PP單絲纖維自密實混凝土強度與抗滲性能

摘要：采用力學試驗、滲水標號試驗、滲水高度試驗和氯離子滲透試驗研究了聚丙烯（PP）單絲纖維自密實混凝土強度、抗滲性能，通過掃描電鏡觀察了纖維自密實混凝土的微觀結構，從材料的組成結構和斷裂力學原理上分析了PP單絲纖維對自密實混凝土強度以及抗滲性能的影響機理。結果表明： 當PP單絲纖維自密實混凝土體積摻量不超過0.15%時，PP纖維自密實混凝土具有較好的抗滲性能，滲水標號大于S 35；PP單絲纖維體積摻量不超過0.1%時，自密實混凝土的強度和抗水滲性能隨著纖維體積摻量的增加而提高，電通量有所增加，而當體積摻量超過0.15%后，強度仍然有增長，電通量急劇增加；與普通自密實混凝土相比，0.10%單絲PP纖維自密實混凝土具有較好的強度特性和抗滲性能，28 d彎拉強度提高16.4%，28 d劈裂強度提高13.4%，56 d氯離子滲透電通量為919 C，滲水高度減少57%。

關鍵詞：

纖維自密實混凝土；聚丙烯單絲纖維；強度；抗滲性能

中圖分類號：TU528.572

文獻標志碼：A

文章編號：1674-4764（2013）03-0137-08

Strength Properties and Permeability of Polypropylene Monofilament

Fiber Reinforced Self-Compacting Concrete

He Xiaobing1，2，Yan Bo1

（1. College of Resources and Environmental， Chongqing University， Chongqing 400030， P.R. China；

2.State Key Laboratory Breeding Base of Mountain Bridge and Tunnel Enineering，

Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， P.R.China）

Abstract：Strength properties and permeability of the self-compacting concrete， which are reinforced with polypropylene monofilament fiber of different volume fractions， were investigated through mechanical test， water permeability test and chloride permeability test （chloride penetrability based on charge passed）. Then， the microstructure of the polypropylene fiber reinforced self-compacting concrete （PFRSCC） was observed through scanning electronic microscope. The impact of polypropylene fiber on strength properties and permeability was analyzed according to the material composition and fracture theory. The results show that： 1） PFRSCC， when the volume fraction of polypropylene monofilament fiber is less than 0.15%， has good impermeability， characterized with high impermeability mark （>S 35， based on Chinese Standard Test Method T 0568-2005）； 2） When the volume fraction of polypropylene monofilament fiber is less than 0.10%， PFRSCC’s strength properties and water impermeability increase with the addition of polypropylene fiber， and electric flux increases slightly. Whilse when the volume fraction of polypropylene fiber is higher than 0.15%， electric flux increases dramatically； 3） Compared with ordinary self-compacting concrete， PFRSCC， 0.10% polypropylene fiber has 16.4% increase in flexural tensile strength， 13.4% increase in splitting strength and 57% decrease in permeation depth， and chloride ion penetrability is low， about 919 C at 56 d.

Key words：

fiber reinforced self-compacting concrete； polypropylene monofilament fiber； strength； permeability

〖HJ1.9mm〗

纖維自密實混凝土（Fiber Reinforced Self-Consolidating Concrete 或Fiber Reinforced Self-Compacting Concrete ，簡稱FRSCC）是在混凝土混合料中摻入一定長度和體積摻量的纖維而配制成的一種僅依靠自身重力作用就能填充模筑混凝土的鋼筋空隙而達到密實的混凝土，其施工快速、噪音小，試件成型質量高，硬化后的韌性、抗裂性及抗沖擊性好，是高性能自密實混凝土發展趨勢之一[1-3]。

