多尺度聚丙烯纤维改性混凝土及性能研究*

2023-12-16陈明明

化学工程师 2023年11期

陈明明

（陕西铁路工程职业技术学院陕西省高性能混凝土工程实验室，陕西渭南 714000）

混凝土材料有着较好的可塑性、耐用性和低成本性，广泛应用于建筑等土木工程中[1]。但在实际应用中，环境侵蚀等影响会破坏混凝土结构，降低其性能。因此，对于混凝土的性能优化，是当前思考和研究的一个热点。近年来，为了改性混凝土材料，优化其性能，许多学者对此进行了研究，如秦玲等[2，3]提出了碳化养护蒸压加气和化学溶液预处理再生粗骨料的方法以改性混凝土的综合性能。除了优化工艺方法来改性混凝土性能，纤维增强混凝土技术也是当前优化混凝土性能的主要方法，通过纤维材料改性混凝土，提高其强度和韧性。对此，黄凯旗等[4]则通过钢纤维和聚丙烯纤维（PPF），对混凝土材料性能进行优化。实验结果表明，改性后的混凝土材料的抗压强度和抗裂性能均有明显提高。而吴海林等[5]则通过正交实验，研究了在混杂纤维改性混凝土中，纤维的种类、尺寸、掺量等因素对抗压强度的影响。在众多纤维改性混凝土的应用研究中，聚丙烯纤维有着成本低、强度高、耐磨耐腐蚀性好等特点，在纤维增强混凝土技术中被广泛应用。基于此，本实验采用3 种不同尺度的聚丙烯纤维，以不同配比方案单掺、双掺或三掺的方式加入混凝土中，以改性混凝土，并在硫酸盐环境下研究其耐久性。

1 实验部分

1.1 材料与设备

P.O 42.5 硅酸盐水泥（工业纯无锡市江淮建材科技有限公司）；细骨料河砂（工业纯石家庄晶森矿产品有限公司）；粗骨料碎石（工业纯灵寿县梓舒矿产品有限公司）；细聚丙烯纤维（AR 北京融耐尔工程材料有限公司）；粗聚丙烯纤维（AR 宁波大成新材料有限公司）；PC-1009 型聚羧酸减水剂（AR 济南福鑫精细化工有限公司）；环氧树脂AB 胶（AR 东莞市三鸣复合材料有限公司）；Na2SO4（工业纯苏州市俊腾化工科技有限公司）。

YP1002 型电子天平（广东三丰精密量仪有限公司）；WD-300 型立式搅拌桶(济宁威达机械有限公司)；Quattro S 型环境扫描电镜（赛默飞世尔）；BH52-HD-2001 型能谱仪（北京中西华大科技有限公司）；YAW-2000KN 型岩石剪切试验机（济南中创工业测试系统有限公司）。

1.2 实验方法

1.2.1 聚丙烯纤维混凝土配合比参考有关文献，确定细PPF（FF1 直径26μm，FF2 直径100μm，长度均19mm）和粗PPF（CF 直径800μm，长度50mm）的最佳掺量分别为0.9kg·m-3和6.0kg·m-3[6，7]。在保持其他条件不变的情况下，改变不同尺度的聚丙烯纤维掺量，以A0 无纤维掺量作为对比，制定配比方案，见表1。

表1 聚丙烯纤维混凝土配比Tab.1 Mix proportion of polypropylene fiber concrete

1.2.2 聚丙烯纤维改性混凝土的制备

（1）按照表1 中的配比，用电子分析天平称取一定质量的P.O 42.5 硅酸盐水泥和经过晾晒的河砂，一起置入搅拌器中，设置搅拌时间为1min。再先后加入细PPF 和粗PPF，继续搅拌1min。

（2）依次在搅拌器中加入水和减水剂，继续搅拌1min，然后加入称量好的细骨料河砂和粗骨料碎石，再搅拌2min，获得混凝土砂石浆。

（3）将混凝土砂石浆倒入尺寸为100mm×100mm×100mm 的立方体模具中，振实排出气泡后，用抹灰刀抹平混凝土表面，并用PE 材质塑料薄膜密封。

（4）将试件放置在20℃的恒温室内进行养护1d，然后脱模，再在20℃的恒温室内养护20d，得到不同聚丙烯纤维掺量的混凝土试件。

1.2.3 硫酸盐侵蚀实验步骤在硫酸盐侵蚀实验中，采用干湿循环法，其中，循环周期和干湿比分别为7d 和4∶3，并在10%浓度的Na2SO4溶液环境下对试件进行耐腐蚀实验[8]。具体步骤如下：

