聚丙烯纖維水泥混凝土試驗(yàn)性能探析

文／楊帥 山東恒建工程檢測有限公司 山東濰坊 261057

引言：

聚丙烯纖維不僅價格低、工藝簡單，還具有較好的性能，在混凝土中得到廣泛應(yīng)用。本文通過對聚丙烯纖維水泥混凝土進(jìn)行試驗(yàn)，研究其各項性能，為其在建設(shè)工程中的應(yīng)用提供更多數(shù)據(jù)支持及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1.項目概述

該工程項目為濱海地區(qū)的一處跨鐵路立交橋，修建于2008年。橋梁全長576.06m，共十九跨分六聯(lián)（第一聯(lián)跨徑組合為4×30m、其余各聯(lián)跨徑組合均為3×30m）。橋梁全寬24.5m，分兩幅，每幅橋?qū)?2m，其中每幅橋凈寬11m。上部結(jié)構(gòu)采用等高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁（單箱雙室直腹板斷面），梁高1.6m，結(jié)構(gòu)體系為連續(xù)梁體系。該橋梁是當(dāng)?shù)剡M(jìn)出港口的主通道，重交通負(fù)荷，該橋橋面破損嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了進(jìn)出港車輛的行車舒適性和道路安全性。2020年建設(shè)單位對該橋梁進(jìn)行維修加固，主要改造內(nèi)容為：鑿除舊橋面瀝青鋪裝層，澆筑新的水泥混凝土橋面。在新圖紙設(shè)計中，為了有效的提高橋面鋪裝層的抗裂抗?jié)B性能，本次混凝土采用了摻入聚丙烯纖維的技術(shù)。

在項目設(shè)計中，摻入0.9kg/m3聚丙烯纖維和水泥用量8%的抗裂防水劑，然后橋梁伸縮縫處混凝土里面摻入水泥重量12%的抗裂膨脹劑，以及1.2kg/m3的聚丙烯纖維，混凝土強(qiáng)度等級提升了5MPa。在該項目中，為了有效把控項目質(zhì)量，在檢測實(shí)驗(yàn)室對聚丙烯纖維水泥混凝土的性能進(jìn)行檢測。

2.聚丙烯纖維水泥混凝土分析

2.1 纖維作用和性能

纖維的作用不僅和自身性能有關(guān)，還與其在混凝土基體中的狀態(tài)有一定的關(guān)系。混凝土中摻入纖維后，將水泥基體里面的連通裂縫減少，有效阻止了水分的侵入；同時，纖維具有阻裂作用，防止水泥基體中微小裂縫的擴(kuò)展，還可以延緩新裂縫的出現(xiàn)；纖維具有增強(qiáng)作用，通過使用高彈性模量纖維，有助于提升基體抗拉強(qiáng)度；纖維具有耐久作用，可以適當(dāng)改善水泥基體的抗疲勞等各種性能。但并不是所有的纖維在混凝土中可以起到相同作用，這與纖維自身性能有關(guān)，不同纖維和混凝土復(fù)合形成的纖維混凝土，其性能存在一定的差異性，不過也存在一定的共性，即所有的纖維在混凝土中具有抗裂作用[1]。

