聚乙烯醇纤维改性混凝土及抗盐蚀研究

贾 青

（杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 712100）

混凝土因其抗压强度高、价格低廉、与钢筋具备较好的胶结性等优点，被广泛用于各种建筑。但受混凝土自身材料特性的影响，存在脆性大和耐久性差的问题，难以适应现代工程要求，因此需要对混凝土进行改性。为了进一步提升混凝土的性能，部分学者也进行了很多研究，如蒋加森通过PVA 纤维对混凝土抗氯离子盐侵蚀性能进行提升，并对提升效果进行研究。试验结果表明，PVA 纤维的掺入能够增强路基工程用混凝土在氯离子环境下的抗侵蚀能力，有效延长混凝土结构的使用寿命［1］。胡秀月通过玄武岩纤维对混凝土进行优化，结果表明，玄武岩纤维对混凝土的综合性能产生积极的影响［2］。路鸣宇从制备原理、制作设备、纤维种类等几个方面对定向纤维混凝土制备方法及纤维取向的研究现状进行了详细整理、总结归纳［3］。夏冬桃则以混杂纤维为改性材料，对混凝土进行增强［4］。郭寅川通过玄武岩纤维对混凝土抗渗性能进行优化。结果表明，玄武岩纤维延缓了混凝土孔结构劣化和微裂缝扩展，从而降低了抗渗性衰减幅度［5］。以上学者的研究为提升混凝土性能提供了参考，但对于纤维增强混凝土抗盐蚀性能还有进一步的优化空间。基于此，试验以张翼翔［6］论文中的方法，制备了一种新型纤维混凝土，并对其抗氯离子盐蚀性能进行研究。

1 试验部分

1.1 材料与设备

主要材料：水泥（P.O42.5 鲁圣耐火材料）；粉煤灰（I级 百益矿产品）；矿渣粉（II级 怡然矿产品）；粗骨料（I 级 康辉耐材）；细骨料（II 级 宁博矿产品）；PVA 纤维（标准品 科良建材）；减水剂（AR 晴天化工）。

主要设备：YAW 型压力试验机（文腾试验仪器）；LX-WN-LL2T 型万能材料试验机（力雄仪器）；WPC-9052 型数据采集器（韦尔讯信息技术）；FTND-4型挠度传感器（标卓科学）。

1.2 试验方法

参照GJ 55—2011 对混凝土配合比进行设计，具体见表1。

表1 混凝土配比设计Tab.1 Concrete mix design kg/m3

（1）根据表1配比依次将水泥、粉煤灰、矿渣粉、粗骨料、细骨料和PVA 纤维放入搅拌机内进行干拌，干拌时间为2 min。

（2）将减水剂倒入水中，然后将一半用水倒入，混合均匀后，倒入剩下的水搅拌5 min，得到纤维混凝土拌和物。

（3）进行坍落度试验后，将拌和物倒入模具中，标准养护。养护1 d后拆模，继续标准养护至相应龄期。

1.3 性能测试

1.3.1 坍落度测试

将混凝土拌和物分3次倒入坍落度筒内，然后立刻垂直提起坍落度筒，对混凝土坍落情况进行记录。

1.3.2 抗压强度测试

参照《纤维混凝土试验方法标准》使用YAW 型压力试验机对材料抗压强度进行测试［7-8］。

1.3.3 弯曲强度测试

参照CECS 13—2009 对材料弯曲强度进行测试［9-10］。

1.3.4 抗折强度测试

通过万能材料试验机对纤维混凝土施加荷载，进一步确定聚乙烯醇纤维对混凝土抗折强度的影响。

1.3.5 抗氯离子渗透性能测试

通过电阻法和氯离子快速迁移试验对混凝土的抗氯离子渗透性能进行测试。

2 结果与讨论

2.1 坍落度试验结果

图1 为坍落度试验结果。由图1 可知，混凝土的坍落度随聚乙烯醇掺量的增加而下降。当聚丙烯醇纤维掺量为12%时，坍落度较基础混凝土下降了约45%。出现这个变化的主要原因是纤维在混凝土内部形成均匀的乱向支撑体系，且该支撑体系占据空间随纤维掺量的增加而增加，再加上聚乙烯醇纤维与混凝土基体具备较强的粘结性，因此随纤维掺量的增加，混凝土的粘聚性也随之增加，坍落度有一定降低［11-12］。

