纖維分布對聚合物水泥混凝土力學(xué)性能的影響

摘要 混凝土作為主要建筑材料之一，具有良好的抗壓強(qiáng)度，同時(shí)具有低抗拉強(qiáng)度和低抗裂強(qiáng)度等缺陷，而混凝土的脆性使其不易受沖擊。通過不同體積摻量（0.1%、0.2%和0.3%）的三組玄武巖纖維加強(qiáng)和修改混凝土，研究了不同體積摻量對抗壓強(qiáng)度、增韌阻裂效果、纖維接觸率的影響。結(jié)果表明：0.2%體積摻量最佳，此時(shí)纖維接觸率達(dá)到61.0%，增韌阻裂效果較好，抗壓強(qiáng)度為50.10 MPa。

關(guān)鍵詞 纖維分布;聚合物水泥混凝土;力學(xué)性能;影響分析

中圖分類號 TU528.572 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）09-0127-03

引言

混凝土是世界上最常用的建筑材料，缺陷是耐久性低、抗拉強(qiáng)度低。為了優(yōu)化傳統(tǒng)混凝土的性能，可向其中添加纖維等，常見的纖維有石棉、鋼、玻璃、碳纖維和聚丙烯等，其中玄武巖纖維的性能較好、價(jià)格相對較低，玄武巖纖維在高溫下拉伸性能好，還具有良好的延性和耐蝕性。玄武巖纖維與水泥的混合物有較好的力學(xué)性能，在加固、抗裂和抗裂方面發(fā)揮作用，但不同體積摻量下的混合物的力學(xué)性能有較大差異。

1 聚合物水泥混凝土的相關(guān)概述

1.1 聚合物種類

（1）水聚合物。目前最常用的水聚合物包括丙烯酸酯、聚丙烯酸酯（PAM）、聚乙烯醇（PVA）、苯胺、甲基纖維素、羥基化纖維素等。水性聚合物可提高混凝土的防水性能和粘度，以達(dá)到提高純結(jié)構(gòu)、混凝土修補(bǔ)技術(shù)和防水混凝土相容性的目的。

（2）聚合物乳液。目前最常用的有高分子乳液、非乳化聚合物乳液等。高分子乳液是水泥混凝土最常用的聚合物形式，主要用于提高水泥制品的工藝性、干燥性、強(qiáng)度和耐久性。[1]聚合物乳液需滿足以下要求：一是聚合物分散對水泥地面產(chǎn)生的陽離子具有化學(xué)穩(wěn)定性，對共混物產(chǎn)生的剪切應(yīng)力具有機(jī)械穩(wěn)定性;二是聚合物分散體中的乳化劑不能防止水泥的潤濕和凝結(jié)。但在常用的聚合物乳液中有許多未命名的陰離子或乳化劑，導(dǎo)致聚合物乳液的一些缺陷。非乳化聚合物乳液，即無皂乳液，固相長度低、穩(wěn)定性低，目前水泥混凝土改性的應(yīng)用受到限制[2]。

（3）反應(yīng)性聚合物。反應(yīng)性聚合物可以根據(jù)不同的機(jī)理分為兩種類型。一種是COOH等組在分子中與水泥水合過程中產(chǎn)生的Ca（OH）2反應(yīng)，進(jìn)一步提高了混凝土的強(qiáng)度和抗?jié)B性能;另一種是將雙組分聚合物摻入混凝土后，聚合物的兩個(gè)組分相互反應(yīng)并凝固。因此，在國外被稱為反應(yīng)性聚合物（RPM），這種聚合物在與混凝土混合后會有化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)性聚合物混凝土（RPMC）可用于快速堵塞技術(shù)以及防水防滲技術(shù)。當(dāng)前環(huán)氧樹脂和不飽和聚酯樹脂常被用作反應(yīng)性聚合物。

