PPE改性水电工程用复合材料的和易性与密度研究

张钿 宋振聪 龚振如 贾伟珑 关昊龙

摘 要：基于聚丙烯纤维（PPF）是一种轻质热塑性纤维，具有微小的直径、低密度、低弹性模量，且无吸水性，因此，聚丙烯纤维混凝土通常表现出优良的和易性、力学特性、抗裂特性及抗渗特性。这使得它能有效地解决水利水电工程中的混凝土渗透和开裂问题。研究将聚丙烯纤维作为增强相添加至混凝土体系中，探究不同聚丙烯纤维掺杂量对混凝土和易性、密度、力学强度和杨氏模量的影响规律，以制备出性能最佳的聚丙烯纤维增强混凝土，并在水利水电工程中得到广泛的应用。

关键词：聚丙烯纤维；混凝土；掺量；水利水电工程；实际应用

中图分类号：TQ342+.62

文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）11-0161-04

Study on workability and density of PPF modified composite materials for hydropower engineering

ZHANG Xi，SONG Zhencong，GONG Zhenru，JIA Weilong，GUAN Haolong

（HenanLuoning Pumped Storage Co.，Ltd.，Luoyang 471000，Henan China

）

Abstract：polypropylene fiber（PPF） is a lightweight thermoplastic fiber with a small diameter，low density，low elastic modulus，and no water absorption.Therefore，polypropylene fiber concrete usually exhibits excellent workability，mechanical properties，crack resistance，and impermeability.This makes it an effective material to solve the problem of concrete penetration and cracking in hydraulic and hydroelectric engineering.Polypropylene fiber was added to concrete system as reinforcement phase，and the influence law of different polypropylene fiber doping amount on concrete workability，density，mechanical strength and Youngs modulus was studied to prepare polypropylene fiber reinforced concrete with the best performance，and it was widely used in hydraulic and hydroelectric engineering.

Key words：polypropylene fiber;concrete;doping;hydraulic and hydroelectric engineering; practicalapplication

為了解决水利水电工程中的混凝土抗冲击磨损技术问题，全球的学者对其进行了大量的研究。除了需要对建筑物的表面特性进行科学的水力设计外，更应采用优质的新型混凝土材料以及合理的施工方法来保护和修复排水建筑物。聚丙烯纤维混凝土最初用于美国军事项目，主要用以增强混凝土的韧性［1-3］。聚丙烯纤维混凝土相较于普通混凝土，其脆性指数和弹性模量显著降低，而极限拉伸变形显著增大［4］。这些特性有助于提升混凝土的延展性，增强其抵抗变形的能力，进而有效抑制混凝土裂缝的扩展。因此聚丙烯纤维混凝土在水利水电工程中得到了广泛的应用［5］。通过在混凝土中掺杂聚丙烯纤维，研究纤维掺量对混凝土和易性、密度和力学性能等性质的影响，旨在开发一种适用于水电水利工程的高性能混凝［6］。

1 试验部分

1.1 试验原料

在试验中所用的水泥为P·O42.5的普通硅酸盐水泥，其主要性质见表1；通过X射线衍射分析确定碳酸钙为水泥的主要成分。研究中所用的粗骨料和聚丙烯纤维（PPF）具体特性见表2和表3；其中，聚丙烯纤维为市售聚丙烯纤维，其平均长度为12 mm，有效直径为25～42 μm，具体如图1所示。

1.2 混凝土配合比

通过在混凝土中掺杂不同含量的聚丙烯纤维制备了几种聚丙烯纤维增强混凝土，其掺量分别为0%、0.25%、0.5%、0.75%和1%。采用0.45的水灰比和0.75的胶砂比来配置强度大于25 MPa的标准混凝土。此外，为了保持所有样品的均匀性，采用了聚羧酸高效减水剂，其使用剂量保持在水含量的0.5%～0.9%。

1.3 混凝土成型与养护

混凝土的搅拌使用手动装载的实验室搅拌机进行。聚羧酸高效减水剂最初与水混合以实现高效减水剂的均匀分散，高效减水剂的用量在水质量的0.5%～0.9%变化，以保持60 mm的最小坍落度值。此外，为了考虑高效减水剂对硬化性能的影响，将其添加到对比样与聚丙烯纤维增强混凝土中。目前，配合比设计方法是分2个阶段添加混合水［7-9］。

将所有骨料和一半的水混合2 min，然后加入水泥、沙子和剩余的水，并进一步搅拌2 min以获得所需的和易性和可加工性。根据BIS（IS-1199-1959）标准，对所有样品类型进行坍落度试验，以确保制备的混凝土具有合适的和易性。养护24 h后，将样品从模具中取出，放置于标准养护室养护至规定时间［10］。

