摻聚烯烴粗纖維混凝土性能研究

秦鴻根，胡 勇，張 萍，吳蘊(yùn)驍，袁繼剛

（東南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇省土木工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211189）

混凝土是當(dāng)今世界用量最大、用途最廣的工程材料之一，隨社會(huì)對(duì)混凝土的要求不斷提高，混凝土正朝著高強(qiáng)度、高性能和多功能的方向發(fā)展[1]，要求混凝土要具有很好的彎曲韌性和抗裂能力，纖維增強(qiáng)混凝土（FRC）是提高混凝土抗裂性和韌性的有效方法.目前國內(nèi)外研究比較多、用量比較大且效果比較好的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，主要有鋼纖維、聚丙烯、碳纖維、抗堿玻璃纖維以及混雜纖維等增強(qiáng)的混凝土.

聚烯烴纖維（polyolefin fiber）由烯烴聚合成的線型大分子構(gòu)成的合成纖維，烯烴是一種由至少85%的乙烯、丙烯或其他烯烴類單體組成的高分子長鏈合成聚合物的人造纖維.烯烴纖維具有光滑表面的棒狀結(jié)構(gòu)，具有耐化學(xué)腐蝕、強(qiáng)度高、加工性好、質(zhì)輕、蠕變收縮小、價(jià)格低廉和在低摻量下對(duì)混凝土的抗裂、增韌效果顯著等優(yōu)良的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能，因而在建筑工程中得到越來越廣泛的應(yīng)用.常用的聚丙烯纖維有粗纖維與細(xì)纖維.粗纖維主要成分是經(jīng)改性的聚丙烯或丙烯與烯的共聚物，均為單絲狀，為使粗纖維與水泥砂漿有較高的粘結(jié)強(qiáng)度，在纖維制造過程中采取表面糙化、截面成異形等措施；一般纖維直徑大于0.1mm，長度大于30mm，斷裂強(qiáng)度不低于500MPa，初始彈性模量不低于6GPa，斷裂伸長不大于15%，其硬挺性好，可均勻分散于混凝土中，摻量可達(dá)10 kg/m3.而細(xì)纖維主要成分是等規(guī)聚丙烯，一般纖維直徑不大于0.06mm，長度不大于20mm，斷裂強(qiáng)度不低于270MPa，初始彈性模量于不低于3 GPa，斷裂伸長率不大于20%；細(xì)纖維因表面經(jīng)處理也可在混凝土中均勻分散，但摻量大于1 kg/m3時(shí)分散性明顯下降[2-3].鋼纖維混凝土（SFRC）是以較細(xì)骨料混凝土為基體，均勻摻入短而細(xì)的鋼纖維而形成的復(fù)合材料.與普通混凝土相比，其抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、耐磨、耐沖擊、耐疲勞、韌性、抗裂和抗爆等性能都得到很大提高[4].

為了比較摻聚烯烴粗纖維對(duì)混凝土的增韌、抗沖擊和阻裂效果，本文研究了不同摻量的聚烯烴粗纖維混凝土靜動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和變形性能，并與普通混凝土和鋼纖維混凝土進(jìn)行比較.

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥，采用PⅡ52.5水泥，比表面積為382m2/kg，初凝178m in，終凝231m in，堿含量為0.46%，氯離子含量為0.02%，28 d抗折強(qiáng)度9.6MPa，28 d抗壓強(qiáng)度60.7MPa.

粉煤灰，南京華潤電廠I級(jí)粉煤灰，細(xì)度12%，燒適量3.0%.

砂，細(xì)度模數(shù)為2.34，表觀密度2 710 kg/m3，堆積密度1 580 kg/m3，含泥量1.5%.

石子，石灰?guī)r碎石，5～20mm連續(xù)級(jí)配，表觀密度2 710 kg/m3，堆積密度1 610 kg/m3，壓碎指標(biāo)值12%，含泥量0.4%.

聚烯烴纖維（RL），采用上海羅洋新材料科技有限公司生產(chǎn)的羅拉纖維，是一種以聚烯烴為基材的合成的復(fù)合纖維；取名羅拉纖維（RL），形狀為波浪形，星形橫截面，長度為47mm，等效直徑為0.80mm，長徑比為58，密度為0.93 g/cm3，抗拉強(qiáng)度293 MPa，彈性模量為7 GPa，彎曲20次不斷，熔點(diǎn)為159～179℃，燃點(diǎn) 450℃.

鋼纖維（SF），采用端鉤型鋼絲鋼纖維，長度為30mm，等效直徑為0.50mm，長徑比為60，密度為7.85 g/cm3，抗拉強(qiáng)度1 378MPa，彎曲3次不斷.

外加劑，江蘇博特股份有限公司生產(chǎn)的聚羧酸類高性能外加劑PCAI-1，減水率達(dá)35%.

