钢纤维和聚丙烯纤维增强混凝土性能对比试验及分析.pdf

广东建材2023年第8期0 前言大量研究表明1-3，纤维与混凝土的复合，能有效解决混凝土拉压比低、韧性差和收缩大等问题。国际材料与结构实验室联合会将纤维混凝土定义为：水硬性水泥不掺集料或掺有各种尺寸的集料，并掺有分散的纤维增强体所组成。纤维在混凝土中均匀而任意分布，起作用可分为三个方面4,5：提高水泥基材的抗拉强度；阻碍水泥基材料中微裂缝的生长，同时防止新裂缝的产生；增强水泥基材料抵抗变形的能力，提高材料的韧性和抗冲击性。本文通过检测试验，主要对比研究了钢纤维和聚丙烯纤维在不同体积掺量条件下对混凝土工作性能、力学性能和抗渗性能的影响。1 原材料及试验方法1.1原材料水泥为普通硅酸盐水泥（P O 42.5），其物理力学性能指标及化学成分分别见表1与表2。骨料细集料：天然河砂，经筛分、冲洗、晾晒等程序，细度模数为3.0，经处理后含泥量、含水率可忽略不计。粗集料：510mm碎石和1020mm碎石。减水剂和水减水剂为高效聚羧酸减水剂，拌和水为自来水。纤维钢纤维：市售钢纤维，其性能指标见表3。聚丙烯纤维，性能指标见表4。1.2试验方法钢纤维和聚丙烯纤维增强混凝土性能对比试验及分析杨永栩（广州建设工程质量安全检测中心有限公司）【摘要】以钢纤维和聚丙烯纤维为研究对象，通过试验对比研究了纤维混凝土工作性能、力学性能和抗渗性能。检测试验结果表明：纤维的掺入会导致混凝土坍落度、拓展度的明显降低；钢纤维对混凝土抗压强度和抗折强度的影响比聚丙烯纤维大，当体积掺量为 0.10%时，最大增幅分别为13.80%和11.91%；混凝土达到最高抗渗等级9时，钢纤维和聚丙烯纤维的体积掺量分别为0.05%和0.10%。【关键词】钢纤维；聚丙烯纤维；混凝土；工作性能；耐久性能比表面积/（m2/kg）396凝结时间/min初凝159终凝212抗压强度/MPa3d26.6328d49.60抗折强度/MPa3d5.4328d7.84密度/（g/cm-3）3.05标准稠度/%27.3表2 水泥的物理力学性能指标直径/mm0.55长度/mm36拉伸强度/N/mm21340长径比60表3 钢纤维性能指标直径/m14长度/mm19拉伸强度/N/mm215弹性模量/Gpa3.6长径比1357表4 聚丙烯纤维性能指标SiO221.35Al2O35.47Fe2O33.04CaO58.23MgO2.55NaO20.38KO20.71L.O.I2.91表1 水泥主要化学成分（%）材料研究与应用-29广东建材2023年第8期1.2.1工作性能混凝土的表观密度和坍落度试验参照国家标准 普通混凝土拌合物性能试验方法标准GB/T 50080进行测试。1.2.2抗压、抗折强度试验混凝土的抗压强度参照国家标准 普通混凝土力学性能试验方法标准GB/T 50081进行测试。抗压强度 试 验 机 为 美 特 斯 工 业 系 统（中 国）有 限 公 司 的YAW4306型微机控制电液伺服压力试验机，其最大荷载为3000kN；抗折强度为深圳万测试验设备有限公司型号：HUT305A，其最大荷载为300kN。1.2.3抗水渗透试验抗水渗透试验采用上口内径为175mm、下口内部直径为185mm和高度为150mm的圆台柱试件，参照国家标准GB/T 50082 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准 有关实验方法进行。2 实验结果与分析经计算和试拌，根据外加剂掺量、混凝土坍落度、粘聚性、泌水性、保水性以及抗压强度等指标要求进行混凝土的试配、调整并确定混凝土配合比如表5所示。2.1 钢纤维、聚丙烯纤维对混凝土工作性能的影响表6所示对比了钢纤维、聚丙烯纤维对混凝土坍落度的影响。由图可以看出，各种纤维混凝土坍落度值的变化规律类似，都随着体积掺量的增加而快速变小。而相同体积掺量时，聚丙烯纤维混凝土坍落度大于钢纤维混凝土。这是因为一方面，钢纤维是刚性纤维，形成的网络结构相对稳定，混凝土克服其阻力坍落过程中，需要做更多的功，坍落难度更大。另一方面，由于钢纤维与水泥基材料的相容性不好，从而导致其纤维网架结构与混凝土集料颗粒之间的摩擦力较大，混凝土拌合物要达到流动状态所需克服的作用力较大，故其坍落度减小。试验过程中发现，纤维体积掺量增加，混凝土的泌水量逐渐较少，均匀性逐渐提高。相同体积掺量时，聚丙烯纤维的保水性优于钢纤维。同时，在搅拌过程中，聚丙烯纤维容易团聚，而钢纤维则会出现弯曲和纤维外露的情况。2.2 钢纤维、聚丙烯纤维对混凝土力学性能的影响表7分别表示钢纤维、聚丙烯纤维增强混凝土抗压强度、抗折强度结果。