聚丙烯纤维水泥混凝土试验性能探析

文／杨帅 山东恒建工程检测有限公司 山东潍坊 261057

引言：

聚丙烯纤维不仅价格低、工艺简单，还具有较好的性能，在混凝土中得到广泛应用。本文通过对聚丙烯纤维水泥混凝土进行试验，研究其各项性能，为其在建设工程中的应用提供更多数据支持及实践经验。

1.项目概述

该工程项目为滨海地区的一处跨铁路立交桥，修建于2008年。桥梁全长576.06m，共十九跨分六联（第一联跨径组合为4×30m、其余各联跨径组合均为3×30m）。桥梁全宽24.5m，分两幅，每幅桥宽12m，其中每幅桥净宽11m。上部结构采用等高度预应力混凝土连续梁（单箱双室直腹板断面），梁高1.6m，结构体系为连续梁体系。该桥梁是当地进出港口的主通道，重交通负荷，该桥桥面破损严重，严重影响了进出港车辆的行车舒适性和道路安全性。2020年建设单位对该桥梁进行维修加固，主要改造内容为：凿除旧桥面沥青铺装层，浇筑新的水泥混凝土桥面。在新图纸设计中，为了有效的提高桥面铺装层的抗裂抗渗性能，本次混凝土采用了掺入聚丙烯纤维的技术。

在项目设计中，掺入0.9kg/m3聚丙烯纤维和水泥用量8%的抗裂防水剂，然后桥梁伸缩缝处混凝土里面掺入水泥重量12%的抗裂膨胀剂，以及1.2kg/m3的聚丙烯纤维，混凝土强度等级提升了5MPa。在该项目中，为了有效把控项目质量，在检测实验室对聚丙烯纤维水泥混凝土的性能进行检测。

2.聚丙烯纤维水泥混凝土分析

2.1 纤维作用和性能

纤维的作用不仅和自身性能有关，还与其在混凝土基体中的状态有一定的关系。混凝土中掺入纤维后，将水泥基体里面的连通裂缝减少，有效阻止了水分的侵入；同时，纤维具有阻裂作用，防止水泥基体中微小裂缝的扩展，还可以延缓新裂缝的出现；纤维具有增强作用，通过使用高弹性模量纤维，有助于提升基体抗拉强度；纤维具有耐久作用，可以适当改善水泥基体的抗疲劳等各种性能。但并不是所有的纤维在混凝土中可以起到相同作用，这与纤维自身性能有关，不同纤维和混凝土复合形成的纤维混凝土，其性能存在一定的差异性，不过也存在一定的共性，即所有的纤维在混凝土中具有抗裂作用[1]。

2.2 纤维混凝土增强机理

纤维混凝土增强机理主要有两种，一种是复合材料理论，另一种是纤维阻裂理论。其一，复合材料理论，该理论体系中，复合材料被视作为一种多相系统，性能为多个性能之和，在混凝土的应用中，假设纤维沿着应力作用的方向，连续均匀排列；纤维和水泥基体之间有着良好的连接，没有出现相对滑移的情况。复合材料理论的精髓之处便是中心质效应能够叠加，而复合材料需要复合主要是因为基础性材料的性能各不相同，具有互补性特点，发挥着重要的作用。不过，在材料科技水平的影响下，复合材料并非总是完善的。混凝土材料结构不是均质的，在承受拉力作用的时候，混凝土构件的截面受力不是均匀的，有许多不规则应力集中点。通过适当配置抗拉力筋，可以有效约束混凝土塑性变形，防止混凝土裂缝的出现。从复合材料理论来分析，如果纤维无法在混凝土体系中均匀的分散，混凝土基体内纤维较少或者没有的区域便成为薄弱地带，施工后可能会产生裂缝，所以说，混凝土内纤维的均匀分散非常重要。其二，纤维阻裂理论，该理论认为混凝土内部有固有缺陷，想要提升强度，就需要将缺陷的程度尽可能降低，从而提升材料的抗变形能力。纤维阻裂理论指的是纤维在混凝土中均匀分布，可以有效阻止块体内的裂缝逐渐扩展。该理论的假设前提是纤维可以均匀分散，若分散不均匀，说明该条件不成立，该理论失效。由此可见，纤维在混凝土中的分散性，是保证其抗裂效果的关键。

