聚丙烯纤维对混凝土抗硫酸盐侵蚀能力的影响*

冯 屾

（黄河水利职业技术学院 土木与交通工程学院，河南 开封 475004）

盐类物质的侵蚀对混凝土结构的破坏作用十分明显，其中混凝土在硫酸盐环境中所遭受的侵蚀破坏现象十分常见，在我国大部分的沿海地区以及西北部的盐碱地等区域，混凝土长时间的遭受硫酸盐的侵蚀，会严重影响其耐久性能，尤其在硫酸盐干湿循环的环境下，混凝土结构的破坏程度更加严重，这不仅会造成混凝土资源的浪费以及大量的经济损失，还存在严重的安全隐患[1-4]。

聚丙烯纤维是以聚丙烯为原料纺制而成的一种合成纤维，其通常具有成本低、易加工、原料来源广以及弹性模量较小等特点，并且通常不与其他化学试剂发生反应，具有较好的惰性，能够与混凝土中的其他材料混合使用，可以有效改善混凝土的内部结构，提高其耐久性能[5-9]。近年来，国内外关于聚丙烯纤维混凝土的研究及报道相对较多，其中万新等人[10]的研究认为，聚丙烯纤维的掺量和长度会对混凝土的和易性、流动性以及间隙通过性能产生较大的影响，并且混凝土的水灰比也会对聚丙烯纤维混凝土的新拌性能产生较大的影响；汪华莉[11]针对聚丙烯纤维的长度和掺量对混凝土耐久性能的影响进行了研究，结果认为聚丙烯纤维的长度越大，混凝土的塌落度和Cl-扩散深度就越大，而抗压强度则有所降低，聚丙烯纤维的掺量越大，混凝土的塌落度越小，Cl-扩散深度先减小后增大，而抗压强度则先升高后降低；闫长旺等人[12]开展了PVA纤维对混凝土抗盐侵蚀性能的研究，结果认为PVA纤维的掺入能够有效改善混凝土的抗盐侵蚀性能，长度为12mm的PVA纤维，当其掺量为1.2kg·m-3时，可使混凝土的抗氯盐侵蚀性能和抗硫酸盐侵蚀性能达到最佳。目前，针对聚丙烯纤维提高混凝土抗硫酸盐干湿循环侵蚀能力的研究仍相对较少，因此，本文以不同长度的聚丙烯纤维为研究对象，考察了聚丙烯纤维长度和掺量对混凝土抗硫酸盐侵蚀能力的影响，为提高硫酸盐环境下混凝土的耐久性能提供一定的技术支持和参考。

1 实验部分

1.1 材料及仪器

水泥（P·O42.5普通硅酸盐水泥，其初凝时间为231min，终凝时间为305min，湖南南方金磊水泥公司）；粉煤灰（Ⅱ级粉煤灰比重为2.10g·cm-3，灵寿县鼎旺矿产品加工厂）；减水剂（聚羧酸型高性能减水剂，减水率为37%，山东柯普化工有限公司）；粗骨料（碎石，粒径范围在5～25mm之间），细骨料（天然河砂，细度模数为2.42），灵寿县富鑫矿产品有限公司；聚丙烯纤维（长度分别为8、12、16、20和24mm，山东鑫汇新材料有限公司）。

YH-90B型标准恒温恒湿养护箱（沧州鑫滕建建筑仪器有限公司）；YAW-3000型微机控制压力试验机（济南中路试验机制造有限公司）；LDW-100型混凝土劈裂抗拉强度试验机（济南一诺世纪试验仪器有限公司）。

1.2 混凝土配合比设计

固定水灰比均为0.4，砂率均为40%，在混凝土中加入不同类型或者不同掺量的聚丙烯纤维，以考察其对混凝土抗硫酸盐侵蚀能力的影响，混凝土的具体配合比设计结果见表1。

表1 混凝土配比设计结果Tab.1 Design results of concrete mix proportion for test

1.3 实验方案及性能测试

按照上述混凝土配合比设计结果，制备尺寸为100mm×100mm×100mm的混凝土试件，然后参照国家标准GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的抗硫酸盐侵蚀试验部分进行干湿循环试验，试验溶液为5% Na2SO4，共设计60次干湿循环周期，达到循环次数后，按照国家标准GB/T 50081-2019《混凝土力学性能试验方法标准》中的规定测定混凝土试件的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度值，以此评价聚丙烯纤维对混凝土抗硫酸盐侵蚀能力的影响。

2 结果与讨论

2.1 纤维长度的影响

按照1.2中配合比设计结果和1.3中的试验方案，统一选择纤维掺量为1kg·m-3，在此试验条件下开展了纤维长度对混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度以及抗折强度的影响试验。

2.1.1 抗压强度 图1为纤维长度对混凝土试件抗压强度的影响。

图1 纤维长度对混凝土抗压强度的影响Fig.1 Effect of fiber length on compressive strength of concrete

由图1可以看出，随着聚丙烯纤维长度的不断增大，混凝土试件的抗压强度值呈先增大后减小的趋势，当聚丙烯纤维的长度为16mm时，混凝土试件的抗压强度值可以达到最大（47.9MPa），再继续增大聚丙烯纤维的长度值，混凝土试件的抗压强度值则有所降低。

