掺聚烯烃粗纤维混凝土性能研究

秦鸿根，胡 勇，张 萍，吴蕴骁，袁继刚

（东南大学 材料科学与工程学院 江苏省土木工程材料重点实验室，江苏 南京 211189）

混凝土是当今世界用量最大、用途最广的工程材料之一，随社会对混凝土的要求不断提高，混凝土正朝着高强度、高性能和多功能的方向发展[1]，要求混凝土要具有很好的弯曲韧性和抗裂能力，纤维增强混凝土（FRC）是提高混凝土抗裂性和韧性的有效方法.目前国内外研究比较多、用量比较大且效果比较好的纤维增强水泥基复合材料，主要有钢纤维、聚丙烯、碳纤维、抗碱玻璃纤维以及混杂纤维等增强的混凝土.

聚烯烃纤维（polyolefin fiber）由烯烃聚合成的线型大分子构成的合成纤维，烯烃是一种由至少85%的乙烯、丙烯或其他烯烃类单体组成的高分子长链合成聚合物的人造纤维.烯烃纤维具有光滑表面的棒状结构，具有耐化学腐蚀、强度高、加工性好、质轻、蠕变收缩小、价格低廉和在低掺量下对混凝土的抗裂、增韧效果显著等优良的技术经济性能，因而在建筑工程中得到越来越广泛的应用.常用的聚丙烯纤维有粗纤维与细纤维.粗纤维主要成分是经改性的聚丙烯或丙烯与烯的共聚物，均为单丝状，为使粗纤维与水泥砂浆有较高的粘结强度，在纤维制造过程中采取表面糙化、截面成异形等措施；一般纤维直径大于0.1mm，长度大于30mm，断裂强度不低于500MPa，初始弹性模量不低于6GPa，断裂伸长不大于15%，其硬挺性好，可均匀分散于混凝土中，掺量可达10 kg/m3.而细纤维主要成分是等规聚丙烯，一般纤维直径不大于0.06mm，长度不大于20mm，断裂强度不低于270MPa，初始弹性模量于不低于3 GPa，断裂伸长率不大于20%；细纤维因表面经处理也可在混凝土中均匀分散，但掺量大于1 kg/m3时分散性明显下降[2-3].钢纤维混凝土（SFRC）是以较细骨料混凝土为基体，均匀掺入短而细的钢纤维而形成的复合材料.与普通混凝土相比，其抗拉强度、抗弯强度、耐磨、耐冲击、耐疲劳、韧性、抗裂和抗爆等性能都得到很大提高[4].

为了比较掺聚烯烃粗纤维对混凝土的增韧、抗冲击和阻裂效果，本文研究了不同掺量的聚烯烃粗纤维混凝土静动态力学性能和变形性能，并与普通混凝土和钢纤维混凝土进行比较.

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

水泥，采用PⅡ52.5水泥，比表面积为382m2/kg，初凝178m in，终凝231m in，碱含量为0.46%，氯离子含量为0.02%，28 d抗折强度9.6MPa，28 d抗压强度60.7MPa.

粉煤灰，南京华润电厂I级粉煤灰，细度12%，烧适量3.0%.

砂，细度模数为2.34，表观密度2 710 kg/m3，堆积密度1 580 kg/m3，含泥量1.5%.

石子，石灰岩碎石，5～20mm连续级配，表观密度2 710 kg/m3，堆积密度1 610 kg/m3，压碎指标值12%，含泥量0.4%.

聚烯烃纤维（RL），采用上海罗洋新材料科技有限公司生产的罗拉纤维，是一种以聚烯烃为基材的合成的复合纤维；取名罗拉纤维（RL），形状为波浪形，星形横截面，长度为47mm，等效直径为0.80mm，长径比为58，密度为0.93 g/cm3，抗拉强度293 MPa，弹性模量为7 GPa，弯曲20次不断，熔点为159～179℃，燃点 450℃.

钢纤维（SF），采用端钩型钢丝钢纤维，长度为30mm，等效直径为0.50mm，长径比为60，密度为7.85 g/cm3，抗拉强度1 378MPa，弯曲3次不断.

外加剂，江苏博特股份有限公司生产的聚羧酸类高性能外加剂PCAI-1，减水率达35%.

