改性聚丙烯纤维混凝土性能的试验研究.pdf

3 8 建 筑 技 术 A r c h i t e c t u r e Te c h n o l o g v 第 4 3 卷 第 1 期 2 0 1 2年 1月 V0 1 4 3 No 1 J a n 2 0 1 2 改性聚丙烯纤维混凝土性能的试验研究 杨继 强 ( 天津城市建设学院土木工程系 ， 3 0 0 3 8 4 ， 天津) 摘要 ： 在混凝土原材料中添加改性聚丙烯纤维 ， 然后对试件进行混凝土性能试验 ， 结果表明 ， 改性聚丙烯 纤维不仅可改善混凝土强度 ， 降低混凝土早期干燥收缩率， 而且还可使纤维混凝土的抗裂 、 抗冲击及耐久性方面 均高于普通混凝土。 关键词 ： 改性聚丙烯纤维 ； 混凝土； 强度 ； 抗裂性 ； 抗冲击性 ； 耐久性 中图分类号 ： T U 5 2 8 5 7 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 7 2 6 2 0 1 2 0 1 0 0 3 8 - 0 3 TES T AND RES EARCH ON PERFORM ANCE OF M ODI FI ED POLYPROPYLENE FI BER CONCRETE YAN G J i - q i a n g ( D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， T i a n j i n I n s t i t u t e o f U r b a n C o n s t r u c t i o n ，3 0 0 3 8 4 ， T i a n j i n ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： T e s t o f c o n c r e t e p e rfo r ma n c e i s c a r r i e d o u t b y a d d i n g mo d i fie d p o l y p r o p y l e n e fib e r i n t o r a w ma t e ria l s o f c o n c r e t e T h e t e s t r e s u l t i nd i c a t e s t h a t mo d i fie d p o l y p r o p y l e n e fi b e r c a l l n o t o n l y i mp r o v e c o n c r e t e s t r e n g t h，b u t a l s o r e d uc e d r y i n g s h rin k a g e o f c o n c r e t e a t e a r l y p e rio dMo d i fie d p o l y p r o p y l e n e fi be r c o n c r e t e h a s b e t t e r c r a c k r e s i s t a n c e ，s h o c k r e s i s t a n c e an d d u r a b i l i t y t h an o r d i n a ry c o n c r e t e Ke y wo r d s： mo d i fie d p o l y p r o p y l e n e fib e r ；c o n c r e t e ；s t r e n g t h；c r a c k r e s i s t an c e ；s h o c k r e s i s t a n c e ；d u r a b i l i t y 聚丙烯纤维在国外的混凝土工程中早已得到广泛 应用 ，掺入少量合成纤维以提高混凝土的抗裂、抗冲 击、 抗渗、 抗冻融等性能。 合成纤维中又以质优、 价廉的 聚丙烯纤维应用最为广泛 ，经过改性的聚丙烯纤维由 于能均 匀分散在混凝土中，其化学性能稳定 、施工简 单， 在国内的混凝土工程中也逐渐被人们所接受 ， 近年 来先后应用到交通 、 水利 、 机场、 港口、 工业与民用建筑 工程等领域。 