大摻量聚丙烯纖維對污水混凝土構筑物性能的影響研究

李慶蘭

（上海建工建材科技集團股份有限公司，上海 200086）

0 前言

混凝土由于塑性收縮、干縮等原因容易形成裂縫，極大降低了混凝土的抗?jié)B性，在污水侵蝕的惡劣條件下，裂縫的存在將使一些有害物質(zhì)進入到鋼筋混凝土內(nèi)部，與鋼筋發(fā)生化學反應[1]，易引起混凝土及內(nèi)部鋼筋的加速銹蝕。目前許多污水處理系統(tǒng)施工中，為了達到整體的設計效果，做到不滲、不漏、不裂的要求，常采用聚丙烯纖維提高混凝土的抗裂性能。

聚丙烯纖維是一種低彈模人工合成纖維，具有強度高、延性好、耐久性優(yōu)良和價格較低等特點，在混凝土制品領域中廣泛應用[2]。聚丙烯纖維具有疏水性，可防止其被水泥漿影響[3]。纖維可提高塑性混凝土的抗拉性能，顯著降低其塑性收縮微裂紋，可使混凝土獲得最佳的長期整體性[4]。雖然加入纖維可以有效提高混凝土的抗拉強度，改善其抗開裂、抗收縮性能，但對混凝土的流變性能卻可能有不利影響[5]。但當聚丙烯纖維摻量過多時，混凝土內(nèi)部容易出現(xiàn)結團的現(xiàn)象，并且由于纖維分布不均勻，導致孔隙率增大，內(nèi)部結構多空疏松，反而降低了混凝土的耐久性[6]。近些年聚丙烯纖維混凝土在污水處理廠的污水池常有應用，并達到了良好的效果[7]，目前聚丙烯纖維在混凝土中的摻量一般為0.9～1.2 kg/m3，但污水混凝土構筑物中使用的混凝土對抗裂性能要求嚴格，因此當不需要特別考慮聚丙烯纖維的成本問題時，可以研究更高纖維摻量對混凝土性能的影響。

本文針對污水混凝土構筑物，開展聚丙烯纖維摻量對混凝土拌合物性能、力學性能及耐久性能的影響試驗，以確定混凝土中聚丙烯纖維的最大摻量，可為同類聚丙烯纖維混凝土的設計提供參考和借鑒。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥：上海金山南方水泥有限公司的P·O42.5 水泥，細度（80 μm 篩篩余）3.8%，安定性合格，主要技術性能見表1；粉煤灰：太倉協(xié)鑫發(fā)電公司的F 類Ⅱ級粉煤灰，主要技術性能見表2；礦粉：上海寶田新型建材有限公司的S95 級礦渣微粉，主要技術性能見表3；砂：Ⅱ區(qū)中砂；石：5～25 mm 連續(xù)級配碎石；聚丙烯纖維：常州天怡工程纖維有限公司產(chǎn)，主要技術性能見表3；減水劑：上海麥斯特建工產(chǎn)聚羧酸減水劑，固含量17%，減水率27%。

表1 水泥的主要技術性能

表2 粉煤灰的主要技術性能

表3 礦粉的主要技術性能

表4 聚丙烯纖維的主要技術性能

1.2 試驗方法

按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》測試聚丙烯纖維混凝土的初始坍落度及坍落度經(jīng)時損失；按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》成型100 mm×100 mm×100 mm 立方體試塊，測試聚丙烯纖維混凝土的7、14、28 d 抗壓強度和28 d 抗折強度；按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》測試聚丙烯纖維混凝土的早期抗裂等級、28 d 干燥收縮值和28 d 氯離子遷移系數(shù)。

