干濕循環(huán)條件下聚丙烯纖維摻量對混凝土力學性能的影響

齊鵬飛 陳珊珊 韓霄羽

（1.中鐵十四局集團有限公司市政工程分公司，山東 青島 266700；2.華北水利水電大學土木與交通學院，河南 鄭州 450045）

0 引言

干濕循環(huán)作用是指混凝土構(gòu)件或部分結(jié)構(gòu)處于連續(xù)浸泡狀態(tài)和空氣干燥狀態(tài)的交替作用。在自然界，隨著環(huán)境變化，混凝土結(jié)構(gòu)物在水位線上下變化時，或者位于水庫水位變動區(qū)以及浪濺區(qū)，由于受干濕循環(huán)作用，混凝土劣化機理要復雜得多。為此，專家學者進行了大量研究：Jingjun Li[1]等的研究表明，在輕集料混凝土中加入高性能聚丙烯纖維對混凝土力學性能有顯著影響，其抗彎強度、劈裂抗拉強度、抗彎韌性和抗沖擊性能均提高，但對抗壓強度沒有明顯影響；Islam[2]得出與普通混凝土相比，摻入0.1%纖維的混凝土抗壓強度降低了2%，抗拉強度提高了39%的結(jié)論；在混凝土中摻入0.1%～0.3%纖維，根據(jù)試驗結(jié)果表明，與普通混凝土相比，塑性收縮裂縫減少了50%～99%；文獻[3-7]對纖維混凝土快速凍融循環(huán)進行試驗研究，得到在混凝土中加入聚丙烯纖維后，由凍融引起混凝土損傷減輕。目前的研究多集中在力學性能和凍融循環(huán)方面，對干濕循環(huán)的研究相對較少，因此，有必要對混凝土在干濕循環(huán)作用下的力學性能進行試驗研究。

1 試驗內(nèi)容

1.1 干濕循環(huán)試驗

將試塊在水中養(yǎng)護至28d時取出，開始做干濕循環(huán)試驗。烘干溫度為（60±3）℃，烘干時間為6h，浸泡時間為18h，干濕循環(huán)一次需要1d，每20次干濕循環(huán)測定混凝土的質(zhì)量、相對動彈性模量和力學性能，直至干濕循環(huán)次數(shù)達到100次。為保證復合鹽溶液的濃度不變，每15d更換一次溶液。

1.2 試驗材料及性能

選用P·O42.5普通硅酸鹽水泥。水泥3d抗壓強度30.7MPa，28d抗壓強度59.2MPa。粗骨料：采用粒徑為5～10mm連續(xù)級配、表面粗糙且質(zhì)地堅硬的碎石。細骨料：中砂，細度模數(shù)為3.0～2.3，堆積密度1550kg/m3，表觀密度2614kg/m3，顆粒級配良好。拌和用水采用普通自來水。

偏高嶺土（Metakaolin，簡稱MK）是高嶺土在適當溫度下（約540℃～880℃）脫水而得到的鋁硅酸鹽，是一種高活性人工火山灰材料。偏高嶺土為白色粉末狀（圖1），偏高嶺土的化學成分見表1。

圖1 偏高嶺土

表1 偏高嶺土的化學成分

聚丙烯纖維（Polypropylene Fiber，簡稱PPF）采用耐拉短絲纖維（圖2），其性能指標見表2。

表2 聚丙烯纖維性能指標

圖2 聚丙烯纖維

1.3 混凝土配合比設(shè)計

由于摻入偏高嶺土和聚丙烯纖維會影響混凝土的工作性能，故根據(jù)MK和PPF的摻量改變減水劑的摻量，保證不同配合比的混凝土有一致的工作性能，混凝土配合比見表3。試件尺寸采用40mm×40mm×160mm的長方體試塊。

表3 混凝土配合比

2 聚丙烯纖維摻量對混凝土物理力學性能的影響

2.1 混凝土外觀

表4所示為摻入10%MK（0kg/m3PPF、0.6kg/m3PPF、0.9kg/m3PPF、1.5kg/m3PPF)混凝土試件經(jīng)過0次、20次、40次、60次、80次、100次干濕循環(huán)試驗后試件圖片。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試件表面均無變化。

