纤维分布对聚合物水泥混凝土力学性能的影响

摘要 混凝土作为主要建筑材料之一，具有良好的抗压强度，同时具有低抗拉强度和低抗裂强度等缺陷，而混凝土的脆性使其不易受冲击。通过不同体积掺量（0.1%、0.2%和0.3%）的三组玄武岩纤维加强和修改混凝土，研究了不同体积掺量对抗压强度、增韧阻裂效果、纤维接触率的影响。结果表明：0.2%体积掺量最佳，此时纤维接触率达到61.0%，增韧阻裂效果较好，抗压强度为50.10 MPa。

關键词 纤维分布;聚合物水泥混凝土;力学性能;影响分析

中图分类号 TU528.572 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）09-0127-03

引言

混凝土是世界上最常用的建筑材料，缺陷是耐久性低、抗拉强度低。为了优化传统混凝土的性能，可向其中添加纤维等，常见的纤维有石棉、钢、玻璃、碳纤维和聚丙烯等，其中玄武岩纤维的性能较好、价格相对较低，玄武岩纤维在高温下拉伸性能好，还具有良好的延性和耐蚀性。玄武岩纤维与水泥的混合物有较好的力学性能，在加固、抗裂和抗裂方面发挥作用，但不同体积掺量下的混合物的力学性能有较大差异。

1 聚合物水泥混凝土的相关概述

1.1 聚合物种类

（1）水聚合物。目前最常用的水聚合物包括丙烯酸酯、聚丙烯酸酯（PAM）、聚乙烯醇（PVA）、苯胺、甲基纤维素、羟基化纤维素等。水性聚合物可提高混凝土的防水性能和粘度，以达到提高纯结构、混凝土修补技术和防水混凝土相容性的目的。

（2）聚合物乳液。目前最常用的有高分子乳液、非乳化聚合物乳液等。高分子乳液是水泥混凝土最常用的聚合物形式，主要用于提高水泥制品的工艺性、干燥性、强度和耐久性。[1]聚合物乳液需满足以下要求：一是聚合物分散对水泥地面产生的阳离子具有化学稳定性，对共混物产生的剪切应力具有机械稳定性;二是聚合物分散体中的乳化剂不能防止水泥的润湿和凝结。但在常用的聚合物乳液中有许多未命名的阴离子或乳化剂，导致聚合物乳液的一些缺陷。非乳化聚合物乳液，即无皂乳液，固相长度低、稳定性低，目前水泥混凝土改性的应用受到限制[2]。

（3）反应性聚合物。反应性聚合物可以根据不同的机理分为两种类型。一种是COOH等组在分子中与水泥水合过程中产生的Ca（OH）2反应，进一步提高了混凝土的强度和抗渗性能;另一种是将双组分聚合物掺入混凝土后，聚合物的两个组分相互反应并凝固。因此，在国外被称为反应性聚合物（RPM），这种聚合物在与混凝土混合后会有化学反应。反应性聚合物混凝土（RPMC）可用于快速堵塞技术以及防水防渗技术。当前环氧树脂和不饱和聚酯树脂常被用作反应性聚合物。

1.2 聚合物混凝土的分类

聚合物混凝土所采用的聚合物材料，一般多是由小分子单体通过聚合反应形成化学链连接成三维网络结构，具有优异的力学和化学性能。按其组成和制作工艺分为三种类型：聚合物水泥混凝土、聚合物浸渍混凝土和聚合物粘结混凝土。聚合物水泥混凝土是一种改性水泥混凝土材料，通过添加聚合物作为无机粘结剂的改性剂，与某些骨料混合、固化和聚合而形成。聚合物浸渍混凝土旨在固化和干燥传统水泥混凝土，将混凝土浸泡在有机单体中，使聚合物单体能够穿透混凝土腔，通过加热或辐射进行聚合，形成聚合物复合材料，用聚合物进行改性。[3]聚合物粘结混凝土，简称聚合物混凝土，是聚合物骨料和粘结剂混合固化后产生的一种高性能材料。与前两者相比，混凝土性能主要通过改性提高。聚合物结合混凝土将聚合物作为水泥材料直接与骨料结合，从根本上改变了混凝土的力学性能。

1.3 聚合物混凝土的特点

聚合物混凝土的耐久性非常突出，其中的碱金属离子被硅酸盐矿物粉末完全吸收，大量硅酸盐矿物粉末被保留在地质聚合物中，直到粉末被完全耗净，整个过程持续时间较长，大大地削弱了碱性聚集体的反应。生产聚合物混凝土的过程中使用的材料和能源较少，基本无二氧化碳排放，具有污染少、能耗低和杰出的力学性能等特点，1 d龄期的普通聚合物强度约有20～30 MPa，28 d龄期强度约能达到40～60 MPa[4]。

