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2 0 1 0年第 1 期 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT P R0DUCTS 2 01 0 No1 Fe b r u a r y 聚丙烯纤维和引气剂对混凝土抗冻性能的影响 李光辉 ， 张 鹏 ， 赵 军 ( 1 河南省交通科学技术研究院有限公司， 郑州 4 5 0 0 0 6 ； 2 郑州大学 ， 4 5 0 0 0 1 ) 摘要 ： 通过冻融循环试验 ， 研究 了聚丙烯纤维和 引气剂掺量对混凝土质量损失 率及 动弹性模 量的影响 ， 分析了聚丙烯纤维 和引气剂对改善混凝土抗冻性能的机理 。 试验结果表明， 聚丙烯纤维和引气剂掺量一定 时， 抑制 了混凝土的剥落 ， 降低 了混凝土的 损伤速率 ， 显著提高了混凝土的抗冻融耐久性能。 关键词 ： 聚丙烯纤维 ； 引气剂 ； 混凝土 ； 冻融循环 中图分类号 ： T U5 2 8 文献标 识码 ： A 文章编号： 1 0 0 0 - 4 6 3 7 ( 2 0 1 0) 0 1 4 0 0 3 0前言 混凝土冻融破坏是引起混凝土结构老化病害 问题 的主要原 因之一 ，严 重影 响混凝土建筑物 的长期使用 和安全运行I I 1 。为使这些建筑 物继续发挥作用 ， 每年都 要消耗 巨额 的维修费用 。 因此 ， 开展混凝土冻融性 能的 研 究有其现实意义。 相关研究表 明 3 】 ， 将聚丙烯纤维掺 人混凝 土中可 以提高混凝土的抗冻 融耐久性 能。在实 际工程 中 ，通常采用掺加 引气剂来提高混凝土 的抗冻 融性能。 本文通过混凝 土试件 的冻融循环试 验 ， 探讨 了 聚丙烯纤维 和引气剂对混凝 土抗冻融耐久性能改善作 用的相互影 响。 1 试验概况 1 1 试验原材料 水泥 ： 4 2 5级普通硅酸盐水泥。 砂 ： 细度模数 2 6 ， 级配 良好。 石 ： 5 l O m m， 连续级配碎石 。 纤维 ： 聚丙烯纤维( 杜拉纤维 ) 。 混凝 土的基准配合 比见表 1 。 表 1 混凝土的基准配合比 k g m 。 1 - 2 试件制备 与养 护 冻融试验 以聚丙烯 纤维掺量 ( 0 , 0 6 k g m 3 , 0 9 k g m 和 1 2 k g m ) 、 引气 剂 掺量 ( 0 、 0 1 0 和 0 1 5 ) 和冻 融 循 环次数 ( 5 0次和 1 0 0次 ) 为变化 参数 ， 共 制作 了 9 0 个尺寸为 1 0 0 m m x 1 0 0 m mx 4 0 0 m m的混凝土试件 ， 试件 分组见表 2 。 试件成型后放人标准养护室， 养护龄期为 2 8 d。 1 - 3 试验方法及设备 冻融循环试验按照 水工混凝 土试验规 程) 4 J ( D L T 5 1 5 0 - 2 0 0 1 ) 中抗冻性 能试验 的快 冻法进行 ， 即一个循 环 2 5 4 0 h 其 中降温 1 5 2 5 h ， 升温 1 0 1 5 h ， 降 温和 4 0 表 2 试件分组情况 注：表 中试件编号 ， P代表 聚丙烯 纤维 ，后面两位数字为纤维 掺 量 ， 中间两位数字为引气剂掺量 ， 最后两个 数字为混凝 土强度等级。 比如 P 0 6 1 0 5 0表示 纤维掺量 为 0 6 k g m 、 引气 剂掺量为 0 1 o 、 强度 等级为 C 5 0的聚丙烯纤维混凝土。 升温终 了时试件 中心 的冻融 温度 为一 1 7 o C 2 8 2 c C， 一个冻融循环 时间 3 h左右 。试验 以三个试件 为一 组 ，试验 龄期 为 2 8 d 。