一种聚丙烯纤维掺和改性的高强混凝土性能测试研究

赵迪

摘要：科技迅速发展，带动了建筑材料的进步，高性能聚丙烯纤维混凝土就是在这一过程中研发出的一种新型复合材料。这种新型混凝土是将聚丙烯纤维、细矿渣、粉煤灰等矿物掺合料、减水剂等添加剂按一定比例与混凝土混合所得到的一种拥有较高耐久性、强度和流动性的材料。高性能聚丙烯纤维混凝土对目前的建筑领域发展有着非常关键的作用，能够有效优化建筑工程的整体质量，提升混凝土建筑的持久性等。因此，对这种材料的深入研究有着很重要的实际意义。在这一背景条件下，以高性能聚丙烯纤维混凝土的力学性能和持久性能作为主要根据，展开对高性能聚丙烯纤维混凝土的相关研究。

关键词：聚丙烯纤维混凝土；力学性能；耐久性能

中图分类号：TU502；TQ342+.62   文献标志码：A     文章编号：1001-5922（2023）03-0146-05

Research on the properties of high-performance polypropylene fiber concrete

ZHAO Di

（Xianyang Vocational Technical College，Xianyang 712046，Shaanxi China）

Abstract： In recent years，the rapid development of science and technology has led to the progress of building ma? terials. High performance polypropylene fiber concrete is a new composite material developed in this process. This new type of concrete is polypropylene fiber，fine slag，fly ash and other mineral admixture，water reducing agent and other additives mixed with concrete in a certain proportion to get a high durability，strength and fluidity of the material. High performance polypropylene fiber concrete plays a very key role in the development of the current con? struction field， which can effectively optimize the overall quality of construction engineering，improve the durability of concrete buildings and so on. Therefore，the in-depth study of this material has very important practical signifi? cance. Under this background，this paper takes the mechanical properties and durability of high performance poly? propylene fiber concrete as the main basis，and carries out the related research on high performance polypropylene fiber concrete.

Key words： polypropylene fiber concrete；mechanical properties；the durable performance

建筑工程中最为重要的物质基础就是建筑材料，从混凝土面世之后，便成为了建筑工程中应用范围最广、使用量最大的建筑材料。混凝土凭借着它原材料来源丰富、价格低廉、制作简单和易于造型等等特点，在整个建筑材料领域中占有着非常高的地位。但是，建筑工程的不断发展和进步需要建筑材料的优化创新作为基础，传统混凝土抗压强度低、易发生脆裂、耐久性不够等缺点也在这一过程中凸显出来。传统混凝土发展为现在的各种高性能混凝土经历了很长的一个过程：首先由传统混凝土演变为塑性混凝土，经历过二战之后又发展为干硬性混凝土，后来较为成熟的流态混凝土出现，最后才演变为今天的高强度、高性能的混凝土。纤维混凝土就是一种高性能混凝土，它是以混凝土为基底，以纤维作为其添加剂，搅拌混匀后形成的一种复合材料。聚丙烯纤维由于其自身的各项特质，轻质、密度小、延展性高、无味无毒等等被引入到这一复合材料技术中，以这种纤维为原材料制备的纤维混凝土有着优越的力学性能和耐久性能，成为目前建筑领域应用最为广泛的建筑材料。

1 聚丙烯纤维混凝土的特点

聚丙烯纤维的物理性质，不溶于水，无味无毒，密度略轻于水，熔点在167℃ ，燃点在580℃ ， 在受到拉伸时的延展性较好，有着较好的耐热性及耐酸碱性，导电性、导热性很低。在聚丙烯纤维与混凝土进行混合搅拌之前，通常会对纤维表面进行特殊的处理，增强两者之间的粘接力。

聚丙烯纤维的化学性质，聚丙烯是由丙烯聚合而成的高分子化合物，是一种有着规整结构的聚合物，其化学性质非常稳定，当我们需要对混凝土的性能进行调整时，通常是依靠改变其物理结构来达到目的。其稳定的化学性质使其与绝大多数物质不会发生反应，与混凝土的各种原材料都保持着良好的亲和性，可以很好的和混凝土的添加剂、掺合料、骨料及水泥等进行混合，并且搅拌混合过程非常简便，易于操作[1-2]。聚丙烯纤维混凝土相较传统混凝土的优点：