1.2 聚合物混凝土的分類

聚合物混凝土所采用的聚合物材料，一般多是由小分子單體通過聚合反應(yīng)形成化學(xué)鏈連接成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的力學(xué)和化學(xué)性能。按其組成和制作工藝分為三種類型：聚合物水泥混凝土、聚合物浸漬混凝土和聚合物粘結(jié)混凝土。聚合物水泥混凝土是一種改性水泥混凝土材料，通過添加聚合物作為無機(jī)粘結(jié)劑的改性劑，與某些骨料混合、固化和聚合而形成。聚合物浸漬混凝土旨在固化和干燥傳統(tǒng)水泥混凝土，將混凝土浸泡在有機(jī)單體中，使聚合物單體能夠穿透混凝土腔，通過加熱或輻射進(jìn)行聚合，形成聚合物復(fù)合材料，用聚合物進(jìn)行改性。[3]聚合物粘結(jié)混凝土，簡稱聚合物混凝土，是聚合物骨料和粘結(jié)劑混合固化后產(chǎn)生的一種高性能材料。與前兩者相比，混凝土性能主要通過改性提高。聚合物結(jié)合混凝土將聚合物作為水泥材料直接與骨料結(jié)合，從根本上改變了混凝土的力學(xué)性能。

1.3 聚合物混凝土的特點(diǎn)

聚合物混凝土的耐久性非常突出，其中的堿金屬離子被硅酸鹽礦物粉末完全吸收，大量硅酸鹽礦物粉末被保留在地質(zhì)聚合物中，直到粉末被完全耗凈，整個(gè)過程持續(xù)時(shí)間較長，大大地削弱了堿性聚集體的反應(yīng)。生產(chǎn)聚合物混凝土的過程中使用的材料和能源較少，基本無二氧化碳排放，具有污染少、能耗低和杰出的力學(xué)性能等特點(diǎn)，1 d齡期的普通聚合物強(qiáng)度約有20～30 MPa，28 d齡期強(qiáng)度約能達(dá)到40～60 MPa[4]。

1.4 改性機(jī)理

聚合物均勻分布在混凝土中，形成水泥水合物產(chǎn)品交叉浸漬網(wǎng)，分散和傳遞應(yīng)力，防止或減緩裂縫的傳播。同時(shí)，聚合物還可以改善水泥顆粒的界面結(jié)構(gòu)和性能，提高了構(gòu)件間的一致性、過渡區(qū)的強(qiáng)度和材料性能。[5]高分子量六氯丁二烯和水泥水合物具有不連續(xù)的網(wǎng)狀膜，使得聚合物混凝土的強(qiáng)度和耐久性得到了極大提高。在含1%鹽酸的腐蝕樣品中檢測到聚合物改性塑料的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)界面過渡區(qū)聚合物形成良好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)和材料的粘結(jié)性能。同時(shí)，添加聚合物可改善混凝土的收縮結(jié)構(gòu)，除了降低總體積外，還可顯著改善孔的分布。硅油和苯乙烯被證明是兩種不同的聚合物乳液，可增強(qiáng)吸力，減少毛細(xì)管收縮（100～

1 000 nm）并增加位移（10～100 nm）。此外，某些聚合物可能會與水性產(chǎn)品或金屬離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成特殊的結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)材料之間的一致性。聚合物的作用可以分為物理和化學(xué)作用。物理作用主要包括將聚合物和水泥產(chǎn)品進(jìn)入到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，過渡區(qū)和孔結(jié)構(gòu)得到改善;化學(xué)作用主要包括聚合物水合物產(chǎn)品與水泥或金屬離子反應(yīng)產(chǎn)生的橋梁效應(yīng)，提高了混凝土的防水性和一致性[6]。

2 聚合物混凝土存在的問題

聚合物混凝土比普通水泥有許多優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些問題。

（1）成本較高：原材料的價(jià)格和復(fù)雜的生產(chǎn)工藝，影響了聚合物的價(jià)格，聚合物的價(jià)格遠(yuǎn)高于普通混凝土和聚合物[7]。

（2）聚乙酮的長期性能不足，但尚缺少數(shù)據(jù)可用于表明聚乙酮的使用壽命。

（3）對聚合物改性機(jī)理的系統(tǒng)研究還不夠：目前世界上存在多種聚合物改性機(jī)理模型。有三種常用模型：Ohama模型、圓錐模型和Putermana模型，但這三種模型并不理想。

（4）聚合物中存在的大多數(shù)聚合物都是有氣味和有毒的，在生產(chǎn)和使用過程中會引起惡心和頭暈。

3 試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)原材料

（1）水泥：P·O42.5級。（2）粗集料：（5～10）mm碎石。（3）細(xì)集料：機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)為2.4～2.8，粉質(zhì)含量為0.9%。（4）聚合物：羧基苯乙烯—丁二烯乳液（固體含量51%）。（5）纖維：玄武巖纖維。