到达试验 龄期前 4 d ，将试件在 2 0 3 的水 中浸泡 4 d 。试 件在冻 融试验过程 中处于 全浸泡水状态 ( 饱水状态) 。冻融试 验采用 质量损失率 和相对 动弹性模量进行衡量 。试验设备采用北京某公 司的 K D R V型快速冻 融试验机 ， 试件容量为 2 8 个 。 2试 验 结 果 及 讨 论 2 1 冻融后混凝 土质量损失率试验结果与讨论 ( 1 ) 聚丙烯纤维掺量对混凝土质量损失率的影 响 图 1表明 ， 引气剂掺量为 0 1 0 o 时 ， 掺人少量聚丙 烯纤 维 ( 0 6 k g m 。 和 0 9 k g m ) 对试件 的质 量损 失影 响 较小。当聚丙烯纤维掺量较大 ( 1 2 k g m ) 时 ， 试件 的质 量损失率明显增 大。 由图 2 可见 ， 引气剂掺量为 0 1 5 o 时 ， 随聚丙烯纤维掺量 的增加 ， 试件的质量损失率有所 增大 。 当聚丙烯纤维掺量为 0 6 k g , m 时 ， 对试件的质量 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李光辉， 张鹏 ， 赵军 聚丙烯纤维和引气剂对混凝土抗冻性能的影响 一 0 4 - 0 6 图 1 O-3 堡 0 2 褂 叭 O 0 次_ n 0 - ， 1 纤 维 掺 k 。 一 纤维掺量对质量损失率的影响 ( 引气剂掺量为 0 1 0 ) ， 一 。 。 纤 维 掺 量 (1 一 - 纤维掺量对质量损失率的影响 ( 引气 剂掺量 为 0 1 5 ) 0 0 1 0 0 1 5 引 气剂 掺量， 。 图 3 引气剂掺量对质量损失率 的影响 ( 聚丙烯纤维掺量为 0 9 k g m ) 损失率影响不大 ，但是 当聚丙烯纤 维掺量 为 O 9 k g m 和 1 2 k g m 。 时 ， 试件的质量损失率 明显增大 。 ( 2 ) 引气剂掺量对混凝土质量损失率的影响 由图 3可以看 出 ，当聚丙烯纤维 掺量为 0 9 k g , ， 时 ， 引气剂掺量 的变化对质量损失率有所影响 。 当冻融 循环次数 为 5 0次时 ， 掺入 0 1 0 。 的引气剂 的试件质量 损失率略有降低 ； 而引气剂掺量达到 0 1 5 。 时 ， 试件 的 质量损失率却有所增 加。 当冻融循环次 数为 1 0 0次时 ， 也显示出相伺 的规律 。 2 2 冻融后混凝土动弹性模 量试验结果 与讨论 ( 1 ) 聚丙烯纤 维掺量对 混凝 土 相对动弹 性模量 的 影响 由图 4和图 5可以看 出， 当冻融循环次数 为 5 0次 时 ， 随着聚丙烯纤维掺量的增加 ， 混凝 土试件 的相对动 弹性模量并没有发生明显的变化 ， 基本保持不变 。 而 当 冻融循 环次数 为 1 0 0次 时 ，未掺加 聚丙烯纤 维的试件 的相对动 弹性模量有较 大幅度 的下降 。 口 5 O次 冻融循 环 一 1 0 0次冻 融循 环 _ 0 0 6 0 9 1 2 纤维掺量 ( k g m 3 ) 图 4 纤维掺量对相对动弹性模量的影响 ( 引气 剂掺量 为 0 1 0 ) 口 5 0次冻融循环 1 0 0次 冻融循 环 0 0 6 0 9 1 2 纤维掺量 ( k g m 3) 图 5 纤维掺量对相对动弹性模 量的影 响 ( 引气剂掺量为 0 1 5 o ) ( 2 ) 引气剂掺量对混凝土相对动弹性 模量的影响 由图 6可以看 出 ，对于聚丙烯纤维掺量 为 0 9 k g m 的试 件 ， 当冻融 循环次数 为 5 0次和 1 0 0次时 ， 随着 引气剂掺量 的提高 ，试件的相对动弹性模量 的变化 幅 度很小 。 