纖維增強混凝土的試驗研究

□文/尹秀波

纖維增強混凝土的試驗研究

□文/尹秀波

文章論述了聚丙烯纖維混凝土的特點和主要性能，通過在基體混凝土中摻加聚丙烯纖維對混凝土進行改性，試驗主要是通過對混凝土力學性能的測試，檢驗纖維對混凝土改性的效果。初步的研究結果表明，在基體混凝土中摻加1.3 t/m3的聚丙烯纖維最為適宜并建議添加適量的粉煤灰(替代20%的水泥)對混凝土原料進行復配。

聚丙烯纖維；混凝土；力學性能；粉煤灰

纖維增強混凝土簡稱纖維混凝土，它是以水泥漿、砂漿或混凝土為基體，以金屬纖維、無機非金屬纖維、合成纖維或天然有機纖維為增強材料組成的復合材料[1]。在纖維混凝土中，由于纖維以單位體積內較大的數量均勻分布于混凝土內部，故混凝土由收縮變形引起的微裂縫在產生的過程中必然遭遇纖維的阻擋，消耗了能量，難以進一步發展。纖維可以提高混凝土的抗拉強度，同時鈍化原生裂隙尖端的應力集中。

纖維混凝土在工程中應用比較廣泛，用量較大的有石棉纖維水泥制品和玻璃纖維水泥制品，鋼纖維混凝土以及合成纖維混凝土[2]。合成纖維用于增強水泥混凝土最早于1965年由S.Goldfein提出，他建議用聚丙烯纖維作為混凝土摻合料，建造美國工兵部隊的防爆建筑。隨后，由于其優良的品質和低廉的價格，聚丙烯纖維混凝土被迅速推廣應用。據悉，目前美國所用混凝土總量中合成纖維混凝土約占7%，超過先期研究的鋼纖維混凝土3%的比例。高性能聚丙烯改性纖維混凝土，是21世紀水泥基材料的發展方向之一，據專家預測，21世紀初將是我國鋼筋混凝土破壞的高峰期，每年所需維修費將高達數千億元；而聚丙烯能改善混凝土的耐久性，使混凝土高性能化，效果顯著，在建筑行業中將會具有廣闊的發展前景。

雖然砂漿與混凝土的性能存在差異，但纖維改性的機理是相似的。本文采用在砂漿中添加纖維摻合料的方法，研究纖維對混凝土性能改善的問題。分別測試了樣品第3 d和第28 d的抗折、抗壓強度性能，以此來檢驗纖維對混凝土力學性能的改善情況。鑒于粉煤灰在混凝土工程中的大量應用，其對混凝土性能的改善作用已得到公認，故本文考慮將纖維及粉煤灰共同作為混凝土摻合料，對其應用于混凝土工程進行初步研究。

1　試驗方案

1.1原材料

1）水泥：駱駝425普通硅酸鹽水泥。

2）標準砂：廈門艾思歐標準砂。

3）聚丙烯纖維：天津市欣晨建筑材料有限公司生產。

4）減水劑：天津市政工程公司12%高效減水劑。

5）粉煤灰：天津市第一熱電廠Ⅰ級超細粉煤灰。

表1中給出了聚丙烯纖維的主要性能指標，表2和表3中分別給出了粉煤灰的物理性能及其化學成分組成。

表1　聚丙烯纖維性能指標

表2　粉煤灰的物理性能

表3　粉煤灰的化學組成%

1.2試驗儀器

水泥膠砂攪拌機：JJ-5型，紹興市肯特機械電子有限公司。

水泥膠砂振實臺：ZT36型，紹興市肯特機械電子有限公司。

標準恒溫恒濕養護箱：YH-40B型，天津市錫寧建筑儀器總廠。

水泥電動抗折試驗機：KZJ-5000-1型，山東省榮成市石島儀器廠。

電子液壓式壓力試驗機：YAW-300C型，北京海智科技開發中心。

水泥細度負壓篩析儀：FSY-150B型，天津慶達試驗儀器有限公司。

1.3性能測試

分別對試塊進行3 d和2 d抗折和抗壓試驗并按照相應的標準要求對強度值進行計算。

2　試驗結果與討論

2.1砂漿添加減水劑和粉煤灰的試驗

在不添加任何外加劑的情況下，按照標準砂漿配合比(水灰比=0.47)進行試驗，砂漿不易拌和，考慮到減水劑在工程界及學術界已得到廣泛認同和應用，故在方案1中在基礎砂漿的基礎上添加減水率為12%的高效減水劑，添加量為水泥量2%，方案2中采用粉煤灰替代部分水泥，具體配合比見表4。

表4　方案1配合比g

經觀察砂漿拌和較易，減水效果明顯(水灰比=0.41)。分別對上述試驗的3、28d強度進行試驗，見表5和表6。

表5　抗折試驗比較MPa

表6　抗壓試驗比較MPa

由表5和表6可以看出，盡管方案2的3d抗折、抗壓強度略低，但其28 d性能明顯高于方案1。綜合考慮，在實際應用中用適量的粉煤灰替代水泥能夠起到混凝土的增強作用。

2.2砂漿摻加聚丙烯纖維試驗

在方案1、2的基礎上分別添加不同量的聚丙烯，確定試驗方案3～6，見表7。

表7　纖維砂漿方案g

分別對上述試驗進行3、28 d的力學性能試驗，見表8和表9。

表8　纖維砂漿抗折試驗比較MPa

表9　纖維砂漿抗壓試驗比較MPa

由表8和表9可以看出，在砂漿中摻加1 g聚丙烯纖維，其抗折及抗壓性能均有不同程度的改良。同時其與文獻中列舉的最佳摻合量（0.9～1.5 kg/m3即0.7～1.15g)基本吻合。同時，在纖維混凝土中摻加適量的粉煤灰，對混凝土各項性能產生有益的影響，具有較高的實際應用價值。

另外，通過制作混凝土試塊并做抗壓試驗觀察，可以看出，素混凝土破壞嚴重，伴有松落，大量裂縫等現象，而纖維混凝土除邊角小部分松落，其結構基本完好，更具實際應用價值。

3　結論

1）聚丙烯纖維對混凝土力學性能具有積極的影響，尤其在改普混凝土抗折強度等方面比較突出。

2）聚丙烯纖維可顯著改善混凝土材料的阻裂性能，它在混凝土中起阻裂和細化裂縫的作用，改善程度與摻量等因素有關。實際工程中可在混凝土構件中適當使用聚丙烯纖維。

3）粉煤灰替代一定量的水泥(推薦量為20%)，其性能指標不但不會隨成本的減少而降低，反而會大大提高，具有實際應用價值，并已得到實踐的檢驗。

4）粉煤灰與聚丙烯纖維共同摻入混凝土，既可以發揮各自的作用，又可以優勢互補，增強混凝土的力學性能。

[1]黃承逵.纖維混凝土結構[M].北京：機械工業出版社,2004.

[2]鐵道部產品質量監督中心.建筑材料及工程質量檢驗[M].北京：中國鐵道出版社,1999.

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.04.002

□TU528.41

□C

□1008-3197（2015）04-03-03

□2015-05-21

□尹秀波/女，1974年出生，高級工程師，天津一建建筑工程有限公司，從事建筑材料及建筑工程檢測方面的研究和管理工作。