多尺度聚丙烯纖維改性混凝土及性能研究*

陳明明

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院陜西省高性能混凝土工程實(shí)驗(yàn)室，陜西渭南 714000）

混凝土材料有著較好的可塑性、耐用性和低成本性，廣泛應(yīng)用于建筑等土木工程中[1]。但在實(shí)際應(yīng)用中，環(huán)境侵蝕等影響會(huì)破壞混凝土結(jié)構(gòu)，降低其性能。因此，對于混凝土的性能優(yōu)化，是當(dāng)前思考和研究的一個(gè)熱點(diǎn)。近年來，為了改性混凝土材料，優(yōu)化其性能，許多學(xué)者對此進(jìn)行了研究，如秦玲等[2，3]提出了碳化養(yǎng)護(hù)蒸壓加氣和化學(xué)溶液預(yù)處理再生粗骨料的方法以改性混凝土的綜合性能。除了優(yōu)化工藝方法來改性混凝土性能，纖維增強(qiáng)混凝土技術(shù)也是當(dāng)前優(yōu)化混凝土性能的主要方法，通過纖維材料改性混凝土，提高其強(qiáng)度和韌性。對此，黃凱旗等[4]則通過鋼纖維和聚丙烯纖維（PPF），對混凝土材料性能進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改性后的混凝土材料的抗壓強(qiáng)度和抗裂性能均有明顯提高。而吳海林等[5]則通過正交實(shí)驗(yàn)，研究了在混雜纖維改性混凝土中，纖維的種類、尺寸、摻量等因素對抗壓強(qiáng)度的影響。在眾多纖維改性混凝土的應(yīng)用研究中，聚丙烯纖維有著成本低、強(qiáng)度高、耐磨耐腐蝕性好等特點(diǎn)，在纖維增強(qiáng)混凝土技術(shù)中被廣泛應(yīng)用?；诖耍緦?shí)驗(yàn)采用3 種不同尺度的聚丙烯纖維，以不同配比方案單摻、雙摻或三摻的方式加入混凝土中，以改性混凝土，并在硫酸鹽環(huán)境下研究其耐久性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

P.O 42.5 硅酸鹽水泥（工業(yè)純無錫市江淮建材科技有限公司）；細(xì)骨料河砂（工業(yè)純石家莊晶森礦產(chǎn)品有限公司）；粗骨料碎石（工業(yè)純靈壽縣梓舒礦產(chǎn)品有限公司）；細(xì)聚丙烯纖維（AR 北京融耐爾工程材料有限公司）；粗聚丙烯纖維（AR 寧波大成新材料有限公司）；PC-1009 型聚羧酸減水劑（AR 濟(jì)南福鑫精細(xì)化工有限公司）；環(huán)氧樹脂AB 膠（AR 東莞市三鳴復(fù)合材料有限公司）；Na2SO4（工業(yè)純蘇州市俊騰化工科技有限公司）。

YP1002 型電子天平（廣東三豐精密量儀有限公司）；WD-300 型立式攪拌桶(濟(jì)寧威達(dá)機(jī)械有限公司)；Quattro S 型環(huán)境掃描電鏡（賽默飛世爾）；BH52-HD-2001 型能譜儀（北京中西華大科技有限公司）；YAW-2000KN 型巖石剪切試驗(yàn)機(jī)（濟(jì)南中創(chuàng)工業(yè)測試系統(tǒng)有限公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 聚丙烯纖維混凝土配合比 參考有關(guān)文獻(xiàn)，確定細(xì)PPF（FF1 直徑26μm，F(xiàn)F2 直徑100μm，長度均19mm）和粗PPF（CF 直徑800μm，長度50mm）的最佳摻量分別為0.9kg·m-3和6.0kg·m-3[6，7]。在保持其他條件不變的情況下，改變不同尺度的聚丙烯纖維摻量，以A0 無纖維摻量作為對比，制定配比方案，見表1。

表1 聚丙烯纖維混凝土配比Tab.1 Mix proportion of polypropylene fiber concrete

1.2.2 聚丙烯纖維改性混凝土的制備

（1）按照表1 中的配比，用電子分析天平稱取一定質(zhì)量的P.O 42.5 硅酸鹽水泥和經(jīng)過晾曬的河砂，一起置入攪拌器中，設(shè)置攪拌時(shí)間為1min。再先后加入細(xì)PPF 和粗PPF，繼續(xù)攪拌1min。

（2）依次在攪拌器中加入水和減水劑，繼續(xù)攪拌1min，然后加入稱量好的細(xì)骨料河砂和粗骨料碎石，再攪拌2min，獲得混凝土砂石漿。

（3）將混凝土砂石漿倒入尺寸為100mm×100mm×100mm 的立方體模具中，振實(shí)排出氣泡后，用抹灰刀抹平混凝土表面，并用PE 材質(zhì)塑料薄膜密封。

