聚丙烯纖維摻量與長度對混凝土新拌性能的影響研究

萬 新 唐杰斌 熊志武

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局）

0 引言

混凝土因其原材料來源廣泛，生產(chǎn)工藝簡單，生產(chǎn)成本較低，且具有良好的抗壓強(qiáng)度、可模性、耐久性和耐火性等優(yōu)點，一直被土木工程界所青睞。然而，隨著時代的發(fā)展，各種超限高層建筑物和大體積混凝土的應(yīng)用，使普通混凝土抗拉強(qiáng)度低、韌性差、易產(chǎn)生裂縫等缺點逐漸顯現(xiàn)。為了滿足新時代的需求，人們致力于高性能混凝土（high-performance concrete，HPC）的研發(fā)，而纖維增強(qiáng)混凝土就是其中之一[1]。

雖然加入纖維可以有效提高混凝土抗拉強(qiáng)度，改善其抗開裂、抗收縮性能，但對混凝土的流變性能卻可能有不利影響[2-5]。特別是對HPC，纖維對流變性能的影響更不能忽視，因為HPC 不僅要求硬化混凝土良好的力學(xué)性能，還要求新拌混凝土具有良好的新拌性能[6，7]。

雖然常規(guī)坍落度法是目前用于評價混凝土和易性能最為廣泛的試驗方法，但其坍落度指標(biāo)僅能綜合表征新拌混凝土的屈服應(yīng)力，難以對其塑性粘度做出評價，也無法對其他新拌性能進(jìn)行評估，故而僅靠常規(guī)坍落度法難以準(zhǔn)確地評定高性能混凝土的新拌性能[8，9]。

因此，為了更系統(tǒng)研究纖維增強(qiáng)混凝土的新拌性能，本研究以聚丙烯纖維（polypropylene Fibre，PPF）增強(qiáng)混凝土為對象，采用坍落擴(kuò)展度試驗、J 環(huán)試驗、V型漏斗試驗和篩析穩(wěn)定性試驗來綜合研究在不同水灰比、PPF 摻量、PPF 長度下，混凝土和易性、間隙通過性、流動性和抗離析穩(wěn)定性的變化規(guī)律，為纖維增強(qiáng)混凝土的配合比設(shè)計提供有益參考。

1 原材料

⑴水泥：廣州石井水泥公司生產(chǎn)的強(qiáng)度等級為42.5 的普通硅酸鹽水泥，其性能參數(shù)見表1。

表1 水泥性能參數(shù)

⑵骨料：細(xì)骨料采用廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司提供的ISO 標(biāo)準(zhǔn)砂，其最大粒徑為1.18mm，表觀密度為2.66g/cm3，細(xì)度模數(shù)為2.0。粗骨料采用花崗巖碎石，5mm～10mm 連續(xù)級配，表觀密度為2.68g/cm3。

⑶高效減水劑：蘇博特新材料有限公司提供的第三代聚羧酸高效減水劑，其固含量為20%，密度為1.03 g/cm3。

⑷聚丙烯纖維：深圳維特耐工程材料有限公司的WK-2 型聚丙烯纖維，其相應(yīng)的性能參數(shù)見表2。

表2 纖維性能指標(biāo)

⑸拌合水：普通自來水。

2 試驗方案

2.1 配合比設(shè)計

為了研究水灰比、PPF 摻量、PPF 長度對新拌混凝土流變性能的影響，本研究共分兩部分：第一部分，研究水灰比和PPF 摻量的影響；第二部分，研究水灰比和PPF長度的影響。

混凝土配合比的主要參數(shù)如下：漿體體積（水+水泥體積占混凝土總體積的百分比）：36%；水灰比：0.30，0.35，0.40，0.45；減水劑摻量（減水劑質(zhì)量與膠凝材料質(zhì)量的百分比）：1.5%；砂率：0.5。

對于第一部分，PPF 摻量（纖維體積占混凝土總體積的百分比）定為0.00%、0.06%、0.09%、0.12%、0.15%，而纖維長度固定為9mm。對于第二部分，纖維摻量固定為0.09%，而纖維長度分別為3mm、6mm、9mm、19mm。

2.2 試驗方法

本研究采用坍落擴(kuò)展度試驗、J 環(huán)試驗、V 型漏斗試驗和篩析穩(wěn)定性試驗，綜合研究PPF 混凝土拌合物的流變性能。各試驗將按照相關(guān)規(guī)范[10，11]進(jìn)行，具體試驗方法如下。