2.2 纖維混凝土增強(qiáng)機(jī)理

纖維混凝土增強(qiáng)機(jī)理主要有兩種，一種是復(fù)合材料理論，另一種是纖維阻裂理論。其一，復(fù)合材料理論，該理論體系中，復(fù)合材料被視作為一種多相系統(tǒng)，性能為多個性能之和，在混凝土的應(yīng)用中，假設(shè)纖維沿著應(yīng)力作用的方向，連續(xù)均勻排列；纖維和水泥基體之間有著良好的連接，沒有出現(xiàn)相對滑移的情況。復(fù)合材料理論的精髓之處便是中心質(zhì)效應(yīng)能夠疊加，而復(fù)合材料需要復(fù)合主要是因?yàn)榛A(chǔ)性材料的性能各不相同，具有互補(bǔ)性特點(diǎn)，發(fā)揮著重要的作用。不過，在材料科技水平的影響下，復(fù)合材料并非總是完善的。混凝土材料結(jié)構(gòu)不是均質(zhì)的，在承受拉力作用的時候，混凝土構(gòu)件的截面受力不是均勻的，有許多不規(guī)則應(yīng)力集中點(diǎn)。通過適當(dāng)配置抗拉力筋，可以有效約束混凝土塑性變形，防止混凝土裂縫的出現(xiàn)。從復(fù)合材料理論來分析，如果纖維無法在混凝土體系中均勻的分散，混凝土基體內(nèi)纖維較少或者沒有的區(qū)域便成為薄弱地帶，施工后可能會產(chǎn)生裂縫，所以說，混凝土內(nèi)纖維的均勻分散非常重要。其二，纖維阻裂理論，該理論認(rèn)為混凝土內(nèi)部有固有缺陷，想要提升強(qiáng)度，就需要將缺陷的程度盡可能降低，從而提升材料的抗變形能力。纖維阻裂理論指的是纖維在混凝土中均勻分布，可以有效阻止塊體內(nèi)的裂縫逐漸擴(kuò)展。該理論的假設(shè)前提是纖維可以均勻分散，若分散不均勻，說明該條件不成立，該理論失效。由此可見，纖維在混凝土中的分散性，是保證其抗裂效果的關(guān)鍵。

2.3 聚丙烯纖維水泥混凝土制備過程

聚丙烯纖維水泥混凝土的制備主要是在普通混凝土配合比的標(biāo)準(zhǔn)上，適當(dāng)摻入聚丙烯纖維。聚丙烯纖維混凝土所需的原材料主要有水泥、礦物摻合料、骨料、外加劑、水、PP 纖維，其中，礦物摻合料主要為粒化高爐礦渣粉、磨細(xì)粉煤灰、硅粉等。對于聚丙烯纖維混凝土的配合比，應(yīng)保證符合JGJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》的規(guī)范要求，不僅要滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度，還應(yīng)確保滿足抗?jié)B性、抗裂性、耐腐蝕性等多項要求。在聚丙烯纖維混凝土的實(shí)際生產(chǎn)中，PP 纖維的具體摻加比例，可以結(jié)合纖維混凝土使用目的，或者依據(jù)抗折、抗拉強(qiáng)度的配制要求合理添加[2]。對于聚丙烯纖維混凝土的稠度，可以根據(jù)工程對普通混凝土稠度的要求來確定，在混凝土中摻入聚丙烯纖維，能夠有效改善其粘聚性以及保水性。

3.聚丙烯纖維水泥混凝土性能試驗(yàn)

3.1 正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)法是處理多因子試驗(yàn)的有效方法之一，能夠在工藝過程中為了試制新產(chǎn)品、配方、流程等，遇到多水平、多因子、多指標(biāo)等問題，如果采用傳統(tǒng)孤立變量法，那么試驗(yàn)的次數(shù)比較多，試驗(yàn)周期比較長，試驗(yàn)的誤差也比較大，并且還會耗費(fèi)大量人力物力。通過使用正交試驗(yàn)法，在正式試驗(yàn)之前，先使用提前制作好的正交表，有計劃地安排試驗(yàn)，并在試驗(yàn)之后經(jīng)過表格運(yùn)算，合理分析試驗(yàn)結(jié)果，在這樣的試驗(yàn)中，只需要幾次試驗(yàn)便可以找到不同因子在試驗(yàn)中的主次作用，從而確定好的生產(chǎn)條件。對于試驗(yàn)所需的結(jié)果，將其作為指標(biāo)，例如，在進(jìn)行聚丙烯纖維混凝土各項性能試驗(yàn)時，可以將混凝土抗彎拉強(qiáng)度、抗裂強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等作為試驗(yàn)指標(biāo)，將水泥的用量、纖維的長度、水灰比、砂率作為試驗(yàn)因子。因子越多，試驗(yàn)的次數(shù)也會增加，在試驗(yàn)之前，應(yīng)結(jié)合平時經(jīng)驗(yàn)選擇主要因子來安排試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)原材料

