聚丙烯纤维复合胶粉改性混凝土的抗冻性能.pdf

2 0 1 4年第 1 1 期 1 1月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEM ENT 2 01 4 No 1 l No v e mb e r 聚丙烯纤维复合胶粉改性混凝土的抗冻性能 伏 利鹏 ， 杨建森 ， 冯紫荻 ， 杨福强 ， 郑小军 ( 宁 夏大学 土木 与水 利 学 院 ， 银川 I 7 5 0 0 2 1 ) 摘要 ： 针 对冻融造成 的混凝土路 面剥蚀 问题 ， 采 用聚丙烯纤维与聚合物胶粉 和硅 粉复合对混 凝土进行 改性 ， 应 用正交试 验方案研 究 了胶粉掺量 、 硅粉掺 量、 纤维掺量 以及纤 维长度四 个参数对 聚丙烯 纤维复合胶粉 改性 混凝土 的抗 冻性 能的影响 。结果表 明 ， 纤维掺 量 0 3 ， 纤维长度 6 ram， 胶粉含量 1 0 ， 硅粉掺 量 2 5 的聚丙烯纤 维复合胶 粉 改性 混凝土的抗冻性能最优 ； 胶粉在 水泥水化 同时形成乳胶 薄膜和引入气体能大幅度的提 高混凝土的抗冻性 ； 硅 粉 能有效的改善 混凝土 内部的孔结构 ， 提 高抗冻性 ； 聚 丙烯 纤维 配合胶粉 能减轻胶粉在 混凝 土 出现微 裂缝 时所受的 拉 应力 ， 从 而有效延 长混凝 土的抵 抗冻融破 坏的时间。 关 键 词 ： 抗 冻 性 ； 胶 粉 ； 聚 丙烯 纤 维 ； 正 交 试验 ； 动 弹模 量 衰 减 率 Abs t r a c t ：Fo r t h e ma t t e r o f t he c o n cr e t e pa v e me nt d e nu da t i o n c a us e d by f r e e z i n gt ha wi ng ，a me t ho d i s a do pt e d t o mo d i f y t h e c o n c r e t e b y c o mp o u n d i n g t h e p o l y p r o p y l e n e fi b e r p o l y me r l a t e x p o wd e r a n d s i l i c a p o wd e r T h e i n fl u e n c e s o f t h e f o u r pa r ame t e r s o f t h e co nt e nt o f l a t e x p o wd e r ，t h e s i l i c a po wde r a n d fibe r a nd t he l e n g t h o f fibe r o n t h e f r e e i ng r e s i s t a n e e o f p o l y p r o p y l e n e fi b e r c o mp o s i t e p o wd e r mo d i fi e d c o n c r e t e a r e s t u d i e d b y o r t h o g o n a l e x p e r i me n t s T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e fre e z i n g r e s i s t a n c e o f p o l y p r o p y l e n e fi b e r c o mp o s i t e l a t e x p o w d e r mo d i fi e d c o n c r e t e i s o p t i ma l w h e n t h e c o n t e n t s o f fi b e r 1 a t e x p o wd e r a n d s i l i c a p o wd e r a r e r e s p e c t i v e l y 0 3 1 0 a n d 2 5 a n d fib e r l e n g t h i s 6 mm L a t e x p o w d e r c a n s i g ni fic a n t l y i mp r o v e t h e f r e e z