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摘　要：試驗采用P.P.Kraai提出的砂漿及混凝土干燥收縮裂縫測試方法、混凝土力學性能試驗、抗凍等耐久性能試驗方法，研究了改性聚丙烯纖維對砂漿和混凝土性能的影響。結果表明，在混凝土中摻入一定量的改性聚丙烯纖維，混凝土的抗壓強度略有下降；纖維在混凝土中形成的亂向支撐體系，產生了有效的增強效果，減少了裂縫的產生，提高了混凝土的抗折、抗拉強度，從而改善了混凝土抗裂、抗滲、抗沖擊和抗凍等性能。 
　　 
混凝土作為十分廣泛的建筑材料，種類繁多，其性能得到不斷改善，但由于混凝土材料本身的缺陷，如易塑性開裂、抗拉強度低、韌性差等，限制了其在工程中更廣泛的使用[1]。在混凝土中摻入一定量的非連續的短纖維，由于纖維隨機地分布于混凝土中，起到了配筋和約束裂縫發展的作用，達到增強的目的。 
纖維混凝土一般分為鋼纖維、玻璃纖維和聚合物纖維混凝土等幾種類型。鋼纖維攪拌時易結團，分散均勻性差，不易施工，且摻量大，成本增加較高；而玻璃纖維由于在混凝土堿性介質中與堿起化學反應，其耐久性差[2]。國內目前在混凝土中使用的普通聚丙烯纖維多是切割后的短而細的纖維，或將纖維編織成網狀，它們與混凝土的握裹力較弱[3]。 
改性聚丙烯纖維是在紡絲過程中添加聚丙烯晶系成核劑，產生不穩定的β晶，并在拉伸時發生β晶向α晶轉變，導致體積縮小而產生微孔，這些孔隙使得原來光滑表面變得粗糙。改性聚丙烯纖維具有良好的化學穩定性，耐腐蝕，表面疏水，攪拌時不易成團，與水泥混凝土之間的粘著力較強。本文通過兩種不同的改性聚丙烯纖維，在不同摻量的情況下，對混凝土和砂漿的性能影響進行研究。 
1　實　驗 
1.1　主要原料：水泥；江蘇龍潭水泥廠生產的42.5級普通硅酸鹽水泥。 
粗集料：5～31 5ｍｍ級配的碎石，其表觀密度為2 70 g/cm3。 
細集料：河砂，其表觀密度為2 65g/cm3，細度模數2 78。 
纖維：(1)通盛纖維，江蘇中銀公司生產的白色短切纖維，相對密度0 9，抗拉強度295ＭＰａ，長度為19ｍｍ；(2)杜拉纖維，美國杜拉公司生產的白色短切纖維，相對密度0 91，抗拉強度276ＭPa，長度為19mm。 
水：自來水。 
1.2　砂漿抗裂性能試驗方法試驗按照P.P.Kraai教授所提出的砂漿及混凝土干燥收縮裂縫測試方法進行[4]。實驗采用914mm×610mm×19mm的木模；木模四周釘有用于限制收縮的鐵絲網；在砂漿中加入通盛和杜拉兩種改性聚丙烯纖維，加入量分別為0.45k g/cm3、0 68 k g/cm3，編號及配合比見表1；將砂漿沿木模邊緣螺旋式向試模中心進行澆注，直至拌和料自動流滿整個木模，即用長木條刮平試件表面。成型后即打開風速為5m/s的電風扇。連續吹24ｈ后，采用直筒顯微鏡測量裂縫的寬度，按裂縫寬度分段測量裂縫的長度。 
1.3　混凝土配合比和測試方法混凝土設計相應的配合比為ｍ(水泥)∶ｍ(砂)∶(ｍ)石∶ｍ(水)=352∶732∶1146∶190，纖維的摻量為(1)0.68 k g/cm3 (2)0.90 k g/cm3。試驗前先測定砂、石的含水率，并從總用水量中扣除，采用強制式攪拌機。采用干拌法，攪拌時先將水泥、砂、石一起投入攪拌機內開始干拌，再將纖維用手捻開，逐漸撒到攪拌機內，以保證纖維在混凝土中分散得均勻，最后加入拌合水，攪拌均勻后出料，測定混凝土的坍落度，裝模成型，養護。測試混凝土試驗的各種性能按GBJ81-85，GBJ82-85規范進行。用光學顯微鏡觀察混凝土試樣斷裂后的微觀結構。 
表1 試驗配合比 
Table 1 Experimental mix proportions 
試件編號 m（水泥）：m（砂） 水灰比（w/c） 纖維摻量（kgm－3） 
S1 1：1.5 0.5 0 
S2 1：1.5 0.5 0.45（通盛） 
S3 1：1.5 0.5 0.45（杜拉） 
S4 1：1.5 0.5 0.68（通盛） 
S5 1：1.5 0.5　 0.68（杜拉） 