图1 坍落度试验结果Fig.1 Slump test results

2.2 对纤维力学性能的影响

2.2.1 抗压强度测试

图2 为抗压强度测试结果。由图2 可知，过量的纤维会对混凝土抗压强度产生不良影响。这是因为过量的纤维会在混凝土内部相互聚集，增加了混凝土内部孔隙率，进而影响混凝土的抗压强度，而这种缺陷无法通过后期养护弥补［13-14］。而小掺量聚乙烯醇纤维对混凝土抗压强度产生积极的影响，在28 d 龄期，掺量12%的纤维混凝土抗压强度约为65 MPa，较基础混凝土抗压强度提升了约28%。这是因为聚乙烯醇纤维与混凝土胶凝材料亲和力和结合性较好，适合掺量的纤维可以在混凝土内部支撑与锚固，对混凝土内部密实性和抗压强度有增强作用［15］。

图2 抗压强度测试结果Fig.2 Compressive strength test results

2.2.2 弯曲强度测试

以28 d 龄期为例，通过载荷—挠度曲线对混凝土弯曲性能进行分析，结果见图3。由图3 可知，纤维混凝的荷载—挠度曲线均可分为三个阶段，第一阶段为达到最高峰值之前，此时荷载—挠度曲线为线性变化，在该时刻条件下，聚乙烯醇纤维与混凝土基体共同承受荷载，混凝土工作状态为弹性工作［16-17］。继续增加载荷，混凝土开始出现裂缝，承载力迅速下降，到了第二阶段，承载力下降后会有小幅度的回升，当第二个峰值出现，强度明显低于最高峰值强度。在第二阶段，受混凝土裂缝的影响，挠度增长快于荷载增长，此时聚乙烯醇纤维在界面粘结力的作用下横贯在裂缝两端，起到传递应力的作用，因此在该阶段，混凝土仍能承受较大的荷载［18］。在第二峰值出现后，荷载—挠度曲线下降，纤维混凝土塑性良好，裂而不断。总的来说，聚乙烯醇纤维能有效增强混凝土的韧性，且纤维掺量越大，其韧性也越大［19］。

图3 荷载—挠度曲线Fig.3 Load deflection curve

2.2.3 抗折强度测试

图4 为抗折强度测试。由图4 可知，纤维对混凝土抗折强度产生积极的影响。在养护龄期为28 d的条件下，PVA12 混凝土抗折强度达到了8.5 MPa，较基础混凝土提升了约55%，表现出良好的抗折性能。这是因为聚乙烯醇纤维与混凝土胶凝材料亲和度较高，具备一定的吸附粘结力，受外界荷载作用时，混凝土出现裂缝，聚乙烯醇纤维在吸附粘结力的作用下不会瞬间拔出，反而在裂缝中起到架桥连接作用，提升混凝土裂后承载力，抗折强度明显增加［20］。

图4 抗折强度测试结果Fig.4 Bending strength test results

2.2.4 剩余强度分析

图5为L/150 处剩余强度。由图5可知，聚乙烯醇纤维对混凝土的剩余强度产生积极影响。当养护龄期为28 d 时，PVA12 混凝土剩余强度较PVA6混凝土剩余强度增加了约210%。这是因为，在混凝土开裂后，纤维对混凝土裂缝的发展有一定约束作用，在进一步受荷载作用时，将荷载传递至裂缝上下表面，使其仍能继续承受荷载。当纤维掺量越多，在混凝土裂缝中架桥的纤维也越多，其剩余强度也越大。

