聚丙烯纤维对混凝土力学性能和耐久性优化实验研究

Experimental Study on Optimization of Mechanical Properties and Durability of Concrete by Polypropylene Fibers

摘要

为优化混凝土的力学性能和耐久性，选用聚丙烯纤维（PPF）制备纤维增强混凝土，研究PPF对混凝土孔结构、力学性能和耐久性的影响。结果表明：PPF的加入能够降低混凝土的孔隙率，使有害孔和多害孔比例降低；PPF能够提高混凝土的力学性能，对劈裂抗拉强度增强效果显著；PPF能够改善混凝土的抗碳化性能、抗冻性能和抗氯离子渗透性能；PPF能够降低碳化深度，抑制冻融循环过程中孔隙率的增加，抑制氯离子相混凝土内部扩散。PPF最佳掺入体积分数为0.2%，相比对比样孔隙率降低34.8%，抗压强度和劈裂抗拉强度分别提高19.0%和19.3%，碳化后强度保留率达到94.3%，碳化深度降低34.4%，冻融破坏变弱，冻融后孔隙率增长幅度变小，不同深度的自由氯离子质量分数呈指数衰减趋势减小，氯离子扩散系数降低30.2%。

Abstract

To optimize the mechanical properties and durability of concrete, polypropylene fiber (PPF) was selected to prepare fiber-reinforced concrete, and the effects of PPF on the pore structure, mechanical properties, and durability of concrete were investigated. The results indicated that the incorporation of PPF reduced the porosity of concrete and decreased the proportion of harmful and multi-harmful pores. PPF enhanced the mechanical properties of concrete, with a particularly significant improvement in splitting tensile strength. PPF improved the carbonation resistance, frost resistance, and chloride ion penetration resistance of concrete. PPF reduced carbonation depth, inhibited the increase in porosity during freeze-thaw cycles, and hindered the diffusion of chloride ions into the concrete interior. The optimal incorporation volume fraction of PPF was 0.2%, which reduced the porosity by 34.8% compared to the control specimen, increased the compressive strength and splitting tensile strength by 19.0% and 19.3%, respectively, achieved a strength retention rate of 94.3% after carbonation, reduced carbonation depth by 34.4%, weakened freeze-thaw damage, decreased the growth rate of porosity after freeze-thaw cycles, exhibited a reduced exponential decay trend in free chloride ion mass fraction at different depths, and lowered the chloride ion diffusion coefficient by 30.2%.

关键词

聚丙烯纤维 / 混凝土 / 孔结构 / 力学性能 / 耐久性

Key words

PPF / Concrete / Pore structure / Mechanical properties / Durability

混凝土是工程建设的基础材料，广泛应用于大坝、公路、桥梁、隧道和住宅等领域，面临着复杂的服役环境^[1-4]。传统混凝土抗拉强度低、裂缝控制困难且耐久性不足，难以满足北方地区低温冻融、沿海地区高氯离子侵蚀等恶劣环境的要求^[5-7]。因此，提高混凝土的综合性能，尤其是耐久性至关重要。目前较为有效的方法是通过纤维增强^[8-10]。利用纤维优异的韧性和抗拉性能可提升混凝土的拉伸和弯曲力学性能，同时纤维能够促进胶凝材料水化，优化混凝土内部结构，进而改善其耐久性^[11-13]。常用于混凝土增强的纤维包括：矿物纤维，如玄武岩纤维(BF)^[14-15]；金属纤维，如钢纤维(SF)^[16-17]；植物纤维，如秸秆纤维^[18]；聚合物纤维，如聚丙烯纤维(PPF)^[19]。这些纤维对提高混凝土的韧性、强度和耐久性均有显著效果，但BF和SF价格较高。相比之下，PPF不仅价格低廉，抗裂性能优异，还具有轻质和耐酸性腐蚀等优点，且力学性能优于秸秆纤维，因此PPF增强混凝土更具性价比^[20-21]。景广涛等^[22]研究不同掺量PPF对混凝土抗压强度和抗裂性能的影响，结果表明PPF能够提高混凝土的抗压强度，延缓早期开裂，降低裂缝最大宽度和裂纹面积。李传雄等^[23]研究PPF对混凝土抗压强度和抗冻性能的影响，结果表明对于C40和C50混凝土，掺入0.9 kg/m³的PPF使抗压强度分别提高4.2%和3.8%，冻融循环200次后的抗压强度损失率分别降低7.9%和5.5%。上述关于PPF增强混凝土的研究主要关注力学性能和单一耐久性，而对综合耐久性能及增强机理的研究相对较少。