i ng r e s i s t a n c e o f c o nc r e t e b y f o r mi ng t h e l a t e x t h i n fil m a n d i n t r o d uc i n g g a s whi l e t h e e e me n t h y d r a t e s S i l i c a f u me c a n e n h a n c e t h e fre e z i n g r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e b y i mp r o v i n g t h e p o r e s t r u c t u r e o f i n t e r n a l c o nc r e t e P o l y p r o py l e ne fib e r wi t h l a t e x po wde r c a n a l l ev i a t e t h e t e ns i l e s t r e s s o f l a t e x po wde r whe n t he mi c r o c r a c k s O C c ur i n c on c r e t e S O t h a t i t c a n e f f e c t i v e l y p r o l o n g t h e t i me o f r e s i s t a nc e o f f r e e z i ng t h a wi n g da ma g e Ke y wo r d s ：F r e e z i n g r e s i s t a n c e ；L a t e x p o w d e r ；P o l y p r o p y l e n e fi b e r ； Or t h o g o n a l e x p e r i me n t ； At t e n u a t i o n r a t e o f d y na mi c el a s t i c mo dul us 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7( 2 0 1 4) 1 1 4 9 0 3 O前 言 冻融作用 和盐侵蚀是盐碱寒 冷地 区混凝土耐 久性失效 的主要原 因。冻融循环是一个物理过程 ， 受冻融循环作用而破坏 的混凝土一般表现 出疏松 、 剥 落 、 骨 料 外露 ， 甚 至露 筋 等现 象 I l _ 。在 我 国 内陆寒 冷 盐碱 地 区 ， 由于 冻 融 造成 水 泥 混凝 土 路 面 剥蚀 和 混 凝土 内部 强度 损 失 问题 已经非 常严 重l 2 。 由于聚合物乳胶在水泥水 化的同时容易形成 凝 聚性 的薄 膜 ， 这 种 具 有柔 韧 性 的 聚合 物 膜 能够 阻 止毛细孔对水的吸收和渗透 、 在混凝土产生微裂缝 时阻止水分 的传输及其具有 的引气性质_5 - 7 ， 改善 了 混凝土的韧性和体积稳定性 。因此 ， 聚合物改性混 凝土被广泛应用 于混凝土路面等的修复。聚合物混 凝 土 是 复杂 的多相 复合 材料 ， 其 结构 的形 成 受 聚合 物 表面 活性 及其 对 混凝 土 的塑化 作 用影 响 。如果直 基金 项 目： 国家 自然 科学基 金资助 项 目( 5 1 1 6 8 0 4 1 ) ； 教育 部 “ 长 江 学 者 和 创 新 团 队 发 展 计 划 ”创 新 团 队 资 助 项 目 ( I RT1 0 6 7 ) 。 接使用聚合物作 为水泥基材料的改性剂 ， 则会使聚 合物水泥混凝土的含气量较高 ， 这对聚合物改性混 凝 土 硬化 后 的性能 非 常 不利 ， 而硅 粉 的掺入 对 ? 昆凝 土内气泡结构具有一定改善作用罔 。因此 ， 本文选用 聚丙 烯 纤 维 与 聚 合 物胶 粉 和 硅 粉 复 合 对 混 凝 土 进 行改性 ， 并将这种混凝土称为聚丙烯纤维复合胶粉 改性混 凝 土 。在 基 于静水 压理 论 和渗 透压理 论 对冻 融破 坏机 理 的解 释 上 ， 以混 凝 土动 弹模 量 衰减 率 为 评价指标 ， 对剥蚀水泥混凝土路面罩面修复材料 聚 丙烯纤维复合 胶粉改性混凝土抗冻性能进行研究 分析 ， 以期探明和认识聚丙烯纤维复合胶粉改性混 凝土 的抗 冻性 能 。 