1.3 試驗方案

參考上海某污水廠現(xiàn)有C35 混凝土配合比，本試驗混凝土基準配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（礦粉）∶m（粉煤灰）∶m（砂）∶m（石）∶m（水）∶m（減水劑）=229∶55∶80∶728∶1092∶160∶2.184，測試不同聚丙烯纖維體積率（0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.6%、1.0%）時混凝土拌合物的和易性以及不同質(zhì)量摻量（0、1.2、1.6、2.0、2.5、2.8 kg/m3）時混凝土的拌合物性能、力學性能、收縮、早期抗裂性能和耐久性能，綜合分析聚丙烯纖維摻量對混凝土性能的影響，從而確定聚丙烯纖維在混凝土中的最大合理摻量。具體測試指標主要包括：坍落度、60 min 坍落度損失、凝結時間、早期抗裂性能、抗壓強度（7、14、28 d）、28 d 抗折強度、3 d自收縮、28 d 干燥收縮、28 d 氯離子遷移系數(shù)（RCM 法）。

2 試驗結果與分析

2.1 不同聚丙烯纖維體積率混凝土的拌合物性能

不同聚丙烯纖維體積率混凝土的初始坍落度見表5，拌合物狀態(tài)見圖1。

圖1 不同聚丙烯纖維體積率混凝土拌合物的狀態(tài)

表5 不同聚丙烯纖維體積率混凝土的拌合物性能

由表5 和圖1 可見，聚丙烯纖維體積率在0.3%以內(nèi)時，纖維不會出現(xiàn)結團，纖維混凝土具有良好的工作性能，纖維有效提高了混凝土的粘聚性和保水性，但減水劑摻量逐漸增加，坍落度也有所降低。聚丙烯纖維體積率為0.4%時，拌合物狀態(tài)相比更低摻量時略差，但拌合物總體粘聚性、均勻性尚可。聚丙烯纖維體積率為0.6%以上時，纖維在漿體里面結團，漿體無法有效包裹粗骨料，出現(xiàn)骨料外露現(xiàn)象，通過增加外加劑摻量也無法使纖維有效分散，且外加劑摻量過大時漿體出現(xiàn)泌水離析，混凝土成型后出現(xiàn)大量的孔洞等缺陷。因此，大摻量聚丙烯纖維的體積率應控制在0.3%以內(nèi)。

在體積率0.3%以內(nèi)，不同聚丙烯纖維摻量混凝土的初始坍落度、坍落度經(jīng)時損失等見表6。

表6 不同聚丙烯纖維摻量混凝土拌合物性能

由表6 可見：

（1）隨著聚丙烯纖維摻量的增加，在不改變單方用水量的條件下，混凝土達到相同坍落度（130～150 mm）所需的減水劑摻量有所增加。不摻纖維時，減水劑摻量為0.60%；當聚丙烯纖維摻量為1.2 kg/m3時，減水劑摻量增加至0.80%；當聚丙烯纖維摻量為2.5 kg/m3時，減水劑摻量增加至1.00%；當聚丙烯纖維摻量進一步增加至2.8 kg/m3時，減水劑用量增幅加大。從現(xiàn)場不同纖維摻量混凝土的拌合物性能來看，纖維摻量在2.5 kg/m3以下時，聚丙烯纖維能均勻分散在混凝土中，混凝土拌合物的粘聚性、保水性良好。當纖維摻量進一步增加至2.8 kg/m3時，混凝土拌合物出現(xiàn)纖維結團現(xiàn)象[8]，并伴隨少量的漿體裸露和泌漿現(xiàn)象。不同纖維摻量混凝土的60 min 坍落度相近，為50～60 mm，坍落度損失為85～100 mm，表明聚丙烯纖維摻量變化對混凝土的坍落度損失沒有顯著影響。

（2）與不摻纖維的混凝土相比，摻加聚丙烯纖維后，混凝土的凝結時間有所延長，初凝時間延長63～198 min，終凝時間延長112～250 min；但當聚丙烯纖維摻量為1.2～2.5 kg/m3時，纖維摻量對聚丙烯纖維混凝土初、終凝時間影響不大；當纖維摻量進一步增加至2.8 kg/m3時，混凝土凝結時間大幅延長，這與混凝土中減水劑的大幅增加相關，緩釋型外加劑的大摻量使用延長了混凝土凝結時間。