（1）聚丙烯纤维的加入使得混凝土可以很好地抵御塑性收缩、温度骤变等等引起的脆性裂缝，使得混凝土有更好的防裂属性；

（2）在混凝土中加入聚丙烯纤维，能有效抑制混凝土在工程早期的干裂产生，很大程度上减少了混凝土在收缩过程中的裂缝，从而减少了混凝土内部的渗水通道，使得混凝土保持更好的防水性能，拥有更好的抗渗能力；

（3）加入聚丙烯纤维后，可以帮助混凝土缓解因温度变化等各种因素而产生的物理内应力的作用，防止微小裂缝的产生，有利于提高混凝土在低温环境下的抗冻能力；

（4）混凝土在和聚丙烯纤维搅拌混匀后，可以保证在1立方厘米的混凝土中包含20条左右的纤维丝，这些纤维丝可以在混凝土受到冲击时吸收动能，防止裂缝的产生。同时，纤维丝在混凝土中密集的分布可以防止混凝土从基体上脱落，阻碍了混凝土的磨损。相较于传统的混凝土，其耐磨性和抗冲击能力有了很大的提升；

（5）聚丙烯纤维混凝土有着较好的耐腐蚀性，因为聚丙烯纤维是一种有着非常稳定化学性质的物质，无论在酸性环境还是碱性环境都不会受到影响，同时纤维的添加还能很好的防止混凝土的氧化、老化。

综上所诉，聚丙烯纤维的加入，从各个方面对混凝土的品质进行了优化，就目前的建筑材料领域而言，高性能聚丙烯纤维混凝土有着非常重要的研究意义[3-4]。

2 高性能聚丙烯纤维混凝土实验材料结果分析

力学性能是混凝土的重要性能之一，在混凝土结构设计中，也将抗压强度作为衡量其质量的主要指标。本文的研究对象是高性能聚丙烯纤维混凝土，抗拉强度、抗折强度、抗冲击性能作为其与传统混凝土相比的优越性能，成为其在力学性能研究过程中的重点考察指标。

2.1 高性能聚丙烯纤维混凝土的抗压强度2.1.1 实验方法

材料：采用边长为15 cm 的标准立方体混凝土，每组实验使用3个标准立方体。

实验步骤：（1）对混凝土立方体进行制备，将成型后的混凝土防止在空气湿度均匀的空间内，保持温度在20℃左右，湿度在50%以上，静置24～36 h，然后将其从模具中取出，对每个立方体进行编号。编号后的立方体放入湿度95%，温度20℃的环境中直至到达培养龄期；（2）将所需立方体从培养环境中取出，把表面擦拭干净，然后在压力装置上下压板间防止2块适当大小的钢板，将立方块安装在与压力机中心相对的位置；（3）安装完成后对立方块进行加压，调整压力机的功率均匀输出，保证每秒加压在0.8～1.0 MPa；（4）在持续加压至立方块急剧变形、即将破碎时，停止加压工作，记录此时压力机的工作荷载。

混凝土立方体的抗压强度计算公式：

式中：fcu表示混凝土立方体的抗压强度，MPa；F 表示实验测得的极限荷载，N；A 表示立方体的受压面积，mm2。计算结果的精确度保持在0.1 MPa，不同龄期的立方块的强度值为每组3个立方块的测试结果平均值[5-6]；（如果3个结果中最大值与最小值差值超过中间值的15%则视为3组数据无效）。

2.1.2实验结果

混凝土不同龄期、不同混凝土纤维掺量的抗压强度分别如表1图1所示。

由表1、图1的结果可得出，（1）同一龄期下的立方体，纤维混凝土的抗压强度低于基准混凝土；（2）同一龄期下的立方体的抗压强度随混凝土内纤维的掺量增大而降低；（3）纤维混凝土立方块相较于传统混凝土，抗压强度随龄期增长而下降的幅度更小，有更好的耐久度。