表4 混凝土干濕循環(huán)試驗后外觀

2.2 混凝土質(zhì)量損失

圖3所示為摻入10%MK（0kg/m3PPF 0.6kg/m3PPF、0.9kg/m3PPF、1.5kg/m3PPF)混凝土試件經(jīng)歷0次、20次、40次、60次、80次、100次干濕循環(huán)試驗后質(zhì)量變化的試驗結(jié)果。由圖3可見，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土質(zhì)量略微增加，4種混凝土中，摻有0kg/m3PPF混凝土的質(zhì)量增加最多。

圖3 不同聚丙烯纖維摻量下混凝土質(zhì)量損失率

2.3 混凝土相對動彈性模量

圖4所示為摻入10%MK（0kg/m3PPF、0.6kg/m3PPF、0.9kg/m3PPF、1.5kg/m3PPF)混凝土試件經(jīng)歷0次、20次、40次、60次、80次、100次干濕循環(huán)試驗后相對動彈性模量的試驗結(jié)果。由圖4可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)和PPF摻量的增加，相對動彈性模量的損傷減小。進行至100次干濕循環(huán)時，摻有1.5kg/m3PPF混凝土相對動彈性模量約為100%；而摻0kg/m3PPF混凝土相對動彈性模量約為150%。表明摻PPF并未提高混凝土的相對動彈性模量。

圖4 不同聚丙烯纖維摻量下混凝土的相對動彈性模量變化

2.4 混凝土抗壓強度

圖5所示為摻入10%MK（0kg/m3PPF、0.6kg/m3PPF、0.9kg/m3PPF、1.5kg/m3PPF)混凝土試件經(jīng)歷0次、20次、40次、60次、80次、100次干濕循環(huán)試驗后抗壓強度損失率結(jié)果。由圖5可知，在干濕循環(huán)條件下，經(jīng)過100次干濕循環(huán)試驗后，摻有0kg/m3PPF、0.6kg/m3PPF、0.9kg/m3PPF、1.5kg/m3PPF混凝土的抗壓強度損失率分別達到約-40%、-10%、-25%、10%，結(jié)果表明，摻入PPF后混凝土的抗壓強度并未明顯提高。

圖5 不同聚丙烯纖維摻量下混凝土的抗壓強度損失率

2.5 混凝土抗折強度

圖6所示為摻入10%MK（0kg/m3PPF、0.6kg/m3PPF、0.9kg/m3PPF、1.5kg/m3PPF)混凝土試件經(jīng)歷0次、20次、40次、60次、80次、100次干濕循環(huán)試驗后抗折強度損失率結(jié)果。由圖6可知，在干濕循環(huán)條件下，經(jīng)過100次干濕循環(huán)試驗后，摻有0kg/m3PPF、0.6kg/m3PPF、0.9kg/m3PPF、1.5kg/m3PPF混凝土的抗折強度損失率分別達到約5%、-10%、-32%、-40%；可以確定，摻入1.5kg/m3PPF時，混凝土的抗折強度明顯提高。原因是PPF具有阻裂的作用，可減少裂縫源數(shù)量，并使裂縫尺度變小，這就降低了裂縫尖端的應力強度因子，緩和了裂縫尖端應力集中程度；在受力過程中，PPF能夠抑制裂縫擴展，從而使混凝土的強度得到提高。

圖6 不同聚丙烯纖維摻量下混凝土的抗折強度損失率

2.6 混凝土抗拉強度

圖7所示為摻入10%MK（0kg/m3PPF、0.6kg/m3PPF、0.9kg/m3PPF、1.5kg/m3PPF)混凝土試件經(jīng)歷0次、20次、40次、60次、80次、100次干濕循環(huán)試驗后抗拉強度損失率結(jié)果。可知，經(jīng)過100次干濕循環(huán)試驗后，摻有0kg/m3PPF、0.6kg/m3PPF、0.9kg/m3PPF、1.5kg/m3PPF混凝土的抗拉強度損失率分別達到約10%、-20%、-10%、-30%；說明混凝土中摻入1.5kg/m3PPF可提高其抗拉強度。原因是PPF在混凝土中可起到次級加強筋的作用，具有良好的阻裂性能，因此混凝土的抗裂性能有所提高。

圖7 不同聚丙烯纖維摻量下混凝土的抗拉強度損失率

3 結(jié)束語

對不同摻量下聚丙烯纖維混凝土在干濕循環(huán)作用下的力學性能進行試驗研究，得出以下結(jié)論：

（1）聚丙烯纖維摻量為1.5kg/m3可以顯著提高干濕循環(huán)條件下的混凝土抗折強度和抗拉強度；

（2）聚丙烯纖維能夠增強混凝土的抗裂性。