綜合各組混凝土拌合物的狀態(tài)、初始坍落度、60 min 坍落度損失及凝結時間，聚丙烯纖維摻量為2.5 kg/m3以下時，聚丙烯纖維不會對混凝土拌合物性能產(chǎn)生不利影響。

2.2 不同聚丙烯纖維摻量混凝的早期抗裂性能（見表7、圖2）

表7 不同聚丙烯纖維摻量混凝土的早期抗裂性能

由表7 和圖2 可見：不摻聚丙烯纖維時，早期抗裂試驗中混凝土開裂現(xiàn)象較為明顯，裂縫條數(shù)達到5 條，單位面積總開裂面積達494 mm2，抗裂等級僅為Ⅲ級；隨著纖維摻量的增加，混凝土塑性開裂現(xiàn)象減少，當纖維摻量為1.2 kg/m3時，單位面積總開裂面積為289 mm2，抗裂等級達到Ⅳ級；當纖維摻量增加到1.6 kg/m3時，單位面積總開裂面積為57 mm2，抗裂等級達到最高的Ⅴ級；當纖維摻量增加到2.0、2.5 kg/m3時，混凝土已無開裂現(xiàn)象；當纖維摻量增加到2.8 kg/m3時，混凝土中纖維易出現(xiàn)結團，纖維抑制開裂效應未得到充分發(fā)揮，混凝土反而又出現(xiàn)細微的開裂現(xiàn)象。

圖2 聚丙烯纖維混凝土早期抗裂性能試驗照片

從早期抗裂性能試驗結果來看，聚丙烯纖維摻量為2.0～2.5 kg/m3時，混凝土的抗塑性收縮開裂效果已經(jīng)達到最佳。

2.3 不同聚丙烯纖維摻量混凝的抗壓、抗折強度（見表8）

由表8 可見：

（1）摻加聚丙烯纖維會小幅降低混凝土的早期抗壓強度。聚丙烯纖維摻量為2.5 kg/m3以下時，混凝土的7 d 抗壓強度降低幅度為2.5%～10.1%，這可能是由于聚丙烯纖維的摻入延長了混凝土凝結時間。摻加聚丙烯纖維對混凝土的14 d、28 d抗壓強度無顯著影響，聚丙烯纖維摻量為1.2～2.5 kg/m3時，各組混凝土抗壓強度偏差在正常測試波動范圍內(nèi)。當聚丙烯纖維摻量增加到2.8 kg/m3時，混凝土的7 d、14 d、28 d 抗壓強度均出現(xiàn)明顯下降。一方面是由于減水劑摻量的增加變相提高了混凝土水膠比；另一方面，由于纖維摻量過多，混凝土拌合物中纖維易出現(xiàn)結團，硬化混凝土中引入缺陷增多，導致混凝土強度降低。本試驗中，C35 混凝土中聚丙烯纖維摻量在2.5 kg/m3以下時，聚丙烯纖維對混凝土的抗壓強度無顯著影響，28 d 抗壓強度測試值均滿足設計強度等級要求。

（2）當聚丙烯纖維摻量為1.2～2.5 kg/m3時，混凝土的抗折強度與基準組相比無顯著變化，且不同纖維摻量的聚丙烯纖維混凝土抗折強度相近。這主要是由于合成類細纖維不具備增韌作用，對混凝土抗折強度的影響較小。當聚丙烯纖維摻量為2.8 kg/m3時，混凝土的28 d 抗折強度出現(xiàn)顯著下降，從抗折強度的角度，混凝土中聚丙烯纖維摻量不宜超過2.5 kg/m3。

2.4 不同聚丙烯纖維摻量混凝的收縮性能

不同聚丙烯纖維摻量混凝土的自收縮和干縮見表9。

表9 不同聚丙烯纖維摻量混凝土的自收縮和干縮

由表9 可見：

（1）未摻聚丙烯纖維的C35 混凝土本身自收縮不大，3 d 自收縮僅為48×10-6；摻加1.2～2.0 kg/m3聚丙烯纖維后，3 d 自收縮減小至30×10-6左右；纖維摻量為2.5 kg/m3時，3 d 自收縮最低，僅為23×10-6；纖維摻量進一步增加至2.8 kg/m3時，3 d 自收縮與基準混凝土相近，聚丙烯纖維未起到減小自收縮的作用。

