趙迪

摘要：科技迅速發(fā)展，帶動了建筑材料的進步，高性能聚丙烯纖維混凝土就是在這一過程中研發(fā)出的一種新型復合材料。這種新型混凝土是將聚丙烯纖維、細礦渣、粉煤灰等礦物摻合料、減水劑等添加劑按一定比例與混凝土混合所得到的一種擁有較高耐久性、強度和流動性的材料。高性能聚丙烯纖維混凝土對目前的建筑領域發(fā)展有著非常關鍵的作用，能夠有效優(yōu)化建筑工程的整體質量，提升混凝土建筑的持久性等。因此，對這種材料的深入研究有著很重要的實際意義。在這一背景條件下，以高性能聚丙烯纖維混凝土的力學性能和持久性能作為主要根據(jù)，展開對高性能聚丙烯纖維混凝土的相關研究。

關鍵詞：聚丙烯纖維混凝土；力學性能；耐久性能

中圖分類號：TU502；TQ342+.62?? 文獻標志碼：A???? 文章編號：1001-5922（2023）03-0146-05

Research on the properties of high-performance polypropylene fiber concrete

ZHAO Di

（Xianyang Vocational Technical College，Xianyang 712046，Shaanxi China）

Abstract： In recent years，the rapid development of science and technology has led to the progress of building ma? terials. High performance polypropylene fiber concrete is a new composite material developed in this process. This new type of concrete is polypropylene fiber，fine slag，fly ash and other mineral admixture，water reducing agent and other additives mixed with concrete in a certain proportion to get a high durability，strength and fluidity of the material. High performance polypropylene fiber concrete plays a very key role in the development of the current con? struction field， which can effectively optimize the overall quality of construction engineering，improve the durability of concrete buildings and so on. Therefore，the in-depth study of this material has very important practical signifi? cance. Under this background，this paper takes the mechanical properties and durability of high performance poly? propylene fiber concrete as the main basis，and carries out the related research on high performance polypropylene fiber concrete.

Key words： polypropylene fiber concrete；mechanical properties；the durable performance

建筑工程中最為重要的物質基礎就是建筑材料，從混凝土面世之后，便成為了建筑工程中應用范圍最廣、使用量最大的建筑材料?；炷翍{借著它原材料來源豐富、價格低廉、制作簡單和易于造型等等特點，在整個建筑材料領域中占有著非常高的地位。但是，建筑工程的不斷發(fā)展和進步需要建筑材料的優(yōu)化創(chuàng)新作為基礎，傳統(tǒng)混凝土抗壓強度低、易發(fā)生脆裂、耐久性不夠等缺點也在這一過程中凸顯出來。傳統(tǒng)混凝土發(fā)展為現(xiàn)在的各種高性能混凝土經(jīng)歷了很長的一個過程：首先由傳統(tǒng)混凝土演變?yōu)樗苄曰炷?，?jīng)歷過二戰(zhàn)之后又發(fā)展為干硬性混凝土，后來較為成熟的流態(tài)混凝土出現(xiàn)，最后才演變?yōu)榻裉斓母邚姸?、高性能的混凝土。纖維混凝土就是一種高性能混凝土，它是以混凝土為基底，以纖維作為其添加劑，攪拌混勻后形成的一種復合材料。聚丙烯纖維由于其自身的各項特質，輕質、密度小、延展性高、無味無毒等等被引入到這一復合材料技術中，以這種纖維為原材料制備的纖維混凝土有著優(yōu)越的力學性能和耐久性能，成為目前建筑領域應用最為廣泛的建筑材料。

1 聚丙烯纖維混凝土的特點

聚丙烯纖維的物理性質，不溶于水，無味無毒，密度略輕于水，熔點在167℃ ，燃點在580℃ ， 在受到拉伸時的延展性較好，有著較好的耐熱性及耐酸堿性，導電性、導熱性很低。在聚丙烯纖維與混凝土進行混合攪拌之前，通常會對纖維表面進行特殊的處理，增強兩者之間的粘接力。

聚丙烯纖維的化學性質，聚丙烯是由丙烯聚合而成的高分子化合物，是一種有著規(guī)整結構的聚合物，其化學性質非常穩(wěn)定，當我們需要對混凝土的性能進行調(diào)整時，通常是依靠改變其物理結構來達到目的。其穩(wěn)定的化學性質使其與絕大多數(shù)物質不會發(fā)生反應，與混凝土的各種原材料都保持著良好的親和性，可以很好的和混凝土的添加劑、摻合料、骨料及水泥等進行混合，并且攪拌混合過程非常簡便，易于操作[1-2]。聚丙烯纖維混凝土相較傳統(tǒng)混凝土的優(yōu)點：

