聚丙烯纖維對(duì)耐酸混凝土強(qiáng)度和變形性的影響

[摘要] 文章對(duì)比研究了耐酸混凝土與摻加聚丙烯纖維的耐酸混凝土在相同溫度下的抗拉強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度，以及在不同溫度條件下的彈性模量和溫度應(yīng)變的性能。結(jié)果表明：摻入聚丙烯纖維能有效的提高耐酸混凝土的抗拉強(qiáng)度，抑制耐酸混凝土的溫度應(yīng)變，但降低了其抗壓強(qiáng)度與彈性模量。

[關(guān)鍵詞] 聚丙烯纖維；抗壓強(qiáng)度；彈性模量；溫度應(yīng)變

[中圖分類號(hào)] TU528 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 1003-1324（2012）-02-0068-04

1 引言

水玻璃耐酸混凝土優(yōu)良的耐酸性能，使其在一些具有高腐蝕性環(huán)境中得到應(yīng)用，例如電解槽等結(jié)構(gòu)。但它的抗拉強(qiáng)度低，易開裂，韌性低等特點(diǎn)，特別是在高溫條件下耐酸混凝土由于不均勻變形易引起的開裂縮短了它的使用壽命，也因而限制了它的使用。

在普通混凝土中加入纖維來使混凝土增強(qiáng)、增韌、阻裂，取得了良好的效果。研究表明，聚丙烯纖維能有效抑制早期混凝土原生裂縫的發(fā)生和發(fā)展，減少原生裂縫的數(shù)量和尺度。高小健[ 1 ] 研究表明摻聚丙烯纖維增加了裂縫數(shù)量和開裂面積，減小了混凝土早期開裂寬度；研究[2，3]認(rèn)為在混凝土中摻入聚丙烯纖維可大大提高混凝土的抗沖擊韌性，并且在一定范圍內(nèi)，抗沖擊韌性隨著纖維含量的增加而增大，當(dāng)纖維含量為0.9kg/m3時(shí)將提高3倍。對(duì)于纖維在耐酸混凝土中的作用，目前尚沒有相關(guān)具體的研究報(bào)道。

文章在耐酸混凝土中加入低模量、大變形的柔性聚丙烯纖維，通過試驗(yàn)考察其對(duì)耐酸混凝土性能的影響。特別是考察在高溫作用下纖維對(duì)耐酸混凝土的阻裂作用的效果。

2 纖維耐酸混凝土強(qiáng)度與變形性能的試驗(yàn)研究

2.1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用鑄石粉和氟硅酸鈉混合拌制而成的膠凝物作為粘結(jié)劑；采用石英石（曬干）作為粗細(xì)骨料；選用自配改性水玻璃分散劑；纖維采用不同規(guī)格的聚丙烯纖維，其性能見表1。

（1）黏結(jié)劑：是鑄石粉和氟硅酸鈉按照11.9：1的比例混合拌制而成

（2）砂子：石英砂（曬干），顆粒直徑為10～40目

（2）粗集料：粒徑為15mm～20mm，0.04mm的石英石碎石（曬干）

（4）分散劑：自配改性水玻璃分散劑；

（5）水玻璃：密度為1.4g/cm3～

1.44g/cm 3，模數(shù)為2.8～3.0；

本次試驗(yàn)所采用的耐酸混凝土的質(zhì)量配合比為如下。混凝土粉（1）：水玻璃（0.5）：減水劑（0.04）：F-1（0.0011）：F-2（0.004）：F-3（0.0025）：砂（0.605）：石英石（粒徑0.04mm）（0.351）：石英石（粒徑15-20mm）（1.754）

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容和方法

依次按照以下步驟制造成本次試驗(yàn)所需的耐酸混凝土試塊，再進(jìn)行相關(guān)的性能試驗(yàn)。

（1）按配合比稱出石英石，砂子，聚丙烯纖維，水泥，減水劑，水玻璃的質(zhì)量，首先依次將15.00mm～20.00mm和0.04mm粒徑的石英石， 石英砂（10目～40目），F(xiàn)-1纖維（長28.00mm）倒入干燥的攪拌機(jī)中攪拌，然后再將混凝土粉和F-2纖維倒入進(jìn)行攪拌；

（2）將量取的水玻璃，F(xiàn)-3纖維依次倒入干燥的UJZ-15砂漿拌機(jī)中攪拌90秒，再放入減水劑攪拌制成水玻璃溶液；

（3）最后將水玻璃溶液倒入混凝土攪拌機(jī)中進(jìn)行攪拌120秒，制成混凝土集料，并將這些集料裝入試模中震搗并摸平，放入相對(duì)濕度60%，溫度25℃的養(yǎng)護(hù)室中24小時(shí)后拆模，然后將這些試塊放在養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)28天。本次試驗(yàn)需制成試塊150×150×300，100×100×100，100×100×400，70×70×210各若干個(gè)。