1.2 試驗(yàn)方法

纖維混凝土工作性，依據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GBT 50080-2002）評(píng)定混凝土的工作性；力學(xué)性能依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2002）測(cè)定；彎曲韌性和初裂強(qiáng)度依據(jù)《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（JGJ/T 221-2010）進(jìn)行纖維混凝土彎曲韌性和初裂強(qiáng)度試驗(yàn)；動(dòng)彈性模量，混凝土試件的長側(cè)面，沿對(duì)角線在對(duì)應(yīng)位置取點(diǎn)，通過超聲儀測(cè)量超聲波在混凝土中傳播的聲時(shí)值，再通過試件長度尺寸，計(jì)算傳播速度，按文獻(xiàn)[5]的計(jì)算方法，測(cè)定混凝土動(dòng)彈性模量.

混凝土耐撞磨試驗(yàn)，按照文獻(xiàn)[6]的方法： 100mm×100試件，標(biāo)養(yǎng)28 d，防于烘箱中烘24 h，稱量纖維混凝土的烘干質(zhì)量0，選用100顆直徑15～18mm鋼球，在撞磨試驗(yàn)機(jī)中以37轉(zhuǎn)/m in的轉(zhuǎn)速撞磨，轉(zhuǎn)動(dòng)250轉(zhuǎn)，稱量250轉(zhuǎn)時(shí)的質(zhì)量1，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)到500轉(zhuǎn)，稱量500轉(zhuǎn)時(shí)的質(zhì)量2.試驗(yàn)結(jié)果以轉(zhuǎn)動(dòng)250轉(zhuǎn)、500轉(zhuǎn)的質(zhì)量損失率評(píng)定.

干燥收縮試驗(yàn)，將豎直放置固定鋼架上，下面是剛性鋼板，上面是千分表，利用千分表讀數(shù)變化記錄收縮長度；抗沖擊性能參照ACI544推薦方法進(jìn)行，試件尺寸為150mm×150mm×60mm.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 纖維混凝土配合比與工作性

纖維混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C45，坍落度150～170 mm.根據(jù)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度和膠凝材料的強(qiáng)度確定水膠比，根據(jù)工作性和外加劑的減水率確定用水量，為了比較不同聚烯烴纖維的摻入對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，采用了相同的砂率，設(shè)計(jì)出混凝土試驗(yàn)配合比.摻15%I級(jí)粉煤灰，用水量為149 kg/m3，水膠比為0.35，砂率為42%，鋼纖維體積摻量為0.45%，聚烯烴粗纖維體積摻量為0.32%、0.64%和0.96%，并與不摻纖維組進(jìn)行對(duì)比，并測(cè)試新拌混凝土工作性能.配合比新拌性能如表1所示.

水試驗(yàn)表明，在聚烯烴粗纖維體積摻量0.32%～1%范圍內(nèi)，纖維分散性均良好，聚烯烴纖維混凝土的流動(dòng)性與同體積摻量的鋼纖維混凝土相近，均小于普通混凝土.隨著纖維摻量增加，坍落度減小.這是由于增加了大量不易流動(dòng)的纖維，其表面與漿體、骨料接觸，增加了內(nèi)摩擦力降低工作性.

2.2 纖維混凝土力學(xué)性能

2.2.1 基本力學(xué)性能（抗壓、抗彎、劈裂抗拉強(qiáng)度）

按表1的配合比配制5組混凝土，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，測(cè)試?yán)w維混凝土力學(xué)性能，試驗(yàn)結(jié)果列于表2中.

表1 纖維混凝土試驗(yàn)配合比Tab.1 M ixing proportionsof FRC

表2 纖維混凝土的基本力學(xué)性能Tab.2 The principalmechanicalpropertiesof FRC

試驗(yàn)結(jié)果表明，CF45纖維混凝土28 d抗壓強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度最大，聚烯烴纖維混凝土抗壓強(qiáng)度會(huì)有所降低，降低率小于5%；體積摻量為0.45%的鋼纖維混凝土的初裂抗彎強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度與普通混凝土相近，而體積摻量為0.32%～1%的聚烯烴纖維混凝土的的初裂抗彎強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度比鋼纖維混凝土和普通混凝土有所降低，但隨著聚烯烴纖維摻量的提高，其劈裂抗拉強(qiáng)度有所提高.由于鋼纖維體積摻量較低，故增強(qiáng)效果不明顯；由于聚烯烴纖維彈性模量低，故即使增加其摻量均不能提高其力學(xué)強(qiáng)度.

2.2.2 動(dòng)彈性模量

混凝土自身密度和泊松比對(duì)其彈性模量測(cè)定值產(chǎn)生的影響較小，而超聲波波速對(duì)其影響最大[5]，計(jì)算公式為：

實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于圖1中.從圖1中可以看出，各組混凝土的動(dòng)彈性模量均隨齡期增大而增長，在最初幾天增長最快，并逐漸變慢.這是因?yàn)殡S著齡期延長，水泥水化程度加深，孔隙率減少，致密度增加，因而彈性模量增大，而最初幾天水泥水化速度最快，此后逐漸變慢.與普通混凝相比，由于聚烯烴纖維本身的彈性模量低，密度小，因此聚丙烯纖維的摻入使得混凝土動(dòng)彈性模量減小.

