聚丙烯塑钢纤维对混凝土抗冻性的影响.pdf

第 38 卷第 2 期2024 年 4 月白 城 师 范 学 院 学 报Journal of Baicheng Normal UniversityApr.Vol.382024No.2刘 朋，等：聚丙烯塑钢纤维对混凝土抗冻性的影响收稿日期：2022-07-01作者简介：刘朋（1991），男，讲师，硕士，研究方向：新型建筑材料，工农业固体废弃物综合利用.基金项目：吉林省教育厅科学技术研究项目“吉林省西部地区盐碱土环境下聚丙烯塑钢纤维混凝土耐久性研究”（JJKH20230023KJ）；吉林省大学生创新创业训练计划项目“矿物掺合料对吉林省西部盐碱土环境下混凝土抗盐冻性影响研究”（S202210206048）.聚丙烯塑钢纤维对混凝土抗冻性的影响刘朋，刘俊成，王桂花，叶柄杨（白城师范学院 土木工程学院，吉林 白城 137000）摘要：为解决吉林省西部地区混凝土建筑物和构筑物因抗冻性不足而受到冻融破坏的问题，利用聚丙烯塑钢纤维制备纤维混凝土，经过冻融试验后，观察聚丙烯塑钢纤维掺量对混凝土质量、相对动弹性模量及抗压强度变化的影响，以评价其抗冻性.结果表明：经过冻融作用后，聚丙烯塑钢纤维掺量为6 kg/m3的混凝土的质量损失率和相对动弹性模量衰减率均最小；冻融前聚丙烯塑钢纤维掺量为6 kg/m3的混凝土抗压强度最大，冻融后其抗压强度损失率最小.关键词：聚丙烯塑钢纤维掺量；混凝土；抗冻性中图分类号：TU528.572 文献标志码：A文章编号：1673-3118（2024）02-0076-060引言吉林省西部地区有许多混凝土建筑物、构筑物和桥梁因受到冻融作用而发生损坏，以桥梁工程为例，有近一半的桥梁结构发生裂缝类和冻融剥蚀类破坏.因此，这一现象引起众多学者对混凝土抗冻性进行深入研究.宿晓萍1根据吉林西部盐碱土环境特点，进行混凝土在复合盐与单盐侵蚀、干湿循环、冻融循环及其耦合作用环境下的实验研究，提出混凝土的破坏机理及影响因素并建立混凝土耐久性的评价模型；郭金辉2研究了吉林西部盐碱土环境下盐蚀、冻融循环及其耦合作用对钢筋与混凝土粘结应力的损伤规律等；王亭亭3模拟吉林西部地区土壤环境与气候条件，研究复合盐盐蚀、冻融循环及其耦合作用下混凝土受压构件承载力的退化规律和损伤模型等.但针对聚丙烯塑钢纤维掺入混凝土中对其抗冻性的影响和作用机理鲜有研究.因此，本文研究聚丙烯塑钢纤维对混凝土抗冻性的影响，为解决吉林省西部地区混凝土建筑物、构筑物和桥梁冻害问题提供借鉴和参考，也为后续深入研究奠定基础.1试验材料与试验1.1试验原材料及其性能试验所用的原材料主要有水泥、粗骨料、细骨料、粉煤灰、纤维、减水剂和引气剂等.其中水泥采用辽宁宝义建材集团有限公司生产的宝义牌PO 42.5普通硅酸盐水泥，水泥的性能指标如表1所示；粗骨料采用石灰石碎石，粒径为525 mm的连续级配；细骨料采用细度模数在2.72.8之间并且级配合理的中刘 朋，等：聚丙烯塑钢纤维对混凝土抗冻性的影响第2期砂；粉煤灰为F类级；纤维采用长沙柠祥建材有限公司生产的长度为30 mm的聚丙烯塑钢纤维，纤维的物理性能如表2所示.其中聚丙烯塑钢纤维表面有许多纹理，相当于表面“带肋”.与表面光滑的聚丙烯纤维相比，聚丙烯塑钢纤维与水泥基体材料之间的界面粘结性更强，握裹力更好，有弹性模量高、分散性好等优点；与钢纤维相比，聚丙烯塑钢纤维具有耐腐性好、施工容易操作、对人和搅拌设备无损伤等优点4；减水剂采用天津伟合科技发展有限公司生产的粉状聚羧酸类高效减水剂，减水率在25%以上；引气剂采用山东莱阳宏祥建筑外加剂厂生产的混凝土引气剂.表1水泥的性能指标初凝时间/min171终凝时间/min3183 d抗折强度/MPa4.93 d抗压强度/MPa30.128 d抗折强度/MPa7.628 d抗压强度/MPa56.7比表面积/m2/g0.588 9表2聚丙烯塑钢纤维的物理性能当量直径/m800密度/（gm-3）0.91熔点/170抗拉强度/MPa500断裂延伸率/%1214弹性模量/GPa8.21.2试验配合比为了研究聚丙烯塑钢纤维掺量对混凝土抗冻性的影响，进行了五组对比试验.