本次試驗(yàn)包括彎拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，彈性模量實(shí)驗(yàn)均按照水工混凝土試驗(yàn)DL/T5150-2001進(jìn)行。

采用應(yīng)變計(jì)測(cè)定彈性模量。常溫下的彈性模量測(cè)定時(shí)，直接在試件相對(duì)的側(cè)面表面各貼一個(gè)應(yīng)變片并連接到CM-2B靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，在電子萬能試驗(yàn)機(jī)下加壓。高溫下溫度為（60℃或85℃）的彈性模量測(cè)定，則是將試件放入恒溫箱中，以5℃/1 h的速率升溫到規(guī)定值，恒溫后，再取出用保溫材料包覆后進(jìn)行測(cè)定。

溫度應(yīng)變實(shí)驗(yàn)采用70mm×70 mm×210mm試件，在其表面上貼一應(yīng)變片并連接到應(yīng)變儀，然后放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，在恒溫水浴中用溫度為0℃的冰水混合物進(jìn)行溫度補(bǔ)償。試件以5℃/1h的速率升溫，從30℃開始進(jìn)行測(cè)定，一直測(cè)到105℃，再由105℃逐漸降溫，直到其起始溫度，每隔5℃采集應(yīng)變。升溫達(dá)到測(cè)試溫度時(shí)，恒溫30min。參照文獻(xiàn) [8] 計(jì)算線膨脹系數(shù)。

α=εm/Δθ。

εm——是混凝土試件的應(yīng)變值；Δ——試驗(yàn)終止溫度與初始溫度之差 ℃；

α——混凝土線膨脹系數(shù)，10-6/℃。

2.3強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與分析

耐酸混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如圖1和圖2所示，變形性能如圖3、圖4和圖5所示。

圖1，圖2所示分別為抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，可以看出在常溫條件下纖維耐酸混凝土的平均抗拉強(qiáng)度為4.7MPa，不摻纖維的耐酸混凝土平均抗拉強(qiáng)度為3.45MPa，纖維耐酸混凝土的抗壓強(qiáng)度比素耐酸混凝土的抗拉強(qiáng)度高26.6%；與此同時(shí)纖維耐酸混凝土的平均抗壓強(qiáng)度為23.4MPa，素耐酸混凝土的平均抗壓強(qiáng)度為26.53MPa，所以纖維耐酸混凝土的抗壓強(qiáng)度比耐酸混凝土的抗壓強(qiáng)度略微降低。

混凝土破壞主要開始于一些混凝土內(nèi)部存在的薄弱部位。而這些薄弱部位主要是一些由于混凝土硬化收縮所產(chǎn)生的不均勻收縮從而在混凝土內(nèi)部的粗骨料與黏結(jié)劑，粗骨料與粗骨料之間的界面上產(chǎn)生的微裂縫。隨著混凝土所受抗拉應(yīng)力的增加，這些微裂縫將慢慢的變寬變長，最終與其他發(fā)展的微裂縫相貫通而形成混凝土的可見裂縫。并且這些裂縫將隨著拉力的增加而逐漸發(fā)展變寬，直到混凝土被破壞為止[3]。當(dāng)在耐酸混凝土中加入聚丙烯纖維，纖維將跨越裂縫起到傳遞荷載的“橋接”作用，使微裂縫尖端應(yīng)力集中鈍化，約束裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展，還可以抑制新裂縫的產(chǎn)生，因此提高了混凝土的抗拉強(qiáng)度 [4]。

從理論上說在耐酸混凝土中加入少量的聚丙烯纖維可以提高耐酸混凝土的抗壓強(qiáng)度，但本實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果卻相反。這可能是由于在耐酸混凝土中加入了過量的粗細(xì)纖維。而這些纖維裹縛在粗細(xì)骨料的周圍從而減少了凝結(jié)劑的體積，從而降低了骨料與水泥界面的黏結(jié)強(qiáng)度，最終降低了混凝土的抗壓強(qiáng)度。

聚丙烯纖維水泥基材料混凝土抗壓強(qiáng)度雖然有一定的降低，但聚丙烯纖維的摻入?yún)s大大提高了基體的抗壓韌性[5]。從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以明顯看出這一特性的變化。在受壓時(shí)普通的基體破壞時(shí)有明顯的碎片和剝落現(xiàn)象，而聚丙烯纖維復(fù)合材料只出現(xiàn)一系列的細(xì)小裂縫且仍能保持較好的完整性。這是由于在裂縫處混凝土將所受的拉力轉(zhuǎn)移給了聚丙烯纖維而聚丙烯纖維具有較高的抗拉強(qiáng)度及變形能力從而阻止了裂縫的近一步擴(kuò)展。