对于抗压强度测试，制备150 mm×150 mm×150 mm的标准立方体，在养护室养护7 d和28 d后进行抗压强度测试［11］。对于抗弯强度测试，制备500 mm×100 mm×100 mm的标准长方体，在养护室养护28 d后进行抗弯强度测试［12］。对于劈裂强度测试，制备Φ150 mm×300 mm的标准圆柱样品，在养护室养护28 d后进行劈裂强度测试［13］。此外，还需要准备16个圆柱形样品，用于弹性模量测试。在试验中，上述所有测试分别进行3次并取平均值作为实验结果［14］。

2 结果与讨论

2.1 和易性与密度

研究了不同掺量聚丙烯纤维混凝土的和易性和密度，具体结果如图2所示。坍落度试验显示，随着聚丙烯纤维掺量的增加，制备的聚丙烯纤维混凝土可加工性进一步降低，可加工性变差［15］。而密度结果显示，随着聚丙烯纤维含量的增加，制备的混凝土整体密度均表现出下降的趋势，其根本原因在于聚丙烯纤维的比重要明显低于混凝土本身［16］。因此，为了配置聚丙纤维增强的高性能混凝土，要尽可能控制聚丙烯纤维的含量，保证混凝土最基本的可加工性［17］。

2.2 力学性能

混凝土具有良好的力学特性，聚丙烯纤维的加入降低了混凝土脆性，虽然会一定程度上降低混凝土抗压特性，但会显著增强其抗弯和抗拉特性［18］。不同掺量的聚丙烯纤维混凝土力学性能，如图3所示。

由图3（a）可知 ，由于聚丙烯纤维与混凝土基材的不相容性，制备的聚丙烯纤维混凝土抗压强度会出现一定程度的降低。而对于劈裂强度和抗弯强度，当纤维掺量为0.5%～0.75%时，其劈裂强度和抗弯强度将增加至最大，可分别达到2.8 MPa和3.7 MPa，相对于未掺杂纤维的对比样分别提升25%和15.6%。

为了从机理上验证聚丙烯纤维增强混凝土力学强度提升的原因，通过场发射扫描电镜对掺量为0.75%的混凝土微观形貌做了分析，具体如图4所示［19］。众所周知，混凝土的力学强度由界面特性所决定。由图3可以看出，聚丙烯纤维被大量C—S—H凝胶包裹，显著增强了纤维的桥接能力，从而增大了混凝土抗劈裂和抗弯特性。然而，过量掺杂聚丙烯纤维又会导致混凝土内部出现大量裂纹和空隙［20］。因此，适量的掺杂聚丙烯纤维可以在保证混凝土抗压强度的同时提升抗劈裂强度和抗弯特性，制备高性能纤维增强混凝土。

2.3 杨氏模量

掺量为0.75%的聚丙烯纤维混凝土微观形貌如图5所示。

由图5可知，

随着聚丙烯纤维含量的增加，混凝土的弹性模量整体呈现出先增大后降低的趋势。当聚丙烯纤维的掺量保持在0.5%时，其弹性模量达到最大，为34.5 GPa。分析其原因，由于聚丙烯纤维具有良好的柔性和延展性，在混凝土中添加聚丙烯纤维对其裂缝增长、裂缝桥接以及裂纹延展提供了显著的改善效果，可以显著增强混凝土的抗变形能力和杨氏模量。然而，随着聚丙烯纤维含量的进一步增加，混凝土体系内会出现较多的微裂纹，这又会显著降低混凝土抵抗变形的能力，导致其杨氏模量显著降低。因此，适量的聚丙烯纤维掺入会使得混凝土弹性模量先增加后减小，图5中杨氏模量的变化规律以及图4中展现出的微裂纹均验证了这一点。

在试验中，掺量为0.5%～0.75%的聚丙烯纤维混凝土具有良好的力学性能、抗裂强度高、韧性强，有望可以在水利水电工程得到广泛的应用。在目前大坝和闸门的建设中，大坝和闸门起着至关重要的作用，它们对于控制水流、储存水源、防止洪水有着举足轻重的地位。因此，它们需要使用强度高、抗裂性强、耐久性好的材料，而上述制备的聚丙烯纤维混凝土正好满足这些要求，这种混凝土的使用可以增强大坝和闸门的稳定性，从而提高工程的安全性和寿命。此外，像水电站建设、防洪墙和排水系统建设、海堤和港口建设中，聚丙烯纤维混凝土均可表现出显著的优越性。使用聚丙烯纤维混凝土可以显著提高上述水利水电工程的使用寿命和稳定性，可进一步提升水利工程的效益和可靠性。