五组对比试验中混凝土其他原材料掺量相同，而聚丙烯塑钢纤维掺量分别为0、1、3、6、9 kg/m3.试验混凝土的配合比如表3所示.表3混凝土的配合比试验编号HPPF0HPPF1HPPF3HPPF6HPPF9纤维掺量/（kgm-3）01369水胶比0.320.320.320.320.32水泥/（kgm-3）500500500500500粉煤灰/（kgm-3）55.755.755.755.755.7砂/（kgm-3）598598598598598石/（kgm-3）1 1061 1061 1061 1061 106水/（kgm-3）178178178178178减水剂/（kgm-3）5.5575.5575.5575.5575.557引气剂/（kgm-3）0.3330.3330.3330.3330.3331.3试验方法首先，根据表3中试验配合比制备混凝土试块，在标准条件下养护到28 d龄期，浸水饱和后按照 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准（GB/T 50082-2009）的快冻法中相关试验方法测得混凝土试块的初始质量和相对动弹性模量；按照 混凝土物理力学性能试验方法标准（GB/T 50081-2019）中的相关试验方法测得混凝土试块的抗压强度.然后，将混凝土试块在快速冻融试验机中经过50、100、150和200次冻融循环后，再重复按照前面的试验方法测得经过冻融后混凝土试块的质量、相对动弹性模量和抗压强度.最后，计算混凝土试块的抗压强度损失率，计算方法参照 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准（GB/T 50082-2009）中的慢冻法相关规定进行.2试验结果与讨论通过收集、整理、计算和分析试验数据，得到聚丙烯塑钢纤维掺量对清水冻融环境下混凝土质量、相对动弹性模量和抗压强度变化的影响和规律.2.1聚丙烯塑钢纤维掺量对混凝土质量损失率的影响对冻融前后不同掺量聚丙烯塑钢纤维混凝土的质量及质量损失率试验数据进行收集、整理、计算和分析，试验结果如图1所示.77白城师范学院学报第38卷图1冻融循环后不同掺量聚丙烯塑钢纤维混凝土的质量损失率由图1可知，随着冻融次数的增加，所有掺量的聚丙烯塑钢纤维混凝土质量损失率均增加，这符合混凝土冻融破坏的一般规律.但是，不同掺量的聚丙烯塑钢纤维混凝土经受相同冻融次数后质量损失有所不同.总体而言，聚丙烯塑钢纤维掺量为3 kg/m3的混凝土质量损失率1 kg/m3的混凝土质量损失率0 kg/m3的混凝土质量损失率9 kg/m3的混凝土质量损失率6 kg/m3的混凝土质量损失率.产生上述试验结果的原因主要有以下几方面：（1）聚丙烯塑钢纤维在低掺量时，纤维数量较少，难以构成一定刚度的三维支撑骨架，从而导致不能很好地发挥纤维与水泥基体材料之间较强握裹力的正面效应；（2）聚丙烯塑钢纤维具有不亲水性，纤维与基体材料界面的水胶比往往高于水泥基体材料本身，产生了很强的弱界面的负面效应5，导致掺加低掺量聚丙烯塑钢纤维混凝土的质量损失率比未掺聚丙烯塑钢纤维混凝土的质量损失率更大；（3）聚丙烯塑钢纤维在高掺量时，虽然足够多的纤维可以构成一定刚度的三维支撑骨架，但是由于纤维掺量过多，水泥浆体无法完全包裹纤维，有部分纤维分散在骨料之间，影响基体材料的密实度，导致混凝土的质量损失率变大，所以聚丙烯塑钢纤维掺量为6 kg/m3的混凝土质量损失率最小.2.2聚丙烯塑钢纤维掺量对混凝土相对动弹性模量的影响对冻融前后不同掺量聚丙烯塑钢纤维混凝土的相对动弹性模量试验数据进行收集、整理、计算和分析，试验结果如图2所示.图2冻融循环后不同掺量聚丙烯塑钢纤维混凝土相对动弹性模量变化规律78刘 朋，等：聚丙烯塑钢纤维对混凝土抗冻性的影响第2期由图2可知，随着冻融次数的增加，所有掺量的聚丙烯塑钢纤维混凝土的相对动弹性模量均下降，这也符合混凝土冻融破坏的一般规律.