纖維分布對聚合物水泥混凝土力學性能的影響

摘要 混凝土作為主要建筑材料之一，具有良好的抗壓強度，同時具有低抗拉強度和低抗裂強度等缺陷，而混凝土的脆性使其不易受沖擊。通過不同體積摻量（0.1%、0.2%和0.3%）的三組玄武巖纖維加強和修改混凝土，研究了不同體積摻量對抗壓強度、增韌阻裂效果、纖維接觸率的影響。結果表明：0.2%體積摻量最佳，此時纖維接觸率達到61.0%，增韌阻裂效果較好，抗壓強度為50.10 MPa。

關鍵詞 纖維分布;聚合物水泥混凝土;力學性能;影響分析

中圖分類號 TU528.572 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）09-0127-03

引言

混凝土是世界上最常用的建筑材料，缺陷是耐久性低、抗拉強度低。為了優化傳統混凝土的性能，可向其中添加纖維等，常見的纖維有石棉、鋼、玻璃、碳纖維和聚丙烯等，其中玄武巖纖維的性能較好、價格相對較低，玄武巖纖維在高溫下拉伸性能好，還具有良好的延性和耐蝕性。玄武巖纖維與水泥的混合物有較好的力學性能，在加固、抗裂和抗裂方面發揮作用，但不同體積摻量下的混合物的力學性能有較大差異。

1 聚合物水泥混凝土的相關概述

1.1 聚合物種類

（1）水聚合物。目前最常用的水聚合物包括丙烯酸酯、聚丙烯酸酯（PAM）、聚乙烯醇（PVA）、苯胺、甲基纖維素、羥基化纖維素等。水性聚合物可提高混凝土的防水性能和粘度，以達到提高純結構、混凝土修補技術和防水混凝土相容性的目的。

（2）聚合物乳液。目前最常用的有高分子乳液、非乳化聚合物乳液等。高分子乳液是水泥混凝土最常用的聚合物形式，主要用于提高水泥制品的工藝性、干燥性、強度和耐久性。[1]聚合物乳液需滿足以下要求：一是聚合物分散對水泥地面產生的陽離子具有化學穩定性，對共混物產生的剪切應力具有機械穩定性;二是聚合物分散體中的乳化劑不能防止水泥的潤濕和凝結。但在常用的聚合物乳液中有許多未命名的陰離子或乳化劑，導致聚合物乳液的一些缺陷。非乳化聚合物乳液，即無皂乳液，固相長度低、穩定性低，目前水泥混凝土改性的應用受到限制[2]。

（3）反應性聚合物。反應性聚合物可以根據不同的機理分為兩種類型。一種是COOH等組在分子中與水泥水合過程中產生的Ca（OH）2反應，進一步提高了混凝土的強度和抗滲性能;另一種是將雙組分聚合物摻入混凝土后，聚合物的兩個組分相互反應并凝固。因此，在國外被稱為反應性聚合物（RPM），這種聚合物在與混凝土混合后會有化學反應。反應性聚合物混凝土（RPMC）可用于快速堵塞技術以及防水防滲技術。當前環氧樹脂和不飽和聚酯樹脂常被用作反應性聚合物。

1.2 聚合物混凝土的分類

聚合物混凝土所采用的聚合物材料，一般多是由小分子單體通過聚合反應形成化學鏈連接成三維網絡結構，具有優異的力學和化學性能。按其組成和制作工藝分為三種類型：聚合物水泥混凝土、聚合物浸漬混凝土和聚合物粘結混凝土。聚合物水泥混凝土是一種改性水泥混凝土材料，通過添加聚合物作為無機粘結劑的改性劑，與某些骨料混合、固化和聚合而形成。聚合物浸漬混凝土旨在固化和干燥傳統水泥混凝土，將混凝土浸泡在有機單體中，使聚合物單體能夠穿透混凝土腔，通過加熱或輻射進行聚合，形成聚合物復合材料，用聚合物進行改性。[3]聚合物粘結混凝土，簡稱聚合物混凝土，是聚合物骨料和粘結劑混合固化后產生的一種高性能材料。與前兩者相比，混凝土性能主要通過改性提高。聚合物結合混凝土將聚合物作為水泥材料直接與骨料結合，從根本上改變了混凝土的力學性能。