1 试验 材 料与试 验 方案 1 1 试 验材 料 水泥 ： P 0 4 2 5 R水泥，各项技术指标符合国家 规范要求 ； 砂 ： 中砂 ， 细度模数 2 3 2 ， 满足 区级配 ， 含泥 量 2 0 ； 碎 石 ： 最 大粒 径 1 0 ra m， 级 配 良好 ； 乳 胶 粉 ：德国产醋酸乙烯酯一 乙烯共聚物乳胶粉 5 0 4 4 N； 4 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 1 1 期 混凝土与水泥制品 总第 2 2 3期 硅 粉 ： 比表面积 1 8 0 0 0 m k g ， 活性指数 ( 2 8 d ) 1 2 1 ； 纤维 ： 泰安某公 司产聚丙烯单丝纤维 ， 断面为圆形 ， 当量长度分别为 6 ra m、 9 ram、 1 2 m m。 1 2 试 验方 案 采用水胶 比为 0 4 、砂率为 3 6 的 四因子三水 平的正交试验方案。其中硅粉和胶粉的掺量 以其 占 胶凝 材 料 总质 量 的 百分 比计 取 ， 纤 维 掺 量 以其 占混 凝土体积百分 比计取 ， 各因素及水平分布见表 1 。 表 1 正交试验方案设计 注 ： 括 号 内 的 字母 和数 字 分 别 为 各 因 素 及 各 水 平 的 编 号 。 1 3试 验方 法 冻融性能试验依据 G B T 5 0 0 8 2 2 0 0 9 普通混 凝土长期性能和耐久性能试验方法 进行 。采用共 振法混凝土动弹性模量测定仪测试混凝土动 弹性 模量 ， 每 2 5冻融循环测定一次。为了研究非显著冻 融破坏情况下聚丙烯纤维复合胶粉改性混凝土 的 抗冻性质 ， 本试验冻融循环终止次数为 1 7 5次。 为 了提高纤维的分散均匀性 ， 减少骨料和纤维 间的摩擦对纤维强度的影响 ， 混凝土拌合程序设计 为先 将 水 泥 、 胶粉 、 硅 粉 与 纤 维 干 拌 3 0 s ， 再 加 入粗 细集料干拌 3 0 s ， 最后加入水拌合 1 5 0 s 。 2 试 验 结果 与讨 论 2 1 动弹模量及动弹模量衰减率 对混凝土试件每 2 5个冻融循环进行一次动弹 模量测定 ， 结果见表 2 。 通过计算得到聚丙烯混凝土 动弹模量衰减率 ， 1 7 5次内动弹模量衰减率见图 1 ， 从中可看 出各组试件动弹模量衰减率变化特点。 从图 1中可看 出， Z J 1 、 Z J 6 、 Z J 8组在 2 5次冻融 循环后动弹模量衰减率较其他组高 出 2倍 以上 ， 结 合表 2 ( Z J 1 、 Z J 6 、 Z J 8组 的胶粉掺量为 0 ) 可 以推断 ： 胶粉可明显改善混凝土的抗冻性能。在第 5 0次冻 融循环后 ，各组试件动 弹模量衰减普遍加快 ， Z J 1 组动弹模量衰减速度最快 ；第 7 5次冻融循环成为 各组动弹模量加速和减 速衰减 的分水岭 ，到达 7 5 5 0一 表 2 各组试件不 同冻融循环次数 的动弹模 量 编号。次2 s次s 。次 7 s次 4 4 5 4 4 2 4 0 4 0 5 2 3 6 6 7 3 6 1 2 3 5 6 3 3 5 0 9 3 45 5 3 9 1 0 3 8 6 1 3 7 6 3 3 7 0 5 3 6 4 8 3 5 9 3 3 5 3 5 3 47 9 3 6 6 5 3 6 3 5 3 5 5 0 3 4 4 1 3 4 4 8 3 4 5 2 3 4 5 9 3 4 6 5 4 0 2 9 3 9 5 3 3 9- 3 2 3 8 -3 O 3 6 7 8 3 5 - 2 9 3 3 8 O 3 2- 3 1 3 6 8 9 3 6 2 7 35 79 3 5- 37 3 4 2 7 3 3I 2 0 32 09 3 101 44 3 4 42 77 42 56 40 8 6 3 9 7 2 38 5 7 37 42 3 6 27 3 6 8 1 3 6 1 9 3 6 O 7 3 5 21 3 5 5 9 3 5 9 2 3 6 2 9 3 6 6 6 4 4 7 3 4 3 1 5 4 2 5 4 4 0 0 4 3 9 2 2 3 8 4 2 3 7 5 7 3 67 7 4 0-32 3 9 6 8 3 9 3 5 38 21 3 6 5 7 3 4 9 2 33 2 6 3 1 6 3 斟 餐 1 蜒 鞋 需 2 5 5 0 7 5 l o o 1 2 5 1 5 0 1 7 5 冻 融次 数， 次 图 1 各 组 混 凝 土 试 件 动 弹 模 量 衰 减 率 变 化 曲线 次冻融循后至 1 7 5次循环 ，第 Z J 3组和第 Z J 7组 的 动弹模量减速衰减 ，而其它各组仍在加速衰减 ， 并 且速率不尽相同。