（4）將試件放置在20℃的恒溫室內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)1d，然后脫模，再在20℃的恒溫室內(nèi)養(yǎng)護(hù)20d，得到不同聚丙烯纖維摻量的混凝土試件。

1.2.3 硫酸鹽侵蝕實(shí)驗(yàn)步驟 在硫酸鹽侵蝕實(shí)驗(yàn)中，采用干濕循環(huán)法，其中，循環(huán)周期和干濕比分別為7d 和4∶3，并在10%濃度的Na2SO4溶液環(huán)境下對試件進(jìn)行耐腐蝕實(shí)驗(yàn)[8]。具體步驟如下：

（1）將1.2.2 中所得到的不同聚丙烯纖維摻量的混凝土試件用環(huán)氧樹脂涂膠處理，只留下一個(gè)相對面，自然干燥3d。

（2）用電子分析天平分別稱取不同聚丙烯纖維摻量的混凝土試件的初始質(zhì)量，然后間隔放入收納箱，注意不要重疊。

（3）將配好的濃度為10%的Na2SO4溶液慢慢倒入裝有不同聚丙烯纖維摻量的混凝土試件的收納箱中，直至浸沒試件，最后蓋上收納箱的蓋子，密封處理，并每30d 更換一次侵蝕溶液。干燥過程則為室外自然干燥。

（4）總侵蝕天數(shù)為150d，每4 次循環(huán)后用電子分析天平對試件進(jìn)行稱重并記錄。

1.3 性能測試

1.3.1 質(zhì)量損失測試 為了分析混凝土在侵蝕環(huán)境中的劣化程度，本實(shí)驗(yàn)測試了不同聚丙烯纖維摻量的混凝土試件的質(zhì)量損失率。本次Na2SO4侵蝕實(shí)驗(yàn)總周期為150d，根據(jù)1.2.3 中的稱重?cái)?shù)據(jù)記錄情況，計(jì)算材料質(zhì)量損失率，表達(dá)式為：

式中 △Wt：質(zhì)量損失率，%；m0：試件初始質(zhì)量，kg；mt：試件質(zhì)量，kg。

1.3.2 抗壓強(qiáng)度測試 通過巖石剪切試驗(yàn)機(jī)，采取先應(yīng)力加載，然后位移加載的方式，對不同侵蝕時(shí)間的實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，分析混凝土的抗侵蝕能力。

1.3.3 微觀形貌實(shí)驗(yàn) 對試樣進(jìn)行無水乙醇處理后，低溫烘干2d 并噴金，然后通過環(huán)境掃描電鏡觀測受到侵蝕后的混凝土試件表面的微觀形貌（SEM），并分析微區(qū)成分元素（EDS）。

1.3.4 XRD 測試 通過能譜儀測試試件的樣品組成成分，分析樣品的結(jié)晶信息。

2 結(jié)果與討論

2.1 質(zhì)量變化規(guī)律分析

根據(jù)1.3.1 中的方法測試了不同尺度聚丙烯纖維改性的混凝土在硫酸鹽侵蝕作用下的混凝土質(zhì)量損失率，見圖1。

圖1 混凝土的質(zhì)量變化曲線Fig.1 Quality curve of multi-scale polypropylene fiber modified concrete at different times

由圖1 可見，在硫酸鹽侵蝕實(shí)驗(yàn)過程中，各試樣的質(zhì)量均先上升后下降。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要有兩個(gè)原因：（1）混凝土試件的水化反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生水化產(chǎn)物，這些水化產(chǎn)物會(huì)使混凝土的質(zhì)量增加；（2）混凝土內(nèi)部的水泥石會(huì)與硫酸鹽溶液中的SO42－不斷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生鈣礬石等侵蝕產(chǎn)物，這些侵蝕產(chǎn)物也會(huì)使試件質(zhì)量增加，并且硫酸鹽結(jié)晶會(huì)填補(bǔ)材料初始孔隙，使得混凝土的質(zhì)量緩慢增加[9]。在侵蝕后期，混凝土試件質(zhì)量均出現(xiàn)下降趨勢，這是因?yàn)殡S著水化產(chǎn)物和侵蝕產(chǎn)物質(zhì)量的不斷增加，產(chǎn)物的膨脹力漸漸超過了混凝土本身的粘結(jié)力，試件表面的漿料、棱角開始不斷脫落，試件內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，基體內(nèi)部成分脫落浸出[10]。由圖1可知，A3～A8 為添加了聚丙烯纖維的混凝土試件，它們的質(zhì)量下降時(shí)間都晚于素混凝土試件，并且只有A0 組試件在達(dá)到質(zhì)量增加臨界點(diǎn)90d 時(shí)，質(zhì)量開始迅速下降。而其他經(jīng)過聚丙烯纖維改性的混凝土試件則質(zhì)量下降速度緩慢，但變化規(guī)律沒有明顯差別。這表明，由聚丙烯纖維改性的混凝土，在硫酸鹽溶液侵蝕環(huán)境中，還未出現(xiàn)質(zhì)量損失。因此，在混凝土中加入聚丙烯纖維，在一定程度上能夠緩解硫酸鹽對混凝土的侵蝕。