1.3 聚合物混凝土的特點

聚合物混凝土的耐久性非常突出，其中的堿金屬離子被硅酸鹽礦物粉末完全吸收，大量硅酸鹽礦物粉末被保留在地質聚合物中，直到粉末被完全耗凈，整個過程持續時間較長，大大地削弱了堿性聚集體的反應。生產聚合物混凝土的過程中使用的材料和能源較少，基本無二氧化碳排放，具有污染少、能耗低和杰出的力學性能等特點，1 d齡期的普通聚合物強度約有20～30 MPa，28 d齡期強度約能達到40～60 MPa[4]。

1.4 改性機理

聚合物均勻分布在混凝土中，形成水泥水合物產品交叉浸漬網，分散和傳遞應力，防止或減緩裂縫的傳播。同時，聚合物還可以改善水泥顆粒的界面結構和性能，提高了構件間的一致性、過渡區的強度和材料性能。[5]高分子量六氯丁二烯和水泥水合物具有不連續的網狀膜，使得聚合物混凝土的強度和耐久性得到了極大提高。在含1%鹽酸的腐蝕樣品中檢測到聚合物改性塑料的微觀結構，發現界面過渡區聚合物形成良好的網絡結構，增強了界面過渡區結構和材料的粘結性能。同時，添加聚合物可改善混凝土的收縮結構，除了降低總體積外，還可顯著改善孔的分布。硅油和苯乙烯被證明是兩種不同的聚合物乳液，可增強吸力，減少毛細管收縮（100～

1 000 nm）并增加位移（10～100 nm）。此外，某些聚合物可能會與水性產品或金屬離子發生化學反應，形成特殊的結構、增強材料之間的一致性。聚合物的作用可以分為物理和化學作用。物理作用主要包括將聚合物和水泥產品進入到網絡結構中，過渡區和孔結構得到改善;化學作用主要包括聚合物水合物產品與水泥或金屬離子反應產生的橋梁效應，提高了混凝土的防水性和一致性[6]。

2 聚合物混凝土存在的問題

聚合物混凝土比普通水泥有許多優點，但也存在一些問題。

（1）成本較高：原材料的價格和復雜的生產工藝，影響了聚合物的價格，聚合物的價格遠高于普通混凝土和聚合物[7]。

（2）聚乙酮的長期性能不足，但尚缺少數據可用于表明聚乙酮的使用壽命。

（3）對聚合物改性機理的系統研究還不夠：目前世界上存在多種聚合物改性機理模型。有三種常用模型：Ohama模型、圓錐模型和Putermana模型，但這三種模型并不理想。

（4）聚合物中存在的大多數聚合物都是有氣味和有毒的，在生產和使用過程中會引起惡心和頭暈。

3 試驗方法

3.1 試驗原材料

（1）水泥：P·O42.5級。（2）粗集料：（5～10）mm碎石。（3）細集料：機制砂，細度模數為2.4～2.8，粉質含量為0.9%。（4）聚合物：羧基苯乙烯—丁二烯乳液（固體含量51%）。（5）纖維：玄武巖纖維。

3.2 試驗配合比

具體實驗配合比見表1。

3.3 試驗方法

（1）壓力和彎曲試驗：《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2019）規定了抗壓強度試驗步驟，采用150 mm×150 mm×150 mm 標準試樣進行沖擊試驗。

（2）《纖維混凝土試驗方法標準》（CECS13：2009）中規定，首次撕裂試驗側為初次破裂沖擊側N1;注意，當試樣接觸沖擊架四個葉片中的三個葉片時的沖擊時間，這四個葉片是失效時間N2。下面給出了計算混凝土抗裂效果能耗的公式：

W1=N1mgh （1）

W2=N2mgh （2）

式中，W1和W2——初始開裂和沖擊破壞的能耗（J）;N1、N2——樣品初始裂紋和破壞性沖擊的數量;m——沖擊錘的質量（kg）;g——重力加速度，為9.81 m/s2;h——沖擊錘下落高度，取值500 mm。

（3）板裂縫性能試驗：《普通混凝土長期性能和耐久性的標準試驗方法》（GB/T 50082—2009）中規定，采用800 mm×600 mm×100 mm板和7個裂縫驅動裝置的形式;此外，樣品表面中心的風速不得低于0.5 m/s。試驗后記錄裂紋寬度和長度，按《纖維混凝土結構技術規程》 （CECS38：2004）中公式計算裂紋降低系數?，并根據表2評定其抗裂性。