1.4 改性机理

聚合物均匀分布在混凝土中，形成水泥水合物产品交叉浸渍网，分散和传递应力，防止或减缓裂缝的传播。同时，聚合物还可以改善水泥颗粒的界面结构和性能，提高了构件间的一致性、过渡区的强度和材料性能。[5]高分子量六氯丁二烯和水泥水合物具有不连续的网状膜，使得聚合物混凝土的强度和耐久性得到了极大提高。在含1%盐酸的腐蚀样品中检测到聚合物改性塑料的微观结构，发现界面过渡区聚合物形成良好的网络结构，增强了界面过渡区结构和材料的粘结性能。同时，添加聚合物可改善混凝土的收缩结构，除了降低总体积外，还可显著改善孔的分布。硅油和苯乙烯被证明是两种不同的聚合物乳液，可增强吸力，减少毛细管收缩（100～

1 000 nm）并增加位移（10～100 nm）。此外，某些聚合物可能会与水性产品或金属离子发生化学反应，形成特殊的结构、增强材料之间的一致性。聚合物的作用可以分为物理和化学作用。物理作用主要包括将聚合物和水泥产品进入到网络结构中，过渡区和孔结构得到改善;化学作用主要包括聚合物水合物产品与水泥或金属离子反应产生的桥梁效应，提高了混凝土的防水性和一致性[6]。

2 聚合物混凝土存在的问题

聚合物混凝土比普通水泥有许多优点，但也存在一些问题。

（1）成本较高：原材料的价格和复杂的生产工艺，影响了聚合物的价格，聚合物的价格远高于普通混凝土和聚合物[7]。

（2）聚乙酮的长期性能不足，但尚缺少数据可用于表明聚乙酮的使用寿命。

（3）对聚合物改性机理的系统研究还不够：目前世界上存在多种聚合物改性机理模型。有三种常用模型：Ohama模型、圆锥模型和Putermana模型，但这三种模型并不理想。

（4）聚合物中存在的大多数聚合物都是有气味和有毒的，在生产和使用过程中会引起恶心和头晕。

3 试验方法

3.1 试验原材料

（1）水泥：P·O42.5级。（2）粗集料：（5～10）mm碎石。（3）细集料：机制砂，细度模数为2.4～2.8，粉质含量为0.9%。（4）聚合物：羧基苯乙烯—丁二烯乳液（固体含量51%）。（5）纤维：玄武岩纤维。

3.2 试验配合比

具體实验配合比见表1。

3.3 试验方法

（1）压力和弯曲试验：《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2019）规定了抗压强度试验步骤，采用150 mm×150 mm×150 mm 标准试样进行冲击试验。

（2）《纤维混凝土试验方法标准》（CECS13：2009）中规定，首次撕裂试验侧为初次破裂冲击侧N1;注意，当试样接触冲击架四个叶片中的三个叶片时的冲击时间，这四个叶片是失效时间N2。下面给出了计算混凝土抗裂效果能耗的公式：

W1=N1mgh （1）

W2=N2mgh （2）

式中，W1和W2——初始开裂和冲击破坏的能耗（J）;N1、N2——样品初始裂纹和破坏性冲击的数量;m——冲击锤的质量（kg）;g——重力加速度，为9.81 m/s2;h——冲击锤下落高度，取值500 mm。

（3）板裂缝性能试验：《普通混凝土长期性能和耐久性的标准试验方法》（GB/T 50082—2009）中规定，采用800 mm×600 mm×100 mm板和7个裂缝驱动装置的形式;此外，样品表面中心的风速不得低于0.5 m/s。试验后记录裂纹宽度和长度，按《纤维混凝土结构技术规程》 （CECS38：2004）中公式计算裂纹降低系数ŋ，并根据表2评定其抗裂性。

4 纤维分布、接触与力学行为的响应关系

图1为不同体积掺量下的效率指数，图2为BF体积掺量与抗压强度的关系。结合图1、图2可知：

（1）相比于0.2%、0.3%体积掺量，当BF体积掺量为0.1%时，ei，z最小，为0.29，说明0.1%体积掺量下，纤维近似与Z轴正交的概率最大，纤维分布方向近似与裂缝发展方向正交;ei，x、ei，y分别为0.61、0.56，纤维与X、Y轴正交或平行的规律不突出，纤维接触率仅为18.0%，此时BFRPC1的抗压强度为43.33 MPa，相比普通混凝土提高了9.89%，增幅不大，纤维的增韧阻裂作用有限。