因此可以认为 ， 胶粉和硅粉的共 同作用很好地减缓了动弹模量的衰减 。 2 2 动弹模量衰减率直观分析 对第 1 7 5次动弹模量衰减率进行极 差法直 观 分析 ， 结果 见 表 3 。 由表 3中 R值大小可以看出 ， 胶粉对混凝土动 弹模量衰减率 的影响最大 ， 硅粉次之 ， 纤维 掺量第 三 ， 纤维长度最小。动弹模量衰减率越小 ， 就说明其 抗冻性能越好 ， 因此 ， 在直观分 析中各因素的最优 水平选取衰减率最小值所对应的水平。从图 2可看 出 ，动 弹模量衰减率 随着胶 粉掺量的增加急剧减 小 ， 在水平 3时衰减率达到最小 ， 从水平 l到水平 3 ， 衰减率减小了 6 4 4 ， 由此可以推断 ， 胶粉能很好 地改善混凝土抗冻性能 ；随着硅粉掺量 的增加 ， 动 表 3 动弹模量衰减率极差分析 表 注 ： 动弹模 量衰减率= ( 初始动 弹模量一 各次冻融后 动弹模量 ) 初始动弹模量 1 0 0 。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 O O O O 0 0 0 O O 0 O 0 O 加 埽 m 6 4 2 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 伏利鹏 ， 杨建森 ， 冯紫荻 ， 等 聚丙烯纤维复合胶粉改性混凝土的抗冻性能 料 1 挺 融 帽 图 2各 因 素对 混 凝 土 动 弹模 量 衰 减 率 的影 响 弹模量衰减率先 急剧减小后又 以略小 于其减小 的 速率 反增 ， 在水平 2时衰减率最 小 ； 随聚丙烯纤 维 掺量增加 ， 动弹模量衰减率先增加 ， 后减小 ， 水平 2 时出现拐点 ，水平 1和 3时的衰减率接近一致 ； 而 随着纤维长度 的增长 ， 动弹模量衰减率有所增加但 很 微 弱 。 由以 上分 析可 看 出 ， 最优 组 为 A I B I C 3 D 2 。 由于纤维掺量对混凝土动弹模量衰减率影 响在水 平 1和水平 3时非常接近 ， 因此 ， 最优组合选 用正 交 试 验方 案 A 3 B 1 C 3 D 2 ， 即 Z J 7组 ， 这 与 图 1中 Z J 7 组 的衰减曲线反映出的抗冻融优势完全一致 。 2 - 3 抗 冻机 理分 析 根据 静 水压 理论 和 渗透 压理 论， 在 混凝 土 冰 冻过程 中， 孔隙中的部分溶液结冰膨胀 ， 这就使得 孔 中未结冰的溶液从结冰 区向外迁移 ， 在流动过程 中克服粘滞阻力 ， 从 而产生静水压力 ， 而静水 压力 随着孔隙中溶液流动长度 的增加而增加 ， 当静水压 力超过 了混凝土 自身的抗拉强度时 ， 就会使混凝土 内部产生微裂缝 ， 在冻融循环作用下会使混凝土破 坏 。另外 ， 在冰冻时较大孔隙中的溶液部分结冰 ， 使 得未冻溶液中的钾 、 钠 、 钙等盐离子浓度上升 ， 与周 围小孔隙中的溶液之间形成浓度差 ， 从 而使小孔 中 溶 液向已有部分溶液冻结 的较大孔 隙渗透 。同时 ， 由于小孔 中的冰点相对较低 ， 蒸汽压较小 ， 使得小 孑 L 隙中的溶液向毛细孑 L 中冰水界面渗透 ， 浓度差和 蒸 汽压共同作用形成渗透压力 ， 当压力超过混凝土 自身抗拉强度 时 ， 就造成混凝土的破坏 。由于胶粉 是 热塑性聚合物并具有 引气性质 ，在水泥水化 同 时 ， 聚合 物胶 粉颗粒间的水遭到排泄 ， 使得胶粉颗 粒 紧密结合 ，从而在毛细孔 的表面和浆体一 集料 的 界面形成均匀连续 的薄膜 ， 这种薄膜的形成能阻止 水在毛细孑 L 中渗透及毛细孑 L 对水的吸收 ， 降低毛细 孔渗透压 ， 从而大幅度提高混凝土 的抗冻性 。与此 同时 ， 硅粉的掺入使小气泡相对较多 ， 大气泡减少 ， 气泡 的间距下降 ， 避免 了 自由水通道 的形成 ， 提高 了抗 冻性 。