钢纤维对混凝土抗压强度具有一定的提高作用，掺量为 0.10%时，最大增幅达 13.80%。体积掺量较小时，聚丙烯纤维和集束型玄武岩纤维对混凝土抗压强度有一定的提高作用，而掺量增大时，混凝土抗压强度反而会有小幅度的下降。这是因为，实验室条件下，测试抗压强度的荷载方式决定，混凝土试件的内部整体框架对混凝土试件的抗压强度有至关重要的影响。经过充分的搅拌后，纤维在混凝土内部形成均匀分布的网络结构，有助于提高混凝土试件在荷载作用下结构的稳定性，从而提高混凝土抗压强度。钢纤维密度大，体积大，在体积相同掺量条件下，混凝土中钢纤维数目较少，在混凝土中能保证充分分散，形成的三维网络构架能有效提高荷载作用下混凝土框架的整体性。而聚丙烯纤维密度小，体积也小，在相同掺量条件下，根数则过多，在实验室的搅拌条件下，相对于钢纤维，容易团聚，使的混凝土内部结构不均匀，抗压强度降低。水泥400水185砂830碎石510mm450、1020mm520减水剂0.8表5 混凝土配合比（kg/m3）体积掺量/%0.050.100.150.200.25钢纤维160130908060聚丙烯纤维1701301008572表6 钢纤维、聚丙烯纤维混凝土坍落度实验结果体积掺量/%00.050.100.150.200.25钢纤维混凝土抗压强度/MPa52.6054.2359.8655.5353.4253.02抗折强度/MPa4.875.215.455.365.265.19聚丙烯纤维混凝土抗压强度/MPa52.6053.8953.7254.0651.1851.29抗折强度/MPa4.875.195.365.145.134.97表7 纤维混凝土抗压强度和抗折强度材料研究与应用-30广东建材2023年第8期纤维的掺入对混凝土抗折强度增强比较明显，且钢纤维的增强效果明显优于聚丙烯纤维。当纤维体积掺量为0.10%时，增强效果最明显，从素混凝土的4.87分别 增 长 为 5.45MPa 和 5.36MPa，分 别 增 长 11.91%和10.06%。2.3 钢纤维、聚丙烯纤维对混凝土力学性能的影响本试验中，钢纤维和聚丙烯纤维对混凝土抗水渗透性能的影响相似。不同点在于钢纤维混凝土抗渗水压力达到最大值1.0MPa，即钢纤维混凝土抗渗等级最大值为9时，其体积掺量为0.05%；而聚丙烯纤维混凝土抗渗水压力达到相同值时，其纤维体积掺量为0.10%。这是因为在混凝土早期，纤维的引入，一方面，在混凝土内部形成的三维系统能有效阻隔水分流失的通道，减少水分的流失，减小毛细管收缩产生的负压，同时还可以承托骨料，较少骨料的沉降，提高混凝土的均匀性；另一方面，纤维吸收并分散了混凝土塑性变形过程中产生的能量，有效降低混凝土内部微裂缝尖端的应力集中程度，阻碍微裂缝的拓展和贯穿，从而达到抗渗的作用。3 结论纤维的掺入会导致混凝土坍落度、拓展度的明显降低，但混凝土的均匀性得到极大改善，其保水性变好、抗泌水性得到改善。相同体积掺量时，钢纤维混凝土坍落度值最小，聚丙烯纤维混凝土坍落度大于钢纤维混凝土。钢纤维可在一定程度上提高混凝土的抗压强度，当体积掺量为0.10%时，最大增幅可达13.80%。掺量较小时，聚丙烯纤维可提高混凝土抗压强度；当掺量进一步增大时，混凝土抗压强度反而有一定程度的降低。两种纤维对混凝土抗折强度增长率的影响大小规律：钢纤维聚丙烯纤维。小掺量的纤维在搅拌的过程中，能充分分散于混凝土中。其形成的网络结构可以阻止骨料的骨料，降低混凝土表面泌水以及由于集料的离析而导致的孔隙含量，同时抑制贯通裂缝的产生和发展，提高混凝土抗渗性能；掺量较大时，由于纤维分散不均匀，对混凝土抗渗性能没有明显效果。【参考文献】1 沈荣熹.纤维增强水泥与纤维增强混凝土M.北京:化学工业出版社，2006(9).2 吴中伟.纤维增强一水泥基材料的未来J.混凝土与水泥制品,1999(0l):5-6.3 唐颢凌.浅谈常见纤维混凝土的性能与应用J.四川水泥,2023(4):20-22.4 杨国梁.冲击荷载下3种典型纤维混凝土的动态力学性能研究J.新型建筑材料,2023(2):23-27.5 惠弘奕.钢纤维混凝土的力学特性单轴压缩试验研究J.塑料助剂,2022(6):26-29.体积掺量/%00.050.100.150.200.25钢纤维混凝土渗水压力/MPa0.91.01.01.00.90.9抗渗等级899988聚丙烯纤维混凝土渗水压力/MPa0.91.01.00.90.90.9抗渗等级899888表8 纤维混凝土抗渗试验结果材料研究与应用-31