2.2.1 坍落擴(kuò)展度試驗

試驗按《JGJT 283－2012》[10]規(guī)程進(jìn)行，測量混凝土拌合物在坍落擴(kuò)展過程中的最大擴(kuò)展直徑以及與之垂直的直徑的平均值作為擴(kuò)展直徑，再扣減坍落度筒底部直徑作為坍落擴(kuò)展度（flow spread），以此表征混凝土拌合物的和易性。

2.2.2 J環(huán)試驗

該試驗按《JGJT 283－2012》[10]規(guī)程進(jìn)行。該試驗測量有J 環(huán)阻礙下混凝土的最大擴(kuò)展直徑以及與之垂直的直徑的平均值作為擴(kuò)展直徑，再扣減坍落度筒底部直徑作為J 環(huán)坍落擴(kuò)展度，再將J 環(huán)坍落擴(kuò)展度與不加J環(huán)時的坍落擴(kuò)展度的比值（用百分比表示）作為間隙通過比（gap passing ratio），以此表征混凝土拌合物的間隙通過性。

2.2.3 V 型漏斗試驗

該試驗按英國標(biāo)準(zhǔn)《BS EN 12350》[11]進(jìn)行，測量混凝土拌合物從V 型漏斗中的流空時間，再用V 型漏斗槽內(nèi)體積除以流空時間得出流速（flow rate），以此表征混凝土拌合物的流動性。

2.2.4 篩析穩(wěn)定性試驗

該試驗按英國標(biāo)準(zhǔn)《BS EN 12350》[11]進(jìn)行，采用孔徑為5mm 的方孔篩。試驗時，將混凝土拌合物從上方倒入方孔篩，通過稱量從方孔篩流出到底盤的混凝土質(zhì)量，除以所倒入的混凝土質(zhì)量，所得到的比值（用百分比表示）作為篩析指數(shù)（sieve segregation index，SSI），以此表征混凝土拌合物的抗離析穩(wěn)定性。

3 結(jié)果與討論

3.1 水灰比與PPF 摻量對混凝土流變性能的影響

3.1.1 坍落擴(kuò)展度

不同PPF 摻量下混凝土拌合物的坍落擴(kuò)展度隨水灰比的變化情況如圖1 所示。如圖可見，在相同PPF 摻量下，坍落擴(kuò)展度隨水灰比的增加而增加，這說明水灰比可以提高混凝土拌合物的和易性。更重要的是，在相同水灰比下，坍落擴(kuò)展度隨PPF 摻量的增加而降低，尤其在低水灰比0.3 時，PPF 摻量對和易性的降低更為顯著。這說明PPF 摻量會顯著降低混凝土拌合物的和易性。

圖1 不同纖維摻量下坍落擴(kuò)展度隨水灰比的變化

3.1.2 間隙通過比

不同PPF 摻量下混凝土拌合物的間隙通過比隨水灰比的變化情況如圖2 所示。需要說明的是，在0.3 水灰比下，沒有摻PPF 混凝土的間隙通過比結(jié)果是因為在該配合比下混凝土拌合物未能擴(kuò)展穿過J 環(huán)。如圖可見，在相同PPF 摻量下，間隙通過比隨水灰比的增加而增加，這說明水灰比可以提高混凝土拌合物的間隙通過性。更重要的是，在相同水灰比下，間隙通過比隨PPF 摻量的增加而降低，尤其在低水灰比0.3 時，摻PPF 使得混凝土無法擴(kuò)展至J 環(huán)。這表明PPF 摻量會顯著降低混凝土拌合物的間隙通過性。

圖2 不同纖維摻量下間隙通過比隨水灰比的變化

3.1.3 流速

不同PPF 摻量下混凝土拌合物的流速隨水灰比的變化情況如圖3 所示。從圖可見，在相同PPF 摻量下，流速隨水灰比的增加而增加，這說明水灰比可以提高混凝土拌合物的流動性。更重要的是，在相同水灰比下，流速隨PPF 摻量的增加而顯著降低，尤其在低水灰比0.3時，摻入PPF 已使得混凝土無法流出V 型漏斗。這說明，PPF 摻量會顯著降低混凝土拌合物的流動性。

圖3 不同纖維摻量下流速隨水灰比的變化

3.1.4 篩析指數(shù)

不同PPF 摻量下混凝土拌合物的篩析指數(shù)隨水灰比的變化情況如圖4 所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在相同PPF 摻量下，篩析指數(shù)隨水灰比的增加而逐漸增加，這說明水灰比會降低混凝土拌合物的抗離析穩(wěn)定性。更重要的是，在相同水灰比下，篩析指數(shù)隨PPF 摻量的增加而顯著降低，由其在低水灰比0.30 和0.35 時，摻入纖維已使混凝土離析指數(shù)幾乎為零。這表明PPF 摻量可以顯著提高混凝土拌合物的抗離析穩(wěn)定性。