4 纖維分布、接觸與力學行為的響應關系

圖1為不同體積摻量下的效率指數，圖2為BF體積摻量與抗壓強度的關系。結合圖1、圖2可知：

（1）相比于0.2%、0.3%體積摻量，當BF體積摻量為0.1%時，ei，z最小，為0.29，說明0.1%體積摻量下，纖維近似與Z軸正交的概率最大，纖維分布方向近似與裂縫發展方向正交;ei，x、ei，y分別為0.61、0.56，纖維與X、Y軸正交或平行的規律不突出，纖維接觸率僅為18.0%，此時BFRPC1的抗壓強度為43.33 MPa，相比普通混凝土提高了9.89%，增幅不大，纖維的增韌阻裂作用有限。

（2）相比于0.1%、0.3%體積摻量，當BF體積摻量為0.2%時，ei，y最大，為0.66，說明0.2%體積摻量下，纖維近似平行于Y軸的情況最好;ei，z為0.31，纖維與Z軸正交的概率較大;ei，x為0.55，纖維與X軸正交或平行的規律不突出。試件的裂縫多為豎向裂縫或斜向裂縫，纖維與Y軸行或者與Z軸正交時，均相當于與裂縫發展方向正交，可以阻止小裂縫的串通及大裂縫的產生，此時BFRPC2的纖維接觸率達到61.0%，抗壓強度達到最大值50.10 MPa，相比普通混凝土提高了27.06%，增幅較大，纖維的增韌阻裂效果較好。

（3）相比于0.1%、0.2%體積摻量，當BF體積量為0.3%時，ei，x、ei，y、ei，z分別為0.63、0.52、0.41，纖維與X、Y、Z軸正交或平行的規律均不突出。此時BFRPC3的纖維接觸率為82.9%，BFRPC3的抗壓強度為46.52 MPa，相比于BFRPC2的抗壓強度降低了7.15%，纖維的增韌阻裂效果好[8]。

5 玄武巖纖維增強聚合物混凝土性能的機理作用分析

玄武巖纖維與聚合物基體在界面上緊密關聯，聚合物中隨機分布的玄武巖纖維阻礙了裂縫的產生和傳播，使得能量被有效地吸收和消耗，進而提高了聚合物的抗裂性。[9]而且，玄武巖纖維原材料本身具有高抗拉強度和低拉伸率的優點，在截面上仍能承受抗拉強度。除玄武巖纖維被拉斷或從基體中拔出外，嵌入在地質聚合物基體中的纖維持續保有一定的拉伸應力，使得聚合物力學性能得到了提高，尤其是抗彎強度提高明顯。粗面玄武巖纖維具有較明顯的增強作用。玄武巖纖維在聚合物基體中混合時，玄武巖纖維在三維聚合物基體中隨機分布，玄武巖纖維在應力轉移和收縮中發揮作用。同時，隨機分布的玄武巖纖維在一定程度上堵塞聚合物孔隙，從而減少聚合物基體中的水分流失，增加水遷移難度，從而減少聚合物的干燥收縮。[10]但是纖維摻量過多時，接觸點的增多對抗壓強度不利，纖維接觸率大，纖維與混凝土基體的接觸面積減小，纖維容易結團，導致部分纖維與混凝土基體之間的黏結性能降低，混凝土內部缺陷增多，力學性能隨之下降。

6 結束語

通過玄武巖纖維混凝土在三種不同體積摻量下的試驗結果，可以得出以下結論：

（1）玄武巖纖維混凝土的動態沖擊強度比光滑混凝土高。

（2）添加玄武巖纖維提高了混凝土的抗拉強度和耐蝕性。

（3）玄武巖纖維混凝土的力學性能與纖維含量密切相關。盡管在高分子改性混凝土有關的機制方面取得了一定的進展，但關于聚合物參與水泥水解過程和影響混凝土的聚合物模型的研究很少，對是否涉及與混凝土的復雜組成和水解過程，將進一步進行研究。

參考文獻

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[10]金玉杰， 劉家輝， 蔡婧娓. 鋼纖維聚合物混凝土力學性能研究[J]. 吉林建筑大學學報， 2018（5）： 5-7.

收稿日期：2022-03-07

作者簡介：王錫志（1982—），男，碩士研究生，高級工程師，研究方向：路橋工程。