聚丙烯纤维对再生混凝土力学性能和干缩率的影响*

姚艳芳

(河北科技学院 建筑工程学院，河北 保定 071000)

0 引 言

混凝土是世界上使用量最大的建筑材料，年消耗量超过250亿吨。混凝土建筑废料破碎后的再生粗骨料和再生细骨料，均已经用于制造固态废弃物再生材料[1-2]。研究人员甚至已经开始研究采用再生骨料制备高强度混凝土[3-4]。高效减水剂、矿物掺合料以及增强纤维等对混凝土性能有重要影响，并可提高材料的抗压强度。通过在混凝土中加入硅灰、磨细高炉矿渣、粉煤灰和增强纤维等辅助材料，可以提高界面过渡区的刚度和强度，制备高强混凝土[5-7]。与传统混凝土相比，添加辅助材料的普通硅酸盐水泥孔隙率较低，孔隙尺寸更小。此外，加入辅助胶凝材料可以改变水泥水合物的矿物学性能，降低氯离子扩散率[8-9]。

与普通混凝土相比，高强混凝土更脆，不同尺寸裂纹的萌生和扩展非常容易[10]。再生骨料由于其表面附着有水泥残渣，因此其吸水率较天然骨料高，更容易引起混凝土材料收缩裂纹，从而降低混凝土材料的强度[11-13]。因此，在混凝土中混杂纤维以及其它胶凝材料可以降低材料的干缩率，提高其力学性能，包括抗拉强度、弯曲强度、热冲击强度和韧性[14-17]。掺杂的纤维类型、长径比和弹性模量会影响混凝土材料裂纹的萌生和扩展[18-19]，而胶凝材料的化学性质也会影响混凝土材料的力学性能[20-21]。

W. C. Choi等[22]发现用0.1%(质量分数)尼龙纤维和0.1%(质量分数)钢纤维混杂增强可使试件的干缩比降低两倍以上，纤维增强混凝土的收缩应变降低65%。A. G. Khoshkenari等[23]采用再生骨料制备混凝土，制备的混凝土材料密度为2310和1970 kg/m3，吸水率分别为6.87%和14.05%，再生骨料制备的混凝土具有较低的抗压强度和劈裂抗拉强度。此外，硅灰等胶凝剂对正常强度混凝土的抗压强度和高强度混凝土的抗拉强度的影响尤为明显[24]。H. A.Toutanji等[25]研究表明，掺杂聚丙烯纤维会降低混凝土抗氯离子的扩散性。J. Blunt等[26]表明混杂纤维增强混凝土具有较高的抗裂性能，能有效地延缓钢筋腐蚀，降低钢筋的腐蚀速率，耐腐蚀性能和混凝土的收缩裂纹具有明显的相关关系。然而少有研究者同时研究硅灰和纤维增强对再生混凝土的力学性能和干缩率的影响。

本文以再生骨料、硅酸盐水泥为原料，通过添加硅灰胶凝助剂和聚丙烯纤维，降低再生混凝土的干缩率，提高其力学性能。研究测试了再生混凝土在不同养护龄期的微观结构、抗压强度、干缩率、动态和静态弹性模量，对制备高强度再生混凝土材料具有一定的指导意义。

1 实 验

1.1 实验材料

硅酸盐水泥(PO42.5)：细度为1.4%，烧失量为3.6%，初凝时间约195 min，终凝时间约250 min，抗压强度为29.2 MPa，北京永鑫建材有限公司，其化学组成如表1所示。硅灰：耐火度>1 600 ℃，密度在0.20～0.25 g/cm3之间，平均粒径约0.3 μm，比表面积为28 m/g，北京永鑫建材有限公司。

表1 水泥化学组成

再生骨料：包括再生细骨料和再生粗骨料，北京百旺环境科技有限公司。再生细骨料表面粗糙，但粒形较好，大多为多面立方体、多棱体或球体，其最大尺寸为4.75 mm，吸水率为3.30%，密度为2.45 g/cm3，空隙率为39%，堆积密度为1.50 g/cm3，表观密度为2.44 g/cm3；再生粗骨料表面包裹少量砂浆和水泥素浆，表面凹凸不平，多孔隙、多棱角，其最大尺寸为19.00 mm，吸水率为1.20%，密度为2.69 g/cm3，空隙率为41%，堆积密度为1.50 g/cm3，表观密度为2.552 g/cm3。高效减水剂：褐黄色粉末，含固量≥92%，pH值在7～9之间，硫酸钠含量为17%，BASF公司。聚丙烯纤维：原料成分为聚丙烯单丝，其耐酸碱性极高，热传导性较低，无吸水性,大城县亦博化工有限公司，聚丙烯纤维的性能数据如表2所示。