2.4變形試驗(yàn)結(jié)果與分析

（1）圖3是耐酸混凝土在不同溫度條件下的彈性模量。從圖3中顯示隨著溫度的升高，混凝土的彈性模量（包括纖維耐酸混凝土，和素耐酸混凝土）逐漸降低且降低的幅度隨著溫度的升高而增大。耐酸混凝土由10℃到60℃降低7%，60℃到85℃降低7.7%，而纖維耐酸混凝土10℃到60℃降低4.6%，60℃到85℃降低5.5%。在相同溫度條件下素耐酸混凝土的彈性模量高于纖維耐酸混凝土的彈性模量。這主要由于混凝土的彈性模量與纖維的彈性模量相差懸殊，且聚丙烯纖維的彈性模量低于耐酸混凝土的彈性模量，所以二者的復(fù)合材料的彈性模量將降低[ 6，7]。

（2）耐酸混凝土最大的缺點(diǎn)是在高溫條件下由于不均勻變形引起的溫變裂縫。因此圖4，主要反映的兩種混凝土的溫度變形。由圖4知隨著溫度的升高纖維耐酸混凝土的應(yīng)變和素耐酸混凝土的應(yīng)變不斷的增大，直到溫度達(dá)到最高溫度105℃應(yīng)變也達(dá)到最高值，隨著溫度的降低應(yīng)變也隨之降低，分別在40℃-50℃和100℃-105℃升溫和降溫過程當(dāng)中應(yīng)變都有一個(gè)突變值。且降溫過程中的應(yīng)變始終大于升溫過程中的應(yīng)變，升溫與降溫過程在相同的試驗(yàn)條件下對(duì)應(yīng)的溫度應(yīng)變始終有一定的差值，升溫與降溫曲線始終不能重合，這說明耐酸混凝土的溫度應(yīng)變非完全彈性變形而是具有一定的塑性變形。

（3）從素耐酸混凝土和纖維耐酸混凝土的溫度應(yīng)變曲線對(duì)比來看，纖維耐酸混凝土在同一溫度下對(duì)應(yīng)的溫度應(yīng)變始終低于耐酸混凝土，即纖維耐酸混凝土的溫度應(yīng)變小于耐酸混凝土的溫度應(yīng)變。由于應(yīng)變的減小，因此也減小了由應(yīng)變?cè)谀退峄炷羶?nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力，所以增強(qiáng)了耐酸混凝土的抗裂性能，即減少了耐酸混凝土的溫變裂縫，增強(qiáng)了耐酸混凝土的耐熱性能。

（4）圖5是反映各不同溫度下纖維耐酸混凝土和耐酸混凝土的線膨脹系數(shù)，從圖中可知在相同條件下纖維耐酸混凝土的線膨脹系數(shù)始終低于耐酸混凝土的膨脹系數(shù)，并且纖維耐酸混凝土的平均線膨脹系數(shù)為1.42*10-6/℃，素酸混凝土的平均線膨脹系數(shù)為2.37*10-6/℃，減小了近50%，說明纖維耐酸混凝土的溫變性小于素酸混凝土，即具有更好的溫度穩(wěn)定性，減小了由于溫度膨脹發(fā)生的不均勻變形在混凝土內(nèi)部引起的溫度應(yīng)力，從而減少了裂縫產(chǎn)生和發(fā)展。

3 結(jié)論

文章通過三個(gè)實(shí)驗(yàn)研究了纖維耐酸混凝土的一些力學(xué)和變形性能，從比較中得出以下結(jié)論：

（1）加入聚丙烯纖維可以提高耐酸混凝土的抗拉強(qiáng)度。加入適量的聚丙烯纖維對(duì)于耐酸混凝土的抗壓性能影響不大，但加入聚丙烯纖維的體積過大則會(huì)降低耐酸混凝土的抗壓強(qiáng)度。

（2）加入聚丙烯纖維可降低耐酸混凝土的彈性模量，且使彈性模量隨著溫度的升高而降低，并且降低的幅度大于不加聚丙烯纖維的耐酸混凝土。

（3）在變溫情況下聚丙烯纖維可有效地抑制耐酸混凝土的溫度變形，使耐酸混凝土具有更加穩(wěn)定的溫變性能。

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作者簡介 姚春梅（1982-） 碩士研究生 E-mail：yaochunmei237@sohu.com