由于自密實混凝土的漿料體量大、水灰比小，纖維常可以用來增強其抗裂性能。根據所選用的纖維的模量不同，纖維自密實混凝土可以分為高模量纖維自密實混凝土（如鋼纖維自密實混凝土、碳纖維自密實混凝土等）和低模量纖維自密實混凝土（聚丙烯纖維自密實混凝土、聚丙烯晴自密實混凝土以及聚乙烯醇自密實混凝土）。其中，低模量纖維又稱之為柔性纖維。由于對柔性纖維阻裂、增強機理認識不足，國內外通常采用高模量纖維來增強自密實混凝土性能，進行了大量基本性、驗證性的研究，研究了鋼纖維自密實混凝土混合料性質及混合料配合比設計方法[4-5]，不同鋼纖維形式及其摻量對自密實工作性及力學性能的影響[6-9]，復雜環境下（多向受力、高溫）鋼纖維自密實混凝土力學性能[10-11]，鋼纖維和自密實混凝土的界面性能[14]，鋼纖維自密實混凝土的斷裂性能[15]，并對鋼纖維自密實混凝土基本力學性能指標進行了數值模擬和試驗驗證[12-13]；部分學者還對玻璃纖維自密實混凝土的配制方法、強度及流變性能進行了研究[16-18]。總的來說，高模量纖維自密實混凝土具有較好的阻裂、增強作用，可以用來配制超高強混凝土，但其對自密實混凝土工作性的負面影響較大。由于材料抗滲性是影響材料耐久性的重要指標，文獻[19-21]初步研究了玻璃纖維和鋼纖維的抗滲透性能，鋼纖維自密實混凝土的氯離子滲透能力是阻礙其在氯離子環境下使用的重要因素；玻璃纖維能改善自密實混凝土的滲透性能，相關研究有待進一步開展。

柔性纖維通常被用來改善自密實混凝土的收縮性能[22-23]，如聚丙烯單絲纖維、聚丙烯腈單絲纖維等。研究表明，聚丙烯（PP）單絲纖維自密實較鋼纖維自密實有更好的工作性[24]，且表現出良好的增強效應[25]，能提高自密實混凝土的斷裂能[15]，顯著改善自密實混凝土的抗裂、抗沖擊性能[26]，而有關PP單絲纖維自密實混凝土抗滲性能較系統的研究還少有報道。

本文研究了PP單絲纖維體積摻量對自密實混凝土強度及抗滲性能（水滲透性和氯離子滲透性）的影響，并從材料的組成結構和斷裂力學原理上分析了PP單絲纖維對自密實混凝土強度及抗滲性能的影響機理。

1試驗設計

1.1原材料

試驗采用普通硅酸鹽水泥，粉煤灰滿足GB/T 1596-2005 和 CECS 203：2006技術規程中I級要求，粗骨料選用5～20 mm的石灰石碎石，細集料選用細度模數為2.71的河砂，柔性纖維采用混凝土用聚丙烯單絲纖維，高效減水劑選用固含量為27%聚羧酸系高效減水劑。具體技術指標見表1～4。

1.2配合比

PP單絲纖維自密實混凝土配合比采取在普通自密實混凝土混合料中直接摻入PP單絲纖維的方式獲得。與普通混凝土不同的是，PP單絲纖維自密實混凝土的配合比首先要滿足工作性的要求，而根據Binham Plastic Fluid方程可知，纖維的摻入必將導致Binham粘度增加。因此，在不改變原有自密實混凝土配合比的情況下，纖維有一基于工作性的最佳體積摻量范圍。當纖維體積摻量超過該范圍后，可以采用增加砂率、減水劑用量、膠凝材料用量以及水膠比等方式改善工作性。

普通自密實混凝土的基準配合比為：水膠比0.3，膠凝材料用量550 kg/m3，粗集料用量834 kg/m3，粉煤灰占膠凝材料的30%，砂率為50%，減水劑占膠凝材料的1%；纖維采用長度為12 mm的PP單絲纖維，體積摻量分別為0.05%、0.1%、0.15%、0.2%。

1.3試驗方法

1）PP 單絲纖維自密實混凝土制備

PP單絲纖維自密實混凝土配制時，先將集料、膠凝材料倒入攪拌機干拌1～2 min，然后加入PP單絲纖維干拌1～2 min，接著加入高效減水劑和80%左右的水拌合1 min左右，再加入剩下的水拌合1 min左右，然后停止攪拌并觀察是否有離析、纖維成團等狀況，1～2 min內進行坍落擴展度（SF）和U型儀（Δh）試驗，并制備相應的抗壓、劈裂、抗折試件以及抗滲試件進行強度試驗和抗滲性試驗。試驗共制備5種混合料，FS-M-0、FS-M-5、FS-M-10、FS-M-15和FS-M-20，分別對應0、0.05%、0.1%、0.15%和0.2%體積摻量的PP單絲纖維。

2）PP 單絲纖維自密實混凝土工作性試驗[27-28]