（1）聚丙烯纖維的加入使得混凝土可以很好地抵御塑性收縮、溫度驟變等等引起的脆性裂縫，使得混凝土有更好的防裂屬性；

（2）在混凝土中加入聚丙烯纖維，能有效抑制混凝土在工程早期的干裂產(chǎn)生，很大程度上減少了混凝土在收縮過程中的裂縫，從而減少了混凝土內(nèi)部的滲水通道，使得混凝土保持更好的防水性能，擁有更好的抗?jié)B能力；

（3）加入聚丙烯纖維后，可以幫助混凝土緩解因溫度變化等各種因素而產(chǎn)生的物理內(nèi)應力的作用，防止微小裂縫的產(chǎn)生，有利于提高混凝土在低溫環(huán)境下的抗凍能力；

（4）混凝土在和聚丙烯纖維攪拌混勻后，可以保證在1立方厘米的混凝土中包含20條左右的纖維絲，這些纖維絲可以在混凝土受到?jīng)_擊時吸收動能，防止裂縫的產(chǎn)生。同時，纖維絲在混凝土中密集的分布可以防止混凝土從基體上脫落，阻礙了混凝土的磨損。相較于傳統(tǒng)的混凝土，其耐磨性和抗沖擊能力有了很大的提升；

（5）聚丙烯纖維混凝土有著較好的耐腐蝕性，因為聚丙烯纖維是一種有著非常穩(wěn)定化學性質的物質，無論在酸性環(huán)境還是堿性環(huán)境都不會受到影響，同時纖維的添加還能很好的防止混凝土的氧化、老化。

綜上所訴，聚丙烯纖維的加入，從各個方面對混凝土的品質進行了優(yōu)化，就目前的建筑材料領域而言，高性能聚丙烯纖維混凝土有著非常重要的研究意義[3-4]。

2 高性能聚丙烯纖維混凝土實驗材料結果分析

力學性能是混凝土的重要性能之一，在混凝土結構設計中，也將抗壓強度作為衡量其質量的主要指標。本文的研究對象是高性能聚丙烯纖維混凝土，抗拉強度、抗折強度、抗沖擊性能作為其與傳統(tǒng)混凝土相比的優(yōu)越性能，成為其在力學性能研究過程中的重點考察指標。

2.1 高性能聚丙烯纖維混凝土的抗壓強度2.1.1 實驗方法

材料：采用邊長為15 cm 的標準立方體混凝土，每組實驗使用3個標準立方體。

實驗步驟：（1）對混凝土立方體進行制備，將成型后的混凝土防止在空氣濕度均勻的空間內(nèi)，保持溫度在20℃左右，濕度在50%以上，靜置24～36 h，然后將其從模具中取出，對每個立方體進行編號。編號后的立方體放入濕度95%，溫度20℃的環(huán)境中直至到達培養(yǎng)齡期；（2）將所需立方體從培養(yǎng)環(huán)境中取出，把表面擦拭干凈，然后在壓力裝置上下壓板間防止2塊適當大小的鋼板，將立方塊安裝在與壓力機中心相對的位置；（3）安裝完成后對立方塊進行加壓，調(diào)整壓力機的功率均勻輸出，保證每秒加壓在0.8～1.0 MPa；（4）在持續(xù)加壓至立方塊急劇變形、即將破碎時，停止加壓工作，記錄此時壓力機的工作荷載。

混凝土立方體的抗壓強度計算公式：

式中：fcu表示混凝土立方體的抗壓強度，MPa；F 表示實驗測得的極限荷載，N；A 表示立方體的受壓面積，mm2。計算結果的精確度保持在0.1 MPa，不同齡期的立方塊的強度值為每組3個立方塊的測試結果平均值[5-6]；（如果3個結果中最大值與最小值差值超過中間值的15%則視為3組數(shù)據(jù)無效）。

2.1.2實驗結果

混凝土不同齡期、不同混凝土纖維摻量的抗壓強度分別如表1圖1所示。

由表1、圖1的結果可得出，（1）同一齡期下的立方體，纖維混凝土的抗壓強度低于基準混凝土；（2）同一齡期下的立方體的抗壓強度隨混凝土內(nèi)纖維的摻量增大而降低；（3）纖維混凝土立方塊相較于傳統(tǒng)混凝土，抗壓強度隨齡期增長而下降的幅度更小，有更好的耐久度。

