聚丙烯纖維對混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力的影響*

馮 屾

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木與交通工程學(xué)院，河南 開封 475004）

鹽類物質(zhì)的侵蝕對混凝土結(jié)構(gòu)的破壞作用十分明顯，其中混凝土在硫酸鹽環(huán)境中所遭受的侵蝕破壞現(xiàn)象十分常見，在我國大部分的沿海地區(qū)以及西北部的鹽堿地等區(qū)域，混凝土長時間的遭受硫酸鹽的侵蝕，會嚴(yán)重影響其耐久性能，尤其在硫酸鹽干濕循環(huán)的環(huán)境下，混凝土結(jié)構(gòu)的破壞程度更加嚴(yán)重，這不僅會造成混凝土資源的浪費(fèi)以及大量的經(jīng)濟(jì)損失，還存在嚴(yán)重的安全隱患[1-4]。

聚丙烯纖維是以聚丙烯為原料紡制而成的一種合成纖維，其通常具有成本低、易加工、原料來源廣以及彈性模量較小等特點(diǎn)，并且通常不與其他化學(xué)試劑發(fā)生反應(yīng)，具有較好的惰性，能夠與混凝土中的其他材料混合使用，可以有效改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高其耐久性能[5-9]。近年來，國內(nèi)外關(guān)于聚丙烯纖維混凝土的研究及報(bào)道相對較多，其中萬新等人[10]的研究認(rèn)為，聚丙烯纖維的摻量和長度會對混凝土的和易性、流動性以及間隙通過性能產(chǎn)生較大的影響，并且混凝土的水灰比也會對聚丙烯纖維混凝土的新拌性能產(chǎn)生較大的影響；汪華莉[11]針對聚丙烯纖維的長度和摻量對混凝土耐久性能的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果認(rèn)為聚丙烯纖維的長度越大，混凝土的塌落度和Cl-擴(kuò)散深度就越大，而抗壓強(qiáng)度則有所降低，聚丙烯纖維的摻量越大，混凝土的塌落度越小，Cl-擴(kuò)散深度先減小后增大，而抗壓強(qiáng)度則先升高后降低；閆長旺等人[12]開展了PVA纖維對混凝土抗鹽侵蝕性能的研究，結(jié)果認(rèn)為PVA纖維的摻入能夠有效改善混凝土的抗鹽侵蝕性能，長度為12mm的PVA纖維，當(dāng)其摻量為1.2kg·m-3時，可使混凝土的抗氯鹽侵蝕性能和抗硫酸鹽侵蝕性能達(dá)到最佳。目前，針對聚丙烯纖維提高混凝土抗硫酸鹽干濕循環(huán)侵蝕能力的研究仍相對較少，因此，本文以不同長度的聚丙烯纖維為研究對象，考察了聚丙烯纖維長度和摻量對混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力的影響，為提高硫酸鹽環(huán)境下混凝土的耐久性能提供一定的技術(shù)支持和參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料及儀器

水泥（P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其初凝時間為231min，終凝時間為305min，湖南南方金磊水泥公司）；粉煤灰（Ⅱ級粉煤灰比重為2.10g·cm-3，靈壽縣鼎旺礦產(chǎn)品加工廠）；減水劑（聚羧酸型高性能減水劑，減水率為37%，山東柯普化工有限公司）；粗骨料（碎石，粒徑范圍在5～25mm之間），細(xì)骨料（天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.42），靈壽縣富鑫礦產(chǎn)品有限公司；聚丙烯纖維（長度分別為8、12、16、20和24mm，山東鑫匯新材料有限公司）。

YH-90B型標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱（滄州鑫滕建建筑儀器有限公司）；YAW-3000型微機(jī)控制壓力試驗(yàn)機(jī)（濟(jì)南中路試驗(yàn)機(jī)制造有限公司）；LDW-100型混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)（濟(jì)南一諾世紀(jì)試驗(yàn)儀器有限公司）。

1.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)

固定水灰比均為0.4，砂率均為40%，在混凝土中加入不同類型或者不同摻量的聚丙烯纖維，以考察其對混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力的影響，混凝土的具體配合比設(shè)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 混凝土配比設(shè)計(jì)結(jié)果Tab.1 Design results of concrete mix proportion for test

1.3 實(shí)驗(yàn)方案及性能測試

按照上述混凝土配合比設(shè)計(jì)結(jié)果，制備尺寸為100mm×100mm×100mm的混凝土試件，然后參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)部分進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)溶液為5% Na2SO4，共設(shè)計(jì)60次干濕循環(huán)周期，達(dá)到循環(huán)次數(shù)后，按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50081-2019《混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的規(guī)定測定混凝土試件的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度值，以此評價聚丙烯纖維對混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維長度的影響

按照1.2中配合比設(shè)計(jì)結(jié)果和1.3中的試驗(yàn)方案，統(tǒng)一選擇纖維摻量為1kg·m-3，在此試驗(yàn)條件下開展了纖維長度對混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度以及抗折強(qiáng)度的影響試驗(yàn)。

2.1.1 抗壓強(qiáng)度 圖1為纖維長度對混凝土試件抗壓強(qiáng)度的影響。

圖1 纖維長度對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of fiber length on compressive strength of concrete

由圖1可以看出，隨著聚丙烯纖維長度的不斷增大，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度值呈先增大后減小的趨勢，當(dāng)聚丙烯纖維的長度為16mm時，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度值可以達(dá)到最大（47.9MPa），再繼續(xù)增大聚丙烯纖維的長度值，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度值則有所降低。