試驗采用坍落擴展度檢測纖維自密實混凝土的填充性，采用U型儀檢測間隙通過性和抗離析性。根據自密實混凝土的相關規范及條款，采用坍落擴展度（SF≥550 mm）和U型儀高度差（Δh≤30 mm）對纖維自密實混凝土的工作性進行綜合評價。如果PP單絲纖維摻入到自密實混凝土后，混合料的工作性達不到要求，采用增加減水劑和膠凝材料用量方式進行改善（由于試驗配合比中砂率較高和提高水膠比會影響強度，試驗中沒有采用此兩種方式改善工作性），直至滿足工作性要求。表5為纖維摻入到自密實混凝土后混合料工作性和28 d強度試驗結果。

FS-M-15-I、FS-M-15-II分別對應增加高效減水劑和膠凝材料方式（其中：I表示該組采用了增加高效減水劑的方式改善工作性，II表示改組采用了增加膠凝材料用量的方式改善工作性）。調整時，當采用只改變單一因素就能達到，其它條件都不發生改變；如果采用改變單一參數無法滿足工作性要求時，可以采用復合調整的方式，先提高減水劑用量，在增加膠凝材料用量。FS-M-20編號方式一樣。表6為調整配合比后的PP纖維自密實混凝土混合料工作性和28 d抗壓強度試驗結果。

3）PP單絲纖維自密實混凝土抗滲試驗[29-31]

采用水滲透試驗、氯離子滲透試驗方法進行PP單絲纖維自密實抗滲性能研究（見圖1～3）。水滲透方法采用水泥混凝土抗滲試驗方法（T 0568-2005）和水泥混凝土滲水高度試驗方法（T 0569-2005），每組6個試件；氯離子滲透試驗采用電量法（JTJ/T 193-2009，ASTM C 1202），測試試件28 d和56 d養護齡期下的電通量，每組3個試件。當電通量小于100 C，氯離子不滲透；當電通量在100～1 000 C時，氯離子滲透能力很低；當電通量在1 000～2 000 C時，氯離子滲透能力低；當電通量在2 000～4 000 C時，氯離子滲透能力中等；當電通量大于4 000 C時，氯離子滲透能力很強。

4）PP單絲纖維自密實混凝土早期強度試驗[29]

在確定PP單絲纖維自密實混凝土配合比后，成型100 mm × 100 mm × 100 mm立方體抗壓、劈裂試件和100 mm × 100 mm × 400 mm抗折試件，每組3個試件，測試其28 d強度值。

2試驗結果與分析

2.1 纖維體積摻量對自密實混凝土工作性及28 d抗壓強度的影響

圖4、圖5分別為PP單絲纖維體積摻量與自密實混凝土工作性和28 d抗壓強度關系曲線。當PP纖維的體積摻量超過0.10%后，混凝土工作性已不滿足自密實的工作性要求，抗壓強度有不同程度的降低。實際拌合過程中也發現，當摻量達到0.10%后，纖維分散性差，成團現象明顯，混凝土工作性急劇下降。因此，在不改變自密實混凝土原有配合比情況下，纖維最大體積摻量不宜超過0.10%。

2.2 調整配合比后的PP纖維自密實混凝土工作性及28 d抗壓強度

當PP單絲纖維體積摻量超過0.10%后，自密實混凝土工作性已不滿足規程要求，需進行配合比調整。表6顯示，通過提高高效減水劑用量和增加膠凝材料的用量都可以顯著改善PP單絲纖維自密實的工作性，且28 d抗壓強度較普通自密實混凝土有4%～9%不同程度的提高；但當減水劑的用量由1.25%增加到1.5%時，0.2%纖維體積摻量自密實混凝土相對于0.15%體積摻量的混凝土的工作性和28 d強度沒有增量效應，建議減水劑的摻量不要超過1.5%；增加膠凝材料用量會帶來成本和開裂風險的增加，膠凝材料的用量也需要要控制在一定的范圍，因此 PP纖維的體積摻量不宜超過0.15%。

2.3PP纖維自密實混凝土抗滲性能

根據PP纖維自密實混凝土工作性試驗結果，采用PP單絲纖維制備FS-M-0、FS-M-5、FS-M-10、FS-M-15-I、FS-M-20-I 5組試件，養護28 d 進行抗滲試驗（滲水標號、滲水高度和氯離子滲透），同時還制備一組56 d養護齡期的試件進行氯離子滲透試驗。

