聚丙烯纤维增强混凝土的力学和耐久性能研究.pdf

江西建材试验与研究352023年7 月聚丙烯纤维增强混凝土的力学和耐久性能研究张 源1，王宝民21.中国中铁置业集团沈阳有限公司，辽宁 大连 116000；2.大连理工大学建设工程学部,辽宁 大连 116000摘 要：文中对聚丙烯纤维混凝土的7 d和28 d龄期的力学性能、抗氯离子渗透性能和抗酸侵蚀性能进行了研究，聚丙烯纤维的掺量分别为0、0.25%、0.5%、0.75%、1.0%、1.25%和1.5%。结果表明，相较于空白混凝土试块相比，聚丙烯纤维加入能够有效改善混凝土的力学和耐久性能。其中聚丙烯纤维的掺量为1.0%时，其抗氯离子渗透性能和抗酸侵蚀性能最优。关键词：聚丙烯纤维；力学性能；抗氯离子渗透性；抗酸侵蚀性能中图分类号：TU528.58文献标识码：B文章编号：1006-2890（2023）07-0035-03Research on the Mechanical and Durability Properties of Polypropylene Fiber Reinforced ConcreteZhang Yuan1,Wang Baomin21.China Railway Real Estate Group Shenyang Co.Ltd.,Dalian,Liaoning 116000;2.Department of Construction Engineering,Dalian University of Technology,Dalian,Liaoning 116000 Abstract:In this paper,the mechanical properties at 7 and 28 days,chloride penetration resistance and acid resistance properties of concrete reinforced with different proportions polypropylene fibers（PP fibers）were investigated.The proportions of PP fibers in concrete were 0,0.25%,0.5%,0.75%,1.0%,1.25%and 1.5%volume fraction of concrete.The results showed that the mechanical properties were improved.The absorbed fracture energy and impact energy were provided by the mechanisms of matrix cracking,PP fiber/matrix interface debonding,fiber pull-out and fiber rupture.Meanwhile,the chloride penetration resistance and acid resistance properties were improved.The optimum properties of PP fiber concrete was obtained with the 1.0%PP fiber.Key words:Polypropylene fiber（PP fiber）;Mechanical property;Chloride penetration resistance property;Acid resistance property 0 引言混凝土因其优异的工作性能，在建设工程领域应用最为广泛，然而低韧性导致混凝土在应用过程中存在局限性1-2。目前，科研人员通过在混凝土中掺入不同的外加剂以改善其性能。在混凝土中掺入纤维能够有效改善混凝土的韧性和抗冲击性，且能够有效控制裂缝的尺寸和发展，提升其力学性能和耐久性3-4。聚丙烯纤维具有优越的力学性能、耐化学侵蚀和耐腐蚀性能，被广泛应用于纺织化工5-6和混凝土结构工程中7-8。