1 试验原材料 试验选用改性聚丙烯纤维由一束长丝剪断成平均 1 2 3 0 m m长的短丝 ， 单丝直径约为4 8 m， 纤维类型为 束状单丝 ， 线密度( 1 5 + 3 ) g 9 0 0 0m， 密度为0 9 1 t m 3 ， 相 对拉伸极限( 2 3 8 ) ， 抗拉强度大于5 0 0 MP a ， 弹性模 量大于45 0 0 MP a ， 无吸水性 ， 熔点1 6 5 1 7 3 ， 导热性 极低 ， 具有良好的电绝缘性 ， 安全无毒 ， 在浓盐酸、 浓硫 酸、 浓硝酸中其强度无影响， 在浓N a O H 溶液、 浓氨水中 强度不降低， 抗老化、 抗紫外线能力强， 裸丝自然寿命 大于1 0 年。 选 用3 2 5 级普通硅酸盐水泥 ，其3 d 和2 8 d 抗压强 度分别为1 9 4 M P a 和4 2 9 M P a ；普通砂细度模数为 1 8 9 ， 表观密度为2 6 5 g c m ， 堆积密度为1 4 5 0 k g m ； 碎 收稿 日期： 2 0 1 1 - 1 1 2 8 基金项 目： 天津市建委科技项目( 2 0 0 2 3 7 ) 作 者 简 介 ： 杨 继 强( 1 9 5 8 一) ，男 ，天 津 市 人 ，实 验 师 ， e- m a i l ： y a n g j i q i a n g 2 0 0 7 1 2 6 c o m 石粒径5 2 5 n l m连续级配 ， 表观密度为2 7 0 g C c m ， 堆积 密度 为 1 5 2 0 k g m 。 2 试验结果及分析 2 1 纤维掺量及长度对混凝土强度的影响 试验依据 普通混凝土力学性能试验方法标准 ( G B T 5 0 0 8 1 2 0 0 2 ) 进行。混凝土配合比为水泥： 砂子： 石子： 水= 3 6 0 ： 6 7 9 ： 1 1 0 6 ： 2 0 5 ( k g m 3 ) ；纤维掺量分别为 0 6 ， 0 9， 1 2 k g m ， 纤维长度分别 为1 2 ， 1 9 ， 3 0m m； 立方 体抗压强度试件尺寸为1 5 0 m mx l 5 0 mm x 1 5 0 m m， 每组 3 块；劈裂抗拉强度试件尺 寸为 1 5 0 m m 1 5 0 m mx l 5 0 m m，每组3 块；轴心抗压强度试件尺寸为1 0 0 mmx l O 0 m mx 3 0 0 m i l l ，每组3 块； 弹性模量试件尺寸为1 0 0 min x 1 0 0 mmx 3 0 0 m i l l ，每组3 块；抗折强度 试件尺寸为1 5 0 m mx l 5 0 m mx 5 5 0 mm， 每组3 块 。纤维掺量及长度对混 凝土强度的影响见表1 。 由表1 试验结果分析可知， 无论何种纤维长度和掺 量的纤维混凝土， 对混凝土强度均有不同程度的提高， 这是由于采用改性聚丙烯纤维与基体间有较好的粘结 强度所致。对混凝土的抗压强度 、 抗折强度、 轴心抗压 强度 、劈裂抗 拉 强度和 弹性 模量 均值 分别 提 高了 1 9 9 1 4 8 。 3 0 0 ， 5 8 ， 3 1 。对劈裂抗拉强度和 弹性模量的影响不明显 ，这是由于聚丙烯纤维的弹性 模量低于水泥基体的弹性模量 ，导致纤维混凝土的劈 裂抗拉强度和弹性模量没有明显提高。 2 0 1 2 年 1 月 杨继强 ： 改性聚丙烯纤维混凝土性能的试验研究 3 9 表1 掺纤维混凝土强度试验结果 混凝土 立方体抗压 轴心抗压 劈裂抗拉 抗折强度 弹性模量 类型 强度 MP a 强度 MP a 强度 P a MP a MP a 0 O 2 7 _ 3 2 1 O 2 3 3 3 6 3 2 6 x 1 04 1 2 0 6 3 3 1 2 9 3 2 1 O 39 3 4 8 xl 0 4 1 2 O 9 3 1 O 2 5 4 2 7 O 39 3 2 5 xl 0 4 1 2 1 2 3 0 5 2 5 7 2 1 O 4 2 3 3 I x1 04 1 9 0 6 3 4 4 2 6 8 2 7 2 4 2 3 2 4 x l 04 1 9 0 9 3 4 