2.1.2 劈裂抗拉強(qiáng)度 圖2為纖維長度對混凝土試件劈裂抗拉強(qiáng)度的影響。

圖2 纖維長度對混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of fiber length on splitting tensile strength of concrete

由圖2可以看出，隨著聚丙烯纖維長度的不斷增大，混凝土在硫酸鹽溶液中干濕循環(huán)60次后的劈裂抗拉強(qiáng)度值同樣呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，當(dāng)聚丙烯纖維的長度為16mm時，混凝土試件的劈裂抗拉強(qiáng)度值可以達(dá)到最大（4.5MPa），再繼續(xù)增大聚丙烯纖維的長度值，混凝土試件的劈裂抗拉強(qiáng)度值則有所降低。

2.1.3 抗折強(qiáng)度 圖3為纖維長度對混凝土試件抗折強(qiáng)度的影響。

圖3 纖維長度對混凝土抗折強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of fiber length on flexural strength of concrete

由圖3可以看出，與2.1.1和2.1.2中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢相似，隨著聚丙烯纖維長度的不斷增大，混凝土在硫酸鹽溶液中干濕循環(huán)60次后的抗折強(qiáng)度值同樣呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，當(dāng)聚丙烯纖維的長度為16mm時，混凝土試件的抗折強(qiáng)度值可以達(dá)到最大（6.4MPa），再繼續(xù)增大聚丙烯纖維的長度值，混凝土試件的抗折強(qiáng)度值則有所降低。

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，由于聚丙烯纖維的加入能夠使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，從而有利于提高混凝土試件的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，并且纖維的長度越大，其在混凝土中的粘接作用更強(qiáng)，混凝土試件的強(qiáng)度值則更高；而當(dāng)纖維長度過大時，反而可能降低混凝土試件的強(qiáng)度。因此，確定使用聚丙烯纖維的最佳長度為16mm。

2.2 纖維加量的影響

按照1.2中配合比設(shè)計(jì)結(jié)果和1.3中的試驗(yàn)方案，統(tǒng)一選擇纖維的長度均為16mm，在此試驗(yàn)條件下開展了纖維摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度以及抗折強(qiáng)度的影響試驗(yàn)。

2.2.1 抗壓強(qiáng)度 圖4為纖維摻量對混凝土試件抗壓強(qiáng)度的影響。

圖4 纖維摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of fiber content on compressive strength of concrete

由圖4可以看出，并不是纖維摻量越大，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度值就越大，而是存在一個最佳的纖維摻量，使混凝土試件的抗壓強(qiáng)度值達(dá)到最大，即當(dāng)纖維的摻量為2kg·m-3時，抗壓強(qiáng)度可達(dá)最大，可由未摻纖維時的41.9MPa增大至52.6MPa，抗壓強(qiáng)度提升了25.5%，提升幅度較大。

2.2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度 圖5為纖維摻量對混凝土試件劈裂抗拉強(qiáng)度的影響。

圖5 纖維摻量對混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of fiber content on splitting tensile strength of concrete

由圖5可以看出，隨著纖維摻量的逐漸增大，混凝土在硫酸鹽溶液中干濕循環(huán)60次后的劈裂抗拉強(qiáng)度同樣呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，當(dāng)聚丙烯纖維的摻量為2kg·m-3時，混凝土試件的劈裂抗拉強(qiáng)度值達(dá)到最大，可由未摻纖維時的3.3MPa增大至5.5MPa，劈裂抗拉強(qiáng)度提升了66.7%，再繼續(xù)增大聚丙烯纖維的摻量，混凝土試件的劈裂抗拉強(qiáng)度值則有所降低。

2.2.3 抗折強(qiáng)度 圖6為纖維摻量對混凝土試件抗折強(qiáng)度的影響。

圖6 纖維摻量對混凝土抗折強(qiáng)度的影響Fig.6 Effect of fiber content on flexural strength of concrete

由圖6可以看出，隨著纖維摻量的逐漸增大，混凝土的抗折強(qiáng)度同樣是先增大后減小，存在一個最佳的纖維摻量使混凝土的抗折強(qiáng)度達(dá)到最大，即當(dāng)纖維的摻量為2kg·m-3時，混凝土試件的抗折強(qiáng)度值達(dá)到最大，可由未摻纖維時的5.0MPa增大至7.5MPa，劈裂抗拉強(qiáng)度提升了50.0%。

為使混凝土試件的抗硫酸鹽侵蝕能力達(dá)到最佳，選擇聚丙烯纖維的長度為16mm，摻量為2kg·m-3，此時，混凝土試件的力學(xué)性能可以達(dá)到最佳，其抗壓強(qiáng)度值可以達(dá)到52.6MPa，劈裂抗拉強(qiáng)度值可以達(dá)到5.5MPa，抗折強(qiáng)度值可以達(dá)到7.5MPa。

3 結(jié)論

聚丙烯纖維的摻入能夠有效提高混凝土試件的抗硫酸鹽侵蝕能力，并且纖維的長度和摻量對混凝土試件抗硫酸鹽侵蝕能力的影響較大。當(dāng)聚丙烯纖維的摻量一定時，摻入纖維的長度為16mm時，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度值均可以達(dá)到最大；當(dāng)聚丙烯纖維的長度一定時，纖維的摻量為2kg·m-3時，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度值均可以達(dá)到最大；選擇合適的纖維長度和摻量能夠有效提高硫酸鹽環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，延長混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。