汪魁峰9的研究表明，聚丙烯纤维在抗阻裂、干缩、抗冻和抗渗方面具有一定的优越性，可应用于渠道混凝土防渗工程中；张伟10系统地研究了改性聚丙烯纤维增强混凝土抗疲劳性能；蔡迎春11发现，将改性聚丙烯仿钢丝纤维加入混凝土中能够有效增强其抗冻性，使用寿命得到显著提高，其中混配纤维混凝土的抗冻性能要优于单掺聚丙烯纤维混凝土的抗冻性能。在本文中，聚丙烯纤维混凝土的力学性能、抗氯离子渗透性和抗酸侵蚀性能得到了系统地研究，在此基础上，对聚丙烯纤维混凝土的增强机理进行了系统的讨论。1 试验部分1.1 试验原材料混 凝 土 原 材 料 包 括 天 然 花 岗 岩 粗 骨 料（最 大 粒 径为31.5 mm，连续级配1031.5 mm）和河砂细骨料（细度模数为3.0，平均表面密度为2 640 kg/m3）。水泥采用大连某公司生产的P O 42.5R型水泥，其物理性能如表1所示。减水率为30%的某聚羧酸减水剂和AV600型聚丙烯纤维应用于本试验中，其中聚丙烯纤维的物理性能如表2 所示。表1 P O42.5R水泥的物理性能比表面积/（m2 kg-1）烧失量/%凝结时间/min抗折强度/MPa抗压强度/MPa初凝终凝3 d28 d3 d28 d3203.551582675.79.633.461.9表2 聚丙烯纤维的物理性能指标PP纤维 长度/mm直径/m长径比抗拉强度/MPa弹性模量/GPa伸长率/%AV6009156001 3503071.2 混凝土试块制备在混凝土试块制备中，水胶比为0.40，砂率为40%,聚羧酸减水剂掺量为0.5%。混凝土配合比如表3 所示。水泥、天然花岗岩粗骨料、天然河砂细骨料、水的比例为11.402.090.40。参照 GB 501642011混凝土质量控制标准，混凝土制备过程主要包括以下几个步骤：（1）将混凝土材料（水泥、天然第一作者：张源（1989-），男，安徽安庆人，硕士，工程师，主要研究方向为土木工程与新型材料。江西建材试验与研究362023年7 月花岗岩粗骨料、天然河砂细骨料）混合加入试验搅拌机中干拌2 min；（2）30 s内加入聚丙烯纤维，再进行1 min干拌；（3）将聚羧酸减水剂和水混合后加入搅拌机内搅拌2 min；（4）搅拌结束后，将拌合物倒入混凝土模具中，先使用手动振实，然后将其放置在电动振动台上振动密实。24 h后拆模，并放置于养护温度为（201）、相对湿度为（505）%的标准环境下进行养护。表3 聚丙烯纤维混凝土试块的配合比设计序号水泥/kg粗骨料/kg细骨料/kg水/kg减水剂/kgPP纤维/%11 0002 0901 4004006.0021 0002 0901 4004006.00.2531 0002 0901 4004006.00.5041 0002 0901 4004006.00.7551 0002 0901 4004006.01.0061 0002 0901 4004006.01.2571 0002 0901 4004006.01.501.3 测试方法参照 GB/T 500812002 普通混凝土力学性能试验方法标准，对混凝土试块的力学性能进行测试；参照 GB/T 500822009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准，对制备的聚丙烯纤维混凝土试块进行28 d的抗氯离子渗透性能检测；参照 ASTM C2672001灰浆、薄浆、整块铺面石料和聚脂混凝土耐化学侵蚀性的标准试验方法（2006），对制备的聚丙烯纤维混凝土试块进行28 d龄期下的抗酸侵蚀性能检测。2 试验结果2.1 聚丙烯纤维混凝土力学性能聚丙烯纤维混凝土在7 d和28 d龄期下的力学性能（抗折强度、抗压强度和劈裂抗拉强度）如表4 所示。7 d养护龄期的聚丙烯纤维混凝土和空白混凝土试块相比，抗折强度和抗压强度大致相同。在养护28 d后，聚丙烯纤维混凝土的抗折强度和抗压强度得到了较大幅度的提升，表明聚丙烯纤维的加入无法提升早期混凝土强度，但对后期强度有较大影响。2.2 聚丙烯纤维混凝土抗氯离子渗透性能参照 GB/T 500822009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准，采用电通量法对聚丙烯纤维混凝土的抗氯离子渗透性能进行测试。