本文用PPF制备纤维增强混凝土，以优化混凝土的力学性能和耐久性能，旨在拓宽混凝土的应用场景，提高混凝土的使用寿命。

1 实验部分

1.1 主要原料

水泥，P·O 42.5，安徽海螺集团有限责任公司；粉煤灰，I级，国家能源集团谏壁发电厂；粗骨料，人工石灰岩碎石，粒径5~20 mm连续级配，表观密度2 730 kg/m³，压碎指标4.5%；细骨料，天然水洗砂，细度模数2.6，表观密度2 580 kg/m³；PPF，直径48 µm，长度12 mm，密度0.91 g/cm³，抗拉强度650 MPa，伸长率15%，济南晴天化工科技有限公司；减水剂，PCA®-10，江苏苏博特新材料股份有限公司。

1.2 仪器与设备

全自动压汞仪，AutoPore Ⅳ9500，美国麦克仪器公司；万能材料试验机，WAW-1000D，济南中路昌试验机制造有限公司；压力机，YES-2000，济南方圆试验仪器有限公司；多功能氯离子测定仪，RCM-DTL，一测仪器设备(河北)有限公司；精确切割机，HQP-200A，上海荣计达仪器科技有限公司；混凝土氯离子含量快速测定仪，SSWY-810，献县信达公路桥梁工程试验仪器厂。

1.3 样品制备

参照JGJ 55—2011设计配合比，表1为PPF增强混凝土的配合比。参照GB/T 50080—2016制备混凝土。首先将水泥、粉煤灰、粗细骨料倒入混凝土搅拌机中搅拌3 min。再将水和减水剂各一半加入搅拌机中，搅拌3 min，在此过程中逐步加入PPF。然后加入剩余的水和减水剂，继续搅拌3 min。最后将拌制均匀的浆料倒入对应的模具中，在养护室中静置24 h后脱模，放入标准养护室内养护至对应龄期进行检测。

1.4 性能测试与表征

孔结构分析：在混凝土试件上剥取约2~5 cm的小块，在105 ℃的烘箱中进行烘干处理，用全自动压汞仪测试其孔隙率。

力学性能测试：参照GB/T 50081—2019，采用万能材料试验机对养护28 d的试件进行抗压强度和劈裂抗拉强度检测。加载速率为0.5 mm/min，试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。

抗碳化性能测试：参照GB/T 50082—2024，对试块的侧面进行碳化，碳化28 d后测试碳化前后混凝土的强度，用压力机将碳化后的试块中间劈开，喷洒酚酞试剂，测试碳化深度。试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。

抗冻性能测试：参照GB/T 50082—2024，采用快冻法将养护24 d的试件在20 ℃水中饱和吸水4 d，然后进行冻融循环，冻融温度为-20~20 ℃，循环150次，每隔25次测试试件质量损失和相对动弹性模量。试件尺寸为400 mm×100 mm×100 mm。

抗氯离子渗透性能测试：参照GB/T 50082—2024中快速氯离子迁移系数法(RCM法)，采用多功能氯离子测定仪对养护至28 d的尺寸为φ100 mm×50 mm的试件进行氯离子迁移系数测定。将养护至28 d的尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的试件取出，除1个侧面(此为氯离子侵蚀面)外，其他5个面用环氧树脂涂抹，待试样表面环氧树脂固化后，将试件未涂抹环氧树脂的面朝上，放入质量分数为3%的NaCl溶液中浸泡120 d，每隔一段时间换一次溶液，浸泡完成后取出试件干燥，然后将涂有环氧树脂的5个面切去20 mm厚度，并用砂纸磨去侵蚀面表面浮浆(避免表面氯离子干扰)，最后用精确切割机沿着侵蚀面方向每隔2 mm分层切下试块，剔除骨料后，取2 g磨细粉末，采用混凝土氯离子含量快速测定仪，测试各深度下氯离子质量分数。