3.2 試驗(yàn)配合比

具體實(shí)驗(yàn)配合比見表1。

3.3 試驗(yàn)方法

（1）壓力和彎曲試驗(yàn)：《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2019）規(guī)定了抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)步驟，采用150 mm×150 mm×150 mm 標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

（2）《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（CECS13：2009）中規(guī)定，首次撕裂試驗(yàn)側(cè)為初次破裂沖擊側(cè)N1;注意，當(dāng)試樣接觸沖擊架四個(gè)葉片中的三個(gè)葉片時(shí)的沖擊時(shí)間，這四個(gè)葉片是失效時(shí)間N2。下面給出了計(jì)算混凝土抗裂效果能耗的公式：

W1=N1mgh （1）

W2=N2mgh （2）

式中，W1和W2——初始開裂和沖擊破壞的能耗（J）;N1、N2——樣品初始裂紋和破壞性沖擊的數(shù)量;m——沖擊錘的質(zhì)量（kg）;g——重力加速度，為9.81 m/s2;h——沖擊錘下落高度，取值500 mm。

（3）板裂縫性能試驗(yàn)：《普通混凝土長期性能和耐久性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》（GB/T 50082—2009）中規(guī)定，采用800 mm×600 mm×100 mm板和7個(gè)裂縫驅(qū)動裝置的形式;此外，樣品表面中心的風(fēng)速不得低于0.5 m/s。試驗(yàn)后記錄裂紋寬度和長度，按《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》 （CECS38：2004）中公式計(jì)算裂紋降低系數(shù)?，并根據(jù)表2評定其抗裂性。

4 纖維分布、接觸與力學(xué)行為的響應(yīng)關(guān)系

圖1為不同體積摻量下的效率指數(shù)，圖2為BF體積摻量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。結(jié)合圖1、圖2可知：

（1）相比于0.2%、0.3%體積摻量，當(dāng)BF體積摻量為0.1%時(shí)，ei，z最小，為0.29，說明0.1%體積摻量下，纖維近似與Z軸正交的概率最大，纖維分布方向近似與裂縫發(fā)展方向正交;ei，x、ei，y分別為0.61、0.56，纖維與X、Y軸正交或平行的規(guī)律不突出，纖維接觸率僅為18.0%，此時(shí)BFRPC1的抗壓強(qiáng)度為43.33 MPa，相比普通混凝土提高了9.89%，增幅不大，纖維的增韌阻裂作用有限。

（2）相比于0.1%、0.3%體積摻量，當(dāng)BF體積摻量為0.2%時(shí)，ei，y最大，為0.66，說明0.2%體積摻量下，纖維近似平行于Y軸的情況最好;ei，z為0.31，纖維與Z軸正交的概率較大;ei，x為0.55，纖維與X軸正交或平行的規(guī)律不突出。試件的裂縫多為豎向裂縫或斜向裂縫，纖維與Y軸行或者與Z軸正交時(shí)，均相當(dāng)于與裂縫發(fā)展方向正交，可以阻止小裂縫的串通及大裂縫的產(chǎn)生，此時(shí)BFRPC2的纖維接觸率達(dá)到61.0%，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值50.10 MPa，相比普通混凝土提高了27.06%，增幅較大，纖維的增韌阻裂效果較好。

（3）相比于0.1%、0.2%體積摻量，當(dāng)BF體積量為0.3%時(shí)，ei，x、ei，y、ei，z分別為0.63、0.52、0.41，纖維與X、Y、Z軸正交或平行的規(guī)律均不突出。此時(shí)BFRPC3的纖維接觸率為82.9%，BFRPC3的抗壓強(qiáng)度為46.52 MPa，相比于BFRPC2的抗壓強(qiáng)度降低了7.15%，纖維的增韌阻裂效果好[8]。