綜上所述，隨著聚丙烯纖維的加入，混凝土立方體的抗壓強度由于纖維較低的彈性模量較小等性質有小幅度的下降，但減小了齡期對抗壓強度的影響。

2.2 高性能聚丙烯混凝土的抗折強度

2.2.1 實驗方法

材料：使用15 cm×15 cm×55 cm 的混凝土棱柱體，每組實驗使用3個棱柱體。

實驗步驟：（1）將棱柱體從制備處去除，清潔表面并測量其尺寸保證其符合實驗標準；（2）將棱柱體的側面作為支撐面安裝在試驗機球形基座上，保證其與設備中心對齊，在正確的實驗位置；（3）對棱柱體持續(xù)，均勻的施壓，調(diào)節(jié)功率保證荷載在每秒0.08～0.1 MPa，當棱柱體出現(xiàn)明顯變形，即將破壞時，停止設備繼續(xù)加壓，記錄此時的設備荷載F。

混凝土棱形塊抗折強度的計算公式：

式中：fcf表示混凝土的抗折強度，MPa；F 表示棱形柱的極限荷載，N；b表示棱形柱截面寬度，15 cm；h表示棱形柱截面高度，15 cm；L 表示支座之間的距離，45 cm。計算結果精確到0.01 MPa，為組內(nèi)3個棱形柱測量結果的平均值[7-8]。

2.2.2 實驗結果

混凝土不同齡期的抗折強度、不同混凝土纖維摻量的抗折強度分別如表2和圖2所示。

由表2、圖2可得出，纖維的加入讓混凝土棱形柱在彎曲時折斷時對兩側的混凝土有一定的牽扯作用，使同一齡期下的高性能聚丙烯纖維混凝土的抗折強度高于傳統(tǒng)的混凝土，抗折強度的提升幅度也會隨著纖維摻量的增多而變大，但是當纖維摻量超過一定值時，抗折強度會出現(xiàn)負增長。適當?shù)募尤刖郾├w維可以增強混凝土的抗折強度，整體韌性[9-10]。

2.3 高性能聚丙烯纖維混凝土的抗沖擊性能2.3.1 實驗方法

材料：采用直徑15 cm，厚度64 cm 的試驗塊，每組使用6個試驗塊，標準培養(yǎng)28 d。

實驗步驟：采用ACI（美國混凝土協(xié)會）的實驗方法進行測定。在試驗塊上放置一顆傳力球，保持沖擊錘的中心和傳力球、試驗塊中心對其，測試開始時，由傳力球將沖擊錘的動能傳遞給試驗塊。實驗過程中需要記錄以下指標：第1次出現(xiàn)裂縫時的沖擊次數(shù)（n1）；第1次出現(xiàn)裂縫后試驗塊和擋板中任意3塊接觸時的沖擊次數(shù)（n2）；第1次出現(xiàn)裂縫與破壞時的沖擊次數(shù)差值（n2-n1）；初裂后能夠繼續(xù)吸收的沖擊能量△W；破壞過程中吸收的全部沖擊量W。

通過沖擊韌性來衡量混凝土試驗塊的抗沖擊性能，計算公式：

式中：h 表示沖擊錘的下落高度，45.7 cm；重力加速度為9.81 m/s2。每組實驗數(shù)據(jù)需要剔除6個數(shù)據(jù)中的最大值和最小值，最終結果為剩下4個數(shù)據(jù)的平均值。2.3.2 研究結果

混凝土試驗塊的抗沖擊性能指標如表3所示。

由表3可知，（1）試驗塊初次出現(xiàn)裂縫的沖擊次數(shù)和破壞沖擊次數(shù)隨著混凝土內(nèi)纖維的摻量增多而增加；（2）在試驗過程中，傳統(tǒng)混凝土的破壞一般一分為二，裂口較為整齊，而高性能聚丙烯纖維混凝土的破壞裂口一般呈放射狀，未完全分裂。

綜上所述，聚丙烯纖維的抗拉強度較高，在混凝土受到?jīng)_擊時吸收了大部分的動能，增強了混凝土的抗沖擊能力，同時，聚丙烯纖維在混凝土中的均勻分布可以很好的分散內(nèi)部應力，防止受沖擊后裂紋的擴散。

3 高性能聚丙烯纖維混凝土的耐久性能

混凝土的耐久性能是混凝土在投入使用時除了力學性能外最重要的性能之一，混凝土的耐久性是指混凝土在使用過程中，在內(nèi)部或外界的影響下，抵御受到侵蝕破壞作用，保持自身各項工作能力的性能。影響混凝土耐久性能的因素一般分為物理作用和化學作用，前者包括在使用過程中的一些磨損、鹽類滲入引起的膨脹開裂等德國，后者包括鹽類腐蝕，混凝土內(nèi)部的鋼筋腐蝕等等。這里主要通過研究收縮性能和抗碳化性能來衡量高性能聚丙烯纖維混凝土的耐久性能[11-12]。