2 结果与讨论

2.1 PPF增强混凝土孔结构变化规律

一般情况下，将混凝土的孔分为多害孔(>200 nm)、有害孔(50~200 nm)、少害孔(20~50 nm)和无害孔(<20 nm)。图1为PPF增强混凝土的孔径分布。从图1可以看出，加入PPF后，50 nm以下的孔占比增加，尤其是20 nm以下的无害孔占比显著增大，而多害孔(>200 nm)和有害孔(50~200 nm)占比降低。对比样的多害孔百分比最高，对比样无害孔占比为20.5%，有害孔和多害孔共占比54.9%。而加入PPF后，PPF-0.2%的无害孔占比最大，达到30.2%，有害孔和多害孔共占比43.1%。

图2为PPF增强混凝土的孔隙率。从图2可以看出，加入PPF后，混凝土试件孔隙率从5.12%降低至4.11%、3.34%和3.98%，与对比样相比，PPF-0.1%、PPF-0.2%和PPF-0.3%的孔隙率降低19.7%、34.8%和22.3%。另外，与PPF-0.1%相比，PPF-0.3%的小孔(<50 nm)占比略高，但是多害孔略多，这可能是因为过量的PPF出现部分团聚造成的。

综合图1和图2可知，PPF能够降低混凝土孔隙率，降低多害孔和有害孔占比；但当PPF掺量过高时，多害孔和有害孔的占比反而增多，孔隙率增加。这是因为：一方面，适当掺入PPF能够起到填充孔隙和桥接作用；另一方面，纤维能够促进胶凝材料水化，水化产物填充基体孔隙，提高混凝土的密实性，使孔隙率降低且产生的孔隙孔径变小。但是当PPF掺量过高时，PPF会团聚，产生内部孔隙和缺陷，团聚区域的孔隙会更大，孔隙率也会增加。

2.2 PPF增强混凝土力学性能变化规律

本文用抗压强度和劈裂抗拉强度表征混凝土力学性能。图3为PPF增强混凝土的力学性能，图4为PPF增强混凝土的力学性能增长率。从图3和图4可以看出，随着PPF掺量的增加，混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度先增大后降低，当PPF体积分数为0.2%时，抗压强度和劈裂抗拉最大，分别比对比样提高19.0%和19.3%。当PPF体积分数增加至0.3%时，混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度有所降低，但是相比对比样仍高出10.2%和16.7%，说明PPF总体上可提高混凝土的力学性能。这是因为：一方面，PPF韧性高，柔软度好，PPF加入混凝土中后，与混凝土结构发生有效黏结，降低基体的孔隙与缺陷，起到支撑锚固和协调基体内部应力作用；另一方面，纤维对混凝土中胶凝材料的水化有促进作用，使混凝土中形成更多的水化产物，水化产物能够填充基体内部孔隙，增加致密性，更多的水化产物还能承载外力^[20,24]。因此，加入PPF可提高混凝土的力学性能。但是，当PPF掺量过多时，PPF会发生结团或不均匀分布，这会在基体中产生新的孔隙或裂纹，最终导致混凝土的力学性能下降。相对抗压强度，样品的劈裂抗拉强度增长幅度更大。这可能是因为PPF长径比较大，PPF在混凝土基体中起到桥接作用更显著，而且劈裂抗拉强度对孔隙率更敏感，PPF能够优化孔结构，降低孔隙率，因此对劈裂抗拉强度的贡献作用更显著。

2.3 PPF增强混凝土抗碳化性能变化规律

混凝土材料属于碱性，长期暴露在空气中，会与CO₂发生化学中和反应，降低混凝土基体内部的pH值或使混凝土产生表面裂纹，导致混凝土耐久性下降，尤其是加剧混凝土钢筋的锈蚀^[25]。本文通过检测碳化前后的混凝土抗压强度和碳化深度来评价PPF对混凝土抗碳化性能的影响。图5为PPF增强混凝土碳化前后的抗压强度。从图5可以看出，经过28 d碳化后，混凝土试件的抗压强度均发生不同程度的降低，说明碳化会降低混凝土的力学性能，但是混凝土碳化前后抗压强度的顺序仍然保持为：PPF-0.2%>PPF-0.3%>PPF-0.1%>对比样。随着PPF掺量的增加，混凝土碳化后的强度保留率分别为93.0%、93.7%、94.3%和94.1%，说明强度保留率先增大后降低。但是，加入PPF的样品的抗压强度和强度保留率总体上高于对比样，这是因为纤维增加混凝土的抗压强度。