5 2 7 7 2 6 2 4 2 3 3 9 xl 04 1 9 1 2 2 7 4 2 6 6 2 4 9 4 4 3 3 8 1 04 3 0 0 6 3 3 2 2 8 1 2 2 4 4 O 3 5 0 x 1 04 3 0 O 9 3 6 3 2 7 8 2 6 9 4 3 3 3 8 x l 0 4 3 0 1 2 3 4 3 2 8 4 2 5 3 4 1 3 2 8 x l 04 从掺入纤维长度对比可知， 3 0 m m 纤维对抗压强 度增长大于1 9 mm和1 2 m m，3 0 m m纤维对轴心抗压强 度增长大于1 9I I l I I l 和1 2 m m，这是由于纤维长度增加 ， 而粘结强度也明显增加的结果 。1 9 mm纤维对抗折强 度增长大于3 0 mm和1 2 m m， 1 9 mm纤维对劈裂抗拉强 度增长大于3 0 m m和1 2 m m， 对抗折强度增长和劈裂抗 拉强度增长与抗压强度增长和轴心抗压强度增长规律 来说 ， 似乎有一定的离散性 。 由表1 还可看出 ，混凝土中掺有0 9 k g m 纤维时 ， 对混凝土各项力学性能的提高效果更好 ， 但综合分析 ， 3 0 m m纤维掺量0 9k d m 优于其他1 2 m m和1 9 mm 纤维 。 同时 ， 在混凝土中加入0 6 1 2 k g m3 纤维 ， 均会使拌合 物的坍落度略有降低， 但降低幅度不大， 并使混凝土的 粘聚性和保水性得到改善。 2 2 纤维对 混凝 土抗 冻融性 能 的影响 试验依据 普通混凝土长期性能和耐久性能试验 方法标准 ( G B T 5 0 0 8 2 2 0 0 9 ) 进行 ， 抗冻融性能试验 结果见表2 。混凝土配合比为水泥： 砂子： 石子： 水= 4 0 0 ： 6 3 7 ： 1 1 8 3 ： 2 0 0 ( k g m3 ) 。纤维掺量分别 为0 9 k g m s 和 1 2 k g m 3 ，纤维长度分别为1 9m m和3 0 mm。试件尺寸为 1 0 0 mm x l O 0 m mx l 0 0 mm， 试验共分5 组 ， 每组9 块。 试验 采用D 4 型低温试验箱 ，混凝土冻融试验采用慢冻法 ， 试件在低温试验箱一 2 0 1 8 中经4h 冷冻后取 出 ， 立 即放入 l 8 2 0 水槽中融化 ， 融化时间为4h ， 融化完毕 表 2 纤维混凝土抗冻融性能试验结果 混凝土 冻融前 冻融后 重量损 降低 对比试件 冻融后强 强度损 降低 类型 重量Ag 重量 k g 失率 率 强度 MP a 度 MP a 失率 率 镅 ， 2 5 3 0 2 5 02 1 1 0 3 3 _ 3 3 0 7 7 8 1 1 9 0 9 2 51 3 2 5 o4 0 3 6 6 7 2 7 40 1 3 93 2 o 0 7 4 3 1 9 1 2 2 5 2 2 251 2 0 4 0 6 36 3 4 06 3 9 6 246 6 85 ( 3 0 ， 0 9 2 4 91 2 4 7 5 0 6 4 41 8 2 4I 5 3 9 7 43 4 4 4 4 1 3 O 1 2 24 9 3 24 7 6 O 6 8 3 8 1 8 41 2 4 0 7 1 21 8 4 5】 即为一次冻融循环 ，试件经2 5 次冻融循环后分别测定 其重量损失及强度损失。 试验结果表明 ，掺人改性聚丙烯纤维的混凝土无 论重量损失 、 抗压强度损失 ， 都远小于无纤维的普通混 凝土 。 特别是1 9 0 9 和3 0 1 2 类型 的混凝土效果更为明 显。其原 因是 由于聚丙烯纤维的掺入减小了混凝土由 于内应力所产生的裂缝 ，特别是混凝土在塑性期 由于 干燥脱水所产生的裂缝 ，聚丙烯纤维的掺入使混凝土 早期收缩所产生的裂缝大为减少，聚丙烯纤维由于其 抗拉强度远高于塑性期混凝土的抗拉强度 ，因此可有 效抑制由于干缩应力所产生的裂缝 ，减少其水分向混 凝土内部的渗透 ， 有效改善混凝土的抗冻融能力。 2 3 纤维对混凝土抗渗性能的影响 试验依据 普通混凝土长期性能和耐久性能试验 方法标准) ( G B T 5 0 0 8 2 2 0 0 9 ) 进行。