聚丙烯纖維對耐酸混凝土強度和變形性的影響

[摘要] 文章對比研究了耐酸混凝土與摻加聚丙烯纖維的耐酸混凝土在相同溫度下的抗拉強度，抗壓強度，以及在不同溫度條件下的彈性模量和溫度應變的性能。結果表明：摻入聚丙烯纖維能有效的提高耐酸混凝土的抗拉強度，抑制耐酸混凝土的溫度應變，但降低了其抗壓強度與彈性模量。

[關鍵詞] 聚丙烯纖維；抗壓強度；彈性模量；溫度應變

[中圖分類號] TU528 [文獻標志碼] A [文章編號] 1003-1324（2012）-02-0068-04

1 引言

水玻璃耐酸混凝土優良的耐酸性能，使其在一些具有高腐蝕性環境中得到應用，例如電解槽等結構。但它的抗拉強度低，易開裂，韌性低等特點，特別是在高溫條件下耐酸混凝土由于不均勻變形易引起的開裂縮短了它的使用壽命，也因而限制了它的使用。

在普通混凝土中加入纖維來使混凝土增強、增韌、阻裂，取得了良好的效果。研究表明，聚丙烯纖維能有效抑制早期混凝土原生裂縫的發生和發展，減少原生裂縫的數量和尺度。高小健[ 1 ] 研究表明摻聚丙烯纖維增加了裂縫數量和開裂面積，減小了混凝土早期開裂寬度；研究[2，3]認為在混凝土中摻入聚丙烯纖維可大大提高混凝土的抗沖擊韌性，并且在一定范圍內，抗沖擊韌性隨著纖維含量的增加而增大，當纖維含量為0.9kg/m3時將提高3倍。對于纖維在耐酸混凝土中的作用，目前尚沒有相關具體的研究報道。

文章在耐酸混凝土中加入低模量、大變形的柔性聚丙烯纖維，通過試驗考察其對耐酸混凝土性能的影響。特別是考察在高溫作用下纖維對耐酸混凝土的阻裂作用的效果。

2 纖維耐酸混凝土強度與變形性能的試驗研究

2.1 原材料及配合比設計

試驗采用鑄石粉和氟硅酸鈉混合拌制而成的膠凝物作為粘結劑；采用石英石（曬干）作為粗細骨料；選用自配改性水玻璃分散劑；纖維采用不同規格的聚丙烯纖維，其性能見表1。

（1）黏結劑：是鑄石粉和氟硅酸鈉按照11.9：1的比例混合拌制而成

（2）砂子：石英砂（曬干），顆粒直徑為10～40目

（2）粗集料：粒徑為15mm～20mm，0.04mm的石英石碎石（曬干）

（4）分散劑：自配改性水玻璃分散劑；

（5）水玻璃：密度為1.4g/cm3～

1.44g/cm 3，模數為2.8～3.0；

本次試驗所采用的耐酸混凝土的質量配合比為如下?；炷练郏?）：水玻璃（0.5）：減水劑（0.04）：F-1（0.0011）：F-2（0.004）：F-3（0.0025）：砂（0.605）：石英石（粒徑0.04mm）（0.351）：石英石（粒徑15-20mm）（1.754）

2.2 試驗內容和方法

依次按照以下步驟制造成本次試驗所需的耐酸混凝土試塊，再進行相關的性能試驗。

（1）按配合比稱出石英石，砂子，聚丙烯纖維，水泥，減水劑，水玻璃的質量，首先依次將15.00mm～20.00mm和0.04mm粒徑的石英石， 石英砂（10目～40目），F-1纖維（長28.00mm）倒入干燥的攪拌機中攪拌，然后再將混凝土粉和F-2纖維倒入進行攪拌；

（2）將量取的水玻璃，F-3纖維依次倒入干燥的UJZ-15砂漿拌機中攪拌90秒，再放入減水劑攪拌制成水玻璃溶液；

（3）最后將水玻璃溶液倒入混凝土攪拌機中進行攪拌120秒，制成混凝土集料，并將這些集料裝入試模中震搗并摸平，放入相對濕度60%，溫度25℃的養護室中24小時后拆模，然后將這些試塊放在養護室中進行養護28天。本次試驗需制成試塊150×150×300，100×100×100，100×100×400，70×70×210各若干個。