1.2 试验方法

纤维混凝土工作性，依据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GBT 50080-2002）评定混凝土的工作性；力学性能依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2002）测定；弯曲韧性和初裂强度依据《纤维混凝土应用技术规范》（JGJ/T 221-2010）进行纤维混凝土弯曲韧性和初裂强度试验；动弹性模量，混凝土试件的长侧面，沿对角线在对应位置取点，通过超声仪测量超声波在混凝土中传播的声时值，再通过试件长度尺寸，计算传播速度，按文献[5]的计算方法，测定混凝土动弹性模量.

混凝土耐撞磨试验，按照文献[6]的方法： 100mm×100试件，标养28 d，防于烘箱中烘24 h，称量纤维混凝土的烘干质量0，选用100颗直径15～18mm钢球，在撞磨试验机中以37转/m in的转速撞磨，转动250转，称量250转时的质量1，继续转动到500转，称量500转时的质量2.试验结果以转动250转、500转的质量损失率评定.

干燥收缩试验，将竖直放置固定钢架上，下面是刚性钢板，上面是千分表，利用千分表读数变化记录收缩长度；抗冲击性能参照ACI544推荐方法进行，试件尺寸为150mm×150mm×60mm.

2 试验结果与分析

2.1 纤维混凝土配合比与工作性

纤维混凝土强度等级为C45，坍落度150～170 mm.根据混凝土设计强度和胶凝材料的强度确定水胶比，根据工作性和外加剂的减水率确定用水量，为了比较不同聚烯烃纤维的掺入对混凝土力学性能的影响，采用了相同的砂率，设计出混凝土试验配合比.掺15%I级粉煤灰，用水量为149 kg/m3，水胶比为0.35，砂率为42%，钢纤维体积掺量为0.45%，聚烯烃粗纤维体积掺量为0.32%、0.64%和0.96%，并与不掺纤维组进行对比，并测试新拌混凝土工作性能.配合比新拌性能如表1所示.

水试验表明，在聚烯烃粗纤维体积掺量0.32%～1%范围内，纤维分散性均良好，聚烯烃纤维混凝土的流动性与同体积掺量的钢纤维混凝土相近，均小于普通混凝土.随着纤维掺量增加，坍落度减小.这是由于增加了大量不易流动的纤维，其表面与浆体、骨料接触，增加了内摩擦力降低工作性.

2.2 纤维混凝土力学性能

2.2.1 基本力学性能（抗压、抗弯、劈裂抗拉强度）

按表1的配合比配制5组混凝土，标准养护至规定龄期，测试纤维混凝土力学性能，试验结果列于表2中.

表1 纤维混凝土试验配合比Tab.1 M ixing proportionsof FRC

表2 纤维混凝土的基本力学性能Tab.2 The principalmechanicalpropertiesof FRC

试验结果表明，CF45纤维混凝土28 d抗压强度满足设计要求，钢纤维混凝土抗压强度最大，聚烯烃纤维混凝土抗压强度会有所降低，降低率小于5%；体积掺量为0.45%的钢纤维混凝土的初裂抗弯强度和劈裂抗拉强度与普通混凝土相近，而体积掺量为0.32%～1%的聚烯烃纤维混凝土的的初裂抗弯强度和劈裂抗拉强度比钢纤维混凝土和普通混凝土有所降低，但随着聚烯烃纤维掺量的提高，其劈裂抗拉强度有所提高.由于钢纤维体积掺量较低，故增强效果不明显；由于聚烯烃纤维弹性模量低，故即使增加其掺量均不能提高其力学强度.

2.2.2 动弹性模量

混凝土自身密度和泊松比对其弹性模量测定值产生的影响较小，而超声波波速对其影响最大[5]，计算公式为：

实验结果列于图1中.从图1中可以看出，各组混凝土的动弹性模量均随龄期增大而增长，在最初几天增长最快，并逐渐变慢.这是因为随着龄期延长，水泥水化程度加深，孔隙率减少，致密度增加，因而弹性模量增大，而最初几天水泥水化速度最快，此后逐渐变慢.与普通混凝相比，由于聚烯烃纤维本身的弹性模量低，密度小，因此聚丙烯纤维的掺入使得混凝土动弹性模量减小.

图1 纤维混凝土动弹性模量Fig.1 of FRC

2.2.3 弯曲韧性

按表1配合比成型5组试件，标养28 d，测试纤维混凝土的弯曲韧性，用5表示跨中挠度为3.0 时的弯曲韧性指数，10表示跨中挠度为5.5 时的弯曲韧性指数，20表示跨中挠度为10.5 时的弯曲韧性指数.其试验结果列于表3中.