聚丙烯纖維是新型高分子材料，使用改性母料，將其添加到聚丙烯切片當(dāng)中，通過共混、紡絲、拉伸、切斷，從而制成適用于混凝土的工程纖維。本試驗(yàn)所用的纖維類型為束狀單絲，截面形狀為Y 型，導(dǎo)電導(dǎo)熱性較低，沒有毒性和吸水性，性能見表1。水泥選擇昌樂山水水泥生產(chǎn)的P.O42.5，其具有凝結(jié)時間適宜特點(diǎn)，后期具有較高的強(qiáng)度。砂子最好選擇細(xì)度模數(shù)超出2.5-3.0 的中砂，其中，對于粒徑小于0.075mm 的顆粒，保證控制在10%以內(nèi)，同時MB 值≤1.0；以避免對水泥、集料粘接性產(chǎn)生影響，如果砂子細(xì)度過粗，回彈量會隨之增加。對于砂子的含水量，最好控制在3%至6%之間，含水量過高或者過低，都不太好。骨料選擇本地產(chǎn)石灰?guī)r碎石，骨料的最大粒徑應(yīng)控制在26.5mm 以內(nèi)，為了確保骨料間空隙率，不應(yīng)使用間斷級配的級配方式。對于試驗(yàn)中使用的水，選擇生活自來水[3]。本次聚丙烯纖維混凝土進(jìn)行室內(nèi)配合比設(shè)計時，加入拌鍋的原材料投料順序最開始為，砂、石預(yù)攪拌—摻入水泥干攪拌—加入水—加入纖維—加入外加劑，攪拌時間為2min。室內(nèi)攪拌時發(fā)生了聚丙烯纖維被水泥漿包裹、水泥膠結(jié)成團(tuán)塊的現(xiàn)象。為此，調(diào)整生產(chǎn)流程，原材料投料順序?yàn)椋荷啊⑹A(yù)攪拌—加入纖維干拌—加入水泥攪拌—加水濕攪拌—加入外加劑。改進(jìn)后，混凝土混合料未再出現(xiàn)結(jié)塊現(xiàn)象。

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3.3 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

在抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，從養(yǎng)護(hù)室將試件取出來，擦拭干凈，打開試驗(yàn)機(jī)，待試件和上壓板靠近的時候，適當(dāng)調(diào)整壓力機(jī)的球座結(jié)構(gòu)，保證試塊與上下壓板接觸均衡。在加壓期間，對試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，確保均勻加荷，至于加速度，將其把控在0.5MPa 至0.8MPa 之間即可。在加壓過程中，當(dāng)試件快要破壞并且快速變形的時候，將試驗(yàn)機(jī)油門關(guān)停，一直到試件破壞，并將破壞荷載記錄下來。混凝土立方體抗壓強(qiáng)度公式為：fcc=F/A。其中，fcc為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度（MPa），F(xiàn) 為試件的破壞荷載（N），A 為試件的承壓面面積（mm2）。

根據(jù)對聚丙烯纖維混凝土抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，當(dāng)PP 摻入量低于0.3kg/m3時，混凝土的抗彎拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、靜力抗壓彈性模量、立方體軸心劈裂強(qiáng)度4 項常規(guī)力學(xué)性能沒有明顯改變。當(dāng)pp 的摻入量達(dá)到0.9kg/m3時，此4 項常規(guī)力學(xué)性能才有一明顯增幅。未摻pp纖維的混凝土試塊在達(dá)到極限荷載時，首先表現(xiàn)為試塊表面的表層剝落，同時壓力試驗(yàn)機(jī)的壓力值直線下降，試塊表現(xiàn)為明顯的環(huán)箍效應(yīng)；而摻入PP 纖維的混凝土試塊達(dá)到極限荷載時，試件表面首先出現(xiàn)眾多裂紋，而不是呈現(xiàn)表面剝落，同時壓力試驗(yàn)機(jī)讀數(shù)則是緩慢降低。這說明摻入PP 纖維混凝土相比未摻PP 纖維的混凝土具有較高的抗變形能力。