混凝土配合比为 水泥： 砂子： 石子： 水= 3 6 0 ： 7 2 0 ： 1 0 6 5 ： 2 0 5 ( k g m ) 。纤维掺 量分别为0 9 k g m。 和1 2 k g C m ， 纤维长度为1 9 mm。试 件尺寸为顶面直径 1 7 5 mm，底面直径1 8 5 m m，高1 5 0 mm的圆台体 ， 试验共分3 组 ， 每组6 块。 试验采用H S 一 4 B 型渗透仪 该仪器加压范围为0 4 MP a ， 每次试验安装1 组试件 ， 试验由初始0 1 M P a 开始加压 ， 加压持续8 h， 如 未发现试件出现透水或透水试件总数不超过3 个试件 时， 试验压力递增O 1 M P a ， 继续持压8 h ， 依此类推， 直 至透水试件超过3 个试件时为止。 抗渗性能试验结果见 表3 表3 纤维混凝 土抗渗性能试验结果 混凝土 初始压力 耐水压力 渗水 压力 加载时 抗渗 抗渗等级提 高 类型 MP a MP a MP a 间 h 等级P 百分率 Q Q O 1 O 8 09 64 8 1 9 0 9 O 1 1 3 1 4 1 0 4 1 3 6 3 1 9 1 2 O 1 2 4 25 1 9 2 2 4 2 o o 试验结果表明 ，纤维混凝土可大幅提高混凝土的 抗渗性能 ，其中混凝土类型为1 9 1 2 抗渗等级为最大 ， 其最高耐受压力和耐受时间均提高了2 0 0 ，可见 ， 在 混凝土中加入改性聚丙烯纤维可有效提高混凝土的抗 渗能力， 其原因是由于纤维具有阻裂作用_ 2 ， 可显著 减少裂缝 的数量 ， 有效抑制裂缝 的长度和宽度 ， 从而 提高混凝土的抗渗性能。 在一定范 围内， 随纤维掺入 的比例越高 ， 抗渗性能改善效果越明显 。 将未产生透 水现象的试件用压力机剖开 ， 经观察发现 ， 尚未完全 透水的普通混凝土试件透水高度均达1 2 0 mm以上 ， 而尚未完全透水的纤维混凝 土试件 透水高度仅为 6 0 - 7 0 mm。 4 0 建筑技术 第 4 3卷第 1期 2 4 纤 维对 混凝土抗 裂性 能的影 响 试验参照“ 韩 国汉城大学试验方法 ” 进行 3 ， 抗裂 性能试验结果见表4 。 混凝土配合比为水泥： 砂子： 石子： 水= 1 ： 2 5 ： 2 0 6 ： 0 4 8 ( k g m ) 。 纤维掺量分别为0 9 k g m 和 1 2 k g m s ，纤维长度分别为1 9 mm 和3 0 m m，为诱导开 裂 ， 砂子含泥量为1 0 。试件尺寸为9 0 0 m inx 6 0 0 m mx 4 0m m， 试件共分5 组。为加速失水 ， 试件成型后即通 风 ，风速为1 5 m s 。试验评定指标 以2 4 h 后重量损失 ( 即缩水率) 和2 4 h 出现的裂缝面积进行鉴别。 试验过程中发现 ， 无纤维的混凝土在 浇筑后2 h 出 现第一条裂缝 ， 其余裂缝相继出现 ， 总共出现 了5 条明 显的粗裂缝 ， 裂缝宽度在 1 2 5 mm之间 ， 其余部位也出 现了多条细裂缝 ，其中3 条粗裂缝在5 h 后贯通成一条 整裂缝 。 掺入纤维的混凝土则明显不同 。 在混凝土浇筑 后5 h 内没有出现粗裂缝 ，只出现很少的毛细裂缝 。 经 过2 0 h 后虽出现一些裂缝 ，但其长度和宽度均明显小 于无纤维的混凝土 ，掺入纤维后混凝土的裂缝消除率 平均为9 4 1 2 。 2 5 纤维对混凝土抗冲击性能的影响 试验参照“ 上海市政工程研究院试验方法” 进行 混凝土配合比为水泥： 砂子： 石子： 水= 3 6 0 ： 6 7 9 ： 1 1 0 6 ： 2 0 5 ( k 咖 ) 。纤维掺量分别为0 9 k g m 和1 2 k g m 3 , 纤维长度 分别为1 9 m m和3 0 mm。试件尺寸为1 5 0 mm x 1 5 0 mm x 5 0 mm， 试验共分5 组， 每组5 块。试验采用落球法， 钢球的重 量为7 2 6 k g ， 钢球到试件的落距为2 5 0 ram， 当试件裂缝宽 度达到3 mm时， 记录冲击次数 ， 取5 块试件冲击次数的平 均值作为试验结果。抗冲击性能试验结果见表5 。 试验发现 ， 无纤维的混凝土试件 。 