表2 聚丙烯纤维的各项性能

图1为聚丙烯纤维的实物图和SEM图。从图1(a)可以看出，聚丙烯纤维为高强度束状单丝纤维，为乳白色；从图1(b)可以看出，聚丙烯纤维表现出中空分散和结构规整的特性，为结晶性聚合物，其分子不带极性基团，粘结性和抗蠕变性能差，表面呈现化学惰性。

图1 聚丙烯纤维的实物图和SEM图Fig 1 Physical drawing and SEM images of polypropylene fiber

1.2 混凝土混合工艺

混凝土的水胶比设计为0.3，硅灰含量为10%(质量分数)，具体实验设计如表3所示。首先将细骨料、水泥和硅粉混合5 min，然后加入78 g水(包括强塑剂1 g)，再混合 5 min，接着加入粗骨料和剩余的水进行搅拌。静置5 min后，将纤维少量多次添加到旋转混合器中，继续搅拌5 min以获得均匀的混合物。按照所需尺寸将混凝土成模，然后用湿塑料板覆盖样品，防止滴水，脱模并在23 ℃的石灰饱和水中浸泡一定实验周期,养护龄期分别为7，28和91 d。每次实验准备3个样品，最终结果为3组样品的平均值。

表3 混凝土混合料的配比

1.3 力学试验

根据GB/T50080进行坍落度试验；根据普通混凝土力学性能试验方法标准GB/T50081-2016和普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法GB/T 50082-2009，使用3 000 kN万能压缩机，对尺寸为100 mm×200 mm的圆柱形试样进行压缩性能和静态、动态弹性模量试验。

1.4 自由干缩试验

按照GB/T29417-2012进行自由干缩试验。养护环境为23 ℃、相对湿度为50%，养护时间为7，28和91 d后。使用标距为300 mm、读数分辨率为0.002 mm的千分表引伸计测量干缩长度变化。

2 结果与讨论

2.1 可加工性分析

聚丙烯纤维和硅灰对坍落度试验结果的影响如表4所示。从表4可以看出，在普通混凝土中加入等量的硅灰，会使坍落度值降低，但硅灰可以增加聚丙烯纤维增强混凝土的粘度，促使聚丙烯纤维在混凝土中分布均匀；增加聚丙烯纤维的含量也会使坍落度值降低，从而使混凝土的可加工性降低。因此，需要添加较高的强塑剂以保持聚丙烯纤维混凝土的可加工性。纤维含量为0.15%,0.30%和0.45%(质量分数)的聚丙烯纤维增强混凝土中，0.45%(质量分数)聚丙烯纤维掺杂的混凝土的坍落度值最低。

表4 聚丙烯纤维和硅灰对坍落度试验结果的影响

2.2 抗压强度分析

图2为不同纤维含量的聚丙烯纤维混凝土抗压强度试验结果。从图2可以看出，与普通纯混凝土相比，养护龄期为7，28和91 d的聚丙烯纤维增强混凝土(PFC0.15、PFC0.30和PFC0.45)的抗压强度最高分别提高了7.2%，9.1%和11.5%；用10%(质量分数)硅灰代替水泥(SFC10)，也可提高混凝土的抗压强度。对于养护龄期为7和28 d的聚丙烯纤维增强混凝土，随着纤维含量的增加，不同纤维含量的混凝土抗压强度逐渐增加。这是由于硅灰可以填充毛细孔隙，改善界面过渡区的特征和水泥基体的微观结构，而且随着聚丙烯纤维含量的增多，混凝土中并未出现聚丙烯纤维团聚的现象，因此，混凝土的抗压强度随聚丙烯纤维含量的增多而逐渐增大。但对于养护龄期为91 d的聚丙烯纤维增强混凝土，PFC0.45混凝土的抗压强度低于PFC0.30混凝土，这可能是由于纤维掺杂量较多时，会增加混凝土的孔隙率，从而降低抗压强度。

图2 不同纤维含量的聚丙烯纤维混凝土抗压强度试验结果Fig 2 Compressive strength test results of polypropylene fiber concrete with different fiber content