但是不同掺量的聚丙烯塑钢纤维混凝土经受相同冻融次数后相对动弹性模量衰减的程度有所不同.突出表现为试验HPPF0组的混凝土和试验HPPF1组的混凝土相对动弹性模量衰减速度非常快，相对动弹性模量曲线先陡然下降，然后趋于缓和；试验HPPF3组、试验HPPF6组和试验HPPF9组的混凝土相对动弹性模量衰减速度相对平缓，其中试验HPPF6组的混凝土相对动弹性模量衰减速度在所有组中最慢.从试验结果来看，掺加适量的聚丙烯塑钢纤维可以减缓冻融循环后混凝土相对动弹性模量衰减速度.产生上述试验结果的原因主要有以下几点：（1）聚丙烯塑钢纤维在低掺量时，纤维数量较少，难以形成支撑骨架，且纤维影响基体材料的密实度，导致掺加低掺量聚丙烯塑钢纤维混凝土相对动弹性模量衰减速度快于未掺聚丙烯塑钢纤维混凝土的相对动弹性模量衰减速度；（2）聚丙烯塑钢纤维在高掺量时，纤维可以形成三维支撑骨架，有效减少裂缝的扩展，改善混凝土的内部缺陷6，但是过高的聚丙烯塑钢纤维掺量也会使得混凝土的相对动弹性模量衰减速度增快.2.3聚丙烯塑钢纤维掺量对混凝土抗压强度的影响对冻融前后不同掺量聚丙烯塑钢纤维混凝土的强度和强度损失率试验数据进行收集、整理、计算和分析，试验结果如图3和图4所示.图3冻融循环前不同掺量聚丙烯塑钢纤维混凝土的抗压强度关系图4冻融循环后不同掺量聚丙烯塑钢纤维混凝土的抗压强度变化规律79白城师范学院学报第38卷由图3可知，随着纤维掺量的增加，混凝土的抗压强度曲线先下降再上升最后再下降.其中聚丙烯塑钢纤维掺量为 6 kg/m3的混凝土抗压强度最高，聚丙烯塑钢纤维掺量为 1 kg/m3的混凝土抗压强度最低.由图4可知，随着冻融次数的增加，所有掺量的聚丙烯塑钢纤维混凝土的抗压强度均有不同程度的损失.具体表现为：在前100次冻融循环，经过冻融后聚丙烯塑钢纤维混凝土抗压强度由大到小的顺序为试验HPPF6组试验HPPF3组试验HPPF9组试验HPPF0组试验HPPF1组；而所有掺量的聚丙烯塑钢纤维混凝土的强度损失率几乎呈现相反的顺序.在后100次冻融循环，经过冻融后聚丙烯塑钢纤维混凝土抗压强度由大到小的顺序为试验HPPF6组试验HPPF3组试验HPPF0组试验HPPF9组试验HPPF1组；所有掺量的聚丙烯塑钢纤维混凝土的强度损失率也几乎呈现相反的顺序.因此，通过分析冻融后混凝土的抗压强度试验数据可知，掺加适量的聚丙烯塑钢纤维对减小混凝土抗压强度损失率具有一定的积极作用.总体而言，聚丙烯塑钢纤维对冻融前后混凝土抗压强度变化有正负两种作用效应.正面效应是聚丙烯塑钢纤维与水泥基体材料之间有较强的握裹力和粘结力，能减缓和阻止混凝土微裂缝不断长大、扩展、形成贯通裂缝，提高混凝土的抗压强度.而负面效应有以下几点：（1）聚丙烯塑钢纤维具有不亲水性，与水泥基体材料的界面水胶比更大，导致界面的水泥基体材料的有害孔增多，密实度下降，混凝土骨料与浆体的界面更加薄弱，容易形成微裂缝等内部缺陷；（2）聚丙烯塑钢纤维的弹性模量更加接近钢纤维，属于高弹性模量的纤维，它没有类似于低弹性模量的稻草纤维具有阻止混凝土早期微裂缝生成的作用效果7；（3）聚丙烯塑钢纤维也没有类似于低弹性模量的聚丙烯纤维能减少加载过程中裂缝尖端应力集中的作用效果.基于上述原因，分析冻融后混凝土的抗压强度试验数据可以得出结论，聚丙烯塑钢纤维在适宜掺量（6 kg/m3）时，聚丙烯塑钢纤维发挥的正面效应超过负面效应，混凝土抗压强度损失率较小；但是当聚丙烯塑钢纤维在低于适宜掺量和高于适宜掺量时，纤维发挥的负面效应超过正面效应，混凝土抗压强度损失率较大.3结论本文通过在混凝土中掺加0、1、3、6、9 kg/m3聚丙烯塑钢纤维，研究发现聚丙烯塑钢纤维掺量对混凝土质量、相对动弹性模量及抗压强度变化有不同的影响，得出如下结论：（1）从混凝土的质量损失率角度看，在相同冻融次数条件下，聚丙烯塑钢纤维掺量为6 kg/m3的混凝土质量损失率最小，掺量为3 kg/m3的混凝土质量损失率最大；（2）聚丙烯塑钢纤维掺量为6 kg/m3的混凝土相对动弹性模量衰减最慢，掺量为1 kg/m3的混凝土相对动弹性模量衰减速率最快；（3）无论是冻融前还是冻融后，聚丙烯塑钢纤维掺量为6 kg/m3的混凝土抗压强度最大；经过相同冻融次数后，聚丙烯塑钢纤维掺量为6 kg/m3的混凝土抗压强度损失率最小.