2.3.1滲水標號試驗時，水壓力從0.1 MPa開始，每隔8 h增加水壓力0.1 MPa，當壓力增加至3.6 MPa后停止試驗（抗滲儀的最大水壓力為4.0 MPa）。當纖維體積摻量不超過0.15%時，水壓力增加至3.6 MPa時試件表面均未發現滲水， 滲水標號大于S35；當纖維摻量達到0.2%，FS-M-20-I壓力達到0.4 MPa就有3個試件出現表面滲水情況，滲水標號為 S3。因此， PP單絲纖維的體積摻量不宜超過0.15%；當纖維體積摻量在0～0.15%，滲水標號無法定量評價PP單絲纖維自密實混凝土的水滲透性能。為了比較抗水滲透性能情況，試驗采用滲水高度來定量評價PP纖維對自密實混凝土抗滲性能的影響。

2.3.2滲水高度按水泥混凝土滲水高度試驗方法，對滲水標號大于S35試件進行劈裂試驗，量取滲水高度（圖6），表7為滲水高度平均值。試驗結果表明，當PP單絲纖維體積摻量不超過0.10%時，PP纖維自密實混凝土的滲水高度隨體積摻量的增加而減少；當PP纖維的體積摻量超過0.10%后，盡管此時的滲水高度較普通自密實混凝土仍然小，滲水高度又開始升高。由于可見，當纖維體積摻量不宜超過0.10%時，PP纖維自密實的水抗滲性能顯著優于普通自密實混凝土，滲水高度減少57%。

2.3.3氯離子滲透圖7、圖8為不同體積摻量下，28 d 和56 d PP單絲纖維自密實混凝土抗氯離子滲透試驗結果（電通量）。

圖7、圖8氯離子滲透試驗結果表明， 當PP單絲纖維體積摻量在0.10%以內時，盡管PP纖維自密實混凝土的電通量隨PP纖維體積摻量的增加而增加，但28 d PP纖維自密實混凝土電通量不超過2 000 C左右，56 d PP不超過1 000 C，氯離子滲透能力屬于“滲透能力低”和“滲透能力很低”的水平；當纖維體積摻量超過0.10%后，電通量隨纖維體積摻量的增加而急劇增加，PP纖維自密實混凝土氯離子滲透能力達到中等及以上。因此，纖維體積摻量不宜超過0.10%。

需要說明的是，盡管電通量試驗中的PP纖維自密實混凝土的氯離子滲透能力高于普通自密實混凝土，但根據ASTM C1202-12和 JGJ/T 193-2009規范，56 d齡期PP纖維自密實混凝土屬于氯離子滲透能力很低的評定等級，可以在氯離子環境中使用。

有關PP纖維普通混凝土研究表明，相對普通混凝土而言，PP纖維普通混凝土中較大毛細孔的數量增加，但大孔、過渡孔的數量減少，材料整體性能變好，其中毛細孔的增加將影響到滲透性能，將導致氯離子滲透試驗電通量結果變大。而混凝土內部的微裂縫也是導致其抗滲性能降低的重要原因，PP纖維在水泥基材料中具有阻裂、增強作用，材料的微裂縫等缺陷大大減少，水壓力法較電通量法更能反映這方面的變化。因此，宜采用水壓力法和氯離子滲透法綜合評定PP纖維增強水泥基材料的抗滲性能，也可以借鑒來定性解釋PP纖維自密實混凝土電通量試驗結果與抗水滲透的結果相矛盾的結論。同時，有待開展壓汞試驗了解PP纖維自密實混凝土的孔隙結構的分布特點和孔徑分布范圍，進一步解釋上述現象。

2.4PP單絲纖維自密實混凝土28 d強度

圖9～11為滿足工作性要求的PP單絲纖維自密實混凝土的28 d抗壓強度、28 d劈裂強度和28 d彎拉強度與PP纖維體積摻量之間的關系。試驗結果表明，纖維體積摻量不超過0.15%時，纖維的摻量對抗壓強度的影響較小，劈裂強度和彎拉強度隨著纖維體積摻量的增加而增加；當纖維體積摻量超過0.15%后，纖維自密實混凝土抗壓強度、劈裂強度和彎拉強度出現不同程度的降低。