2.3 聚丙烯纤维水泥混凝土制备过程

聚丙烯纤维水泥混凝土的制备主要是在普通混凝土配合比的标准上，适当掺入聚丙烯纤维。聚丙烯纤维混凝土所需的原材料主要有水泥、矿物掺合料、骨料、外加剂、水、PP 纤维，其中，矿物掺合料主要为粒化高炉矿渣粉、磨细粉煤灰、硅粉等。对于聚丙烯纤维混凝土的配合比，应保证符合JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》的规范要求，不仅要满足结构设计要求的抗折强度、抗压强度，还应确保满足抗渗性、抗裂性、耐腐蚀性等多项要求。在聚丙烯纤维混凝土的实际生产中，PP 纤维的具体掺加比例，可以结合纤维混凝土使用目的，或者依据抗折、抗拉强度的配制要求合理添加[2]。对于聚丙烯纤维混凝土的稠度，可以根据工程对普通混凝土稠度的要求来确定，在混凝土中掺入聚丙烯纤维，能够有效改善其粘聚性以及保水性。

3.聚丙烯纤维水泥混凝土性能试验

3.1 正交试验

正交试验法是处理多因子试验的有效方法之一，能够在工艺过程中为了试制新产品、配方、流程等，遇到多水平、多因子、多指标等问题，如果采用传统孤立变量法，那么试验的次数比较多，试验周期比较长，试验的误差也比较大，并且还会耗费大量人力物力。通过使用正交试验法，在正式试验之前，先使用提前制作好的正交表，有计划地安排试验，并在试验之后经过表格运算，合理分析试验结果，在这样的试验中，只需要几次试验便可以找到不同因子在试验中的主次作用，从而确定好的生产条件。对于试验所需的结果，将其作为指标，例如，在进行聚丙烯纤维混凝土各项性能试验时，可以将混凝土抗弯拉强度、抗裂强度、抗压强度等作为试验指标，将水泥的用量、纤维的长度、水灰比、砂率作为试验因子。因子越多，试验的次数也会增加，在试验之前，应结合平时经验选择主要因子来安排试验。

3.2 试验原材料

聚丙烯纤维是新型高分子材料，使用改性母料，将其添加到聚丙烯切片当中，通过共混、纺丝、拉伸、切断，从而制成适用于混凝土的工程纤维。本试验所用的纤维类型为束状单丝，截面形状为Y 型，导电导热性较低，没有毒性和吸水性，性能见表1。水泥选择昌乐山水水泥生产的P.O42.5，其具有凝结时间适宜特点，后期具有较高的强度。砂子最好选择细度模数超出2.5-3.0 的中砂，其中，对于粒径小于0.075mm 的颗粒，保证控制在10%以内，同时MB 值≤1.0；以避免对水泥、集料粘接性产生影响，如果砂子细度过粗，回弹量会随之增加。对于砂子的含水量，最好控制在3%至6%之间，含水量过高或者过低，都不太好。骨料选择本地产石灰岩碎石，骨料的最大粒径应控制在26.5mm 以内，为了确保骨料间空隙率，不应使用间断级配的级配方式。对于试验中使用的水，选择生活自来水[3]。本次聚丙烯纤维混凝土进行室内配合比设计时，加入拌锅的原材料投料顺序最开始为，砂、石预搅拌—掺入水泥干搅拌—加入水—加入纤维—加入外加剂，搅拌时间为2min。室内搅拌时发生了聚丙烯纤维被水泥浆包裹、水泥胶结成团块的现象。为此，调整生产流程，原材料投料顺序为：砂、石预搅拌—加入纤维干拌—加入水泥搅拌—加水湿搅拌—加入外加剂。改进后，混凝土混合料未再出现结块现象。

