聚丙烯纤维增强自密实混凝土的力学与抗裂抗渗性研究

聚丙烯纤维增强自密实混凝土的力学与抗裂抗渗性研究

自密实混凝土是指即使在密集配筋条件下，仅靠混凝土自重无需振捣便能均匀密实成型的高性能混凝土，能解决传统混凝土施工的漏振、过振以及钢筋密集难以振捣等问题，可用它成型普通混凝土难以实现的形状复杂、振捣困难的薄壁结构，且施工自动化程度高，能提高混凝土的施工效率、缩短工期。

为克服混凝土抗拉强度较低、易开裂的缺陷，人们研究和应用了各类纤维增强混凝土。纤维增强混凝土可以看作是混凝土与相对较短的、离散的、不连续纤维的复合体。虽然混凝土的强度可能因纤维的掺入而适度地增加，但纤维的掺入不是以提高混凝土的强度为主要目的，而是通过硬化混凝土内纤维的交错桥接作用，改善混凝土的韧性和抗冲击性，控制混凝土的开裂、抑制塑性收缩、提高混凝土的抗裂抗渗性，进而达到更高的防水要求。

但纤维的加入使新拌混凝土的粘聚性增大、坍落度和流动度下降，和易性受到影响，而良好的和易性与免振自流平性是自密实混凝土最突出的特点。解决上述矛盾，将自密实和纤维增强两种混凝土技术很好地结合起来，对更好地将混凝土应用于特殊工况、抗渗抗裂要求较高的工程或修复工程有着重要意义。因此，本文着重研究不同聚丙烯纤维掺量下自密实混凝土的配制方法及纤维对自密实混凝土力学与抗裂抗渗性的影响。

1 试验研究

1.1 原材料

水泥(C)：42．5普通硅酸盐水泥，28 d抗压强度为46.3 MPa。

细集料：湖南湘江河砂，中砂，细度模数为2.7，Ⅱ区级配合格。

粗集料：湖南长沙市郊产5～20 mm石灰石碎石．压碎指标为7.8%。

掺合料：粉煤灰为湖南湘潭电厂I级粉煤灰，烧失量为3.5%，比表面积为5 400 c㎡／g；磨细矿

渣来自萍乡钢铁厂，比表面积为4200 c㎡／g，烧失量为3.5%。

高效减水剂：上海花王化学有限公司生产的聚羧酸盐高效减水剂。

纤维：聚丙烯纤维．长度19 mm，主要技术指标见表1。

表1聚丙烯纤维的性能指标

1.2混凝土配合比

自密实高性能混凝土基准配比：水胶比0.30，胶凝材料用量500 kg／m3．其中粉煤灰占胶凝材料的15%，磨细矿渣占胶凝材料的30%，砂率45%，细集料。765 kg／m3，粗集料935 kg／m3，高效减水剂为胶凝材料用量的O．8%～1.2%。在保持以上配比的基础上改变聚丙烯纤维的掺量，分别为0、0.6、0.9、1.2、1.8、2.4 kg／m3。

1.3混凝土拌合方法

先将纤维与砂、石、水泥干拌1.5 min，再加水湿拌，使纤维均匀分布于混凝土中，全部搅拌时间较拌制普通混凝土延长1～2min。

1.4试验方法

1.4.1新拌混凝土自密实性检测

新拌混凝土自密实性检测包括：填充性、间隙通过性、抗离析性。填充性采用坍落度筒法测试新拌混凝土坍落度(S)和坍落扩展度(SF)，并分别于拌合后的l～2 h再测试一次坍落度值，确定坍落度经时损失大小。间隙通过性和抗离析性采用U型仪，润湿U型仪，将前槽填满抹平，静置1 min，提起闸板使混凝土流进后槽，当停止流动后，分别测量前后槽混凝土的高度，计算填充的高度差△h。当新拌混凝土的SF≥550 mm、△h≤30 mm时，则满足自密实性的要求。

1.4.2混凝土抗压、劈裂抗拉强度、弹性模量试验

试验按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB／T 50081—2002)进行。抗压、劈裂试件尺寸为150mm×l50 mm×150 mm，成型1 d后拆模。放入标准养护室养护到龄期取出测试。弹性模量试验试件尺寸100 mm×l00mm×300 mm，取应力为1／3轴心抗压强度时的加荷割线模量。

