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聚丙烯纖維對高性能混凝土

發布時間：2014-08-09

摘  要
    本文研究了不同摻量聚丙烯纖維高性能混凝土的抗折、脆性和抗沖擊性能，綜合論述了摻纖維對高性能混凝土抗折強度、脆性、抗沖擊性能和影響，探討和分析了高性能水泥基纖維復合材料脆性下降，抗沖擊性能提高的機理。試驗證明：高性能混凝土中摻纖維能顯著降低混凝土的脆性和提高混凝土抗折強度、抗沖擊性能。

    一、前言
    高性能混凝土不僅要有良好的強度性能，還應有優異的耐久性能和適宜的工作性能，以滿足目前和未來的大規模重混凝土工程的施工需要，經過大量的試驗研究，我們應用硅灰和粉煤灰配制出高性能混凝土，這種混凝土不僅具有很高的強度，而且工作性好、硬化混凝土的抗凍融性能、抗滲透性能和抗侵蝕性能優異。但脆性大、抗沖擊性差是影響高性能混凝土實際應用的一個重要因素。有研究認為，自收縮開裂、濕脹開裂和脆性是目前高性能混凝土急待解決的重要問題。本文將采用聚丙烯纖維來改善高性能混凝土脆性和抗沖擊性能。
    二、實驗方法
    １．原材料
    1.1水泥：采用三舫局小野田水泥有限公司525＃普硅水泥摻
    1.2合料：試驗采用化聯外加劑廠提供的硅灰，減水劑采用五四助劑廠生產的SN－Ⅱ高效減水劑
    1.3集料：粗集料采用5－8mm的石英碎石，細集料采用標準石英砂。
    1.4聚丙烯纖維：采用新型改性聚丙烯纖維，其物理性能列于表1。

                      表1  改性聚丙烯纖維的物理性能
吸水性  比重  纖維長度  熔點  沸點  導電性  導熱性  耐酸堿性  抗壓強度  拉伸強度
               (mm)    （℃）（℃）                           （Mpa）   （Mpa）
無      0．91  12－19  160-170  590   低      低        高     560-770     350

    2．試驗方法
    抗折、抗壓強度試驗GB177－85水泥膠砂強度試驗方法進行。用水量是采用標準稠度用水量，其標準稠度及凝結時間均按GB134－77水泥標準稠度用水量進行。
耐磨試件尺寸為15cm×15cm×7cm。磨損試驗采用GLM－200鋼輪式混凝土磨損試驗機，試驗方法按GB／T12988－91《無機地面材料耐磨性試驗方法》進行。耐磨性用抗長度L表示，單位mm，耐磨試驗每組5塊，取十次試驗平均值。
    抗沖擊性能尺為15cm×15cm×5cm，每組共5個試件。將8kg重的鋼球從25cm高度自由落下，當試件裂縫寬度大于3mm時，記錄沖擊次數，試驗結果取中間3個數據的平均值。
    三、結果與討論
    1．聚丙烯纖維對高性能混凝土脆性影響
    高性能混凝土強度和耐久性主要受水灰比和礦物聚合物的影響，當水灰比（w/c）一定時，礦物摻合料量將直接影響到高性能混凝土各種物理力學性能。耐摻聚丙烯纖維可以改善高性能混凝土的力學性能。表2是高性能混凝土改變纖維摻量（0、0.1%、0.15%）對混凝土強度影響。


                表2     高性能水泥基聚丙烯纖維復合材料強度
試件  硅灰摻量    纖維摻量          抗壓強度          抗折強度
          （％）      （Kg）
                                         R3   R28       R3      R28
1           0           0              36.9  63.4      5.31    8.53
2           5           0              43.0  73.9      5.45    9.05
3          10           0              47.5  82.4      6.06    9.82
4           0          0.1              29.3  60.8      5.36    8.59
5           5          0.1              29.9  61.3      5.33    8.72
6          10          0.1              32.4  66.9      5.45    9.25
7           0          0.15             38.4  68.5     6.08     9.35
8           5          0.15             39.9  77.7     6.28     11.02
9          10          0.15             47.4  82.3     7.55     12.52
    實驗結果表明：當水灰比（w/c）一定時，混凝土力學性能隨摻量增加提高，與此同時混凝土的耐久性能也大幅度提高。但硅灰摻量變化對混凝土抗壓、抗折強度影響程度是不一樣的。由表中數據可以看出，當硅灰從0～10％混凝土抗壓強度提高30％以上，而抗折強度僅僅提高15％左右，這樣高性能混凝土的脆性就隨之顯著提高。
    試驗結果表明摻和聚丙烯纖維可以改善高性能混凝土的脆性。當聚丙烯纖維含量從（0～15％）高性能混凝土抗壓強度幾乎沒有變化，而抗折強度提高27％以上。使混凝土的脆度系數從8.39下降到6.5％。從而表現為高性能混凝土在保證抗壓強度和耐久性能不變的前提下大幅度降低混凝土的脆性。
    2．聚丙烯纖維網對高性能混凝土抗沖擊性影響
    聚丙烯纖維對高性能混凝土抗沖擊性具有較大影響。同實驗數據可知，在高性能混凝土中摻加纖維可以顯著改善混凝土抗沖擊性能。高性能混凝土的抗沖擊性能隨纖維摻量增加耐明顯提高，混凝土抗沖擊性提高與纖維摻量成正比。此外纖維高性能混凝土的抗沖擊性能隨混凝土基材強度的提高而增長。因此，纖維與高性能混凝土基材復合是配制高性能水泥基復合材料的主要技術途徑之一。
    3．聚丙烯纖維對高性能混凝土增折與抗沖擊性能改善的機理初探