圖1 纖維混凝土動(dòng)彈性模量Fig.1 of FRC

2.2.3 彎曲韌性

按表1配合比成型5組試件，標(biāo)養(yǎng)28 d，測(cè)試?yán)w維混凝土的彎曲韌性，用5表示跨中撓度為3.0 時(shí)的彎曲韌性指數(shù)，10表示跨中撓度為5.5 時(shí)的彎曲韌性指數(shù)，20表示跨中撓度為10.5 時(shí)的彎曲韌性指數(shù).其試驗(yàn)結(jié)果列于表3中.

試驗(yàn)結(jié)果表明，普通混凝土在抗彎時(shí)呈現(xiàn)剛性狀態(tài)，聚烯烴纖維混凝土和鋼纖維混凝土能有效提高混凝土彎曲韌性；鋼纖維混凝土在撓度較小時(shí)的韌性很好，裂后承載能力較高，而當(dāng)撓度較大時(shí)，韌性指數(shù)增加不大，混凝土的承載能力變低；聚烯烴纖維混凝土在一定摻量范圍內(nèi)，韌性隨摻量增加而提高，撓度增大時(shí)，韌性指數(shù)仍有較大提高，聚烯烴纖維混凝土在撓度較大時(shí)仍有較好承載能力.

表3 纖維混凝土的彎曲韌性Tab.3 The flexural toughnessof FRC

2.2.4 抗沖擊試驗(yàn)和耐撞磨實(shí)驗(yàn)

按表2配合比成型5組試件，標(biāo)養(yǎng)28 d，進(jìn)行纖維混凝土抗沖擊試驗(yàn)和耐撞磨實(shí)驗(yàn)，結(jié)果列于表4中.

試驗(yàn)結(jié)果表明，纖維混凝土的耐沖擊性能明顯優(yōu)于普通混凝土，聚烯烴纖維混凝土比同體積摻量的鋼纖維混凝土抗沖擊性能好，隨聚烯烴摻量的提高，抗沖擊性能提高，但體積摻量過高時(shí)又有降低的趨勢(shì).聚烯烴粗纖維混凝土和鋼纖維混凝土能有效提高混凝土抗撞磨性能，隨著聚烯烴纖維摻量的提高，其混凝土抗撞磨性能明顯改善.

硬化后的混凝土基體握裹高強(qiáng)纖維粘聯(lián)成為致密的亂向分布的網(wǎng)狀增強(qiáng)系統(tǒng)，提高了混凝土的抗沖擊能力，纖維與水泥基材緊密結(jié)合在一起，極大的保持了混凝土的整體強(qiáng)度.混凝土受到?jīng)_擊時(shí)纖維吸收了大量的能量，從而有效的減少了集中應(yīng)力的作用，提高了混凝土的沖擊韌性.

2.3 變形性能

收縮試驗(yàn)。按表1配合比成型5組試件，進(jìn)行收縮試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果列于圖2中.可以看出，鋼纖維混凝土收縮率比普通混凝土略低，低摻量聚烯烴纖維（0.32%）混凝土的收縮率比普通混凝土低，隨摻量的提高（0.64%～1%），收縮率增大，高于普通混凝土.

表4 纖維混凝土抗沖擊與耐撞磨性能Tab.4 The performance of FRC to resistimpactand abrasion

圖2 纖維混凝土的收縮率Fig.2 The Shrinkage Rateof FRC

3 結(jié)論

1）在0.32%～1%的摻量下，聚烯烴粗纖維的分散性良好；配合比相同時(shí)，摻聚烯烴粗纖維混凝土流動(dòng)性小于普通混凝土，與同體積摻量鋼纖維混凝土相近；隨著纖維摻量增加，坍落度減小.

2）聚烯烴粗纖維混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量均稍低于普通混凝土，即使增加聚烯烴纖維的摻量也不能提高其力學(xué)性能.

3）摻聚烯烴粗纖維可顯著改善混凝土的彎曲韌性、抗沖擊性和耐撞磨性能，隨摻量的增大其改善程度提高，其效果甚至優(yōu)于同體積摻量的鋼纖維混凝土.

4）摻聚烯烴粗纖維對(duì)混凝土的干燥收縮有不同影響，低摻量時(shí)有改善作用，隨摻量提高反而有負(fù)面影響，使得收縮大于鋼纖維混凝土和普通混凝土；摻聚烯烴粗纖維對(duì)混凝土的塑性收縮有一定的抑制作用，但遠(yuǎn)不及同體積摻量的鋼纖維.

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