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3.3 抗压强度试验

在抗压强度试验中，从养护室将试件取出来，擦拭干净，打开试验机，待试件和上压板靠近的时候，适当调整压力机的球座结构，保证试块与上下压板接触均衡。在加压期间，对试验机进行适当调节，确保均匀加荷，至于加速度，将其把控在0.5MPa 至0.8MPa 之间即可。在加压过程中，当试件快要破坏并且快速变形的时候，将试验机油门关停，一直到试件破坏，并将破坏荷载记录下来。混凝土立方体抗压强度公式为：fcc=F/A。其中，fcc为混凝土立方体抗压强度（MPa），F 为试件的破坏荷载（N），A 为试件的承压面面积（mm2）。

根据对聚丙烯纤维混凝土抗压强度的试验数据分析，当PP 掺入量低于0.3kg/m3时，混凝土的抗弯拉强度、抗压强度、静力抗压弹性模量、立方体轴心劈裂强度4 项常规力学性能没有明显改变。当pp 的掺入量达到0.9kg/m3时，此4 项常规力学性能才有一明显增幅。未掺pp纤维的混凝土试块在达到极限荷载时，首先表现为试块表面的表层剥落，同时压力试验机的压力值直线下降，试块表现为明显的环箍效应；而掺入PP 纤维的混凝土试块达到极限荷载时，试件表面首先出现众多裂纹，而不是呈现表面剥落，同时压力试验机读数则是缓慢降低。这说明掺入PP 纤维混凝土相比未掺PP 纤维的混凝土具有较高的抗变形能力。

3.4 抗折强度试验

在混凝土抗折性能试验中，对于试验机的加载速度，一般控制在0.05MPa/s 至0.08MPa/s，一直持续到试件断裂为止。混凝土抗折强度（ff）和试件截面的高（h）、宽（b）、支座间距离（L）、试件破坏所承受的荷载（F）有一定的关系，公式为：ff=FL/(bh2)。在试验过程中，物料配比为720kg 的砂子、395kg 的水泥、1145kg 的集料、190kg 的水、165.8g 的减水剂，然后添加不同比例的聚丙烯纤维材料，分别为0、0.5kg、0.7kg、0.9kg，通过添加不同比例的聚丙烯纤维，并在养护室养护28 天检测抗弯拉强度，最终的结果为表2。

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根据室内配合比设计的混凝土抗弯拉强度统计数据得出，掺入0.9%PP 纤维的混凝土抗弯拉强度代表值能够达到了设计弯拉强度值的116%。试块在弯拉受荷过程中，试块底部的跨中部位会先出现数道细微裂缝，细微裂缝宽度随着荷载的增大逐渐加宽，最终形成主裂缝，至最大力时试块被弯拉破坏。而未掺入PP 纤维的混凝土试块在受荷加载过程中，底部跨中达到极限荷载时表现为瞬时断裂，是一种典型的脆性破坏。

3.5 抗冲击试验

在聚丙烯纤维混凝土抗冲击试验中，使用8kg的钢球，从高位25cm 位置处做自由落体，砸向试件，试件的裂缝超过3mm 时，将冲击的次数记录下来。在每一组试验中，都应经最大值、最小值舍掉，然后将剩余三个数值的平均值作为最终结果。在抗冲击性能试验中，分别针对聚丙烯纤维不同添加量的混凝土进行试验，未添加聚丙烯纤维的混凝土，第一次裂开的冲击次数是41 次，破坏冲击次数是50 次；添加量为0.5kg/m3的混凝土，第一次裂开的冲击次数是85次，破坏冲击次数是92次；添加量为0.7kg/m3的混凝土，第一次裂开的冲击次数是108 次，破坏冲击次数118 次；添加量为0.9kg/m3的混凝土，第一次裂开的冲击次数是114 次，破坏冲击次数是121 次。由此可见，从试验中这几组数据来看，聚丙烯纤维的添加量越高，相应的抗冲击能力越强。