图6为PPF增强混凝土的碳化深度。从图6可以看出，随着PPF掺量的增加，混凝土的碳化深度分别为10.8、8.6、10.5 mm，分别比对比样降低17.6%、34.4%、19.8%，说明加入PPF后碳化深度先降低后增大。另外，结合图5和图6可以看出，当PPF体积分数为0.2%时，混凝土的抗碳化性能最佳。以上结果表明，PPF抑制混凝土的碳化，PPF掺量不是越多越好。这是因为PPF增加混凝土的内部致密性和抗压强度，减少混凝土基体的孔隙和缺陷，抑制CO₂进入基体内部，减少碳化反应，但是过量的纤维会在混凝土基体内部产生新的缺陷，对抗压强度不利，导致强度保留率降低和碳化深度增大。

2.4 PPF增强混凝土抗冻性能变化规律

抗冻性能是评估混凝土耐久性的主要指标之一，在北方地区尤其重要，本文通过研究混凝土冻融后的质量损失、相对动弹性模量和孔结构来表征PPF对混凝土抗冻性的影响。图7为PPF增强混凝土冻融循环后的质量损失。从图7可以看出，随着冻融循环次数的增加，混凝土的质量损失率不断增大，尤其是冻融循环100次以后，质量损失明显增大；另外，相同冻融循环次数下，加入PPF后，混凝土的质量损失有所减小，尤其是PPF-0.2%的质量损失减小最显著，其次是PPF-0.3%。这说明加入PPF对质量损失有抑制作用，抑制效果为PPF-0.2%>PPF-0.3%>PPF-0.1%。这是因为PPF能够减少混凝土基体缺陷，提高基体致密性，同时PPF与基体黏结起到锚固作用，减少混凝土在冻融循环过程中的剥落和破损。

图8为PPF增强混凝土冻融循环后的相对动弹性模量。从图8可以看出，随着冻融循环次数的增加，混凝土的相对动弹性模量不断降低，尤其是冻融循环100次以后，降低较明显。另外，相同冻融循环次数下，加入PPF后，混凝土相对动弹性模量有所提高，且PPF-0.2%的相对动弹性模量最高，这说明加入PPF能够降低冻融循环对混凝土结构的破坏。这是因为：一方面，PPF的加入降低冻融循环时混凝土内部的应力集中，削弱冻融过程对混凝土强度的负效应；另一方面，PPF分布在基体中，能够协调混凝土内部应力，改善混凝土结构的受力状态。当冻融循环次数低于100次时，PPF-0.3%的相对动弹性模量高于PPF-0.1%，但是冻融循环超过100次后，PPF-0.3%的相对动弹性模量低于PPF-0.1%。这可能是因为当PPF体积分数达到0.3%时，过量的PPF会出现部分团聚，导致混凝土基体内部出现新的缺陷和大孔径孔隙(如图1)。在冻融循环次数较少时，PPF对基体的正面影响占主导；而当冻融循环增加至一定次数后，冻融过程造成大孔隙不断扩展，导致部分孔隙贯通，冻融破坏增强^[26]。

图9为PPF增强混凝土冻融循环后的孔隙率。从图9可以看出，随着冻融循环次数的增加，混凝土的孔隙率逐渐增大。对比样、PPF-0.1%、PPF-0.2%在0~150次冻融的孔隙率与冻融次数的变化规律曲线基本接近线性关系。表2为冻融后PPF增强混凝土孔隙率-冻融次数拟合曲线。从表2可以看出，直线相关性较好，说明孔隙率随着冻融次数增加呈线性增长。PPF-0.3%的孔隙率与冻融次数的变化规律曲线也呈线性关系，但是线性关系分为两段。0~75次冻融的线性关系为y=3.975+0.005 6x，100~150次冻融的线性关系为y=3.357+0.013 2x，明显后段的斜率是前段的2倍多，这说明PPF-0.3%在冻融100次后，孔隙率随冻融循环次数增加而增长迅速。这是因为相同质量冰的体积大于水，在冻融循环过程中，混凝土基体的孔隙会增大，甚至孔隙贯通，导致冻融破坏程度进一步严重，进而总孔隙率逐渐增大。而掺入过量PPF时，PPF会在混凝土内部产生新的缺陷或大孔隙，导致在高频次冻融后，冻融破坏加剧。另外，PPF-0.3%在150次冻融后的孔隙率接近PPF-0.1%，说明此时混凝土的冻融破坏较严重，也表明PPF掺量并不是越高越好。

