聚丙烯纤维对高强混凝土流变性能和力学性能的影响

Influence of Polypropylene Fibers on Rheological and Mechanical Properties of High Strength Concrete

摘要

向混凝土中加入聚丙烯纤维（PPF），研究了PPF对混凝土流变性和力学性能的影响。结果表明：随着PPF掺量不断增加，混凝土拌合物的流动性变差。与未加PPF相比，掺入PPF的混凝土在养护7 d和28 d后的抗压强度、劈裂抗拉强度和拉压比均增大。当PPF掺量不超过0.9 kg/m³时，混凝土流变性满足设计要求。PPF掺入量为0.9 kg/m³，混凝土在养护7 d和28 d后的抗压强度、劈裂抗拉强度和拉压比达到最大值。

关键词

聚丙烯纤维 / 流变性 / 力学性能

Key words

Polypropylene fiber / Rheology / Mechanical property

水泥混凝土具有很高的抗压强度、较大的刚度和较好的耐久性，是目前应用广泛的建筑工程材料^[1-2]。但是混凝土凝结与硬化过程中存在收缩大、抗折强度低、抗拉强度低、易开裂、脆性大等缺点^[3-5]。为了克服混凝土的上述缺点，传统的方法是在混凝土中配置钢筋，但钢筋重量大、容易锈蚀，只能分布在混凝土局部位置^[6-7]。因此，科研工作者致力于寻求新的解决方法，近年来，利用纤维改善混凝土收缩、抗裂性能是较常见方法^[8-10]。因为纤维在混凝土中是无规则分布，在混凝土内部形成三维交错的支撑网络，能够抑制混凝土中水泥等胶凝材料水化带来的收缩，并且纤维的增韧、增强作用提高了混凝土的抗折、抗拉强度^[11-13]。聚丙烯纤维(PPF)是一种热塑性塑料纤维，其无毒、无味且质量轻，呈束状单丝结构或网状^[14-18]。PPF掺入混凝土后，纤维分布在混凝土内部形成复杂的三维网络体系，不仅可以有效抑制混凝土中骨料下沉，提高混凝土的匀质性，还可以减少或延缓水分散失^[19-20]。毕骏等^[12]研究PPF掺量对混凝土力学性能的影响，结果表明：随着PPF掺量增加，无侧限抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度均先增大后减小；当PPF掺量为0.6 kg/m³时，抗折强度和劈裂抗拉强度达到最大；当PPF掺量为0.9 kg/m³时，无侧限抗压强度达到最大。赵有正等^[21]研究了纤维混凝土单轴受压疲劳寿命，结果表明：PPF长径比为280，体积分数为0.2%时，疲劳性能提升最明显，疲劳强度相较于素混凝土提高33.83%。本实验选用C60强度等级混凝土，研究PPF掺量对混凝土的流变性能和力学性能的影响，为PPF在高强混凝土工程中的应用提供参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

聚丙烯纤维(PPF)，长度16 mm，直径30 μm，密度0.91 g/cm³，抗拉强度400 MPa，断裂延伸率12%，山东华合新材料有限公司；水泥，P·O 42.5，安徽海螺水泥股份有限公司；粉煤灰(FA)，I级，细度为9.8%，灵寿县盛运矿产品加工厂；矿粉(KF)，S95级，比表面积470 m²/kg，河北宗润矿产品有限公司；砂，细度模数2.7，密度2 630 kg/m³，肇庆西江砂场；碎石，密度2 680 kg/m³，压碎值5.9%，针片状含量3.1%，市售；聚羧酸减水剂，减水率30%，淄博佰莱建材有限公司。

1.2 仪器与设备

单卧轴混凝土搅拌机，HJW-60，河北大宏实验仪器有限公司；混凝土坍落度测定仪，150 mm×200 mm×350 mm，沧州华恒试验仪器有限公司；压力试验机，YES-3000，东万辰试验机有限公司；混凝土劈裂抗拉强度试验机，HY-10080，上海衡翼精密仪器有限公司。

1.3 样品制备

本实验制备的C60混凝土设计要求扩展度>500 mm，坍落度(220±20) mm。表1为混凝土配比。根据表1配比，将水泥、FA、KF、砂、碎石和PPF搅拌1 min；再加入减水剂、水继续搅拌3 min；搅拌均匀后装入模具，放置在温度(20±5) ℃、相对湿度大于50%的室内24 h后拆模，将其放在标准养护条件下养护7 d和28 d后进行实验。

1.4 性能测试与表征

流变性能测试：按GB/T 50080—2016进行坍落度和扩展度测试。

力学性能测试：按GB/T 50081—2019测试抗压强度和劈裂抗拉强度，试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm。