5 玄武巖纖維增強(qiáng)聚合物混凝土性能的機(jī)理作用分析

玄武巖纖維與聚合物基體在界面上緊密關(guān)聯(lián)，聚合物中隨機(jī)分布的玄武巖纖維阻礙了裂縫的產(chǎn)生和傳播，使得能量被有效地吸收和消耗，進(jìn)而提高了聚合物的抗裂性。[9]而且，玄武巖纖維原材料本身具有高抗拉強(qiáng)度和低拉伸率的優(yōu)點(diǎn)，在截面上仍能承受抗拉強(qiáng)度。除玄武巖纖維被拉斷或從基體中拔出外，嵌入在地質(zhì)聚合物基體中的纖維持續(xù)保有一定的拉伸應(yīng)力，使得聚合物力學(xué)性能得到了提高，尤其是抗彎強(qiáng)度提高明顯。粗面玄武巖纖維具有較明顯的增強(qiáng)作用。玄武巖纖維在聚合物基體中混合時(shí)，玄武巖纖維在三維聚合物基體中隨機(jī)分布，玄武巖纖維在應(yīng)力轉(zhuǎn)移和收縮中發(fā)揮作用。同時(shí)，隨機(jī)分布的玄武巖纖維在一定程度上堵塞聚合物孔隙，從而減少聚合物基體中的水分流失，增加水遷移難度，從而減少聚合物的干燥收縮。[10]但是纖維摻量過多時(shí)，接觸點(diǎn)的增多對抗壓強(qiáng)度不利，纖維接觸率大，纖維與混凝土基體的接觸面積減小，纖維容易結(jié)團(tuán)，導(dǎo)致部分纖維與混凝土基體之間的黏結(jié)性能降低，混凝土內(nèi)部缺陷增多，力學(xué)性能隨之下降。

6 結(jié)束語

通過玄武巖纖維混凝土在三種不同體積摻量下的試驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

（1）玄武巖纖維混凝土的動態(tài)沖擊強(qiáng)度比光滑混凝土高。

（2）添加玄武巖纖維提高了混凝土的抗拉強(qiáng)度和耐蝕性。

（3）玄武巖纖維混凝土的力學(xué)性能與纖維含量密切相關(guān)。盡管在高分子改性混凝土有關(guān)的機(jī)制方面取得了一定的進(jìn)展，但關(guān)于聚合物參與水泥水解過程和影響混凝土的聚合物模型的研究很少，對是否涉及與混凝土的復(fù)雜組成和水解過程，將進(jìn)一步進(jìn)行研究。

參考文獻(xiàn)

[1]趙繼忠， 史玉良， 李鑫磊， 等. 纖維分布對聚合物水泥混凝土力學(xué)性能的影響研究[J]. 混凝土與水泥制品， 2019（11）： 55-58+72.

[2]張鴻浩， 李家東， 桂紅光， 等. 聚合物膠粉和玄武巖纖維改性混凝土力學(xué)及抗裂性能研究[J]. 混凝土與水泥制品， 2019（9）： 63-67.

[3]華先樂， 王鑫鵬， 胡曉霞， 等. 聚合物水泥混凝土的研究和應(yīng)用進(jìn)展[J]. 青島理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2019（5）： 133-140.

[4]鄭腰華. 聚合物機(jī)制砂水泥混凝土力學(xué)性能的研究[J]. 鐵道建筑技術(shù)， 2019（9）： 12-16.

[5]甄天宇. 基于兩參數(shù)威布爾分布的鋼纖維聚合物水泥混凝土疲勞性能研究[J]. 福建交通科技， 2019（3）： 90-92.

[6]倉定仲， 倉定穩(wěn). 聚合物水泥混凝土研究現(xiàn)狀[J]. 科技經(jīng)濟(jì)市場， 2019（4）： 5-6.

[7]張燕坤， 施維麗， 李越， 等. 不同種類聚合物透水水泥混凝土力學(xué)性能研究[J]. 北方工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2019（5）： 104-108.

[8]李玉龍. 纖維聚合物水泥砂漿動態(tài)力學(xué)性能研究[D].廣州： 廣州大學(xué)， 2019.

[9]郭洪軍， 汪靜， 宗煒， 等. 有機(jī)纖維與聚合物對水泥混凝土疲勞損傷性能的影響[J]. 混凝土， 2019（4）： 71-75.

[10]金玉杰， 劉家輝， 蔡婧娓. 鋼纖維聚合物混凝土力學(xué)性能研究[J]. 吉林建筑大學(xué)學(xué)報(bào)， 2018（5）： 5-7.

收稿日期：2022-03-07

作者簡介：王錫志（1982—），男，碩士研究生，高級工程師，研究方向：路橋工程。