3.4 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

在混凝土抗折性能試驗(yàn)中，對于試驗(yàn)機(jī)的加載速度，一般控制在0.05MPa/s 至0.08MPa/s，一直持續(xù)到試件斷裂為止。混凝土抗折強(qiáng)度（ff）和試件截面的高（h）、寬（b）、支座間距離（L）、試件破壞所承受的荷載（F）有一定的關(guān)系，公式為：ff=FL/(bh2)。在試驗(yàn)過程中，物料配比為720kg 的砂子、395kg 的水泥、1145kg 的集料、190kg 的水、165.8g 的減水劑，然后添加不同比例的聚丙烯纖維材料，分別為0、0.5kg、0.7kg、0.9kg，通過添加不同比例的聚丙烯纖維，并在養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 天檢測抗彎拉強(qiáng)度，最終的結(jié)果為表2。

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根據(jù)室內(nèi)配合比設(shè)計的混凝土抗彎拉強(qiáng)度統(tǒng)計數(shù)據(jù)得出，摻入0.9%PP 纖維的混凝土抗彎拉強(qiáng)度代表值能夠達(dá)到了設(shè)計彎拉強(qiáng)度值的116%。試塊在彎拉受荷過程中，試塊底部的跨中部位會先出現(xiàn)數(shù)道細(xì)微裂縫，細(xì)微裂縫寬度隨著荷載的增大逐漸加寬，最終形成主裂縫，至最大力時試塊被彎拉破壞。而未摻入PP 纖維的混凝土試塊在受荷加載過程中，底部跨中達(dá)到極限荷載時表現(xiàn)為瞬時斷裂，是一種典型的脆性破壞。

3.5 抗沖擊試驗(yàn)

在聚丙烯纖維混凝土抗沖擊試驗(yàn)中，使用8kg的鋼球，從高位25cm 位置處做自由落體，砸向試件，試件的裂縫超過3mm 時，將沖擊的次數(shù)記錄下來。在每一組試驗(yàn)中，都應(yīng)經(jīng)最大值、最小值舍掉，然后將剩余三個數(shù)值的平均值作為最終結(jié)果。在抗沖擊性能試驗(yàn)中，分別針對聚丙烯纖維不同添加量的混凝土進(jìn)行試驗(yàn)，未添加聚丙烯纖維的混凝土，第一次裂開的沖擊次數(shù)是41 次，破壞沖擊次數(shù)是50 次；添加量為0.5kg/m3的混凝土，第一次裂開的沖擊次數(shù)是85次，破壞沖擊次數(shù)是92次；添加量為0.7kg/m3的混凝土，第一次裂開的沖擊次數(shù)是108 次，破壞沖擊次數(shù)118 次；添加量為0.9kg/m3的混凝土，第一次裂開的沖擊次數(shù)是114 次，破壞沖擊次數(shù)是121 次。由此可見，從試驗(yàn)中這幾組數(shù)據(jù)來看，聚丙烯纖維的添加量越高，相應(yīng)的抗沖擊能力越強(qiáng)。

3.6 抗?jié)B性能試驗(yàn)