（2）相比于0.1%、0.3%体积掺量，当BF体积掺量为0.2%时，ei，y最大，为0.66，说明0.2%体积掺量下，纤维近似平行于Y轴的情况最好;ei，z为0.31，纤维与Z轴正交的概率较大;ei，x为0.55，纤维与X轴正交或平行的规律不突出。试件的裂缝多为竖向裂缝或斜向裂缝，纤维与Y轴行或者与Z轴正交时，均相当于与裂缝发展方向正交，可以阻止小裂缝的串通及大裂缝的产生，此时BFRPC2的纤维接触率达到61.0%，抗压强度达到最大值50.10 MPa，相比普通混凝土提高了27.06%，增幅较大，纤维的增韧阻裂效果较好。

（3）相比于0.1%、0.2%体积掺量，当BF体积量为0.3%时，ei，x、ei，y、ei，z分别为0.63、0.52、0.41，纤维与X、Y、Z轴正交或平行的规律均不突出。此时BFRPC3的纤维接触率为82.9%，BFRPC3的抗压强度为46.52 MPa，相比于BFRPC2的抗压强度降低了7.15%，纤维的增韧阻裂效果好[8]。

5 玄武岩纤维增强聚合物混凝土性能的机理作用分析

玄武岩纤维与聚合物基体在界面上紧密关联，聚合物中随机分布的玄武岩纤维阻碍了裂缝的产生和传播，使得能量被有效地吸收和消耗，进而提高了聚合物的抗裂性。[9]而且，玄武岩纤维原材料本身具有高抗拉强度和低拉伸率的优点，在截面上仍能承受抗拉强度。除玄武岩纤维被拉断或从基体中拔出外，嵌入在地质聚合物基体中的纤维持续保有一定的拉伸应力，使得聚合物力学性能得到了提高，尤其是抗弯强度提高明显。粗面玄武岩纤维具有较明显的增强作用。玄武岩纤维在聚合物基体中混合时，玄武岩纤维在三维聚合物基体中随机分布，玄武岩纤维在应力转移和收缩中发挥作用。同时，随机分布的玄武岩纤维在一定程度上堵塞聚合物孔隙，从而减少聚合物基体中的水分流失，增加水迁移难度，从而减少聚合物的干燥收缩。[10]但是纤维掺量过多时，接触点的增多对抗压强度不利，纤维接触率大，纤维与混凝土基体的接触面积减小，纤维容易结团，导致部分纤维与混凝土基体之间的黏结性能降低，混凝土内部缺陷增多，力学性能随之下降。

6 结束语

通过玄武岩纤维混凝土在三种不同体积掺量下的试验结果，可以得出以下结论：

（1）玄武岩纤维混凝土的动态冲击强度比光滑混凝土高。

（2）添加玄武岩纤维提高了混凝土的抗拉强度和耐蚀性。

（3）玄武岩纤维混凝土的力学性能与纤维含量密切相关。尽管在高分子改性混凝土有关的机制方面取得了一定的进展，但关于聚合物参与水泥水解过程和影响混凝土的聚合物模型的研究很少，对是否涉及与混凝土的复杂组成和水解过程，将进一步进行研究。

参考文献

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[2]张鸿浩， 李家东， 桂红光， 等. 聚合物胶粉和玄武岩纤维改性混凝土力学及抗裂性能研究[J]. 混凝土与水泥制品， 2019（9）： 63-67.

[3]华先乐， 王鑫鹏， 胡晓霞， 等. 聚合物水泥混凝土的研究和应用进展[J]. 青岛理工大学学报， 2019（5）： 133-140.

[4]郑腰华. 聚合物机制砂水泥混凝土力学性能的研究[J]. 铁道建筑技术， 2019（9）： 12-16.

[5]甄天宇. 基于两参数威布尔分布的钢纤维聚合物水泥混凝土疲劳性能研究[J]. 福建交通科技， 2019（3）： 90-92.

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[8]李玉龙. 纤维聚合物水泥砂浆动态力学性能研究[D].广州： 广州大学， 2019.

[9]郭洪军， 汪静， 宗炜， 等. 有机纤维与聚合物对水泥混凝土疲劳损伤性能的影响[J]. 混凝土， 2019（4）： 71-75.

[10]金玉杰， 刘家辉， 蔡婧娓. 钢纤维聚合物混凝土力学性能研究[J]. 吉林建筑大学学报， 2018（5）： 5-7.

收稿日期：2022-03-07

作者简介：王锡志（1982—），男，硕士研究生，高级工程师，研究方向：路桥工程。