2.3 SEM分析

图3为不同纤维含量的聚丙烯纤维混凝土的抗压强度。从图3可以看出，随着混凝土内聚丙烯纤维含量的增加，断口处出现的纤维也逐渐增多，但聚丙烯纤维含量为0.15%，0.30%和0.45%(质量分数)的混凝土断口处均没有出现纤维团聚的现象，说明聚丙烯纤维在混凝土基体中分散良好。从图3(a)～(c)可以看出，聚丙烯纤维混凝土中的聚丙烯纤维为拔出破坏，而不是直接断裂。由此可知，聚丙烯纤维的拔出效应可以有效增强聚丙烯纤维混凝土的断裂韧性。

图3 不同纤维含量的聚丙烯纤维混凝土的抗压强度Fig 3 Compressive strength of polypropylene fiber concrete with different fiber content

2.4 动态与静态弹性模量分析

图4(a)为不同纤维含量的聚丙烯纤维混凝土的动态弹性模量。从图4(a)可以看出，与素混凝土相比，含硅灰的混凝土由于密度较低，其动态弹性模量略低，这是由于试件的密度对实验结果有一定的影响。此外，聚丙烯纤维的加入会使动态弹性模量降低。掺入0.45%(质量分数)的聚丙烯纤维后，28 d后动态弹性模量比普通纯混凝土降低3%。这是由于加入聚丙烯纤维致使混凝土的孔隙率增加造成的。

图4(b)为不同纤维含量的聚丙烯纤维混凝土的静态弹性模量。从图4(b)可以看出，硅灰的加入可以致密化浆体与骨料间的界面过渡区，增加混凝土的密度，使混凝土的弹性模量提高。与普通混凝土相比，聚丙烯纤维的掺杂会导致混凝土的静态模量增加。由图4(b)可知，不同不同纤维含量和养护时间，静态模量均有不同程度的增加，掺杂0.45%(质量分数)的聚丙烯纤维增强混凝土91 d龄期静态弹性模量增幅可达6%,其91 d静态弹性模量为37.5 GPa。

图4 不同纤维含量的聚丙烯纤维混凝土的弹性模量实验结果Fig 4 Experimental results of elastic modulus of polypropylene fiber concrete with different fiber content

2.5 干缩率分析

图5为不同纤维含量的聚丙烯纤维混凝土的干缩率。从图5可以看出，用10%(质量分数)硅灰替代水泥后，混凝土的干缩应变比纯混凝土降低了9.2%。这是因为硅灰能降低混凝土的孔隙率，并随着C-S-H凝胶的增加而产生更致密的混凝土，硅灰通过填充小孔和增加硬化水泥浆体的密度，从而减少混凝土的干燥收缩，在加固混凝土结构方面具有显著效果。由图5可知，不同试件的干缩在起始日无显著性差异，而在28 d后出现显著性差异。此外，与普通纯混凝土相比，纤维含量为0.15%，0.30%和0.45%(质量分数)的聚丙烯纤维增强混凝土的干缩比最大分别降低了15.1%，18.4%和18.2%。混凝土在112 d干燥后，收缩趋于稳定。由此可知，硅灰和聚丙烯纤维的掺杂可有效降低混凝土的干缩，而且随纤维含量的增加，收缩应变逐渐降低。

图5 不同纤维含量的聚丙烯纤维混凝土的干缩率Fig 5 Dry shrinkage of polypropylene fiber concrete with different fiber content

3 结 论

研究了硅灰和聚丙烯纤维对混凝土力学性能和干缩性能的影响，得出以下结论：

(1) 在混凝土中掺杂硅粉和纤维会降低混凝土的可加工性，为了保持与普通纯混凝土相同的坍落度值，需要使用更高剂量的高效减水剂。

(2)用10%(质量分数)硅灰代替水泥，可提高混凝土的抗压强度。而且在聚丙烯纤维含量较高的混合物中可获得较高的抗压强度，此外，硅灰还可填充毛细孔隙，改善界面过渡区的特征和水泥基体的微观结构。

(3)聚丙烯纤维的掺杂会降低混凝土的动态弹性模量降低，提高混凝土的静态弹性模量。掺杂0.45%(质量分数)的聚丙烯纤维增强混凝土91 d龄期静态弹性模量增幅可达6%,其91 d静态弹性模量为37.5 GPa。

(4)硅灰和聚丙烯纤维的掺杂可有效降低混凝土的干缩，而且随纤维含量的增加，收缩应变逐渐降低。