3.1 高性能聚丙烯纖維混凝土的收縮性能

混凝土在使用過程中會受到自身因素和溫度等外界條件的影響，導致混凝土體積收縮，如何控制混凝土的收縮量，降低其在使用過程中內(nèi)部產(chǎn)生裂縫的可能成為混凝土研究的關鍵問題。

3.1.1 實驗方法

材料：尺寸為10 cm×10 cm×51.5 cm 的混凝土棱形塊，每組試驗使用3個棱形塊，標準培養(yǎng)2 d 后開始試驗。

實驗步驟：保持實驗環(huán)境在20℃ ， 濕度在60%。第1步，棱形塊在3 d 齡期后轉入實驗室測量初始長度，記錄初始數(shù)據(jù)；第2步，將棱形塊放置在恒溫恒濕的環(huán)境下，使不同組別的齡期分別達到1、3、7、14、28、60、90、120、150和180 d，到達齡期后測定收縮后長度[13]；測量過程中，每個試驗塊測量3次取平均值作為實驗數(shù)據(jù)。

混凝土的收縮率計算公式：

式中：Sd 表示不同齡期下混凝土的干縮率，%；L0表示棱形塊的測定標距，mm；X01表示棱形塊的初始長度，mm；Xt1表示不同齡期下干縮的長度，mm。實驗結果為每組3個棱形塊的干縮率平均值，精確度保持在0.0001%。

3.1.2 實驗結果

不同纖維摻量對混凝土收縮性能的影響結果如圖3所示。

從圖3可以看出，（1）聚丙烯纖維的加入會使混凝土在使用過程中收縮程度變小，不同齡期的纖維混凝土在收縮性能上都要優(yōu)于傳統(tǒng)混凝土；（2）隨著齡期的增大，混凝土的干縮率也隨之變化平緩，增長幅度變小。

綜上所述，聚丙烯纖維加入混凝土后可以很好地優(yōu)化混凝土的收縮性能，提高混凝土的耐久性能。聚丙烯纖維通過減少混凝土的失水面積，減緩其內(nèi)部水分遷移速度，從而減小混凝土棱形塊的干縮率，同時干縮率的下降減少了混凝土裂紋的出現(xiàn)，切斷了水分消散的通道，進一步減緩了其干縮過程。

3.2 高性能聚丙烯纖維混凝土的抗碳化性能

混凝土的碳化過程是指，空氣中的二氧化碳在混凝土使用過程中滲入，與混凝土內(nèi)的堿性材料發(fā)生化學反應產(chǎn)生水和碳酸鹽，導致其內(nèi)部堿性降低，間接引起混凝土內(nèi)部鋼筋的腐蝕生銹，混凝土產(chǎn)生裂紋，混凝土整體強度下降[14]。

3.2.1 實驗方法

材料：尺寸為10 cm×10 cm×10 cm 的混凝土立方塊，每組實驗使用3個立方塊。立方塊在標準培養(yǎng)環(huán)境下培養(yǎng)24 h后再脫模進行使用。

實驗步驟：保持實驗環(huán)境溫度在20℃ ， 濕度在70%，二氧化碳質量分數(shù)為20%。（1）在預定齡期取出立方塊，放入溫度60℃的烘箱內(nèi)烘干，用石蠟蠟封立方體的4個面，保留3個相對面；（2）將立方塊放入標準碳化環(huán)境下開始碳化，直至預定時間28 d；（3）碳化完成后取出立方塊，沿立方塊碳化的兩面劈開，清潔斷面，立即噴上質量分數(shù)為1%的酒精酚酞溶液，半分鐘后用游標卡尺測量混凝土的碳化深度，記錄實驗數(shù)據(jù)。最終結果為3個立方塊的測定值平均值。

3.2.2 實驗結果

纖維混凝土和傳統(tǒng)混凝土的碳化程度比較結果，如表4所示。

由表4可知，聚丙烯纖維的加入使得混凝土內(nèi)部的鋼筋有更好的保護，間接減緩了混凝土的碳化，提高了混凝土的抗碳化能力[15]。

4 結語

以高性能聚丙烯纖維混凝土的特點作為切入點，通過大量的實驗展開了對聚丙烯纖維混凝土的研究，研究結果表明，聚丙烯纖維的加入，結合其自身輕質、抗酸堿能力高及延展性較好等優(yōu)點，可以讓混凝土在抗壓、抗折、抗沖擊等力學性能及抗收縮、抗碳化等耐久性能2個方面得到很大的提升，相較于傳統(tǒng)的普通混凝土在建筑材料領域有著更大的優(yōu)勢，更好的發(fā)展前景。

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