综上所述，随着聚丙烯纤维的加入，混凝土立方体的抗压强度由于纤维较低的彈性模量较小等性质有小幅度的下降，但减小了龄期对抗压强度的影响。

2.2 高性能聚丙烯混凝土的抗折强度

2.2.1 实验方法

材料：使用15 cm×15 cm×55 cm 的混凝土棱柱体，每组实验使用3个棱柱体。

实验步骤：（1）将棱柱体从制备处去除，清洁表面并测量其尺寸保证其符合实验标准；（2）将棱柱体的侧面作为支撑面安装在试验机球形基座上，保证其与设备中心对齐，在正确的实验位置；（3）对棱柱体持续，均匀的施压，调节功率保证荷载在每秒0.08～0.1 MPa，当棱柱体出现明显变形，即将破坏时，停止设备继续加压，记录此时的设备荷载F。

混凝土棱形块抗折强度的计算公式：

式中：fcf表示混凝土的抗折强度，MPa；F 表示棱形柱的极限荷载，N；b表示棱形柱截面宽度，15 cm；h表示棱形柱截面高度，15 cm；L 表示支座之间的距离，45 cm。计算结果精确到0.01 MPa，为组内3个棱形柱测量结果的平均值[7-8]。

2.2.2 实验结果

混凝土不同龄期的抗折强度、不同混凝土纤维掺量的抗折强度分别如表2和图2所示。

由表2、图2可得出，纤维的加入让混凝土棱形柱在弯曲时折断时对两侧的混凝土有一定的牵扯作用，使同一龄期下的高性能聚丙烯纤维混凝土的抗折强度高于传统的混凝土，抗折强度的提升幅度也会随着纤维掺量的增多而变大，但是当纤维掺量超过一定值时，抗折强度会出现负增长。适当的加入聚丙烯纤维可以增强混凝土的抗折强度，整体韧性[9-10]。

2.3 高性能聚丙烯纤维混凝土的抗冲击性能2.3.1 实验方法

材料：采用直径15 cm，厚度64 cm 的试验块，每组使用6个试验块，标准培养28 d。

实验步骤：采用ACI（美国混凝土协会）的实验方法进行测定。在试验块上放置一颗传力球，保持冲击锤的中心和传力球、试验块中心对其，测试开始时，由传力球将冲击锤的动能传递给试验块。实验过程中需要记录以下指标：第1次出现裂缝时的冲击次数（n1）；第1次出现裂缝后试验块和挡板中任意3块接触时的冲击次数（n2）；第1次出现裂缝与破坏时的冲击次数差值（n2-n1）；初裂后能够继续吸收的冲击能量△W；破坏过程中吸收的全部冲击量W。

通过冲击韧性来衡量混凝土试验块的抗冲击性能，计算公式：

式中：h 表示冲击锤的下落高度，45.7 cm；重力加速度为9.81 m/s2。每组实验数据需要剔除6个数据中的最大值和最小值，最终结果为剩下4个数据的平均值。2.3.2 研究结果

混凝土试验块的抗冲击性能指标如表3所示。

由表3可知，（1）试验块初次出现裂缝的冲击次数和破坏冲击次数随着混凝土内纤维的掺量增多而增加；（2）在试验过程中，传统混凝土的破坏一般一分为二，裂口较为整齐，而高性能聚丙烯纤维混凝土的破坏裂口一般呈放射状，未完全分裂。

综上所述，聚丙烯纤维的抗拉强度较高，在混凝土受到冲击时吸收了大部分的动能，增强了混凝土的抗冲击能力，同时，聚丙烯纤维在混凝土中的均匀分布可以很好的分散内部应力，防止受冲击后裂纹的扩散。

3 高性能聚丙烯纤维混凝土的耐久性能

混凝土的耐久性能是混凝土在投入使用时除了力学性能外最重要的性能之一，混凝土的耐久性是指混凝土在使用过程中，在内部或外界的影响下，抵御受到侵蚀破坏作用，保持自身各项工作能力的性能。影响混凝土耐久性能的因素一般分为物理作用和化学作用，前者包括在使用过程中的一些磨损、盐类渗入引起的膨胀开裂等德国，后者包括盐类腐蚀，混凝土内部的钢筋腐蚀等等。这里主要通过研究收缩性能和抗碳化性能来衡量高性能聚丙烯纤维混凝土的耐久性能[11-12]。