本次試驗包括彎拉強度實驗，抗壓強度試驗，彈性模量實驗均按照水工混凝土試驗DL/T5150-2001進行。

采用應變計測定彈性模量。常溫下的彈性模量測定時，直接在試件相對的側面表面各貼一個應變片并連接到CM-2B靜態電阻應變儀，在電子萬能試驗機下加壓。高溫下溫度為（60℃或85℃）的彈性模量測定，則是將試件放入恒溫箱中，以5℃/1 h的速率升溫到規定值，恒溫后，再取出用保溫材料包覆后進行測定。

溫度應變實驗采用70mm×70 mm×210mm試件，在其表面上貼一應變片并連接到應變儀，然后放入電熱恒溫鼓風干燥箱中，在恒溫水浴中用溫度為0℃的冰水混合物進行溫度補償。試件以5℃/1h的速率升溫，從30℃開始進行測定，一直測到105℃，再由105℃逐漸降溫，直到其起始溫度，每隔5℃采集應變。升溫達到測試溫度時，恒溫30min。參照文獻 [8] 計算線膨脹系數。

α=εm/Δθ。

εm——是混凝土試件的應變值；Δ——試驗終止溫度與初始溫度之差 ℃；

α——混凝土線膨脹系數，10-6/℃。

2.3強度試驗結果與分析

耐酸混凝土力學性能試驗結果如圖1和圖2所示，變形性能如圖3、圖4和圖5所示。

圖1，圖2所示分別為抗拉強度和抗壓強度，可以看出在常溫條件下纖維耐酸混凝土的平均抗拉強度為4.7MPa，不摻纖維的耐酸混凝土平均抗拉強度為3.45MPa，纖維耐酸混凝土的抗壓強度比素耐酸混凝土的抗拉強度高26.6%；與此同時纖維耐酸混凝土的平均抗壓強度為23.4MPa，素耐酸混凝土的平均抗壓強度為26.53MPa，所以纖維耐酸混凝土的抗壓強度比耐酸混凝土的抗壓強度略微降低。

混凝土破壞主要開始于一些混凝土內部存在的薄弱部位。而這些薄弱部位主要是一些由于混凝土硬化收縮所產生的不均勻收縮從而在混凝土內部的粗骨料與黏結劑，粗骨料與粗骨料之間的界面上產生的微裂縫。隨著混凝土所受抗拉應力的增加，這些微裂縫將慢慢的變寬變長，最終與其他發展的微裂縫相貫通而形成混凝土的可見裂縫。并且這些裂縫將隨著拉力的增加而逐漸發展變寬，直到混凝土被破壞為止[3]。當在耐酸混凝土中加入聚丙烯纖維，纖維將跨越裂縫起到傳遞荷載的“橋接”作用，使微裂縫尖端應力集中鈍化，約束裂縫的進一步擴展，還可以抑制新裂縫的產生，因此提高了混凝土的抗拉強度 [4]。

從理論上說在耐酸混凝土中加入少量的聚丙烯纖維可以提高耐酸混凝土的抗壓強度，但本實驗得出的結果卻相反。這可能是由于在耐酸混凝土中加入了過量的粗細纖維。而這些纖維裹縛在粗細骨料的周圍從而減少了凝結劑的體積，從而降低了骨料與水泥界面的黏結強度，最終降低了混凝土的抗壓強度。

聚丙烯纖維水泥基材料混凝土抗壓強度雖然有一定的降低，但聚丙烯纖維的摻入卻大大提高了基體的抗壓韌性[5]。從實驗現象可以明顯看出這一特性的變化。在受壓時普通的基體破壞時有明顯的碎片和剝落現象，而聚丙烯纖維復合材料只出現一系列的細小裂縫且仍能保持較好的完整性。這是由于在裂縫處混凝土將所受的拉力轉移給了聚丙烯纖維而聚丙烯纖維具有較高的抗拉強度及變形能力從而阻止了裂縫的近一步擴展。

2.4變形試驗結果與分析

（1）圖3是耐酸混凝土在不同溫度條件下的彈性模量。從圖3中顯示隨著溫度的升高，混凝土的彈性模量（包括纖維耐酸混凝土，和素耐酸混凝土）逐漸降低且降低的幅度隨著溫度的升高而增大。耐酸混凝土由10℃到60℃降低7%，60℃到85℃降低7.7%，而纖維耐酸混凝土10℃到60℃降低4.6%，60℃到85℃降低5.5%。在相同溫度條件下素耐酸混凝土的彈性模量高于纖維耐酸混凝土的彈性模量。這主要由于混凝土的彈性模量與纖維的彈性模量相差懸殊，且聚丙烯纖維的彈性模量低于耐酸混凝土的彈性模量，所以二者的復合材料的彈性模量將降低[ 6，7]。