另 外 ， 聚丙 烯 纤 维 在 混凝 土 冻 融 的 同 时 产生抑制混凝 土冻裂 的拉 力 ，即使 有微裂缝的 出 现 ， 跨接于裂缝间聚合物膜也不容易被破坏 ， 这使 其能够继续发挥阻止水分传输 的作用 ， 从而有效提 高抗冻性。 3结论 ( 1 ) 胶粉对混凝 土动弹模量衰减率影 响最 大 ， 硅粉次之 ， 纤维掺量和纤维长度影响相对较弱。配 置参 数 为纤 维 掺 量 0 3 ， 纤 维 长度 6 ra m， 胶粉 含 量 1 0 ， 硅粉掺量 2 5 的聚丙烯纤维复合胶粉改性混 凝 土 抗冻 性能 最优 。 ( 2 ) 胶粉掺量从 0增加 到 1 0 ， 混凝土动弹模 量衰减率减小 6 4 4 ，表明胶粉能很好地提高混凝 土抗冻性能 ， 硅粉掺量为 2 5 时对混凝土抗冻性能 最 为有利 。 ( 3 ) 胶粉提高混凝土的抗冻性与其在水泥水化 同时成 膜 和 引气 的性 质 有 密 切关 系 ， 而 硅 粉 提 高混 凝土抗冻性主要是其对孔结构的改善作用 ， 纤维能 够减轻胶粉在混凝土出现微裂缝时所受的拉应力 ， 从而有效延长混凝土抵抗冻融破坏的时间。 参 考 文 献 ： 【 1 】 杨建 森 盐碱溶 液对混 凝土抗 冻性能 的影 响 J 1 宁夏 大学 学报： 自然科学版， 2 0 0 6 ( 2 ) ： 8 4 8 7 2 杜鹏， 姚燕， 王玲， 等 基 于冻融损伤 的混凝土 寿命 预测研究 进展l J 1 长江科 学院院报， 2 0 1 4 ( 4 ) ： 8 1 8 8 3 牛全林， 冯乃谦， 张 明辉 盐碱 环境 中混凝 土路桥材料 的耐 久性问题f J 混凝 土与水 泥制品， 2 0 0 4 ( 1 ) ： 4 9 5 1 【 4 李泽 良， 颜军 恶 劣环境下混凝 土工程 的耐久性 问题 J 】 河 南 建 材 ， 2 01 3 ( 4 ) ：3 9 4 5 5 姚红 云， 梁乃兴， 孙 立军， 等 羧基丁苯 聚合物 改性混凝土性 能及其机理【 J J 建筑 材料 学报，2 0 0 5 ( 1 ) ： 3 3 3 9 【 6 李韬文， 李九苏， 杨姗姗 聚合 物胶粉和 纤维素醚 提高水泥 砂浆性能研究 J 】 公路与汽运， 2 0 1 0 ( 1 ) ： 9 2 9 6 7 】肖力 光， 周 建成 可再 分散乳 胶粉对建 筑砂 浆性能 的影响 f J 1 吉林建筑工程学院学报， 2 0 0 2 ， 1 9 ( 4 ) ： 1 9 2 4 8 范沈抚高强硅 粉混凝 土抗 冻性及气 泡结构 的试验研究 f J 水 利学报， 1 9 9 0 ( 2 ) ： 2 0 2 5 【 9 】 P o w e r s T C A Wo r k Hy p o t h e s i s f o r F u r t h e r S t u d i e s o f F r o s t Re s i s t a n c e o f Co n c r e t e AC I J o u r n a l ， 1 9 5 4 ， 4 1 ： 2 4 5 2 7 2 【 1 0 P o w e r s T C H e l i n u t h R A T h e o r y o f v o l u m e C h a n g e s i n Ha r d e n e d C e me n t P a s t e Du r i n g F r e e z i n g P r o c e e d i n g o f t h e Hi g h wa y R e s e a r c h Bo a r d ，1 9 5 3 ， 3 2 ：2 8 5 2 9 7 收 稿 日期 ： 2 0 1 4 0 7 2 5 作者简介 ： 伏利鹏 ( 1 9 8 8 - ) ， 男 ， 硕士研究生 。 联系电话 ： 1 3 8 9 5 1 9 5 7 4 9 E- ma i I ： n x f l pl 9 8 8y e a h n e t 通讯作者 ： 杨建森 ， 教授 。 E - ma i l ： y J s 5 0 8 1 6 3 c o m 一 51 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m