首先，将聚丙烯纤维混凝土试块进行24 h饱水处理，在测试槽两端分别加满3.0%NaCl和0.3 mol/L的 NaOH溶液；其次，将饱水处理后的聚丙烯纤维混凝土试块夹至测试槽中；最后进行通电，通电电场为60 V。本试验持续通电6 h，并记录聚丙烯纤维混凝土试块的电通量。测试结果如表5 所示。相较于空白混凝土试块的电通量，聚丙烯纤维混凝土的电通量均有不同幅度的降低，当聚丙烯纤维混凝土掺量为1.0%时，电通量达到最低值。结果表明，聚丙烯纤维的加入能够有效降低混凝土的氯离子渗透性。表5 聚丙烯纤维混凝土试块的抗氯离子渗透性能序号水胶比PP纤维/%电通量/C10.4002 31020.400.251 74030.400.501 51040.400.751 12050.401.00 99060.401.251 23070.401.501 2902.3 聚丙烯纤维混凝土抗酸侵蚀性能参照 ASTM C2672001（2006 版）灰浆、薄浆、整块铺面石料和聚脂混凝土耐化学侵蚀性的标准试验方法，首先对空白混凝土试块和聚丙烯纤维混凝土的质量、厚度和抗压强度进行检测。然后在室温下将制备的聚丙烯纤维混凝土试块放置于3%的硫酸溶液中浸泡，每隔10 d将硫酸溶液进行更换，以保证浸泡液酸性。整个浸泡过程持续90 d。90 d后对浸泡后的聚丙烯纤维混凝土试块进行检测，并与初始检测的结果进行对比，计算抗压强度损失率、质量损失率和厚度损失率，结果见表6。结果表明，聚丙烯纤维的加入能够有效增强混凝土的抗酸侵蚀性能，其抗压强度损失率、质量损失率和厚度损失率均低于空白混凝土试块。当聚丙烯纤维掺量达到1.0%时，混凝土的抗酸侵蚀性能最优。表6 聚丙烯纤维混凝土的抗酸侵蚀性能序号水胶比PP纤维/%抗压强度损失率/%质量损失率/%厚度损失/%10.40040.615.28.620.400.2537.913.98.130.400.5035.512.77.740.400.7532.112.97.450.401.0028.910.46.960.401.2533.211.67.870.401.5033.613.58.2表4 聚丙烯纤维混凝土的力学性能序号水胶比PP纤维/%抗折强度/MPa抗压强度/MPa劈裂抗拉强度/MPa7 d28 d7 d28 d7 d28 d10.4007.210.932.655.75.67.720.400.257.314.231.859.95.58.330.400.506.913.932.962.44.98.840.400.756.815.533.166.55.88.550.401.007.215.832.666.95.69.660.401.257.514.132.064.85.49.270.401.507.013.232.662.95.28.4江西建材试验与研究372023年7 月3 结语聚丙烯纤维的掺入能够有效地改善聚丙烯纤维混凝土的力学性能、抗氯离子渗透性能和抗酸侵蚀性能。其中，当1.0%的聚丙烯纤维加入混凝土中，其力学性能、抗氯离子渗透性能和抗酸侵蚀性能最优。聚丙烯纤维加入混凝土中后，能防止混凝土试块裂缝产生，而聚丙烯纤维混凝土的耐久性能得到改善的主要原因为聚丙烯纤维的加入能够有效改善混凝土内部的空隙结构。参考文献 1 Y.Akkaya，S.P.Shah，M.Ghandehari.Influence of fiber dispersion on the performance of microfiber reinforced cement composites J.ACI Special Publication 216，2003，216：1-18.2 B.M.Tyson，R.K.A.Al-Rub，A.Yazdanbakhsh，et al.Carbon nanotubes and carbon nanofibers for enhancing the mechanical properties of nanocomposite cementitious materials J.J.Mater.Civ.Eng.