聚丙烯纖維在水泥混凝土中的應(yīng)用具有極大的優(yōu)勢，有助于提升其抗?jié)B性能。聚丙烯纖維是一種抗裂增強(qiáng)材料，對于水泥混凝土抗?jié)B性能的影響，直接關(guān)系著工程的安全性。將聚丙烯纖維加入混凝土中有助于防止早期開裂，或者避免裂縫逐步擴(kuò)展，有效減少收縮性裂紋的出現(xiàn)，增強(qiáng)混凝土防水性能。試驗(yàn)分為五組，如表1所示，為混凝土的配合比。具體的試驗(yàn)內(nèi)容包括吸水率、滲水高度、氯離子濃度等，在吸水率試驗(yàn)中，制作立方體試件，邊長為100mm，養(yǎng)護(hù)時間28 天，然后將其烘干并放入水中進(jìn)行測試，測試時間為三個小時，觀察其吸水量占據(jù)混凝土質(zhì)量的百分比。在滲水高度的測試中，制作一個圓柱體試件，上下底面的直徑分別為175、185mm，高度為150mm，養(yǎng)護(hù)時間28 天，測試條件為1.2±0.05MPa，在恒壓下，保證測試時間為24h，然后觀察試件滲水高度。在氯離子濃度測試中，制作棱柱體試件，規(guī)格為100mm×100mm×300mm，測試在不同深度，試件的氯離子濃度，將試件養(yǎng)護(hù)28天之后，磨去試件表層的浮漿，并使用敬酒擦洗干凈，涂刷一層環(huán)氧樹脂，并留出一個長方形截面，將其作為滲透面。接著，將試件放進(jìn)裝有氯化鈉溶液的鐵箱，保證溶液將試件完全淹沒，在整個測試過程中，保證氯化鈉溶液濃度在3.5%左右，然后定期添加溶液，浸泡時間180 天，取出后從滲透面分層鉆取粉末試樣，并測出其中總的氯離子含量。

經(jīng)過試驗(yàn)，得知第一組的吸水率、滲透高度、28d 抗壓強(qiáng)度分別為4.81%、0.8mm、49MPa；第二組分別為4.3%、1.6mm、54MPa；第三組分別為4.11%、2.3mm、57MPa；第四組分別為4.65%、11mm、50MPa；第五組分別為5.46%、13.1mm、56MPa。在第1-3組中，硅粉、粉煤灰摻合料的增加，聚丙烯纖維混凝土吸水率下降，主要是因?yàn)槠浠鹕交一钚孕?yīng)的影響。當(dāng)添加PP 纖維之后，混凝土吸水率有所增加。對于滲水高度，摻入PP 纖維之后，試件的滲透性能有所下降，導(dǎo)致滲水高度增加。但是摻入PP 纖維后，混凝土拌合物的流動性降低，導(dǎo)致其密實(shí)性變得更差，并且在壓力水作用下，滲透性有所增加，抗?jié)B性能下降，或者是添加纖維之后，混凝土界面增加，從而在壓力水影響下，混凝土中的滲水通道增加。見表3

表3 混凝土配合比（kg/m3）

結(jié)語：

聚丙烯纖維具有較強(qiáng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，在混凝土工程中，能夠有效滿足抗沖擊性、抗裂性等要求。對比我國使用了聚丙烯纖維的水泥混凝土的工程檢測數(shù)據(jù)，其混凝土的抗裂、抗?jié)B性能都得到了有效提高。本次通過對聚丙烯纖維水泥混凝土的性能進(jìn)行試驗(yàn)，可以得出每一項性能的變化規(guī)律，從而更好地滿足工程項目對聚丙烯纖維混凝土的使用需求。在抗壓、抗折、抗拉強(qiáng)度上，由于聚丙烯纖維是高延伸率、低彈性模量的聚合物纖維，將其摻入混凝土，對于混凝土抗壓強(qiáng)度的改善不是特別突出，不過可以有效改善混凝土抗折、抗拉強(qiáng)度；在抗沖擊性能上，混凝土的抗沖擊強(qiáng)度隨著聚丙烯纖維的摻入比例增大而同時提高；在抗裂性能上，適量摻入聚丙烯纖維，便可以有效增大混凝土的抗裂效果，并遏制裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)散；在抗?jié)B性能上，在混凝土中摻入適量的聚丙烯纖維，能夠有效控制裂縫的出現(xiàn)，提升其抗?jié)B性能。