图5 剩余强度测试结果Fig.5 Residual strength test results

2.3 弯曲试件破坏形貌分析

图6 为混凝土破坏形貌。由图6 可知，基础混凝土的断裂为脆性断裂。在纤维混凝土断裂面分布有较多断裂和被拔出的纤维，这说明在混凝土承受荷载的过程中，纤维对混凝土强度产生积极的作用。

图6 混凝土破坏形貌分析Fig.6 Analysis of concrete cross section

2.4 抗氯离子渗透性能分析

2.4.1 电阻率法

图7 为电阻率测试结果。由图7 可知，在养护龄期为28 d 时，PVA12 混凝土电阻率较基础混凝土大18.6 Ω·cm，这是因为聚乙烯醇纤维会在一定程度上增强混凝土的密实度，弥补混凝土内部因纤维掺入而造成的孔隙率增加的缺陷。同时，到养护龄期28 d 为止，混凝土电阻率一直处于增长的趋势，也就是说，电阻率一直会随养护时间的增加而增加。出现这个变化的主要原因在于，混凝土胶凝材料中含有矿渣粉和粉煤灰，在养护前期，受矿渣粉火山灰效应，提升电阻率。在养护后期，混凝土内的粉煤灰开始发挥作用，可有效细化孔径，增强混凝土内部密实度，提升混凝土电阻率，增强混凝土的抗渗性能。

图7 纤维混凝土电阻率测试结果Fig.7 Changes in electrical resistivity of fiber reinforced concrete

2.4.2 氯离子快速迁移试验

图8 为氯离子快速迁移试验结果。由图8 可知，聚乙烯醇纤维掺量与氯离子迁移系数成正比。当氧化龄期为7 d 时，PVA12 较基础混凝土组，氯离子迁移系数增加了约55%。纤维会导致混凝土内部孔结构劣化，影响混凝土密实度，降低了混凝土的抗渗性能。在养护后期，纤维混凝土的氯离子迁移系数与基础混凝土氯离子迁移系数较为接近。这是因为随养护龄期的增长，混凝土内部的粉煤灰和矿渣粉不断发生水化反应，水化产物对纤维导致的内部孔结构劣化问题有弥补作用，因此随养护龄期的增加，混凝土的抗氯离子渗透性能有所回升。

图8 抗渗试验结果Fig.8 Results of impermeability test

2.4.3 评价标准

根据相关参考文献建立混凝土抗氯离子渗透性能的评价标准，结果见表2、表3。结合图7、图8、表2、表3可知，在养护后期，PVA12纤维混凝土电阻率和氯离子迁移系数均满足抗氯离子渗透能力极高的标准要求。

表2 试验标准Tab.2 Test standards

表3 电阻率法评价标准Tab.3 Evaluation standards for resistivity method

3 结论

1）聚乙烯醇纤维对混凝土工作性能产生积极的影响。

2）28 d 龄期，掺量12%的纤维混凝土抗压强度约为65 MPa，较基础混凝土抗压强度提升了约28%。

3）纤维混凝土的荷载—挠度曲线均可分为三个阶段，聚乙烯醇纤维能有效增强混凝土的韧性，且纤维掺量越大，其韧性也越大。

4）在养护龄期为28 d 的条件下，PVA12 混凝土抗折强度达到了8.5 MPa，较基础混凝土提升了约55%，表现出良好的抗折性能。

5）当养护龄期为28 d 时，PVA12 混凝土剩余强度较PVA6混凝土剩余强度增加了约210%。

6）在养护龄期为28 d 时，PVA12 混凝土电阻率较基础混凝土大18.6 Ω·cm，氯离子迁移系数与基础混凝土较为接近，满足抗氯离子渗透能力极高的标准要求，表现出良好的抗氯离子能力。