口 5 0次冻 融循 环 1 0 0次 冻融 循环 0 0 1 0 0 1 5 引气 剂掺 量 o 图 6 引气剂掺量对相对动弹性模量的影响 ( 聚丙烯纤维掺量为 0 9 k g m 3 ) 综上所述 ，聚丙烯 纤维和引气剂都对混凝土 的抗 冻融性能有一定的改善 ，二者的作用程度存在相互影 响。 当聚丙 烯纤维 和引气 剂的总量合理 时 ， 对提高混凝 一 41一 鲫 加 O 掣教需靛罂 O 8 6 4 2 O 2 1 0 O 0 O 0 褂水鞲础 加 加 O 融臀茛罂 柏 加 0 、 徊 ，敲需茛 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 1 期 混凝土与水泥制品 总第 1 7 1 期 土抗冻性能效果显著 ； 当二者的总量较大时 ， 对混凝土 的抗 冻融性能 的改善作用较小 ， 甚至会起反作用。 3 聚丙烯 纤维与引气剂对 混凝土抗冻性 能影响机理 分 析 混凝土冻融破坏首先表现 为表层剥落 ，由表及里 进行冻害损伤 。冻融循 环损伤 可看作蠕变损伤和疲劳 损伤的合成 ， 混凝土 中毛细孔 的孔径大小及数量 ， 是混 凝土抗冻融能力的主要影响因素。 在混凝土 中掺入少量的引气剂可 以改善混凝土 的 毛细孔结构及数量 ， 提高混凝土 的抗冻性能 。同时 ， 掺 入聚丙烯纤维后 ，可在混凝土 中形成均匀分布 的不相 连微孔 ，并在气液界面上堵塞或 阻断混凝土毛细孔渗 水通道 ， 改善混凝土的细观微孔结构 ， 延缓 因水结冰所 产生的膨胀应力 。 聚丙烯纤维不 仅抑制混凝 土的早期塑性 开裂 ， 阻 止混凝土内部微裂缝的扩展 ，限制混凝土基体破坏 的 进程 ， 而且抑制冻胀压力形成的裂纹 ， 使混凝土 的孔结 构和孔间隔满足抗冻性要求 ，水分在这种孔径范 围内 很难迁移到临近的孔隙 中去 ，冻融循 环时产生液体压 力就 比较难 ， 从而提高 了混凝土的抗冻融性能 。 4结论 ( 1 ) 当聚丙烯和引气 剂单独 掺人混凝土 中 ， 二者均 能改善混凝土的抗冻融性 能。 ( 2 ) 当聚丙烯纤维 和引气剂掺人混凝 土 中总量 合 理 时 ， 二者可 以明显提高混凝土 的抗冻融性 能。 ( 3 ) 当聚丙烯纤维 和引气剂掺入混凝 土 中总量 较 大 时， 二者对提高混凝土 的抗冻融性能作用较小 ， 甚至 具有反作用 。 参考文献 ： 【 1 】 金伟 良 赵羽 习 混凝土结构耐久性【 M】 北京： 科学 出版社 ， 2 0 0 2 2 王庆， 王 艳云， 邢 海峰 聚丙烯纤维混凝 土在低 温条件下力 学性 能 的研究【 J I 石河子大学学报 ( 自然科学版) ， 2 0 0 7 ， 2 5 ( 2 ) ： 2 2 9 2 3 1 【 3 黄功学 聚丙烯纤维混凝土 ( 砂浆 ) 物理力学性能 实验研究【 D 】 郑 州 ： 郑州大学 ， 2 0 0 5 0 5 【 4 J中华 人民共 和国水力行业标 准 D UT 5 1 5 0 2 0 0 1 水 工混凝 土试 验规【 s 】 北京 ： 中国电力出版社 ， 2 0 0 2 5 P i g e o n M， Ga g n e R ， A i t c u P F r e e z i n g a n d t h a w i n g t e s t s o f h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e 【 J 】 C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ，1 9 9 1 ，2 1 ：8 4 4 8 5 2 6 王立久， 袁大伟 关于混凝 土冻害机理 的思考 J 低温建筑技 术， 2 0 0 7 ( 5 ) ： 1 3 收稿 日期 ： 2 0 0 9 1 1 0 4 作者简介 ： 李光辉 ( 1 9 8 1 一 ) ， 男 ， 硕士 、 助理工程师。 