（2）耐酸混凝土最大的缺點是在高溫條件下由于不均勻變形引起的溫變裂縫。因此圖4，主要反映的兩種混凝土的溫度變形。由圖4知隨著溫度的升高纖維耐酸混凝土的應變和素耐酸混凝土的應變不斷的增大，直到溫度達到最高溫度105℃應變也達到最高值，隨著溫度的降低應變也隨之降低，分別在40℃-50℃和100℃-105℃升溫和降溫過程當中應變都有一個突變值。且降溫過程中的應變始終大于升溫過程中的應變，升溫與降溫過程在相同的試驗條件下對應的溫度應變始終有一定的差值，升溫與降溫曲線始終不能重合，這說明耐酸混凝土的溫度應變非完全彈性變形而是具有一定的塑性變形。

（3）從素耐酸混凝土和纖維耐酸混凝土的溫度應變曲線對比來看，纖維耐酸混凝土在同一溫度下對應的溫度應變始終低于耐酸混凝土，即纖維耐酸混凝土的溫度應變小于耐酸混凝土的溫度應變。由于應變的減小，因此也減小了由應變在耐酸混凝土內部產生的應力，所以增強了耐酸混凝土的抗裂性能，即減少了耐酸混凝土的溫變裂縫，增強了耐酸混凝土的耐熱性能。

（4）圖5是反映各不同溫度下纖維耐酸混凝土和耐酸混凝土的線膨脹系數，從圖中可知在相同條件下纖維耐酸混凝土的線膨脹系數始終低于耐酸混凝土的膨脹系數，并且纖維耐酸混凝土的平均線膨脹系數為1.42*10-6/℃，素酸混凝土的平均線膨脹系數為2.37*10-6/℃，減小了近50%，說明纖維耐酸混凝土的溫變性小于素酸混凝土，即具有更好的溫度穩定性，減小了由于溫度膨脹發生的不均勻變形在混凝土內部引起的溫度應力，從而減少了裂縫產生和發展。

3 結論

文章通過三個實驗研究了纖維耐酸混凝土的一些力學和變形性能，從比較中得出以下結論：

（1）加入聚丙烯纖維可以提高耐酸混凝土的抗拉強度。加入適量的聚丙烯纖維對于耐酸混凝土的抗壓性能影響不大，但加入聚丙烯纖維的體積過大則會降低耐酸混凝土的抗壓強度。

（2）加入聚丙烯纖維可降低耐酸混凝土的彈性模量，且使彈性模量隨著溫度的升高而降低，并且降低的幅度大于不加聚丙烯纖維的耐酸混凝土。

（3）在變溫情況下聚丙烯纖維可有效地抑制耐酸混凝土的溫度變形，使耐酸混凝土具有更加穩定的溫變性能。

參考文獻

[1] 高小建，趙福軍，巴恒靜. 減縮劑與聚丙烯纖維對混凝土早期收縮開裂的影響[3]，沈陽建筑大學學報自然科學版，2006，22（5）：3 · 5.

[2]曹誠，劉蘭強. 關于聚丙烯纖維對混凝土性能影響的幾點認識[3]混凝土，2000，（9）：49-50。

[3]劉衛東，王依民. 聚丙烯纖維的耐磨損及抗沖擊性能的影響[3]混凝土，2005，（1）：43-44。

[4]PARVIZ Soroushian.Secondary Reinforced-Adding Cellulose Fibers[3]Concrete International，1997， （6）pp28-34.

[5]姚武，李杰，周鐘銘. 聚丙烯纖維對混凝土抗拉強度的影響[3]混凝土，2001，（10）：40-42。

[6]PRASAD N U.V1 Ramak reshnan， J im D1 Speakman， \" Performance Characteristics of Polypropylene （Monofilament）Fiber Reinforced Concrete\" Paper presented at the Session No114， \" Recent Developments in Fiber Reinforced Concrete，Part 1\"。

[7] 沈榮熹，崔琪，李清海. 新型纖維增強水泥基復合材料[M].北京：中國建材工業出版社，2004.

[8] 南京水利科學研究院，中國水利水電科學研究院。水工混凝土試驗規程DL/T5150-2001[M].北京：中國電力出版社，2002.

作者簡介 姚春梅（1982-） 碩士研究生 E-mail：yaochunmei237@sohu.com