2　試驗結果與分析 
2 1　改性聚丙烯纖維對砂漿抗裂性能的影響改性聚丙烯纖維砂漿抗裂性能采用開裂指數，據此評價其開裂程度。試驗采用Kraai關于計算開裂指數的方法，把裂縫寬度分為4級，分別有對應的代表值，見表2[4]；開裂指數為每級寬度的裂縫長度分別乘以其相應的代表值。 
表2 本試驗采用的代表值【4】 
Table 2 The typical value in the study 
裂縫寬度d（mm） 代表值 
d≥3 3 
3＞d≥2 2 
2＞d≥1 1 
　d＜1 0.50 


試驗中發現，纖維砂漿的試件表面的塑性收縮裂縫分布廣而微細，而素砂漿的裂縫比較寬，而且較長，其結果見表3。由表3可見，砂漿的抗裂性能有了明顯的改善，其裂縫減少分別達到60%，62%和83%，82%；隨著纖維量的增加，開裂指數大幅度下降，其裂縫的趨勢是由寬到窄，由大到小，即大裂縫逐漸減少，小裂縫逐漸增多。可見改性聚丙烯纖維在低含量的范圍內可有效地控制砂漿塑性裂縫的產生，降低裂縫的寬度。 
表3 纖維砂漿的塑性收縮 
Table 3 Plastic shrinkage of mortar with fibers 
編號 裂縫寬度范圍類的裂縫長度（cm） 開裂指數 
d≥3　 　3＞d≥2 2＞d≥1　 d＜1　 
S1 21 83 56 36 301 
S2 0 20 59 43 121 
S3 0 17 64 35 116 
S4 0 0 36 29 51 
S5 0 0 31 46 54 


2 2　改性聚丙烯纖維對混凝土力學性能的影響改性聚丙烯纖維混凝土的力學性能試驗結果見表4。可以看出，改性纖維混凝土的抗壓強度比不摻纖維的混凝土的抗壓強度在28ｄ時略有下降，而且隨著纖維摻量的增大而下降得越多，但各齡期的抗折強度和抗拉強度都增加了，其增加幅度為5%～10%左右。圖1為不摻纖維的混凝土斷裂表面形貌，圖2為纖維在混凝土中的分布與混凝土斷裂表面形貌特征。由圖2可知，纖維在混凝土基體中分布是亂向的。 
表4 改性聚丙烯混凝土的力學性能試驗結果 
Table 4 Experimental results of mechanical properties 
試驗編號 坍落度（cm） 抗壓強度（Mpa) 抗折強度(Mpa) 劈裂抗拉（Mpa) 
3d 7d 28d 3d 7d 28d 28d 
W-0 8 13.8 21.3 32.0 1.8 2.2 3.8 1.9 
T-1 6 13.0 21.1 31.2 2.1 3.0 4.0 2.0 
T-2 5 12.4 20.6 30.2 2.2 2.9 4.2 2.1 
D-1 6 14.0 21.5 31.5 2.2 2.8 4.1 2.1 
D-2 6 13.1 21.0 29.8 2.1 2.7 4.1 2.2 