3.6 抗渗性能试验

聚丙烯纤维在水泥混凝土中的应用具有极大的优势，有助于提升其抗渗性能。聚丙烯纤维是一种抗裂增强材料，对于水泥混凝土抗渗性能的影响，直接关系着工程的安全性。将聚丙烯纤维加入混凝土中有助于防止早期开裂，或者避免裂缝逐步扩展，有效减少收缩性裂纹的出现，增强混凝土防水性能。试验分为五组，如表1所示，为混凝土的配合比。具体的试验内容包括吸水率、渗水高度、氯离子浓度等，在吸水率试验中，制作立方体试件，边长为100mm，养护时间28 天，然后将其烘干并放入水中进行测试，测试时间为三个小时，观察其吸水量占据混凝土质量的百分比。在渗水高度的测试中，制作一个圆柱体试件，上下底面的直径分别为175、185mm，高度为150mm，养护时间28 天，测试条件为1.2±0.05MPa，在恒压下，保证测试时间为24h，然后观察试件渗水高度。在氯离子浓度测试中，制作棱柱体试件，规格为100mm×100mm×300mm，测试在不同深度，试件的氯离子浓度，将试件养护28天之后，磨去试件表层的浮浆，并使用敬酒擦洗干净，涂刷一层环氧树脂，并留出一个长方形截面，将其作为渗透面。接着，将试件放进装有氯化钠溶液的铁箱，保证溶液将试件完全淹没，在整个测试过程中，保证氯化钠溶液浓度在3.5%左右，然后定期添加溶液，浸泡时间180 天，取出后从渗透面分层钻取粉末试样，并测出其中总的氯离子含量。

经过试验，得知第一组的吸水率、渗透高度、28d 抗压强度分别为4.81%、0.8mm、49MPa；第二组分别为4.3%、1.6mm、54MPa；第三组分别为4.11%、2.3mm、57MPa；第四组分别为4.65%、11mm、50MPa；第五组分别为5.46%、13.1mm、56MPa。在第1-3组中，硅粉、粉煤灰掺合料的增加，聚丙烯纤维混凝土吸水率下降，主要是因为其火山灰活性效应的影响。当添加PP 纤维之后，混凝土吸水率有所增加。对于渗水高度，掺入PP 纤维之后，试件的渗透性能有所下降，导致渗水高度增加。但是掺入PP 纤维后，混凝土拌合物的流动性降低，导致其密实性变得更差，并且在压力水作用下，渗透性有所增加，抗渗性能下降，或者是添加纤维之后，混凝土界面增加，从而在压力水影响下，混凝土中的渗水通道增加。见表3

表3 混凝土配合比（kg/m3）

结语：

聚丙烯纤维具有较强的技术经济优势，在混凝土工程中，能够有效满足抗冲击性、抗裂性等要求。对比我国使用了聚丙烯纤维的水泥混凝土的工程检测数据，其混凝土的抗裂、抗渗性能都得到了有效提高。本次通过对聚丙烯纤维水泥混凝土的性能进行试验，可以得出每一项性能的变化规律，从而更好地满足工程项目对聚丙烯纤维混凝土的使用需求。在抗压、抗折、抗拉强度上，由于聚丙烯纤维是高延伸率、低弹性模量的聚合物纤维，将其掺入混凝土，对于混凝土抗压强度的改善不是特别突出，不过可以有效改善混凝土抗折、抗拉强度；在抗冲击性能上，混凝土的抗冲击强度随着聚丙烯纤维的掺入比例增大而同时提高；在抗裂性能上，适量掺入聚丙烯纤维，便可以有效增大混凝土的抗裂效果，并遏制裂纹的进一步扩散；在抗渗性能上，在混凝土中掺入适量的聚丙烯纤维，能够有效控制裂缝的出现，提升其抗渗性能。