聚丙烯纤维对沙漠砂自密实混凝土性能影响的研究

Study on Effect of Polypropylene Fiber on Properties of Desert Sand Self-Compacting Concrete

摘要

文章通过正交试验，研究了水胶比、粉煤灰掺量、沙漠砂替代率及聚丙烯纤维掺量对沙漠砂自密实混凝土28 d抗折强度的影响规律，通过极差分析确定了最佳配比，并对最佳配比下的沙漠砂自密实混凝土性能进行验证。结果表明，制备条件对混凝土28 d抗折强度的影响排序为：沙漠砂替代率 >水胶比 >聚丙烯纤维掺量 >粉煤灰掺量，最佳参数组合为A₁B₃C₃D₃。与ASC-0相比，ASC-3组的开裂抑制率高达54%，干缩率降低了18.3%。因此，聚丙烯纤维能够改善沙漠砂混凝土的力学性能、抗裂性能及抗收缩性。

关键词

自密实混凝土 / 沙漠砂 / 聚丙烯纤维 / 抗折强度 / 抗裂性能

Key words

Self-compacting concrete / Desert sand / Polypropylene fiber / Flexural strength / Crack resistance

沙漠砂具有颗粒均匀、粒径小、吸水率高等特点，主要用于地基处理、路基填筑及混凝土制备等方面^[1-3]。国内外学者用沙漠砂部分替代河砂方面进行大量研究^[4-6]。但沙漠砂结构不稳定、级配不良，导致其在混凝土中的应用存在一定的缺陷。为了改善沙漠砂混凝土的性能，研究人员通常采用改变水灰比、骨料替代率，掺入矿物掺合料、掺入纤维及聚合物等方式^[7-9]。聚丙烯纤维具有轻质、抗拉强度高、抗裂性好等优点^[10]，与混凝土混合，能够抑制裂缝的产生和扩大^[11-13]。包建强等^[14]用风积砂按一定的比例替代相同质量的普通砂，并掺入聚丙烯纤维，经过配合比设计，制成混凝土标准立方体试件，测定其抗压强度和劈裂抗拉强度。结果表明：当风积砂掺量为30%，聚丙烯纤维掺量为0.8 kg/m³和1.0 kg/m³时，其抗压强度值和抗拉强度值分别达到最大值。杨正宏等^[15]分别掺入不同含量聚丙烯纤维，配制相同稠度风积沙砂浆，研究了聚丙烯纤维掺量对风积沙干混砂浆干缩、强度以及抗裂等性能的影响。结果表明：聚丙烯纤维掺量在1.3 kg/m³以内，风积沙砂浆随其掺量增加，性能增强效果明显。刘思国等^[16]认为单掺改性聚丙烯纤维可以有效限制混凝土基体早龄期的塑性收缩和干缩，阻止收缩裂缝的产生和发展。本实验通过配合比设计，以正交试验为主，考虑水胶比、沙漠砂替代率、粉煤灰掺量及聚丙烯纤维掺量等四种因素对自密实混凝土28 d抗折强度的影响，并对最佳配方下的沙漠砂自密实混凝土性能进行验证。

1 实验部分

1.1 主要原料

普通硅酸盐水泥，PO·42.5，无锡天山水泥有限公司；粉煤灰，一级，河南省汇丰新材料有限公司；细集料，细度模数为2.68的河砂，表观密度为2.63 g/cm³、沙漠砂，新疆乌鲁木齐地区托克逊沙漠砂，表观密度为2.68 g/cm³；粗集料，表观密度为2.523 g/cm³；聚羧酸减水剂，减水率30%，含固量为38%，西卡建材有限公司；聚丙烯纤维(PP)，束状单丝，直径为48 μm，密度为0.91 g/cm³，弹性模量为7 GPa，河北锦维保温材料有限责任公司。

1.2 仪器与设备

混凝土搅拌机，HJW-60，搅拌方式为自落式搅拌，料桶容量为60 L，河北三寿试验仪器有限公司；微机控制电子万能试验机，UTM5205，采用高速DSP平台，济南辰鑫试验机制造有限公司。