参考文献：1宿晓萍.吉林省西部地区盐渍土环境下混凝土耐久性研究 D.长春：吉林大学，2013：161-165.2郭金辉.吉林省西部地区钢筋与混凝土粘结应力损伤研究及防护建议 D.长春：长春工程学院，2015：58-59.3王亭亭.吉林省西部地区受盐冻腐蚀混凝土受压构件受力性能的损伤研究 D.长春：长春工程学院，2016：59-60.4刘朋.刚性聚丙烯纤维对水泥基透水砖强度和透水性的影响研究 J.砖瓦，2021（7）：15-16.80刘 朋，等：聚丙烯塑钢纤维对混凝土抗冻性的影响第2期5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，2003：35-37.6张朝晖.塑钢纤维混凝土耐久性试验研究 D.咸阳：西北农林科技大学，2011：33-34.7王桂花，马寓星，王珍珍.稻草纤维混凝土性能研究 J.白城师范学院学报，2017（2）：73-75.Study on the influence of hard polypropylene plastic fiberon the frost-resistance of concreteLIU Peng，LIU Jun-cheng，WANG Gui-hua，YE Bing-yang（College of Civil Engineering，Baicheng Normal University，Baicheng 137000，China）Abstract：In order to solve the problem that concrete buildings and structures in western Jilin provinceare damaged by freezing and thawing due to insufficient frost-resistance.In this paper hard polypropylene plastic fiber was used to prepare fiber concrete，and the influence of the hard polypropylene plastic fiber content onconcrete quality，relative dynamic elastic modulus and compressive strength after freeze-thaw test was studiedto evaluate its frost-resistance.The results show that after freezing and thawing，the mass loss rate and relativedynamic elastic modulus attenuation rate of concrete with content 6 kg/m3of hard polypropylene plastic fiberare the smallest.Before freezing and thawing，the compressive strength of concrete with content 6 kg/m3of hardpolypropylene plastic fiber is the highest，and the loss rate of its compressive strength is the lowest after freezing and thawing.Key words：content of hard polypropylene plastic fiber；concrete；frost-resistance（责任编辑：许慧）81