试验结果表明，普通混凝土在抗弯时呈现刚性状态，聚烯烃纤维混凝土和钢纤维混凝土能有效提高混凝土弯曲韧性；钢纤维混凝土在挠度较小时的韧性很好，裂后承载能力较高，而当挠度较大时，韧性指数增加不大，混凝土的承载能力变低；聚烯烃纤维混凝土在一定掺量范围内，韧性随掺量增加而提高，挠度增大时，韧性指数仍有较大提高，聚烯烃纤维混凝土在挠度较大时仍有较好承载能力.

表3 纤维混凝土的弯曲韧性Tab.3 The flexural toughnessof FRC

2.2.4 抗冲击试验和耐撞磨实验

按表2配合比成型5组试件，标养28 d，进行纤维混凝土抗冲击试验和耐撞磨实验，结果列于表4中.

试验结果表明，纤维混凝土的耐冲击性能明显优于普通混凝土，聚烯烃纤维混凝土比同体积掺量的钢纤维混凝土抗冲击性能好，随聚烯烃掺量的提高，抗冲击性能提高，但体积掺量过高时又有降低的趋势.聚烯烃粗纤维混凝土和钢纤维混凝土能有效提高混凝土抗撞磨性能，随着聚烯烃纤维掺量的提高，其混凝土抗撞磨性能明显改善.

硬化后的混凝土基体握裹高强纤维粘联成为致密的乱向分布的网状增强系统，提高了混凝土的抗冲击能力，纤维与水泥基材紧密结合在一起，极大的保持了混凝土的整体强度.混凝土受到冲击时纤维吸收了大量的能量，从而有效的减少了集中应力的作用，提高了混凝土的冲击韧性.

2.3 变形性能

收缩试验。按表1配合比成型5组试件，进行收缩试验，试验结果列于图2中.可以看出，钢纤维混凝土收缩率比普通混凝土略低，低掺量聚烯烃纤维（0.32%）混凝土的收缩率比普通混凝土低，随掺量的提高（0.64%～1%），收缩率增大，高于普通混凝土.

表4 纤维混凝土抗冲击与耐撞磨性能Tab.4 The performance of FRC to resistimpactand abrasion

图2 纤维混凝土的收缩率Fig.2 The Shrinkage Rateof FRC

3 结论

1）在0.32%～1%的掺量下，聚烯烃粗纤维的分散性良好；配合比相同时，掺聚烯烃粗纤维混凝土流动性小于普通混凝土，与同体积掺量钢纤维混凝土相近；随着纤维掺量增加，坍落度减小.

2）聚烯烃粗纤维混凝土抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度和弹性模量均稍低于普通混凝土，即使增加聚烯烃纤维的掺量也不能提高其力学性能.

3）掺聚烯烃粗纤维可显著改善混凝土的弯曲韧性、抗冲击性和耐撞磨性能，随掺量的增大其改善程度提高，其效果甚至优于同体积掺量的钢纤维混凝土.

4）掺聚烯烃粗纤维对混凝土的干燥收缩有不同影响，低掺量时有改善作用，随掺量提高反而有负面影响，使得收缩大于钢纤维混凝土和普通混凝土；掺聚烯烃粗纤维对混凝土的塑性收缩有一定的抑制作用，但远不及同体积掺量的钢纤维.

[1]倪敬达，于湖生.几种纤维在增强混凝土中的应用 [J].高科技纤维与应用，2005，30（4）：37-40.

[2]沈荣熹，史小兴.聚烯烃纤维在混凝土中应用的进展 [C]//第十二届全国纤维混凝土学术会议论文集.2008：1-9.

[3]沈荣熹.聚烯烃粗纤维增强混凝土的性能及应用 [J].混凝土世界，2009（9）：42-50.

[4]秦鸿根，刘斯凤，孙伟，等.维掺量和类型对混凝土性能的影响 [J].建筑材料学报，2003，（4）：364-368.

[5]刘宏伟，谢丽，吴胜兴.混凝土早龄期弹性模量无损检测初探 [J].混凝土，2008（6）：36-38.

[6]冯长伟，秦鸿根，常儇宇.闸室墙混凝土的耐撞磨试验 [J].水利水电科技进展，2009（4）：51-54.