干湿循环条件下聚丙烯纤维掺量对混凝土力学性能的影响

齐鹏飞 陈珊珊 韩霄羽

（1.中铁十四局集团有限公司市政工程分公司，山东 青岛 266700；2.华北水利水电大学土木与交通学院，河南 郑州 450045）

0 引言

干湿循环作用是指混凝土构件或部分结构处于连续浸泡状态和空气干燥状态的交替作用。在自然界，随着环境变化，混凝土结构物在水位线上下变化时，或者位于水库水位变动区以及浪溅区，由于受干湿循环作用，混凝土劣化机理要复杂得多。为此，专家学者进行了大量研究：Jingjun Li[1]等的研究表明，在轻集料混凝土中加入高性能聚丙烯纤维对混凝土力学性能有显著影响，其抗弯强度、劈裂抗拉强度、抗弯韧性和抗冲击性能均提高，但对抗压强度没有明显影响；Islam[2]得出与普通混凝土相比，掺入0.1%纤维的混凝土抗压强度降低了2%，抗拉强度提高了39%的结论；在混凝土中掺入0.1%～0.3%纤维，根据试验结果表明，与普通混凝土相比，塑性收缩裂缝减少了50%～99%；文献[3-7]对纤维混凝土快速冻融循环进行试验研究，得到在混凝土中加入聚丙烯纤维后，由冻融引起混凝土损伤减轻。目前的研究多集中在力学性能和冻融循环方面，对干湿循环的研究相对较少，因此，有必要对混凝土在干湿循环作用下的力学性能进行试验研究。

1 试验内容

1.1 干湿循环试验

将试块在水中养护至28d时取出，开始做干湿循环试验。烘干温度为（60±3）℃，烘干时间为6h，浸泡时间为18h，干湿循环一次需要1d，每20次干湿循环测定混凝土的质量、相对动弹性模量和力学性能，直至干湿循环次数达到100次。为保证复合盐溶液的浓度不变，每15d更换一次溶液。

1.2 试验材料及性能

选用P·O42.5普通硅酸盐水泥。水泥3d抗压强度30.7MPa，28d抗压强度59.2MPa。粗骨料：采用粒径为5～10mm连续级配、表面粗糙且质地坚硬的碎石。细骨料：中砂，细度模数为3.0～2.3，堆积密度1550kg/m3，表观密度2614kg/m3，颗粒级配良好。拌和用水采用普通自来水。

偏高岭土（Metakaolin，简称MK）是高岭土在适当温度下（约540℃～880℃）脱水而得到的铝硅酸盐，是一种高活性人工火山灰材料。偏高岭土为白色粉末状（图1），偏高岭土的化学成分见表1。

图1 偏高岭土

表1 偏高岭土的化学成分

聚丙烯纤维（Polypropylene Fiber，简称PPF）采用耐拉短丝纤维（图2），其性能指标见表2。

表2 聚丙烯纤维性能指标

图2 聚丙烯纤维

1.3 混凝土配合比设计

由于掺入偏高岭土和聚丙烯纤维会影响混凝土的工作性能，故根据MK和PPF的掺量改变减水剂的掺量，保证不同配合比的混凝土有一致的工作性能，混凝土配合比见表3。试件尺寸采用40mm×40mm×160mm的长方体试块。

表3 混凝土配合比

2 聚丙烯纤维掺量对混凝土物理力学性能的影响

2.1 混凝土外观

表4所示为掺入10%MK（0kg/m3PPF、0.6kg/m3PPF、0.9kg/m3PPF、1.5kg/m3PPF)混凝土试件经过0次、20次、40次、60次、80次、100次干湿循环试验后试件图片。随着干湿循环次数的增加，试件表面均无变化。

表4 混凝土干湿循环试验后外观

2.2 混凝土质量损失

图3所示为掺入10%MK（0kg/m3PPF 0.6kg/m3PPF、0.9kg/m3PPF、1.5kg/m3PPF)混凝土试件经历0次、20次、40次、60次、80次、100次干湿循环试验后质量变化的试验结果。由图3可见，随着干湿循环次数的增加，混凝土质量略微增加，4种混凝土中，掺有0kg/m3PPF混凝土的质量增加最多。