混凝土從理想狀態來說，其抗壓強度與抗折強度的增長應該是基本一致的，但由于混凝土內部存在不同程度的微裂縫，而微裂縫對抗折強度的影響遠大于抗壓強度，所以改性聚丙烯纖維混凝土抗壓強度提高幅度低于抗折強度。需要指出的是：在摻入纖維后，混凝土的抗壓強度有所下降。國外學者把這種現象歸于聚丙烯纖維較低的彈性模量。作者通過研究認為，摻入纖維后，由于改性聚丙烯纖維疏水性，引入的纖維會產生纖維—水泥石薄弱界面，也是原因之一；在試驗過程中發現，纖維混凝土的含氣量有所增加，這也導致混凝土抗壓強度的下降。而混凝土的抗折和抗拉強度與混凝土內部的微裂縫有很大關系，改性聚丙烯纖維混凝土的抗折和抗拉強度提高的主要原因在于纖維的抑制裂縫形成的能力，在混凝土結構形成時，由于纖維的亂向作用，阻止裂縫的引發與擴展，從而能提高混凝土的抗折和抗拉強度。 
2 3　改性聚丙烯纖維對混凝土抗凍性能的影響改性聚丙烯纖維混凝土的抗凍性試驗采用25次凍融循環，試驗結果如表5所示。從表5可得，混凝土中摻0.68 kg/cm3，改性聚丙烯纖維，經25次凍融循環后混凝土的強度損失率分別為7.0%和6.2%，質量損失率為1.1%和0.8%；而在混凝土中摻0.90 k g/cm3改性聚丙烯纖維，強度損失率為分別為3.8%和4.1%，質量損失率均為0.5%。可見，摻入一定量的改性聚丙烯纖維后，纖維亂向分布形式有助于減少混凝土砂漿的塑性裂縫，混凝土的抗凍性明顯提高。 
表5 混凝土抗凍試驗結果 
Table 5 Experimental results of frost beave-resistance 
編號 W-0 T-1 D-1 T-2 D-2 
強度損失％ 11.0 7.0 6.2 3.8 4.1 
質量損失％ 2.0 1.1 0.8 0.5 0.5 


2.4　改性聚丙烯纖維對混凝土抗沖擊特征的影響材料在一次或多次迅速施加荷載(沖擊荷載)的作用下，抵抗疲勞破壞的能力為材料的抗沖擊能力。抗沖擊試驗采用落錘法進行(錘質量2ｋｇ，錘的下端為球面，落高68ｃｍ，試件尺寸為邊長15ｃｍ的立方體)，混凝土的抗沖擊性能以試件在落錘的反復沖擊作用下，混凝土表面出現第一條裂紋時單位體積所耗的功來表示[5，6]。試驗結果見表6。 
表6 混凝土抗沖擊試驗結果 
Table 6 Experimental results of impact resistance 
編號 W-0 T-1 D-1 T-2 D-2 
相對抗沖擊強度％ 100 113 118 132 129 


從表6的試驗結果看，在混凝土中摻入0.68 k g/cm3改性聚丙烯纖維，混凝土的抗沖擊性能分別提高13%和18%，而摻入量為0.9 k g/cm3時，抗沖擊性能分別提高32%和29%。由于在混凝土受力時，力由混凝土通過纖維與混凝土的界面傳遞給纖維，纖維具有較大的吸收能量的能力，從而纖維與混凝土一起承受力的作用，防止結構的破壞，因此，混凝土的抗沖擊性能明顯提高。 
2 5　改性聚丙烯纖維對混凝土滲透性能的影響混凝土試件在標準養護28ｈ后進行抗滲試驗，保持水壓0 8MPa，持續8ｈ，然后劈裂，測試滲透高度，結果見表7。 
表7 混凝土抗滲試驗結果 
Table 7 Experimental results of impermeability 
編號 W-0 T-1 D-1 T-2 D-2 
滲透高度(mm) 82 57 60 38 44 


從表7可見，由于均勻分布在混凝土的纖維減少了混凝土微裂縫產生，并且纖維在混凝土中起到了支撐作用，降低了混凝土骨料的沉降，使得混凝土微孔隙含量大大下降。纖維混凝土的抗滲能力明顯好于不摻纖維的混凝土，并隨著纖維摻量的增加，混凝土滲透高度減小。 
3　結　論 
(1)摻入一定量的改性聚丙烯纖維減低混凝土的坍落度，但影響不是很大。 
(2)混凝土中摻入一定量的改性聚丙烯纖維，可以有效地控制裂縫的產生，從而提高混凝土的抗滲，抗凍等性能。 
(3)改性聚丙烯纖維亂向分布改善混凝土的韌性，提高混凝土的抗折和抗拉強度。 
(4)纖維有著較強的吸收能量的能力，摻入一定量的纖維能提高混凝土的抗沖擊性能。