2.2 抗壓強(qiáng)度分析

根據(jù)1.3.2 中的測試方法對不同聚丙烯纖維摻量的立方體混凝土試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，結(jié)果見圖2。

圖2 混凝土的抗壓強(qiáng)度曲線Fig.2 Compressive strength curve of multi-scale polypropylene fiber modified concrete at different times

由圖2 可見，隨著侵蝕時(shí)間的增加，各試件的抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)先上升后下降的規(guī)律。其中，素混凝土A0 試件抗壓強(qiáng)度上升區(qū)間在0～60d 左右，60d 后抗壓強(qiáng)度迅速下降，而聚丙烯纖維改性的混凝土試件A1～A8 的抗壓強(qiáng)度上升區(qū)間在0～90d 左右，隨后出現(xiàn)下降趨勢，下降幅度小于素混凝土A0 試件，且150d 時(shí)的抗壓強(qiáng)度大于A0 試件。侵蝕作用前，素混凝土A0 試件的抗壓強(qiáng)度為33.56MPa，其他試件的初始抗壓強(qiáng)度均高于A0 試件，其中，多尺度聚丙烯纖維混摻的A7 試件強(qiáng)度最高，為38.53MPa，比A0試件強(qiáng)度增長了14.8%，其次，A8 組強(qiáng)度最高為37.62MPa，比A0 試件強(qiáng)度增長了12.1%。在侵蝕作用發(fā)生后，A8 組的抗壓強(qiáng)度最高，為41.24MPa。分析可知，立方體試件在抗壓實(shí)驗(yàn)中受到壓剪破壞[11]。在經(jīng)過硫酸鹽侵蝕后，混凝土的膠結(jié)能力減弱，被侵蝕層受到較小的應(yīng)力時(shí)便會(huì)脫落，進(jìn)一步降低了混凝土的承載力。而發(fā)生壓剪破壞時(shí)，聚丙烯纖維會(huì)增加混凝土內(nèi)部的密實(shí)度和粘結(jié)力，粗細(xì)骨料能夠承載一部分應(yīng)力，使混凝土內(nèi)部應(yīng)力傳遞較好，且抑制混凝土裂縫生成，從而延緩混凝土損傷速度[12]。這表明，聚丙烯纖維的摻入能夠在一定程度上提升混凝土抗壓強(qiáng)度，緩解硫酸鹽對混凝土的侵蝕效果，因此，在混凝土中加入聚丙烯纖維，能夠在一定程度上減少混凝土的強(qiáng)度下降，使混凝土的韌性有所提高。

2.3 微觀形貌分析

根據(jù)1.3.3 中的方法，對素混凝土試件和硫酸鹽侵蝕聚丙烯纖維改性的混凝土試件進(jìn)行微觀形貌分析。環(huán)境掃描電鏡不僅能夠提供SEM 圖，還能對微區(qū)的元素成分進(jìn)行分析（EDS）。

2.3.1 硫酸鹽的化學(xué)侵蝕分析 圖3（a）和（b）分別為素混凝土A0 試件在硫酸鹽侵蝕初期和侵蝕結(jié)束時(shí)的內(nèi)部微觀形貌。

圖3 SEM 圖及EDS 分析Fig.3 Micromorphology and EDS analysis of sulfate attack plain concrete