图3 不同聚丙烯纤维掺量下混凝土质量损失率

2.3 混凝土相对动弹性模量

图4所示为掺入10%MK（0kg/m3PPF、0.6kg/m3PPF、0.9kg/m3PPF、1.5kg/m3PPF)混凝土试件经历0次、20次、40次、60次、80次、100次干湿循环试验后相对动弹性模量的试验结果。由图4可知，随着干湿循环次数和PPF掺量的增加，相对动弹性模量的损伤减小。进行至100次干湿循环时，掺有1.5kg/m3PPF混凝土相对动弹性模量约为100%；而掺0kg/m3PPF混凝土相对动弹性模量约为150%。表明掺PPF并未提高混凝土的相对动弹性模量。

图4 不同聚丙烯纤维掺量下混凝土的相对动弹性模量变化

2.4 混凝土抗压强度

图5所示为掺入10%MK（0kg/m3PPF、0.6kg/m3PPF、0.9kg/m3PPF、1.5kg/m3PPF)混凝土试件经历0次、20次、40次、60次、80次、100次干湿循环试验后抗压强度损失率结果。由图5可知，在干湿循环条件下，经过100次干湿循环试验后，掺有0kg/m3PPF、0.6kg/m3PPF、0.9kg/m3PPF、1.5kg/m3PPF混凝土的抗压强度损失率分别达到约-40%、-10%、-25%、10%，结果表明，掺入PPF后混凝土的抗压强度并未明显提高。

图5 不同聚丙烯纤维掺量下混凝土的抗压强度损失率

2.5 混凝土抗折强度

图6所示为掺入10%MK（0kg/m3PPF、0.6kg/m3PPF、0.9kg/m3PPF、1.5kg/m3PPF)混凝土试件经历0次、20次、40次、60次、80次、100次干湿循环试验后抗折强度损失率结果。由图6可知，在干湿循环条件下，经过100次干湿循环试验后，掺有0kg/m3PPF、0.6kg/m3PPF、0.9kg/m3PPF、1.5kg/m3PPF混凝土的抗折强度损失率分别达到约5%、-10%、-32%、-40%；可以确定，掺入1.5kg/m3PPF时，混凝土的抗折强度明显提高。原因是PPF具有阻裂的作用，可减少裂缝源数量，并使裂缝尺度变小，这就降低了裂缝尖端的应力强度因子，缓和了裂缝尖端应力集中程度；在受力过程中，PPF能够抑制裂缝扩展，从而使混凝土的强度得到提高。

图6 不同聚丙烯纤维掺量下混凝土的抗折强度损失率

2.6 混凝土抗拉强度

图7所示为掺入10%MK（0kg/m3PPF、0.6kg/m3PPF、0.9kg/m3PPF、1.5kg/m3PPF)混凝土试件经历0次、20次、40次、60次、80次、100次干湿循环试验后抗拉强度损失率结果。可知，经过100次干湿循环试验后，掺有0kg/m3PPF、0.6kg/m3PPF、0.9kg/m3PPF、1.5kg/m3PPF混凝土的抗拉强度损失率分别达到约10%、-20%、-10%、-30%；说明混凝土中掺入1.5kg/m3PPF可提高其抗拉强度。原因是PPF在混凝土中可起到次级加强筋的作用，具有良好的阻裂性能，因此混凝土的抗裂性能有所提高。

图7 不同聚丙烯纤维掺量下混凝土的抗拉强度损失率

3 结束语

对不同掺量下聚丙烯纤维混凝土在干湿循环作用下的力学性能进行试验研究，得出以下结论：

（1）聚丙烯纤维掺量为1.5kg/m3可以显著提高干湿循环条件下的混凝土抗折强度和抗拉强度；

（2）聚丙烯纤维能够增强混凝土的抗裂性。