    綜上所述，在高性能混凝土中摻入聚丙烯纖維后能顯著提高混凝土抗折強度和抗沖擊性能，其抗沖擊性能的提高尤為顯著。究其原因，在于纖維的阻裂效應。實際上高性能混凝土從無缺陷理想狀態來講，其抗壓、抗折強度增長幅度應該是基本一致的，之所以高性能混凝土抗壓強度提高幅度大大地大工業于抗抗折強度提高幅度，原因就在于高性能混凝土內部存在不同尺度的微裂縫，而微裂縫對抗折強度影響遠大于抗壓強度，由于高性能混凝土脆性及自收縮等造成內部存在不同尺度的微裂紋，在結構形成過程中，聚丙烯纖維阻止了這此裂縫的引發，從而減少了裂縫源的數量，并使裂縫尺度變小，這就降低了裂縫尖端的應力強度因子，緩合了裂縫尖端受力集中程度，在受力過程中，又抑制裂縫的引發與擴展，這樣就可以充分發揮高性能混凝土高抗折強度效應，這就是纖維能大幅度提高高性能混凝土抗折強度，而不能提高其抗壓強度的原因，但為了充分發揮纖維混凝土阻裂效果必須加強界面粘結性能，而界面粘結構特性又直接受水灰比和硅灰的影響。
    （1）減小w/c 界面區影響
    w/c的大小是影響聚丙烯纖維與混凝土基材、集料與水泥石界面的粘結主要因素。界面粘結與界面區微觀礦物組成和其結構密切相關。當w/c較在百，混凝土集料和纖維界面區域內由于泌水等原因使局部w/c增大，使表層界面區域的w/c比基材大得多，離子濃度低，由于離子擴散及晶體生長等因素，Ca(OH)2晶體在此區域發育完善和取向指數高、Ca(OH)2板狀晶體富集，并產生定向排列，晶體生長約束力小而尺度大，導致界面結構疏松。纖維混凝土增折，高沖擊性能就得不能發揮。界面高效減水劑降低w/c就可以減少上述弊端，增強界面粘結力，使高性能混凝土抗折強度、脆性和抗沖擊性能得以大幅度改善。
    （2）加入硅灰對界面區影響
    在聚丙烯纖維混凝土摻入硅灰，同時加入高效減水劑，可使其抗折強度和抗沖擊性大為提高。硅灰是一種高活性火由灰質材料、在水化過程中，硅灰與水泥石孔隙中的離子起化學反應，使C－S－H凝膠增加，導致水泥石中大孔減少，凝膠孔增加，結構變得致密，強度顯著提高，摻入適量硅灰、改善纖維混凝土中水泥漿體與集料、纖維界面區的結構、使界面區的Ca(OH)2晶體數量下降，取向度明顯降低，晶粒細化、C－S－H凝膠數量增加，加強了界面粘結力，提高聚丙烯纖維高性能混凝土抗沖擊性能和降低其脆性。
    四、結論
    1．高性能混凝土由于脆性，自收縮開裂和內部微裂縫使其抗折強度增長幅度遠遠小于抗壓強度增長幅度，并且后期強度和耐久性能有可能下降。
    2．在高性能混凝土中摻量聚丙烯纖維可以充分發揮高性能混凝土高強效應，特別是高抗折效應。當高性能混凝土中摻加纖維體積分數為0.15%時，混凝土抗壓強度幾乎不變，而抗折強度提高30％以上。
    3．聚丙烯纖維高性能混凝土在沖擊荷載下的抗裂性能是高性能混凝土上的3－4倍。而高性能混凝土的抗沖擊性能幾乎與普通混凝土一樣。

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