（2）未摻聚丙烯纖維的C35 混凝土28 d 干縮為376×10-6，摻加1.2～2.5 kg/m3聚丙烯纖維后，28 d 干縮有所降低，降幅為5.3%～20.7%，其中以纖維摻量為2.5 kg/m3時降低干縮的效果最好。當聚丙烯纖維摻為2.8 kg/m3時，3 d 干縮與基準混凝土相近，纖維未起到降低干縮作用，這可能與纖維摻量過大，纖維分散不均勻有較大關系。

綜合來看，摻加聚丙烯纖維起到了一定的抑制收縮作用，但對于C35 混凝土來說，混凝土本身的收縮尤其是自收縮并不大，纖維對收縮的改善效果總體并不明顯。本試驗中，以聚丙烯纖維摻量為2.5 kg/m3時，混凝土的收縮最小。

2.5 不同聚丙烯纖維摻量混凝土的氯離子遷移系數(shù)（見表10）

表10 不同聚丙烯纖維摻量混凝土的氯離子遷移系數(shù)

由表10 可見：聚丙烯纖維摻量為1.2～2.5 kg/m3時，混凝土的28 d 氯離子遷移系數(shù)與基準組相比略有增大，但總體影響不大。當聚丙烯纖維摻量為2.0、2.5 kg/m3時，混凝土的28 d氯離子遷移系數(shù)較摻量為1.2、1.6 kg/m3的混凝土小。當纖維摻量為2.8 kg/m3時，混凝土的28 d 氯離子遷移系數(shù)大幅增加，混凝土的耐久性下降。

綜合不同摻量聚丙烯纖維混凝土的各項性能可知，摻加1.2 kg/m3聚丙烯纖維，混凝土的早期抗裂性能即得到大幅改善；當纖維摻量達到2.0～2.5 kg/m3時，早期抗裂試驗中無開裂現(xiàn)象；繼續(xù)增加纖維摻量至2.8 kg/m3時，混凝土的拌合物性能、力學性能和耐久性能指顯著下降，性能劣化。因此，對于高抗裂要求的污水混凝土構筑物需要提高聚丙烯纖維的摻量時，其最大摻量不宜超過2.5 kg/m3。

3 結論

（1）混凝土中聚丙烯細纖維的體積率宜控制在0.3%以下，纖維體積率超過0.3%時，纖維在漿體中結團，漿體無法有效包裹粗骨料的現(xiàn)象，通過增加外加劑摻量也無法使纖維有效分散，且外加劑摻量過大時漿體出現(xiàn)泌水離析，混凝土成型后會出現(xiàn)大量的孔洞等缺陷。

（2）當聚丙烯纖維體積率在0.3%以內(nèi)、用水量相同時，混凝土達到相同坍落度所需的減水劑摻量隨著聚丙烯纖維摻量的增加而增加，混凝土凝結時間由于減水劑摻量的增加而延長。當聚丙烯纖維摻量在2.5 kg/m3以下時，纖維分散均勻，混凝土拌合物性能良好。若將纖維摻量進一步提高到2.8 kg/m3，混凝土拌合物會出現(xiàn)纖維結團現(xiàn)象。

（3）混凝土中摻加1.2～2.5 kg/m3聚丙烯纖維時，可有效降低混凝土的自收縮和干縮，混凝土的力學性能基本未下降，抗氯離子滲透性能也僅出現(xiàn)小幅下降。當聚丙烯纖維摻量達到2.8 kg/m3時，纖維開始出現(xiàn)團聚，混凝土的各項性能均出現(xiàn)明顯降低。

（4）對于有極高抗裂要求的污水混凝土構筑物需要提高聚丙烯纖維的摻量時，混凝土中聚丙烯纖維的最大摻量不宜超過2.5 kg/m3。