（1）将1.2.2 中所得到的不同聚丙烯纤维掺量的混凝土试件用环氧树脂涂胶处理，只留下一个相对面，自然干燥3d。

（2）用电子分析天平分别称取不同聚丙烯纤维掺量的混凝土试件的初始质量，然后间隔放入收纳箱，注意不要重叠。

（3）将配好的浓度为10%的Na2SO4溶液慢慢倒入装有不同聚丙烯纤维掺量的混凝土试件的收纳箱中，直至浸没试件，最后盖上收纳箱的盖子，密封处理，并每30d 更换一次侵蚀溶液。干燥过程则为室外自然干燥。

（4）总侵蚀天数为150d，每4 次循环后用电子分析天平对试件进行称重并记录。

1.3 性能测试

1.3.1 质量损失测试为了分析混凝土在侵蚀环境中的劣化程度，本实验测试了不同聚丙烯纤维掺量的混凝土试件的质量损失率。本次Na2SO4侵蚀实验总周期为150d，根据1.2.3 中的称重数据记录情况，计算材料质量损失率，表达式为：

式中 △Wt：质量损失率，%；m0：试件初始质量，kg；mt：试件质量，kg。

1.3.2 抗压强度测试通过岩石剪切试验机，采取先应力加载，然后位移加载的方式，对不同侵蚀时间的实验样品进行抗压强度测试，分析混凝土的抗侵蚀能力。

1.3.3 微观形貌实验对试样进行无水乙醇处理后，低温烘干2d 并喷金，然后通过环境扫描电镜观测受到侵蚀后的混凝土试件表面的微观形貌（SEM），并分析微区成分元素（EDS）。

1.3.4 XRD 测试通过能谱仪测试试件的样品组成成分，分析样品的结晶信息。

2 结果与讨论

2.1 质量变化规律分析

根据1.3.1 中的方法测试了不同尺度聚丙烯纤维改性的混凝土在硫酸盐侵蚀作用下的混凝土质量损失率，见图1。

图1 混凝土的质量变化曲线Fig.1 Quality curve of multi-scale polypropylene fiber modified concrete at different times

由图1 可见，在硫酸盐侵蚀实验过程中，各试样的质量均先上升后下降。

出现上述现象的主要有两个原因：（1）混凝土试件的水化反应会产生水化产物，这些水化产物会使混凝土的质量增加；（2）混凝土内部的水泥石会与硫酸盐溶液中的SO42－不断发生化学反应，产生钙矾石等侵蚀产物，这些侵蚀产物也会使试件质量增加，并且硫酸盐结晶会填补材料初始孔隙，使得混凝土的质量缓慢增加[9]。在侵蚀后期，混凝土试件质量均出现下降趋势，这是因为随着水化产物和侵蚀产物质量的不断增加，产物的膨胀力渐渐超过了混凝土本身的粘结力，试件表面的浆料、棱角开始不断脱落，试件内部产生裂缝，基体内部成分脱落浸出[10]。由图1可知，A3～A8 为添加了聚丙烯纤维的混凝土试件，它们的质量下降时间都晚于素混凝土试件，并且只有A0 组试件在达到质量增加临界点90d 时，质量开始迅速下降。而其他经过聚丙烯纤维改性的混凝土试件则质量下降速度缓慢，但变化规律没有明显差别。这表明，由聚丙烯纤维改性的混凝土，在硫酸盐溶液侵蚀环境中，还未出现质量损失。因此，在混凝土中加入聚丙烯纤维，在一定程度上能够缓解硫酸盐对混凝土的侵蚀。

2.2 抗压强度分析

根据1.3.2 中的测试方法对不同聚丙烯纤维掺量的立方体混凝土试件进行抗压强度测试，结果见图2。

图2 混凝土的抗压强度曲线Fig.2 Compressive strength curve of multi-scale polypropylene fiber modified concrete at different times

由图2 可见，随着侵蚀时间的增加，各试件的抗压强度均呈现先上升后下降的规律。其中，素混凝土A0 试件抗压强度上升区间在0～60d 左右，60d 后抗压强度迅速下降，而聚丙烯纤维改性的混凝土试件A1～A8 的抗压强度上升区间在0～90d 左右，随后出现下降趋势，下降幅度小于素混凝土A0 试件，且150d 时的抗压强度大于A0 试件。侵蚀作用前，素混凝土A0 试件的抗压强度为33.56MPa，其他试件的初始抗压强度均高于A0 试件，其中，多尺度聚丙烯纤维混掺的A7 试件强度最高，为38.53MPa，比A0试件强度增长了14.8%，其次，A8 组强度最高为37.62MPa，比A0 试件强度增长了12.1%。在侵蚀作用发生后，A8 组的抗压强度最高，为41.24MPa。分析可知，立方体试件在抗压实验中受到压剪破坏[11]。在经过硫酸盐侵蚀后，混凝土的胶结能力减弱，被侵蚀层受到较小的应力时便会脱落，进一步降低了混凝土的承载力。而发生压剪破坏时，聚丙烯纤维会增加混凝土内部的密实度和粘结力，粗细骨料能够承载一部分应力，使混凝土内部应力传递较好，且抑制混凝土裂缝生成，从而延缓混凝土损伤速度[12]。这表明，聚丙烯纤维的掺入能够在一定程度上提升混凝土抗压强度，缓解硫酸盐对混凝土的侵蚀效果，因此，在混凝土中加入聚丙烯纤维，能够在一定程度上减少混凝土的强度下降，使混凝土的韧性有所提高。