3 结语

（1）0.5%～0.75%掺量的聚丙烯纤维混凝土可以保持良好的和易性，保持混凝土良好的易加工特性；

（2）随着聚丙烯掺量的增加，混凝土密度逐渐降低，这是由于纤维的比重显著低于混凝土导致的；

（3）当聚丙烯掺量增至0.5%时，混凝土抗劈裂和抗弯强度均显著增加。然而，如果进一步增加聚丙烯纤维的掺量，混凝土抗劈裂和抗弯强度均呈现下降的趋势。这是由于适量的聚丙烯纤维掺杂会导致聚丙烯纤维被大量C—S—H凝胶包裹，显著增强纤维的桥接能力和混凝土的抗劈裂和抗弯特性。然而，过量掺杂聚丙烯纤维又会导致混凝土内部出现大量裂纹和空隙，使其力学性能显著下降；

（4）随着聚丙烯纤维掺量的增加，混凝土的弹性模量整体呈现出先增大后降低的趋势。当聚丙烯纤维的掺量保持在0.5%时，其弹性模量达到最大，为34.5 GPa。

【参考文献】

［1］ 繆昌文，穆松.混凝土技术的发展与展望［J］.硅酸盐通报，2020，39（1）：1-11.

［2］ 金生吉，孙一民，于贺，等.玄武岩纤维增强混凝土力学特性及其工程应用研究［M］.北京：清华大学出版社，2018.

［3］ 王钧，马跃，张野，等.短切玄武岩纤维混凝土力学性能试验与分析［J］.工程力学，2014，31（S1）：99-102.

［4］ 王卫军.环氧树脂基碳纤维布粘接胶在水利工程中的应用［J］.粘接，2019，40（11）：16-19.

［5］ 任蒙蒙，郭威威，陈培鑫，等.水工混凝土抗冲磨性能提升技术的研究进展 ［J］.广东轻工职业技术学院学报，2023，22（2）： 7-12.

［6］ 杨彪，姚贤华，何双华，等.煤矸石粗骨料混凝土力学及耐久性能的研究进展 ［J］.工业建筑，2023，53（1）： 212-220.

［7］ 陈峰，陈欣.玄武岩纤维混凝土的正交试验研究［J］.    福州大学学报（自然科学版），2014，42（1）：133-137.

［8］ 陈亚迪，洪丽，蒋津，等.水泥砂浆基体中玄武岩纤维的拔试验研究［J］.硅酸盐通报，2019，38（9）：2985-2991.

［9］ 彭苗，黄浩雄，廖清河，等.玄武岩纤维混凝土基本力学性能试验研究［J］.混凝土，2012（1）：74-75.

［10］ 王辉.BFRC力学性能试验研究及其本构模型的BP神经网络预测［D］.合肥：安徽大学，2020.

［11］ 王振山，李亚坤，韦俊，等.玄武岩纤维混凝土氯盐侵蚀行为及力学性能试验研究［J］.实验力学，2020，35（6）：1060-1070.

［12］ 何余良，刘镓萌，曹鑫雨，等.混杂纤维混凝土组合梁桥桥面板力学性能 ［J］.长安大学学报（自然科学版），2023，43（2）： 80-84.

［13］ 唐百晓.聚丙烯纤维混凝土纤维增强作用机理研究 ［J］.粘接，2023，50（2）： 78-82.

［14］ 张艳，廉前进，李小东，等.引沁灌区新愚公渡槽加固工程设计［J］.河南水利与南水北调，2018，47（10）：58-59.

［15］ 陈灿明，郭壮，何建新，等.闸首空箱顶板裂缝成因分析与加固方案探讨［J］.水利与建筑工程学报，2018，16（5）：157-161.

［16］ 吴浚源.碳纤维布加固技术在国外水电站厂房混凝土结构吊车梁的应用［J］.散装水泥，2021（5）：75-77.

［17］ 周长东，陈静，曾绪朗.预应力碳纤维布加固钢筋混凝土圆形空心高墩抗震性能分析［J］.应用基础与工程科学学报，2016，24（4）：804-812.

［18］ 张晓磊，吴海林，侯黎黎，等.钢-聚丙烯混杂纤维混凝土受拉性能试验研究 ［J］.黄河水利职业技术学院学报，2023，35（1）： 37-41.

［19］ 陈颖，葛燕锋.聚丙烯纤维再生混凝土研究综述 ［J］.四川建材，2023，49（1）： 16-8.

［20］ 周长东，陈静，曾绪朗.预应力碳纤维布加固钢筋混凝土圆形空心高墩抗震性能分析［J］.应用基础与工程科学学报，2016，24（4）：804-812.

收稿日期：2023-06-20；修回日期：2023-09-21

作者簡介：张 钿（1984-），男，工程师，主要从事水电工程施工新技术研究；E-mail：hyom0919@163.com。

引文格式：张 钿，宋振聪，龚振如，等.PPF改性水电工程用复合材料的和易性与密度研究［J］.粘接，2023，50（11）：161-164.