1.4.3混凝土抗渗性试验

1.4.3.1 混凝土抗水渗透性试验

试验采用顶面直径为175 mm、底面直径为185mm、高度为150 mm的圆台体试件，6个试件为l组。成型24 h拆模,用钢丝刷刷去两端面水泥浆膜．送入标准养护室养护28 d后进行试验。试验时水压恒定控制为(1．6_+0．05)MPa／24 h，如试件端面出现渗水(此时渗水高度为试件高度)，即停止试验并记录时间；端面未出现渗水，则渗水试验24 h后停止，取出试件，沿纵断面劈裂为两半，用墨汁描出水痕。用尺沿水痕等间距量测lO点渗水高度值，读数精确至lmm。计算6个试件渗水高度的算术平均值。即为该组试件的平均渗水高度。

1.4.3.2 NT BUILD 492非稳态氯离子迁移渗透试验

成型150 mm×150 mm×300 mm试件，钻芯取直径(100±1)mm、高度(50±2)mm的圆柱体，养护28 d后进行测试。测试前，将试件真空处理3 h，注入饱和石灰水后继续保持1 h真空，然后试件继续浸泡在溶液中(18±2)h(阴极溶液为浓度10%的NaCl，阳极溶液为浓度0.3 M的NaOH。试件外表面浸在阴极溶液中)，试验温度保持在20～25℃。通电测初始电流以确定测试电压及持续通电时间。通电结束，用自来水冲洗试件，轴向劈开后，喷浓度为0．1 M的AgNO3溶液，约15 min后白色AgCl在劈裂面可见时，从中间至两边每间隔10 mm共测量7个渗透深度，精确到0．1 mm。

1.4.4混凝土抗裂性试验

采用平板抗裂性试验方法评价混凝土的抗裂性能，试件尺寸600 mm×600 mm×63 mm，浇筑后用塑料薄膜覆盖，初凝后揭去薄膜，用风扇吹平板试件，观察平板表面裂缝的发展过程。从浇筑起，记录到24h，以初裂时间、裂缝长度和宽度、裂缝面积和外观等作为试件混凝土抗裂性的评价指标。

2 试验结果与分析

2.1 纤维自密实混凝土的配制与调整

限于篇幅．本文省略纤维增强自密实混凝土配制与调整的试验与分析过程，试验结果表明：随着自密实混凝土中纤维掺量的增多，混凝土的工作性降低进而失去自密实性，但通过调整各组分配比，在满足强度要求的前提下，可使纤维掺量较多的新拌混凝土重新达到白密实性，实现自密实与纤维增强两种混凝土技术的结合。而且在实际配制过程中，几种措施可以结合起来从而满足自密实性与纤维增强的要求。

2.2聚丙烯纤维对混凝土力学性能的影响

通过调整高效减水剂的用量，使各纤维掺量的新拌混凝土达到自密实性。试验结果表明：随着纤维掺量的增加，混凝土3 d、7 d、28 d的抗压强度呈大致相同的变化趋势：当聚丙烯纤维掺量较低时(小于0.6 kg／m3)，混凝土的抗压强度略有提高；聚丙烯纤维掺量较高时，混凝土抗压强度略有降低。总之，纤维掺量对混凝土抗压强度的影响不大。劈裂抗拉强度随着纤维的增多而逐渐提高，但当大于1.2 kg／m3时，混凝土劈裂抗拉强度变化趋于平缓。混凝土弹性模量则随聚丙烯纤维掺量的增加呈下降趋势。

聚丙烯纤维对混凝土力学性能的影响源于其阻裂效应和弱界面效应的共同作用。阻裂效应是指分散的纤维减缓粗集料的下沉和水的上升，从而阻碍沉降裂缝的形成，控制混凝土硬化初期由于离析、泌水收缩等因素形成的原生裂隙并减小其数量和尺度，这对混凝土后期力学性能是有利的。弱界面效应是由于聚丙烯纤维细度高、比表面积大、不亲水，使混凝土中形成大量纤维一混凝土基体界面，该界面具有比基材更高的水灰比，导致混凝土孔隙率增大．对混凝土力学性能产生不利影响。随着纤维掺量的增加，纤维在混凝土基体的均匀分散性变差，弱界面效应变得更明显。因此试验中纤维掺量较低时(小于0.6 kg／m3)，纤维的阻裂效应大于弱界面效应，使得混凝土的抗压强度略有提高。当纤维掺量较高，尤其是大于1.2 kg/m3时，纤维对混凝土的弱界面效应大于阻裂效应。使得抗压强度有所降低。由于纤维的阻裂桥接交错作用，劈裂抗拉强度呈上升趋势，但当纤维掺量大于1.2 kg/m3时，纤维对混凝土抗劈裂强度的阻裂效应与弱界面效应相当．此时混凝土的抗拉强度没有得到相应的增加而呈平缓的变化趋势。