3 PP纖維對自密實混凝土強度和抗滲性能影響分析

新拌自密實混凝土性能為非牛頓流體，可以用賓漢姆塑性流體（Binham Plastic Fluid）近似描述其流變性能。根據賓漢姆流變方程τ=τ0+η0，當纖維摻量達到一定程度，賓漢姆粘度η0增加，自密實混凝土的工作性逐步喪失，因此必須確定理想的纖維選型和摻量。通過采用提高膠凝材料和高效減水劑的用量，使新拌混凝土屈服剪切應力τ0降低，重新獲得高流動性，從而可以提高纖維的摻量，但膠凝材料和高效減水劑的用量過大會照成τ0、η0過小，進而造成新拌混凝土的離析。因此，PP纖維體積摻量有一定的范圍。試驗中也發現，當纖維體積摻量超過0.15%后，PP纖維分散性差，新拌PP纖維自密實混凝土有不同程度的離析現象發生。

當PP單絲纖維體積摻量不超過0.10%時，掃描電鏡顯示PP纖維自密實混凝土的纖維表明上大量的C-H-S凝膠（圖16），其與水泥基體形成良好的粘接；而大量亂向分布的PP纖維上的C-H-S凝膠相互延伸搭接形成一個網絡結構，當一處纖維受力，荷載會很快傳遞到受影響的區域，形成整體受力，而對于PP網狀纖維其整體受力性能更好，從而提高材料的強度指標。

抗滲試驗中，當纖維體積摻量不超過0.10%時，滲水高度隨著纖維體積摻量的增加而減少，而電通量有所增加（但電通量結果屬于氯離子滲透能力較低的等級），看似矛盾的結果實際上并不矛盾。大量的研究表明，隨著纖維摻量的增加，水泥基材料中較大毛細孔的數量增加，但大孔、過渡孔的數量減少，從而表現出了上述性質，材料抗氯離子的滲透能力還是強的，且電通量試驗結果都處于規范規定中的氯離子滲透能力很低的評級中，可以在氯離子環境中使用。當纖維體積摻量超過0.15%后，由于PP纖維分散性較差，大孔、過渡孔的數量急劇增加，導致材料抗滲性能急劇降低。

再者，從斷裂力學的角度來看，纖維自密實混凝土的破壞程是一個裂縫萌生與發展的過程。根據線彈性斷裂力學的應力強度因子疊加原理[32-33]，當一根纖維橫跨裂縫時將會產生一個反向的應力強度因子，阻止裂紋的進一步擴展，此時裂紋尖端的應力強度因子K=Kc-Kf，其中Kf為纖維產生的反向應力強度因子，Kc為自密實混凝土裂紋尖端的應力強度因子。當裂紋穿過一系列亂向分布的纖維后，且纖維為網狀相連時，其裂紋尖端的應力強度因子更小，材料抗裂性能及強度指標提高。

4結語

通過對PP單絲纖維自密實混凝土的土強度、抗滲性能研究，可以得出如下結論：

1）采用 “粉煤灰+水泥”粉體系方法配制而成的PP單絲纖維自密實混凝土強度等級不超過C50，屬于中低強度自密實混凝土，相應的研究成果適應于中低強度自密實混凝土。對于采用“雙摻或多摻”（超細磨粉煤灰、礦物摻合料、高效外加劑等）技術配制的PP單絲纖維高強自密實混凝土（C60～C80）的強度、抗滲性及其機理有待進一步研究。

2）通過提高膠凝材料和高效減水劑用量可以顯著改善柔性纖維自密實混凝土的工作性，能將PP單絲纖維的最大摻量提高到0.20%，PP纖維和基體共同受力變形，材料的整體力學性能得到提升。

3）PP纖維自密實混凝土具有較好的抗水滲透能力，當PP纖維體積摻量不超過0.15%，滲水標號達到S35以上；當PP纖維體積摻量不超過0.10%，PP纖維自密實混凝土滲水高度隨著纖維體積摻量的增加而增加。

4）當PP纖維體積摻量在0.10%以內時，盡管PP纖維自密實混凝土的電通量隨PP纖維體積摻量的增加而增加，28 d PP纖維自密實混凝土電通量小于2 000 C，56 d PP纖維自密實混凝土電通量小于1 000 C，氯離子滲透能力低；當纖維體積摻量超過0.10%后，PP纖維自密實混凝土電通量隨纖維體積摻量的增加而急劇增加，PP纖維自密實混凝土氯離子滲透能力達到中等及以上。

5）綜合考慮強度、水滲透性和氯離子滲透性能，PP單絲纖維的最佳體積摻量為0.10%， 28 d彎拉強度提高16.4%，28 d劈裂強度提高13.4%，56 d氯離子滲透電通量為919 C，滲水高度減少57%。

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