3.1 高性能聚丙烯纤维混凝土的收缩性能

混凝土在使用过程中会受到自身因素和温度等外界条件的影响，导致混凝土体积收缩，如何控制混凝土的收缩量，降低其在使用过程中内部产生裂缝的可能成为混凝土研究的关键问题。

3.1.1 实验方法

材料：尺寸为10 cm×10 cm×51.5 cm 的混凝土棱形块，每组试验使用3个棱形块，标准培养2 d 后开始试验。

实验步骤：保持实验环境在20℃ ， 湿度在60%。第1步，棱形块在3 d 龄期后转入实验室测量初始长度，记录初始数据；第2步，将棱形块放置在恒温恒湿的环境下，使不同组别的龄期分别达到1、3、7、14、28、60、90、120、150和180 d，到达龄期后测定收缩后长度[13]；测量过程中，每个试验块测量3次取平均值作为实验数据。

混凝土的收缩率计算公式：

式中：Sd 表示不同龄期下混凝土的干缩率，%；L0表示棱形块的测定标距，mm；X01表示棱形块的初始长度，mm；Xt1表示不同龄期下干缩的长度，mm。实验结果为每组3个棱形块的干缩率平均值，精确度保持在0.0001%。

3.1.2 实验结果

不同纤维掺量对混凝土收缩性能的影响结果如图3所示。

从图3可以看出，（1）聚丙烯纤维的加入会使混凝土在使用过程中收缩程度变小，不同龄期的纤维混凝土在收缩性能上都要优于传统混凝土；（2）随着龄期的增大，混凝土的干缩率也随之变化平缓，增长幅度变小。

综上所述，聚丙烯纤维加入混凝土后可以很好地优化混凝土的收缩性能，提高混凝土的耐久性能。聚丙烯纤维通过减少混凝土的失水面积，减缓其内部水分迁移速度，从而减小混凝土棱形块的干缩率，同时干缩率的下降减少了混凝土裂纹的出现，切断了水分消散的通道，进一步减缓了其干缩过程。

3.2 高性能聚丙烯纤维混凝土的抗碳化性能

混凝土的碳化过程是指，空气中的二氧化碳在混凝土使用过程中渗入，与混凝土内的碱性材料发生化学反应产生水和碳酸盐，导致其内部碱性降低，间接引起混凝土内部钢筋的腐蚀生锈，混凝土产生裂纹，混凝土整体强度下降[14]。

3.2.1 实验方法

材料：尺寸为10 cm×10 cm×10 cm 的混凝土立方块，每组实验使用3个立方块。立方块在标准培养环境下培养24 h后再脱模进行使用。

实验步骤：保持实验环境温度在20℃ ， 湿度在70%，二氧化碳质量分数为20%。（1）在预定龄期取出立方块，放入温度60℃的烘箱内烘干，用石蜡蜡封立方体的4个面，保留3个相对面；（2）将立方块放入标准碳化环境下开始碳化，直至预定时间28 d；（3）碳化完成后取出立方块，沿立方块碳化的两面劈开，清洁断面，立即喷上质量分数为1%的酒精酚酞溶液，半分钟后用游标卡尺测量混凝土的碳化深度，记录实验数据。最终结果为3个立方块的测定值平均值。

3.2.2 实验结果

纤维混凝土和传统混凝土的碳化程度比较结果，如表4所示。

由表4可知，聚丙烯纤维的加入使得混凝土内部的钢筋有更好的保护，间接减缓了混凝土的碳化，提高了混凝土的抗碳化能力[15]。

4 结语

以高性能聚丙烯纤维混凝土的特点作为切入点，通过大量的实验展开了对聚丙烯纤维混凝土的研究，研究结果表明，聚丙烯纤维的加入，结合其自身轻质、抗酸碱能力高及延展性较好等优点，可以让混凝土在抗压、抗折、抗冲击等力学性能及抗收缩、抗碳化等耐久性能2个方面得到很大的提升，相较于传统的普通混凝土在建筑材料领域有着更大的优势，更好的发展前景。

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