由圖3（a）可見，在侵蝕初期，主要侵蝕產(chǎn)物為鈣礬石等，這些侵蝕產(chǎn)物開始在混凝土內(nèi)部的孔隙以及漿料界面處堆積，這些部位同時(shí)也是混凝土內(nèi)部SO42-、Ca2+等的移動(dòng)通道，這會(huì)增加混凝土材料在侵蝕初期的密實(shí)度，從而提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度。觀察并分析圖3（b）可知，隨著侵蝕作用的不斷進(jìn)行，侵蝕作用產(chǎn)生的侵蝕產(chǎn)物越來越多?？梢栽趫D3（b）中清晰地看到侵蝕反應(yīng)的主要產(chǎn)物鈣礬石，其形狀為小桿狀晶體，長度為1～2μm。鈣礬石等侵蝕作用產(chǎn)物對混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)有破壞性，不易溶解，且易膨脹[13]。這些產(chǎn)物不斷在漿料界面處堆積，破壞了混凝土的凝膠結(jié)構(gòu)，降低了混凝土的膠結(jié)力，同時(shí)，膨脹應(yīng)力導(dǎo)致混凝土裂紋擴(kuò)大，混凝土的抗壓強(qiáng)度降低。圖3（c）為素混凝土在硫酸鹽侵蝕作用下的侵蝕產(chǎn)物EDS 分析和原子占比圖。由圖3（c）可見，侵蝕產(chǎn)物的主要原子為O、S、Si、Ca、Al，這也說明了侵蝕作用的主要產(chǎn)物為鈣礬石。除了侵蝕產(chǎn)物對混凝土的影響外，還存在掏空效應(yīng)，即硫酸鹽的侵蝕作用不斷進(jìn)行，會(huì)增加混凝土的孔隙和滲透率，使侵蝕表層不斷脫落，從而導(dǎo)致了混凝土的質(zhì)量和承載力不斷下降，降低了混凝土強(qiáng)度[14]。

圖4 為聚丙烯纖維改性的混凝土A8 試件在侵蝕作用下的微觀形貌圖以及EDS 分析。

圖4 侵蝕產(chǎn)物的SEM 圖及EDS 分析Fig.4 Micromorphology and EDS analysis of sulfate polypropylene fiber modified concrete

由圖4（a）可見，侵蝕產(chǎn)物主要為鈣礬石。通過聚丙烯纖維改性的混凝土，在發(fā)生硫酸鹽侵蝕過程中，聚丙烯纖維能夠在混凝土內(nèi)部起到粘結(jié)作用，可以緩解因膨脹作用而導(dǎo)致的大孔隙生成和裂縫擴(kuò)展，延緩混凝土的強(qiáng)度下降，從而緩解硫酸鹽對混凝土的侵蝕效果。從圖4（b）中的侵蝕產(chǎn)物EDS 分析可知，主要元素為C、O、Ca 等，這可能是侵蝕作用后期混凝土出現(xiàn)了碳化現(xiàn)象，侵蝕產(chǎn)物為CaCO3晶體等，這對硫酸鹽侵蝕作用無明顯影響。

2.3.2 硫酸鹽的物理侵蝕分析 硫酸鹽對混凝土試件的物理侵蝕原理是硫酸鹽結(jié)晶時(shí)產(chǎn)生的結(jié)晶應(yīng)力，這會(huì)影響混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在干濕循環(huán)實(shí)驗(yàn)過程中，干循環(huán)時(shí)，混凝土表面的水分蒸發(fā)，內(nèi)部水分不斷減少，混凝土中的硫酸鹽溶液在孔隙、漿料界面等附近不斷濃縮，硫酸鹽結(jié)晶析出，會(huì)對混凝土內(nèi)部孔隙等造成結(jié)晶壓破，從而破壞混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)；濕循環(huán)時(shí)，硫酸鹽溶液不斷侵入混凝土內(nèi)部，結(jié)晶體不斷溶解。隨著干濕循環(huán)不斷進(jìn)行，硫酸鹽晶體不斷在混凝土內(nèi)部結(jié)晶析出又再次溶解，這種加載膨脹應(yīng)力又卸載的疲勞過程加速了混凝土內(nèi)部孔隙的生成和裂紋的擴(kuò)展。而聚丙烯纖維的摻入，可使混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，因此，可以在一定程度上緩解硫酸鹽的物理侵蝕效果，從而使混凝土的強(qiáng)度提高。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)制備的多尺度聚丙烯纖維改性混凝土在硫酸鹽侵蝕作用下表現(xiàn)出良好的耐侵蝕性能，材料的耐久性良好。

（1）硫酸鹽侵蝕時(shí)，試件的質(zhì)量和抗壓強(qiáng)度均先上升后下降。

（2）摻入0.5kg·m-3FF1 和5.5kg·m-3CF 的試件質(zhì)量增長率最大，為2.56%；摻入0.5kg·m-3FF1、0.5kg·m-3FF2 和5.0kg·m-3CF 的試件抗壓強(qiáng)度最高，為41.24MPa。

（3）化學(xué)侵蝕主要是侵蝕產(chǎn)物鈣礬石等的膨脹應(yīng)力影響，而物理侵蝕主要是硫酸鹽晶體的結(jié)晶應(yīng)力影響，從而使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，綜合性能降低。

（4）聚丙烯纖維能夠提升混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗疲勞能力，從而提高混凝土的耐久性。