2.1.2 劈裂抗拉强度 图2为纤维长度对混凝土试件劈裂抗拉强度的影响。

图2 纤维长度对混凝土劈裂抗拉强度的影响Fig.2 Effect of fiber length on splitting tensile strength of concrete

由图2可以看出，随着聚丙烯纤维长度的不断增大，混凝土在硫酸盐溶液中干湿循环60次后的劈裂抗拉强度值同样呈现出先增大后减小的趋势，当聚丙烯纤维的长度为16mm时，混凝土试件的劈裂抗拉强度值可以达到最大（4.5MPa），再继续增大聚丙烯纤维的长度值，混凝土试件的劈裂抗拉强度值则有所降低。

2.1.3 抗折强度 图3为纤维长度对混凝土试件抗折强度的影响。

图3 纤维长度对混凝土抗折强度的影响Fig.3 Effect of fiber length on flexural strength of concrete

由图3可以看出，与2.1.1和2.1.2中的实验结果趋势相似，随着聚丙烯纤维长度的不断增大，混凝土在硫酸盐溶液中干湿循环60次后的抗折强度值同样呈现出先增大后减小的趋势，当聚丙烯纤维的长度为16mm时，混凝土试件的抗折强度值可以达到最大（6.4MPa），再继续增大聚丙烯纤维的长度值，混凝土试件的抗折强度值则有所降低。

综合上述试验结果，可以看出，由于聚丙烯纤维的加入能够使混凝土内部结构更加密实，从而有利于提高混凝土试件的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度，并且纤维的长度越大，其在混凝土中的粘接作用更强，混凝土试件的强度值则更高；而当纤维长度过大时，反而可能降低混凝土试件的强度。因此，确定使用聚丙烯纤维的最佳长度为16mm。

2.2 纤维加量的影响

按照1.2中配合比设计结果和1.3中的试验方案，统一选择纤维的长度均为16mm，在此试验条件下开展了纤维掺量对混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度以及抗折强度的影响试验。

2.2.1 抗压强度 图4为纤维掺量对混凝土试件抗压强度的影响。

图4 纤维掺量对混凝土抗压强度的影响Fig.4 Effect of fiber content on compressive strength of concrete

由图4可以看出，并不是纤维掺量越大，混凝土试件的抗压强度值就越大，而是存在一个最佳的纤维掺量，使混凝土试件的抗压强度值达到最大，即当纤维的掺量为2kg·m-3时，抗压强度可达最大，可由未掺纤维时的41.9MPa增大至52.6MPa，抗压强度提升了25.5%，提升幅度较大。

2.2.2 劈裂抗拉强度 图5为纤维掺量对混凝土试件劈裂抗拉强度的影响。

图5 纤维掺量对混凝土劈裂抗拉强度的影响Fig.5 Effect of fiber content on splitting tensile strength of concrete

由图5可以看出，随着纤维掺量的逐渐增大，混凝土在硫酸盐溶液中干湿循环60次后的劈裂抗拉强度同样呈现出先增大后减小的趋势，当聚丙烯纤维的掺量为2kg·m-3时，混凝土试件的劈裂抗拉强度值达到最大，可由未掺纤维时的3.3MPa增大至5.5MPa，劈裂抗拉强度提升了66.7%，再继续增大聚丙烯纤维的掺量，混凝土试件的劈裂抗拉强度值则有所降低。

2.2.3 抗折强度 图6为纤维掺量对混凝土试件抗折强度的影响。

图6 纤维掺量对混凝土抗折强度的影响Fig.6 Effect of fiber content on flexural strength of concrete

由图6可以看出，随着纤维掺量的逐渐增大，混凝土的抗折强度同样是先增大后减小，存在一个最佳的纤维掺量使混凝土的抗折强度达到最大，即当纤维的掺量为2kg·m-3时，混凝土试件的抗折强度值达到最大，可由未掺纤维时的5.0MPa增大至7.5MPa，劈裂抗拉强度提升了50.0%。

为使混凝土试件的抗硫酸盐侵蚀能力达到最佳，选择聚丙烯纤维的长度为16mm，掺量为2kg·m-3，此时，混凝土试件的力学性能可以达到最佳，其抗压强度值可以达到52.6MPa，劈裂抗拉强度值可以达到5.5MPa，抗折强度值可以达到7.5MPa。

3 结论

聚丙烯纤维的掺入能够有效提高混凝土试件的抗硫酸盐侵蚀能力，并且纤维的长度和掺量对混凝土试件抗硫酸盐侵蚀能力的影响较大。当聚丙烯纤维的掺量一定时，掺入纤维的长度为16mm时，混凝土试件的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度值均可以达到最大；当聚丙烯纤维的长度一定时，纤维的掺量为2kg·m-3时，混凝土试件的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度值均可以达到最大；选择合适的纤维长度和掺量能够有效提高硫酸盐环境中混凝土结构的耐久性，延长混凝土结构的使用寿命。