，2011，23（7）：1028-1035.3 SUN W，CHEN H，LUO X，et al.The effect of hybrid fibers and expansive agent on the shrinkage and permeability of high-performance concrete J.Cem.Concr.Res.，2001，31：595-601.4 D.D.L.Chung.Cement reinforced with short carbon fibers：a multifunctional material J.Compos.Part B，2000，31（6-7）：511-526.5 A.Schneider，M.Roth.用机械破坏技术优化 PP 纤维和非织造布的性能J.国际纺织导报，2006（10）：2006-10-004.6 彭华湘，朱美芳，陈彦模，等.PP/纳米 CeO2复合纤维的制备及性能研究J.合成纤维工业，2005，28（3）：1-3.7 董建伟，王广宇，裴宇波.改性聚丙烯纤维混凝土及其应用J.吉林水利，2000（9）：4.8 王为农，姜艳书，张洪福.改性聚丙烯纤维混凝土在防渗工程上的应用J.产业用纺织品，2000，18（1）：2.9 汪魁峰，夏海江，艾新春.聚丙烯纤维混凝土在渠道防渗工程中的应用J.人民黄河，2008，30（11）：2.10 张伟.改性聚丙烯纤维增强混凝土抗疲劳性能的研究 D.大连：大连交通大学，2008.11 蔡迎春，代兵权.改性聚丙烯纤维混凝土抗冻性能试验研究J.混凝土，2010（7）：3.参考文献 1 包承纲.非饱和土的性状及膨胀土边坡稳定问题J.岩土工程学报，2004（1）：1-15.2 姚海林，郑少河，李文斌，等.降雨入渗对非饱和膨胀土边坡稳定性影响的参数研究J.岩石力学与工程学报，2002（7）：1034-1039.3 缪林昌，仲晓晨，殷宗泽.膨胀土的强度与含水量的关系J.岩土力学，1999（2）：71-75.4 詹良通，吴宏伟，包承纲，等.降雨入渗条件下非饱和膨胀土边坡原位监测J.岩土力学，2003（2）：151-158.5 吕海波，曾召田，赵艳林，等.膨胀土强度干湿循环试验研究J.岩土力学，2009，30（12）：3797-3802.6 朱涛，许汉华，陈荣彬，等.云南保山市某地膨胀土工程特性研究J.江西建材，2022（1）：83-85.煤灰对胶砂试件抗压强度的影响。结合表5 可知，当粉煤灰与矿渣粉复掺替代30%基准水泥时，试件的14 d膨胀率均小于0.10%，满足规范要求，且此时其对试件抗压强度的影响较小。3 结论（1）粉煤灰、矿渣粉的掺入能有效抑制钨尾矿的碱活性，但粉煤灰对钨尾矿碱活性的抑制效果要远优于矿渣粉。当粉煤灰和矿渣粉复掺替代30%基准水泥时，试件的14 d膨胀率均小于0.10%，满足规范要求，且试件的膨胀率随着粉煤灰掺量的增加而降低。（2）粉煤灰的掺入会明显降低钨尾矿胶砂试件的抗压强度，而矿渣粉的掺入则会使钨尾矿胶砂试件的抗压强度呈先提升高后降低的趋势。粉煤灰与矿渣粉复掺替代30%基准水泥时，可有效降低粉煤灰对胶砂试件抗压强度的影响。参考文献 1 匡兵.钨矿尾矿在建材行业的综合利用J.砖瓦，2019（12）：77-79.2 匡敬忠，朱陆平，司加保，等.钨尾矿机械-化学活化及其与水泥水化反应机理J.材料导报，2021，35（13）：13018-13024.3 王笑圆.钨尾矿基复合掺合料制备工艺与活化机理D.赣州：江西理工大学，2022.4 朱街禄，肖莉娜,宋军伟.钨尾矿粉对水泥基材料性能和微观结构的影响J.非金属矿,2021，44（1）：66-69.5 胡泊，万振东，王斌云.钨尾矿基复合掺合料的制备及其性能研究J.江西建材，2020（9）：37-39.6 范佳乐.利用钨尾矿制备泡沫微晶玻璃的研究D.赣州：江西理工大学，2020.7 王凯文，黄景华，朱羽，等.添加造孔剂法制备钨尾矿多孔陶瓷J.高校化学工程学报，2022，36（6）：879-885.8 孙延飞，李双喜，陆瑶，等.骨料碱活性检验及抑制碱骨料反应的试验研究J.粉煤灰综合利用，2020，34（3）：72-74.9 翟祥军，邓拥军，张虹.掺合料的骨料碱活性抑制效能试验研究J.云南水力发电，2018，34（2）：56-59.（上接第34 页）（上接第31 页）