通讯地址 ： 河南省郑州市二七 区航海中路 2 1 9号 联 系电话 ： 1 3 6 3 3 8 5 9 7 5 3 毒kr 夸 9 j盔 ，9kr 妊 毒 e j 专 坐宣 k 盅 宣kr 富拓 坐壹kr 窜kr 鹫已窖妊 夸 r 宣 啦啦宣 毫 r 业 自 业夸k一 坐 妊 I 括 业 - - _ w= - 夸 l ( 上接第 3 9页 ) 加以约束。 同时由于 P P纤维弹性模量小 、 延性 大 ， 在 承 受 冲击荷 载时可 以发挥 类似 于弹 簧的缓 冲作 用( 图 3 ) ， 将部分 冲击能转化为纤维的弹性势 能 ， 冲击荷 载结 束后弹性势能释放 ， 纤维 回弹 ， 使裂缝 回缩 。 4结论 ( 1 ) 掺入纤维对混凝土抗压强度提高不明显 ， 但 能 增强其整体性 ， 可有效抑制裂缝 的进一 步开展 。 ( 2 ) 掺人 纤维可 明显 提高混凝土 的劈裂抗拉 和抗 折强 度 ， 其 中混合纤 维的提高 幅度更 为显著 ， 配 比 3 0 0 3 0 1的混凝 土 较素 混凝 土 的劈 裂抗 拉 强度 可提 高 4 4 3 4 ， 抗折强度提高 4 9 0 5 ， 为较优 的纤维配比。 ( 3 ) 混合纤维可 以较大幅度地 提高混凝 土的抗冲 击性 能 ，配 比 1 5 1 5 ， 3 0 1的混凝 土 比素混凝土 的抗冲 击性能提高 7倍多。 ( 4 ) 在设计混合纤维 配合 比时 ， 应综合考虑混合效 应系数和各单掺纤 维混凝 土的力学性能参数 。 参考文献 ： 1 】H F a l k n e r ， Z Hu ang a n d M T e u t s c h ： C o m p ara t i v e S t u d y o f P l a i n a n d S t e e l F i b e r R e i n f 0 r c e d C o n c r e t e G r o u n d S l a b s f J C o n c r e t e 一 4 2一 I n t e r n a t i o n a l ，T h e Ma g a z i n e o f A C I ，D e t mi t ，U S A ，Vo l u me 1 7 ( 1 ) ， J a n u a r y 1 9 9 5 ： 4 5 5 1 2 徐至钧 纤维混凝土技术及应用 M】 北京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 3： 2 4 5 9 3 闻荻江 复合材料原理【 M 武汉工业 大学出版社 ， 1 9 9 8 4 张平 中， 黄新华 ， 李文华 钢一 聚丙烯混 杂纤维 混凝 土抗 冲击 强度 研究m 山西 建筑 ， 2 0 0 7 ( 3 3 ) ： 3 3 【 5 王成启 ，吴 科如 不同几何尺寸纤 维混杂混凝土 的混 杂效应【 J J 建筑材料学报 ， 2 0 o 5 ： 第 8卷第 3期 6 华渊 ， 连 俊英 ， 周太全 长径 比对混杂 纤维增强 混凝土力学性 能 的影响【 J J 建筑材料 学报， 2 0 0 5 ： 第 8卷第 1期 7 】 沈荣熹 ， 崔琪 ， 李 清海 新型纤维增强水泥基复合材料【 M 中国建 材工业 出版社 ， 2 0 0 4： 5 9 一 g 5 收稿 日期 ： 2 0 0 9 - 1 2 - 1 1 作者简介 ： 刘冬( 1 9 8 4 一 ) ， 男， 硕 士研究生 。 通讯地址 ： 上海交 通大学 B 0 7 0 1 0 9 5 联系电话 ： 1 3 9 1 6 1 7 6 3 6 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m