在冲击破坏中开 裂比较突然， 一旦出现裂缝 ， 很快达到破坏标志 。掺入 纤维的混凝土试件 ， 在冲击破坏中开裂比较缓慢 ， 出现 微小裂缝以后 ， 很长时间才达到破坏标志 ， 破坏次数比 无纤维的混凝土提高2 倍以上。 试验结果表明 ， 3 0 mm纤维比1 9m m纤维的混凝土 试件抗冲击次数增加 ， 经观察破坏断面上的纤维 掺入 1 9 h i m纤维的混凝土试件除少数纤维被拉断外 ，大多 数从混凝土试件中被拔出， 其原 因是纤维的长度较短 ， 本身粘结强度和延性还未充分发挥作用就产生粘结破 表 5纤维混凝土抗冲击性能试验结果 混凝土 试件编号及冲击次数 平均 相对 增长 类型 1 2 3 4 5 次数 百分 率 Q ， o 6 5 8 5 6 6 1 9 0 9 1 8 1 4 1 3 2 5 2 3 1 8 6 2 1 0 1 9 1 2 21 2 2 l 9 1 8 2 5 2 1 2 5 0 3 D ，0 9 1 6 1 7 21 21 20 1 9 21 7 3 O 1 2 21 2 2 2 5 23 2 6 2 3 4 2 9 0 坏。掺入3 0 m m纤维的混凝土试件受到冲击破坏后 ， 穿 过破坏断面 上的纤维被拔出的数 目有所减少，而被拉 断的数 目有所增加 ，主要是由于纤维的长度增加而粘 结强度也明显增加的结果4 。 3 结语 改性聚丙烯纤维的长度对混凝土强度增长有一定 的影响， 在混凝土中加入改性聚丙烯纤维能明显提高混 凝土的抗压强度、 抗折强度和轴心抗压强度， 对劈裂抗 拉强度和弹性模量的影响不明显。 D j k O 6 1 2 k 咖 s 的聚 丙烯纤维 ， 均会使拌合物的坍落度略有降低 。 使混凝土 的粘聚眭和保水性得到改善。 掺入改性聚丙烯纤维能有效提高混凝土的抗冻融 性能 ； 能有效提高混凝土的抗渗性能 ， 在一定范围内， 纤维掺入量越大 ， 改善越明显； 可显著提高混凝土的抗 收缩开裂性能， 裂缝消除率达9 O 以上 ； 掺入纤维的混 凝土试件比未掺纤维的混凝土试件的抗冲击强度显著 提高 ， 当掺量为1 2 k m 时抗冲击能力最大 ， 长纤维比 短纤维效果更佳 。 参考文献 1 杨继强 改性聚丙烯纤维 的长度 、 掺量对混凝土性 能影响的试验研 究 J 实验室科学 ， 2 0 0 7 ( 3 ) ： 6 8 7 0 2 龚益 ， 沈荣熹 ， 李清海 杜拉纤维在土建工程 中的应 用 M 北京 ： 机 械工业出版社 。2 0 0 2 4 8 _ 4 9 3 戴建 国 ， 刘 明 ， 黄 乘逵 聚丙烯纤维混 凝土和砂浆的塑性收缩 试验 研究 J 沈阳建筑工程学院学报 ， 2 0 0 0 ( 3 ) ： 1 9 5 1 9 8 4 李建林 ， 朱子龙 聚 丙烯纤 维砂 浆抗冲 击性能的研究 J 混凝 土与 水泥制品 ， 1 9 9 0 ( 2 ) ： 4 1 4 4 5 温小栋 ， 潘伟 ， 许 永和 聚丙烯纤维对 混凝土拌合物性能的影响( J 建筑技术 ， 2 0 0 9 ,4 0 ( 2 ) ： 1 7 7 1 7 9 6 谷 章昭 ， 邓泳梅 合成纤维混凝土 的性 能及其工程应用 J 建 筑技 术 ， 2 0 0 0 , 3 1 ( 1 ) ： 3 0 3 2 表 4纤维混凝土抗裂性能试验结果 混凝土类型 试件初始重量 k g 2 4 h 重量 k g 缩水率 裂缝宽度 m m 裂缝长度 n u n 裂缝面积总和 in to 裂缝消除率 6 8 7 6 5 5 4 2 5 1 0 0 1 2 6 o 0 4 0 0 3 0 o 1 8 O 1 2 O 1 5 0 24 1 2 1 9 0 9 6 75 65 8 2 5 O 6 O 2 1 7 0 ， ， 2 8 O 3 O 0 2 1 8 9 0 9 6 l 9 1 2 6 86 66 4 3 2 O 1 3 o ， ， 5 O 8 9 9 6 7 3 0 0 9 7 0O 67 6 3 4 O 1 2 2 9 0 3 8 O 3 2 0 l 1 9 9 50 7 3 0 1 2 6 8 0 65 5 3 7 1 0 0 7 3 2 0 2 8 0 2 28 9 0 5 5