聚丙烯纤维长度和掺量对混凝土耐久性影响试验研究

汪华莉

（泸州职业技术学院 建筑工程学院，四川 泸州 646000）

0 引言

高性能混凝土既能够保证建筑力学等性能要求，同时也能够实现节材等环保要求。因此高性能混凝土的研发是绿色建筑的重要研究热点之一。杨涛[1]分析了原材料的技术参数对高强混凝土的影响规律。目前从施工、设计和基本材料等方面得出了高性能混凝土的最佳配合比方案，在混凝土中掺入活性纤维材料也成为当下研究高性能混凝土的手段之一。马士宾等[2]研究了聚丙烯纤维掺量对高性能混凝土工作性、力学性能和抗冲击性能的影响。杨力辉等[3]提出了聚丙烯纤维自燃煤矸石轻骨料混凝土的配合比设计方法。徐礼华等[4]通过单轴循环加载试验，研究了聚丙烯纤维混凝土的力学行为。姚秀鹏等[5]的研究得出，在高温环境下聚丙烯纤维的掺量及长度对混凝土的表观密度和孔隙率无明显影响。周兴宇等[6]研究了多尺度聚丙烯纤维混凝土的力学性能，破坏后的外貌形态以及损伤演化过程的差异。林海威等[7]探究了聚丙烯纤维类型对透水混凝土抗拉性能的改善作用。在混凝土中掺入纤维材料能有效提高混凝土的力学性能、工作性能和耐久性能。本试验研究了聚丙烯纤维掺量和长度对混凝土坍落度、抗压强度和抗氯离子侵蚀性能的影响。

1 试验

1.1 原材料

水泥：P·O42.5水泥，郑州市建文特材科技有限公司，主要化学成分见表1；磷渣：宁波鼎创新材料有限公司生产，粒径约为3 mm，密度2.84 g/cm3；骨料：青州市双盈环保设备有限公司生产，粗骨料为5~15 mm碎石，细骨料为机制砂，细度模数2.7；聚丙烯纤维：石家庄丰瑞建筑材料有限公司，长度分别为11、13、16、20、24 mm，抗拉强度518 MPa，密度0.84 g/cm3；水：自来水。

表1 水泥的主要化学成分 %

1.2 试验方法

混凝土基准配合比（kg/m3）为：m（水泥）∶m（机制砂）∶m（磷渣）∶m（碎石）∶m（水）=230∶297∶26∶662∶90。控制聚丙烯纤维长度为16 mm，研究聚丙烯纤维体积掺量分别为0、0.2%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%时对混凝土工作性能、力学性能和耐久性能测试影响；控制聚丙烯纤维掺量为1.0%，研究聚丙烯纤维长度分别为11、13、16、20、24 mm时对混凝土工作性能、力学性能和耐久性能的影响。

混凝土拌合物坍落度参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试；混凝土抗压强度参照GB/T 50081—2019《混凝土力学性能试验方法标准》进行测试；氯离子渗透深度参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行测试。

试验仪器设备：德卡精密量仪（深圳）有限公司生产的坍落度测试仪、长春新特试验机有限公司生产的万能试验机、北京京晶科技有限公司生产的氯离子渗透仪、苏州沃弗本精密机械有限公司生产的扫描电镜。

2 试验结果与分析

2.1 聚丙烯纤维掺量对混凝土性能的影响（见表2）

表2 聚丙烯纤维掺量对混凝土性能的影响

由表2可见：

（1）随着聚丙烯纤维掺量的增加，混凝土的坍落度逐渐减小，聚丙烯纤维掺量为1.0%、2.0%的混凝土坍落度较未掺聚丙烯纤维的基准组分别减小了9.5%、11.9%。这是因为，聚丙烯纤维能够填充混凝土的内部空隙，提高混凝土的密实度，从而减小混凝土的坍落度；但当聚丙烯纤维掺量过多时，混凝土的空隙已填满，纤维对混凝土的坍落度不会产生明显的改变，坍落度的减小幅度变缓。

（2）随着聚丙烯纤维掺量的增加，混凝土的抗压强度先提高后降低，聚丙烯纤维掺量为1.0%时混凝土抗压强度最高，较基准组提高了12.9%。这是因为，聚丙烯纤维能够填充混凝土的内部空隙，提高混凝土的密实度，从而提高混凝土的抗压强度。但当过量的聚丙烯纤维掺入混凝土中时，混凝土的抗压强度则会出现下降规律。这是因为纤维掺量过多时，包裹纤维的水泥浆含量相对变少，出现薄弱界面，导致抗压强度降低。

（3）随着聚丙烯纤维掺量的增加，混凝土的氯离子渗透深度先减小后增大，聚丙烯纤维掺量为1.0%时混凝土的氯离子渗透深度最小，较基准组减小了20.8%。

（4）综合坍落度、抗压强度和氯离子渗透深度，本试验中聚丙烯纤维的最佳掺量为1.0%。

2.2 聚丙烯纤维长度对混凝土性能的影响（见表3）

表3 聚丙烯纤维长度对混凝土性能的影响

由表3可见：

（1）随着聚丙烯纤维长度的增加，混凝土的坍落度逐渐增大。这是因为，纤维的长度越长，其分散性越差，导致混凝土的坍落度增大。对比表2可知，掺入1.0%、长度为24 mm聚丙烯纤维时，其对混凝土坍落度的影响等同于掺入0.5%、长度为16 mm的聚丙烯纤维。

（2）随着聚丙烯纤维长度的增加，混凝土的抗压强度逐渐降低、氯离子渗透深度逐渐增大。这是因为，当纤维长度逐渐增大时，较长的纤维不能完全填充混凝土的内部孔隙，从而降低混凝土的密实度，导致抗压强度降低、氯离子渗透深度增大。对比表2可知，掺入1.0%、长度为24 mm聚丙烯纤维时，其对混凝土抗压强度和氯离子渗透深度的影响等同于掺入0.5%、长度为16 mm的聚丙烯纤维。

（3）综合坍落度、抗压强度和氯离子渗透深度，本试验中聚丙烯纤维的长度应小于16 mm。

2.3 微观分析

对水化28 d基准混凝土、掺1.0%聚丙烯纤维（纤维长度分别为16、20 mm）的混凝土进行微观分析，结果见图1。

图1 基准混凝土与聚丙烯纤维混凝土的SEM照片

由图1可见，水化28 d后，相比于聚丙烯纤维混凝土，基准混凝土的微观结构松散，孔洞较多，孔隙率较大；对比2种不同纤维长度的聚丙烯纤维混凝土可以看出，随着纤维长度的增加，混凝土的微观结构分散不均匀也逐渐增加，部分纤维会凝聚在一起。

3 结论

（1）随着聚丙烯纤维掺量的增加，混凝土的坍落度逐渐减小，抗压强度先提高后降低，氯离子渗透深度先减小后增大。聚丙烯纤维掺量为1.0%时，抗压强度最高，氯离子渗透深度最小，抗压强度较基准组提高了12.9%、氯离子渗透深度较基准组减小了20.8%。

（2）随着聚丙烯纤维长度的增加，混凝土的坍落度和氯离子渗透深度逐渐增大，抗压强度逐渐降低。掺入1.0%、长度为24 mm聚丙烯纤维时，其对混凝土坍落度、抗压强度和抗氯离子性能的影响相当于掺入0.5%、长度为16 mm的聚丙烯纤维。

（3）综合混凝土的坍落度、抗压强度和氯离子渗透深度可知，聚丙烯纤维的最佳掺量为1.0%，长度应小于16 mm。