图7和图8中混凝土冻融循环后质量损失和相对动弹性模量的变化主要是因为混凝土内部孔隙率增大，导致混凝土结构发生了变化，这一点通过图9的数据得到验证。

2.5 PPF增强混凝土抗氯离子渗透性能变化规律

沿海地区和冬天路面撒盐都会造成混凝土氯离子侵蚀，氯离子进入混凝土中直接侵蚀混凝土内部钢筋，导致混凝土结构破坏，因此混凝土抗氯离子渗透性能对混凝土耐久性能至关重要^[27]。

图10为PPF增强混凝土的氯离子渗透系数。从图10可以看出，随着PPF掺量的增加，试件氯离子渗透系数先降低后升高，比对比样分别降低19.9%、30.2%和23.3%。

图11为PPF增强混凝土的自由氯离子质量分数。从图11可以看出，浸泡120 d后，随着深度的增大，自由氯离子质量分数逐渐减小，减小趋势接近指数衰减规律，相关性均较好，说明氯离子逐渐向混凝土内部扩散。另外，同一深度下，随着PPF掺量的增加，自由氯离子质量分数先降低后增大，且氯离子较对比样的侵蚀深度更大，达到50 mm，而加入PPF的试件最大侵蚀深度不超过45 mm，这说明PPF抑制氯离子向混凝土内部侵蚀。这是因为PPF提高混凝土内部致密性，PPF-0.2%的孔隙率最小，结构最致密。对比样在16 mm深度前自由氯离子质量分数快速降低，在16~50 mm自由氯离子质量分数缓慢降低，50 mm之后自由氯离子质量分数基本稳定。PPF-0.1%、PPF-0.2%和PPF-0.3%在16 mm深度前自由氯离子质量分数快速降低。PPF-0.1%和PPF-0.2%在16~40 mm自由氯离子质量分数缓慢降低，40 mm之后自由氯离子质量分数基本稳定。PPF-0.3%在16~45 mm自由氯离子质量分数缓慢降低，45 mm之后自由氯离子质量分数基本稳定。

结合图10和图11可以看出，PPF的掺入降低氯离子渗透系数，显著影响试件不同深度的自由氯离子质量分数，说明PPF可有效提高混凝土的抗氯离子侵蚀能力。这是因为掺入PPF能够有效改善混凝土结构的致密性，优化孔隙结构且降低孔隙率，抑制氯离子向混凝土内部扩散。

3 结论

对PPF增强混凝土的孔结构、力学性能、抗碳化性能、抗冻融性能和抗氯离子渗透性能进行研究。结果表明，加入PPF能够降低混凝土的孔隙率，使无害孔和少害孔比例增大，有害孔和多害孔比例降低。PPF掺入体积分数为0.2%的混凝土的孔隙率最低，孔结构最好。PPF还能够提高混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度，PPF对劈裂抗拉强度的增强效果更显著。经过28 d碳化后，PPF增强混凝土试件的抗压强度均有不同程度的降低。而加入PPF提高混凝土的抗碳化性能，随着PPF掺量的增加，混凝土碳化后的强度保留率先增大后降低，但是强度保留率总体上高于对比样。混凝土的碳化深度先降低后增大，但是均比不加PPF时小。由于冻融循环增加混凝土的孔隙率，导致混凝土冻融破坏程度增加，随着冻融循环次数的增加，混凝土的质量损失率不断增大，相对动弹性模量不断降低，尤其是冻融循环100次以后，质量损失显著增大，相对动弹性模量显著降低。加入PPF能够抑制冻融循环过程中孔隙率的增加，提高混凝土的抗冻性能，质量损失减小，相对动弹性模量增大，尤其是PPF体积分数为0.2%的抗冻性能最佳。PPF能够有效提高混凝土的抗氯离子侵蚀能力，降低氯离子渗透系数和不同深度的氯离子质量分数，随着深度的增加，氯离子质量分数呈指数衰减趋势减小。掺入PPF的最优体积分数为0.2%，此时混凝土孔隙率最低，力学性能最高，耐久性能最好。

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基金资助

山西省高等学校科技创新项目(2022L694)

青年科学研究项目(202303021212201)