1.3 样品制备

参考JGJ/T 283—2012要求进行制备样品。按照振动成型法进行试件成型，在常温下淋水养护，用塑料薄膜覆盖养护15 d。

1.4 性能测试与表征

抗折强度测试：按GB/T 50081—2019进行测试，加载速率为0.05~0.08 MPa/s。

工作性测试：按JGJ/T 283—2012对沙漠砂自密实混凝土拌合物的坍落扩展度进行测试。坍落扩展度分为SF1(550~650 mm)、SF2(660~755 mm)和SF3(760~850 mm)三个阶段。

抗裂性测试：按GB/T 50082—2009进行测试。试件尺寸为600 mm×600 mm×63 mm，试验在温度为(20±2) ℃，相对湿度为(60±5)%的恒温恒湿环境中进行。

干燥收缩测试：按GB/T 50082—2009要求进行干燥收缩试验，养护环境保持恒温恒湿。试件尺寸为100 mm×100 mm×515 mm。

2 结果与讨论

2.1 抗折强度分析

本试验研究水胶比、粉煤灰掺量、沙漠砂替代率和聚丙烯纤维掺量对自密实混凝土性能的影响^{[6, 11, 15]}。表1为L₁₆(4⁴)正交试验因素水平设计。

为确保沙漠砂自密实混凝土的工作性及强度满足规范要求，经过多次预试验，确定减水剂掺量为1.2%。表2为L₁₆(4⁴)正交试验结果。

从表2可以看出，各因素极差大小排序为：R _C＞R _A＞R _D＞R _B。各因素水平对自密实混凝土抗折强度的影响顺序为：沙漠砂替代率＞水胶比＞聚丙烯纤维掺量＞粉煤灰掺量。水胶比不断增大，28 d的混凝土试件的抗折强度表现出下降趋势。当粉煤灰掺量不断增加时，28 d的混凝土试件抗折强度先增大后减小。粉煤灰掺量为20%，抗折强度最大。随着沙漠砂的替代率不断提高，混凝土的抗折强度表现出先增强后减弱的趋势，这主要是掺入少量的沙漠砂能够较好填充于粗细骨料及浆体之间，弥补孔隙，从而提高致密性^[17]。混凝土的抗折强度随着纤维掺量的增加呈现先增强后减弱的趋势。因此，28 d自密实混凝土的最优配方组合为A₁B₃C₃D₃，即水灰比为0.34，粉煤灰掺量为20%，沙漠砂替代率为30%，聚丙烯纤维掺量为1.0 kg/m³。

2.2 性能验证

为了验证28 d抗折强度的最优配方能否满足自密实混凝土的工作性和体积稳定性，开展坍落度试验、抗裂性试验及干缩试验，表3为试验结果。从表3可以看出，ASC-3的坍落扩展度最小，与空白组相比，坍落扩展度下降了7.9%，表明ASC-3的工作性不如ASC-0和ASC-8，但也满足自密实混凝土拌合物的要求，即坍落扩展度在550~655 mm之间。ASC-3的裂缝条数及开裂面积最小，与空白组相比分别下降了68.8%和54%。一方面，聚丙烯纤维均匀分散在基体内部，提高混凝土的均匀性和连续性，分散收缩应力，从而减少早期内部裂缝的发展^[18-19]。另一方面，聚丙烯纤维的掺入改变了基体内部的孔结构，提高了致密性，减少了裂缝的发展。ASC-3组的干缩率最小，较ASC-0相比，干缩率降低了18.3%，与ASC-8组相比，干缩率降低了9.9%。因此，最佳配方下的混凝土抗裂性和干缩性均优于ASC-0和ASC-8，工作性略有下降，但仍符合JGJ/T 283—2012的要求。

3 结论

通过正交试验，研究了四种因素对沙漠砂自密实混凝土28 d抗折强度的影响规律，得出不同配方条件对混凝土抗折强度的影响排序为：沙漠砂替代率＞水胶比＞聚丙烯纤维掺量＞粉煤灰掺量。最佳配方参数组合为：A₁B₃C₃D₃，即水胶比为0.34，粉煤灰掺量为20%，沙漠砂替代率为30%，聚丙烯纤维掺量为1.0 kg/m³。在确定最佳配方条件后，验证了沙漠砂自密实混凝土工作性、抗裂性及干缩性能，ASC-3的抗裂性和干缩性最佳，工作性较差，但满足自密实混凝土的应用技术要求。

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基金资助

河南省科技攻关项目(222102320358)