2.3 纤维对混凝土抗裂抗渗性的影响

试验表明：随着纤维掺量的增加，混凝土的抗裂性增强，出现裂缝的时间变晚，裂缝变少且变细。当纤维掺量在1.2 kg/m3时．裂缝面积仅为未掺加纤维混凝土的4.4%，且没有出现大于lmm的裂缝(见表2)。抗渗试验中(表3)，混凝土的渗水高度随着纤维掺量的增加而降低，说明混凝土的抗渗透性得到了增强。但当纤维掺量大于1.8 kg／m3时，渗水高度反而逐渐增大。混凝土的抗渗透性呈下降趋势。混凝土的氯离子渗透系数也呈大致相同的变化趋势，这说明抗氯离子渗透与抗水渗透试验具有较好的相关性。但在混凝土氯离子渗透试验中，纤维掺量为0.9 kg／m3的混凝土抗氯离子渗透性最好，随着纤维掺量的进一步增加，氯离子渗透系数逐步提高；当纤维掺量为2.4kg／m3时，氯离子渗透系数反而高于未掺纤维的混凝土。从表3中也可看出，混凝土氯离子渗透试验较抗水渗透试验对于纤维掺量的变化更敏感。

刚浇筑的混凝土表面水分大量蒸发，尤其在烈日照射或大风吹刮下，表面水分蒸发更为快速．使得表面产生收缩，但由于受到内层混凝土的限制而使表面混凝土产生拉应力，而处于塑性状态与硬化初期阶段的混凝土尚未具有足够的强度抵抗该拉应力．故表在的工况下，纤维的最佳掺量范围为0.9～1.2 kg／m3；在有氯离子迁移渗透的工况下，纤维的最佳掺量范围为0.6～0.9 kg／m3。

面极易产生大量不规则无固定取向的裂缝。若在混凝土中掺加适量非常细的聚丙烯纤维，每m3混凝土中均匀散布3 000万～6 000万根纤维，就可以在混凝土基体中形成均匀分布的三维网格结构，增强混凝土抵抗因收缩而产生微裂缝的能力，从而抑制裂缝的生成与发展，使纤维自密实混凝土的抗裂性得到大幅增强。纤维自密实混凝土中由于纤维能减少水泥浆与集料的离析倾向，提高整体的均匀性，减少内部裂缝和渗水通道，短纤维的三维乱向分布阻断混凝土内的毛细作用，因此可以提高混凝土的抗渗性能【6。对于水渗透和氯离子渗透性试验，当纤维掺量分别大于1.8 kg／m3和0.9 kg／m3时，抗渗透性呈下降趋势。这主要是随着纤维掺量的增加，纤维分散不均匀，与混凝土基体形成更多的泌水区，这些泌水区水灰比较大，从而形成更多的微裂缝和离子进入通道；同时，更多的纤维使混凝土工作性下降，在不振捣的情况下，混凝土硬化后密实性降低、弱界面增多，导致混凝土的抗渗性下降。因此，对于抗渗性来说，聚丙烯纤维掺量不是越大越好。至于为什么水渗透试验比氯离子渗透性试验所得出的最佳纤维掺量要大，主要是由于水渗透试验所施加的应力有利于激发纤维对混凝土基体的阻裂和增强效应，导致最佳掺量偏大。这也得出不同工况下聚丙烯纤维的最佳掺量范围：在有压力水存在的工况下，如排水管道、防水屋面等，纤维的最佳掺量范围为0.9～1.2 kg／m3；在有氯离子渗透的工况下．如海洋平台、码头、港口等，纤维的最佳掺量范围为0.6～0.9 kg／m3。

3 结语

1)在满足混凝土强度等级的前提下，通过调整砂率、增加胶凝材料用量、增加用水量、减小骨料最大粒径、增加高效减水剂用量等措施相结合将聚丙烯纤维增强与自密实两种看似矛盾的混凝土技术很好地结合起来．这对于将混凝土更好地利用在特殊工况、不易振捣、抗渗抗裂要求较高的工程或修复工程等有着重要意义。

2)聚丙烯纤维对混凝土力学性能的影响源于其阻裂效应和弱界面效应的共同作用。本试验表明，聚丙烯纤维掺量较低时，纤维的掺入对自密实混凝土的力学性能没有明显影响；当掺量较高(大于1.8 kg／m3)时，对自密实混凝土的力学性能产生不良影响。

3)聚丙烯纤维可大幅度提高自密实混凝土的抗裂性能，掺量越大，抗裂性越高。

4)聚丙烯纤维在适量掺量下，能提高自密实混凝土的抗渗性，但掺量过大时抗渗性呈下降趋势。通过试验还得出了不同工况下聚丙烯纤维的最佳掺量范围：在有压力水存。