是，在0.3 水灰比下，没有掺PPF 混凝土的间隙通过比结果是因为在该配合比下混凝土拌合物未能扩展穿过J 环。如图可见，在相同PPF 掺量下，间隙通过比随水灰比的增加而增加，这说明水灰比可以提高混凝土拌合物的间隙通过性。更重要的是，在相同水灰比下，间隙通过比随PPF 掺量的增加而降低，尤其在低水灰比0.3 时，掺PPF 使得混凝土无法扩展至J 环。这表明PPF 掺量会显著降低混凝土拌合物的间隙通过性。

图2 不同纤维掺量下间隙通过比随水灰比的变化

3.1.3 流速

不同PPF 掺量下混凝土拌合物的流速随水灰比的变化情况如图3 所示。从图可见，在相同PPF 掺量下，流速随水灰比的增加而增加，这说明水灰比可以提高混凝土拌合物的流动性。更重要的是，在相同水灰比下，流速随PPF 掺量的增加而显著降低，尤其在低水灰比0.3时，掺入PPF 已使得混凝土无法流出V 型漏斗。这说明，PPF 掺量会显著降低混凝土拌合物的流动性。

图3 不同纤维掺量下流速随水灰比的变化

3.1.4 筛析指数

不同PPF 掺量下混凝土拌合物的筛析指数随水灰比的变化情况如图4 所示。从图中可以发现，在相同PPF 掺量下，筛析指数随水灰比的增加而逐渐增加，这说明水灰比会降低混凝土拌合物的抗离析稳定性。更重要的是，在相同水灰比下，筛析指数随PPF 掺量的增加而显著降低，由其在低水灰比0.30 和0.35 时，掺入纤维已使混凝土离析指数几乎为零。这表明PPF 掺量可以显著提高混凝土拌合物的抗离析稳定性。

图4 不同纤维掺量下筛析指数随水灰比的变化

3.2 水灰比与PPF 长度对混凝土流变性能的影响

3.2.1 坍落扩展度

不同PPF 长度下混凝土拌合物的坍落扩展度随水灰比的变化情况如图5 所示。与第一阶段结果类似，坍落扩展度随水灰比的增加而增加。更重要的是，在相同水灰比下，坍落扩展度随PPF 长度的增加而逐渐降低。这表明PPF 长度会降低混凝土拌合物的和易性。

图5 不同纤维长度下坍落扩展度随水灰比的变化

3.2.2 间隙通过比

不同PPF 长度下混凝土拌合物的间隙通过比随水灰比的变化情况如图6 所示。需要说明的是，在较低水灰比和PPF 长度较长的情况下，由于混凝土拌合物未能扩展穿过J 环，因此没有间隙通过比的试验结果。与第一阶段结果类似，间隙通过比随水灰比的增加而增加。更重要的是，在相同水灰比下，间隙通过比随PPF 长度的增加而降低，尤其在低水灰比0.30 时，掺入纤维已使混凝土无法扩展至J 环。这表明PPF 长度会显著降低混凝土拌合物的间隙通过性。

图6 不同纤维长度下间隙通过比随水灰比的变化

3.2.3 流速

不同PPF 长度下混凝土拌合物的流速随水灰比的变化情况如图7 所示。与第一阶段结果类似，流速随水灰比的增加而增加。更重要的是，在相同水灰比下，流速随PPF 长度的增加而降低，由其在低水灰比0.3 时，掺入纤维已使得混凝土几乎无法流出V 型漏斗。这表明PPF 长度会显著降低对混凝土拌合物的流动性。

图7 不同纤维长度下流速随水灰比的变化

3.2.4 筛析指数

不同PPF 长度下混凝土拌合物的筛析指数随水灰比的变化情况如图8 所示。与第一阶段结果类似，流速随水灰比的增加而增加。更重要的是，在相同水灰比下，筛析指数随PPF 长度的增加而显著降低。这充分表明PPF 长度可以显著提高混凝土拌合物的抗离析稳定性。

图8 不同纤维长度下筛析指数随水灰比的变化

3.3 分析与讨论

从试验结果可知，水灰比可以提高新拌混凝土的和易性、间隙通过性和流动性，但会降低抗离析稳定性。这是由于水灰比的提高会使混凝土中水量增加，使混凝土更易于流动。

另一方面，PPF 掺量和长度均对混凝土拌合物的流变性能有显著影响：降低新拌混凝土的和易性、间隙通过性和流动性，但可以显著提高抗离析稳定性。其主要原因可能在于混凝土基体内的纤维会相互搭接构成“三维网状结构”，该结构一方面增大了拌合物内部摩擦阻力阻碍了混凝土的流动，但同时该结构可以有效包裹拌合物颗粒，从而提高了拌合物的整体性，改善抗离析性能。

4 结论

本试验综合采用坍落扩展度试验、J 环试验、V 型漏斗试验和筛析稳定性试验，对水灰比、PPF 掺量、PPF 长度变化的纤维增强混凝土拌合物的新拌性能进行了系统研究。得到的主要结论如下：

⑴水灰比从0.30 提高至0.45 可以提高混凝土拌合物的和易性、间隙通过性和流动性，但会降低抗离析稳定性。

⑵PPF 掺量从0.00%提高至0.15%会降低混凝土拌合物的和易性、间隙通过性和流动性，但可以提高抗离析稳定性。

⑶PPF 长度从3mm 提高至19mm 会降低混凝土拌合物的和易性、间隙通过性和流动性，但可以提高抗离析稳定性。

⑷在纤维增强混凝土，尤其是HPC 设计时，应综合考虑纤维掺量和长度对各项新拌性能的影响，优选PPF的掺量和长度，以实现混凝土性能的最优。