2.3 微观形貌分析

根据1.3.3 中的方法，对素混凝土试件和硫酸盐侵蚀聚丙烯纤维改性的混凝土试件进行微观形貌分析。环境扫描电镜不仅能够提供SEM 图，还能对微区的元素成分进行分析（EDS）。

2.3.1 硫酸盐的化学侵蚀分析图3（a）和（b）分别为素混凝土A0 试件在硫酸盐侵蚀初期和侵蚀结束时的内部微观形貌。

图3 SEM 图及EDS 分析Fig.3 Micromorphology and EDS analysis of sulfate attack plain concrete

由图3（a）可见，在侵蚀初期，主要侵蚀产物为钙矾石等，这些侵蚀产物开始在混凝土内部的孔隙以及浆料界面处堆积，这些部位同时也是混凝土内部SO42-、Ca2+等的移动通道，这会增加混凝土材料在侵蚀初期的密实度，从而提高了混凝土的抗压强度。观察并分析图3（b）可知，随着侵蚀作用的不断进行，侵蚀作用产生的侵蚀产物越来越多。可以在图3（b）中清晰地看到侵蚀反应的主要产物钙矾石，其形状为小杆状晶体，长度为1～2μm。钙矾石等侵蚀作用产物对混凝土内部结构有破坏性，不易溶解，且易膨胀[13]。这些产物不断在浆料界面处堆积，破坏了混凝土的凝胶结构，降低了混凝土的胶结力，同时，膨胀应力导致混凝土裂纹扩大，混凝土的抗压强度降低。图3（c）为素混凝土在硫酸盐侵蚀作用下的侵蚀产物EDS 分析和原子占比图。由图3（c）可见，侵蚀产物的主要原子为O、S、Si、Ca、Al，这也说明了侵蚀作用的主要产物为钙矾石。除了侵蚀产物对混凝土的影响外，还存在掏空效应，即硫酸盐的侵蚀作用不断进行，会增加混凝土的孔隙和渗透率，使侵蚀表层不断脱落，从而导致了混凝土的质量和承载力不断下降，降低了混凝土强度[14]。

图4 为聚丙烯纤维改性的混凝土A8 试件在侵蚀作用下的微观形貌图以及EDS 分析。

图4 侵蚀产物的SEM 图及EDS 分析Fig.4 Micromorphology and EDS analysis of sulfate polypropylene fiber modified concrete

由图4（a）可见，侵蚀产物主要为钙矾石。通过聚丙烯纤维改性的混凝土，在发生硫酸盐侵蚀过程中，聚丙烯纤维能够在混凝土内部起到粘结作用，可以缓解因膨胀作用而导致的大孔隙生成和裂缝扩展，延缓混凝土的强度下降，从而缓解硫酸盐对混凝土的侵蚀效果。从图4（b）中的侵蚀产物EDS 分析可知，主要元素为C、O、Ca 等，这可能是侵蚀作用后期混凝土出现了碳化现象，侵蚀产物为CaCO3晶体等，这对硫酸盐侵蚀作用无明显影响。

2.3.2 硫酸盐的物理侵蚀分析硫酸盐对混凝土试件的物理侵蚀原理是硫酸盐结晶时产生的结晶应力，这会影响混凝土的内部结构。在干湿循环实验过程中，干循环时，混凝土表面的水分蒸发，内部水分不断减少，混凝土中的硫酸盐溶液在孔隙、浆料界面等附近不断浓缩，硫酸盐结晶析出，会对混凝土内部孔隙等造成结晶压破，从而破坏混凝土内部结构；湿循环时，硫酸盐溶液不断侵入混凝土内部，结晶体不断溶解。随着干湿循环不断进行，硫酸盐晶体不断在混凝土内部结晶析出又再次溶解，这种加载膨胀应力又卸载的疲劳过程加速了混凝土内部孔隙的生成和裂纹的扩展。而聚丙烯纤维的掺入，可使混凝土的内部结构更加稳定，因此，可以在一定程度上缓解硫酸盐的物理侵蚀效果，从而使混凝土的强度提高。