2 结果与分析

2.1 混凝土的流变性能

混凝土的流变性主要用混凝土拌合物坍落度和扩展度来体现。图1为混凝土的坍落度和扩展度。从图1可以看出，未加入PPF时，混凝土拌合物的坍落度和扩展度分别为240 mm和580 mm。随着PPF掺量增加，坍落度和扩展度都逐渐减小。PPF掺量达到1.2 kg/m³时，坍落度和扩展度分别降至140 mm和400 mm，较未加入PPF时，分别下降41.6%和31.03%，说明掺入PPF越多，混凝土拌合物的坍落度和扩展度越小。这是因为PPF长径比较大，PPF加入混凝土中会以不规则形式分散分布，在混凝土内部形成相互交错的网络结构，这些网络结构搭接后会发挥锚固桥接作用，PPF掺量越大，则网络结构越密集，锚固作用越强，从而增加了混凝土浆体的黏聚性，最终导致混凝土拌合物的流变性变差，其坍落度和扩展度降低^[15]。根据本文要求坍落度(220±20) mm，扩展度>500 mm，PPF掺量1.2 kg/m³时，混凝土的坍落度和扩展度已经无法满足设计要求，因此需要控制PPF掺量不超过0.9 kg/m³。

2.2 混凝土的力学性能

图2为混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度。

从图2可以看出，混凝土7 d和28 d抗压强度和劈裂抗拉强度都是先增大后降低。PPF掺量为0.3~0.9 kg/m³时，随着PPF增加，抗压强度和劈裂抗拉强度呈上升趋势，并且PPF掺量为0.3 kg/m³时，混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度增长幅度不大，继续增加PPF，混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度增长较显著。这是因为PPF均匀分散到混凝土中，PPF在混凝土内部形成三维网络结构，能够起到桥接增强的作用。另外，PPF在混凝土中能够抵抗混凝土水化过程中带来的内应力，从而减小了混凝土早期收缩，进而降低了混凝土硬化早期形成的裂纹、孔隙和其他缺陷，使得混凝土结构更加密实、完整，前面对混凝土收缩和孔结构的分析也验证了适量的PPF对混凝土收缩和孔隙形成有抑制作用。但是，当PPF掺量仅为0.3 kg/m³时，PPF在混凝土中形成的三维网络结构还不够完整，因此对混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度的增强效果不是太大。因此PPF掺量从0.3 kg/m³增至0.9 kg/m³时，混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度先缓慢增大，然后显著增强。当PPF掺量为1.2 kg/m³时，混凝土7 d和28 d抗压强度和劈裂抗拉强度虽然比未加PPF时高，但是比PPF掺量0.6 kg/m³和0.9 kg/m³时低。这可能是PPF掺量过高，造成部分PPF团聚，团聚的PPF之间缺少混凝土浆体包裹，导致混凝土内部孔隙率增加且大孔变多，造成内部缺陷增多及收缩率有所增大，这在混凝土孔结构和收缩试验中已得到验证。

混凝土的拉压比指劈裂抗拉强度与抗压强度的比值，拉压比反映了混凝土脆性高低，也是反映混凝土力学性能的重要指标。拉压比越低说明混凝土韧性越低、脆性越大。图3为混凝土养护7 d和28 d的拉压比。从图3可以看出，未加PPF的混凝土养护7 d的拉压比为0.079，养护28 d的拉压比为0.063。PPF掺入量为0.9 kg/m³，混凝土养护7 d的拉压比为0.082，养护28 d的拉压比为0.072。PPF掺入量为掺入1.2 kg/m³，混凝土养护7 d的拉压比为0.079，养护28 d的拉压比为0.067。与未加PPF相比，掺入PPF后混凝土养护7 d和28 d的拉压比均增大，掺入0.9 kg/m³ PPF的混凝土养护7 d和28 d的拉压比达到最大值。这说明PPF的加入可以提高混凝土拉压比，但是过少或过多的PPF掺入对混凝土拉压比改善效果不显著。适量掺入PPF不仅能大幅提高混凝土7 d和28 d的拉压比，还能使混凝土7 d到28 d的拉压比变化率变小。因为，对于未加PPF的混凝土，随着混凝土龄期的延长，混凝土抗压强度持续增长，在28 d内增长较快，而抗拉强度却增长较慢，因此拉压比随混凝土龄期的增长而下降；而加入PPF的混凝土，PPF抑制了混凝土内部孔隙尤其是大孔的形成，抑制了混凝土的收缩和裂纹等其他缺陷的产生，有助于混凝土内部结构完整性和紧密性，因此PPF的加入能提高混凝土的抗压强度和抗拉强度。另外，PPF形成的三维网络结构起增韧、增强作用，PPF加入提高了混凝土的拉压比。但是，过低的PPF掺量无法完全形成连续的网络结构，并且对抑制混凝土孔隙和收缩等缺陷的效果有限；而过高的PPF掺量又可能造成部分PPF团聚，也会导致新的孔隙或缺陷产生。结合图4和图5可知，PPF掺量为0.9 kg/m³时，混凝土力学性能最好，与未加PPF的混凝土相比，此时混凝土7 d和28 d抗压强度分别提高21.8%和16.3%，混凝土7 d和28 d劈裂抗拉强度分别提高3.9%和12.9%。

3 结论

掺入PPF后，混凝土拌合物的流动性变差。加入PPF时，混凝土养护7 d和28 d抗压强度和劈裂抗拉强度均先增大后降低，PPF掺量为0.9 kg/m³时，混凝土的7 d和28 d抗压强度和劈裂抗拉强度最大。与未加PPF相比，掺入PPF的混凝土养护7 d和28 d拉压比均增大，掺入0.9 kg/m³的PPF的混凝土养护7 d和28 d的拉压比达到最大值。PPF掺量为0.9 kg/m³时，混凝土的力学性能最好。

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