圖4 不同纖維摻量下篩析指數(shù)隨水灰比的變化

3.2 水灰比與PPF 長度對混凝土流變性能的影響

3.2.1 坍落擴(kuò)展度

不同PPF 長度下混凝土拌合物的坍落擴(kuò)展度隨水灰比的變化情況如圖5 所示。與第一階段結(jié)果類似，坍落擴(kuò)展度隨水灰比的增加而增加。更重要的是，在相同水灰比下，坍落擴(kuò)展度隨PPF 長度的增加而逐漸降低。這表明PPF 長度會降低混凝土拌合物的和易性。

圖5 不同纖維長度下坍落擴(kuò)展度隨水灰比的變化

3.2.2 間隙通過比

不同PPF 長度下混凝土拌合物的間隙通過比隨水灰比的變化情況如圖6 所示。需要說明的是，在較低水灰比和PPF 長度較長的情況下，由于混凝土拌合物未能擴(kuò)展穿過J 環(huán)，因此沒有間隙通過比的試驗結(jié)果。與第一階段結(jié)果類似，間隙通過比隨水灰比的增加而增加。更重要的是，在相同水灰比下，間隙通過比隨PPF 長度的增加而降低，尤其在低水灰比0.30 時，摻入纖維已使混凝土無法擴(kuò)展至J 環(huán)。這表明PPF 長度會顯著降低混凝土拌合物的間隙通過性。

圖6 不同纖維長度下間隙通過比隨水灰比的變化

3.2.3 流速

不同PPF 長度下混凝土拌合物的流速隨水灰比的變化情況如圖7 所示。與第一階段結(jié)果類似，流速隨水灰比的增加而增加。更重要的是，在相同水灰比下，流速隨PPF 長度的增加而降低，由其在低水灰比0.3 時，摻入纖維已使得混凝土幾乎無法流出V 型漏斗。這表明PPF 長度會顯著降低對混凝土拌合物的流動性。

圖7 不同纖維長度下流速隨水灰比的變化

3.2.4 篩析指數(shù)

不同PPF 長度下混凝土拌合物的篩析指數(shù)隨水灰比的變化情況如圖8 所示。與第一階段結(jié)果類似，流速隨水灰比的增加而增加。更重要的是，在相同水灰比下，篩析指數(shù)隨PPF 長度的增加而顯著降低。這充分表明PPF 長度可以顯著提高混凝土拌合物的抗離析穩(wěn)定性。

圖8 不同纖維長度下篩析指數(shù)隨水灰比的變化

3.3 分析與討論

從試驗結(jié)果可知，水灰比可以提高新拌混凝土的和易性、間隙通過性和流動性，但會降低抗離析穩(wěn)定性。這是由于水灰比的提高會使混凝土中水量增加，使混凝土更易于流動。

另一方面，PPF 摻量和長度均對混凝土拌合物的流變性能有顯著影響：降低新拌混凝土的和易性、間隙通過性和流動性，但可以顯著提高抗離析穩(wěn)定性。其主要原因可能在于混凝土基體內(nèi)的纖維會相互搭接構(gòu)成“三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)”，該結(jié)構(gòu)一方面增大了拌合物內(nèi)部摩擦阻力阻礙了混凝土的流動，但同時該結(jié)構(gòu)可以有效包裹拌合物顆粒，從而提高了拌合物的整體性，改善抗離析性能。

4 結(jié)論

本試驗綜合采用坍落擴(kuò)展度試驗、J 環(huán)試驗、V 型漏斗試驗和篩析穩(wěn)定性試驗，對水灰比、PPF 摻量、PPF 長度變化的纖維增強(qiáng)混凝土拌合物的新拌性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。得到的主要結(jié)論如下：

⑴水灰比從0.30 提高至0.45 可以提高混凝土拌合物的和易性、間隙通過性和流動性，但會降低抗離析穩(wěn)定性。

⑵PPF 摻量從0.00%提高至0.15%會降低混凝土拌合物的和易性、間隙通過性和流動性，但可以提高抗離析穩(wěn)定性。

⑶PPF 長度從3mm 提高至19mm 會降低混凝土拌合物的和易性、間隙通過性和流動性，但可以提高抗離析穩(wěn)定性。

⑷在纖維增強(qiáng)混凝土，尤其是HPC 設(shè)計時，應(yīng)綜合考慮纖維摻量和長度對各項新拌性能的影響，優(yōu)選PPF的摻量和長度，以實現(xiàn)混凝土性能的最優(yōu)。