浅谈聚丙烯纤维对不同环境下混凝土力学性能的影响_王楷焘.pdf

SCI-TECH INNOVATION&PRODUCTIVITYNo.1 Jan.2023，Total No.348浅谈聚丙烯纤维对不同环境下混凝土力学性能的影响基金项目 江苏省产学研合作项目（BY2021044）；江苏省大学生创新创业训练计划项目（202211276187H；202211276188H）；南京工程学院大学生科技创新基金项目（TB202209032；TB202209012）收稿日期：20220711；修回日期：20220816作者简介：王楷焘（2002），男，云南昆明人，在读本科，主要从事土木工程材料研究，E-mail：。王楷焘，顾娟，姜景山，朱兆悦，王安卿，兰天翔，鞠永康摘要：本文指出纤维混凝土作为一种新型高性能混凝土建筑材料已经被广泛运用于各类工程建筑中，混凝土的实际应用不仅要考虑强度是否符合标准，还要考虑不同使用环境对其工程性能的影响。本文通过目前国内外对聚丙烯纤维混凝土的研究，对聚丙烯纤维混凝土在常见侵蚀性溶解性盐环境下、冻融循环及高温影响下、反复荷载环境下的力学性能进行综合阐述，总结了聚丙烯纤维对不同使用环境下混凝土力学性能的影响，为相关使用环境下聚丙烯纤维混凝土的工程应用提供参考和指导。关键词：聚丙烯纤维混凝土；溶解性盐侵蚀；环境破坏；反复荷载；力学性能中图分类号：TU528.572文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2023.01.118（南京工程学院建筑工程学院，江苏南京211167）文章编号：1674-9146（2023）01118031研究背景传统的水泥石、砂浆混凝土普遍存在着抗拉抗压强度低、极限延伸率小、性脆等问题，新型的纤维混凝土通过加入抗拉强度高、延伸率大、抗碱性优良的纤维，利用纤维在混凝土中均匀地立体分布，有效降低了裂缝顶端的应力集中，使的混凝土的综合性能得到了较好的改善与提升。在提升混凝土抗拉抗压性能的同时，纤维的掺入也有效提升了混凝的抗渗强度，使混凝土在涉水环境工程中起到更好的防水作用。此外，混凝土在使用时需考虑工程所需强度要求和其使用寿命，而使用环境对混凝土的强度及寿命有着至关重要的影响。聚丙烯纤维混凝土作为一种典型的纤维混凝土，相比于普通混凝土具有更高的强度及韧性，在抗腐蚀性能、抗裂性能、抗冻性能等方面都有很大提升；其在不同使用环境下的使用性能和使用寿命相较普通混凝土得到了较大改善，但目前对聚丙烯纤维在不同使用环境下力学性能的影响研究还不够深入，有必要针对不同使用环境对其力学性能的影响进行进一步研究。2溶解性盐对聚丙烯纤维混凝土的侵蚀自然界中存在的溶解性盐，如 NaCl、K2SO4等，会对建筑产生持续不断的侵蚀作用，降低建筑的使用强度和使用寿命，为了保证建筑结构的安全，在工程建设中必须要考虑溶解性盐对混凝土的侵蚀破坏问题，并采取有效措施防治侵蚀破坏，使其满足工程使用要求。2.1氯盐对聚丙烯纤维混凝土的侵蚀目前聚丙烯纤维混凝土常以钢筋混凝土的形式应用到实际工程中，其加入有效地改善了混凝土在涉水使用环境工程中的泌水现象和体积变化现象。氯离子侵蚀作为导致钢筋混凝土强度及耐久性下降的主要因素之一，广泛出现于各种钢筋混凝土结构工程中，氯离子侵蚀破坏在沿海的建筑工程与以撒盐为主要抗冻手段的路桥工程中显得尤为严重。高质量浓度的氯离子会参与到水泥的水化反应中，生成大量的氧氯化钙（3CaO CaCl2 15H2O）固体，使混凝土产生明显的体积膨胀，且该固体的生成量会随钙离子质量浓度和氯离子质量浓度的提高而增加1，混凝土体积膨胀会产生较大的膨胀力，对混凝土的力学性能产生较大影响。史丽峰2研究发现氯离子侵蚀对纤维混凝土的强度有明显的降低，且氯离子对钢纤维混凝土的侵蚀明显强于聚丙烯纤维混凝土，这是因为混凝土中氯盐的渗入会降低混凝土的酸碱度，打破混凝土内原有的酸碱度平衡，使混凝土内钢筋表面存在的氧化物钝化膜因不稳定而分解并使其无法再重新生成钝化膜，因钝化膜分解而露出的铁基层与未分解的钝化膜在混凝土中形成腐蚀电池，再由氯离子加强导电性与促进铁离子反应加快了钢筋的腐蚀，最终*应用 技 术Applied Technology-118-2023 年 1 月总第 348 期造成钢筋承载能力的减弱，导致混凝土破坏3。氯离子本身与聚丙烯之间并不会发生反应，因此并不能产生侵蚀现象。在钢纤维混凝土中掺入聚丙烯纤维可填充混凝土孔隙，有效阻碍氯离子的渗入，保护钢纤维结构，提升混凝土强度2。2.2硫酸盐对聚丙烯纤维混凝土的侵蚀硫酸盐侵蚀作为影响混凝土耐久度的主要因素之一，同时也作为复杂性与危害性最大的一种环境侵蚀，受到广泛关注与研究。硫酸盐中的硫酸根离子 SO42-会与水泥中的氢氧化钙 Ca(OH)2和水化铝酸钙 CaO Al2O3 10H2O 发生反应，生成三硫型水化铝酸钙 3CaO AI2O3 3CaSO4（3032）H2O（钙矾石），会使固相体积增大 94%；若在高硫酸根离子质量浓度下，还会析出石膏结晶，使固相体积增大 124%；有时也会生成碱性硫酸盐金属结晶，且混凝土会在硫酸根离子质量浓度超过 1 500 mg/L 时被严重侵蚀而破坏4。对于聚丙烯纤维混凝土，纤维的添加很好地改善了混凝土本身的孔隙状态，但同时也增大了混凝土最薄弱的过渡相区域，使混凝土中的原生裂缝增多，硫酸盐侵蚀更加严重。梁树锋5通过对喷射聚丙烯纤维混凝土的研究发现，当纤维掺入量为 8%时，混凝土的强度达到最大且优于普通混凝土；在纤维掺入量为 8 kg/m3时，经过硫酸盐溶液浸泡后的纤维混凝土抗压强度最高，且掺入量为 8 kg/m3时经济性也为最佳。孔琳洁等6也通过对聚丙烯纤维混凝土的抗硫酸盐侵蚀试验得出了结论：聚丙烯纤维的掺入能有效改善混凝土的力学性能和综合抗硫酸盐腐蚀能力，且聚丙烯纤维单掺混凝土相较其他混掺混凝土质量损失最小。2.3混合性盐对纤维混凝土的侵蚀混合性盐对聚丙烯纤维的侵蚀方式是在混凝土内部与混凝土组分发生化学反应，生成膨胀固体、水结晶或凝胶，常见混合侵蚀类离子为 Cl-、SO42-、Mg2+、NH4+的混合物，相较单一离子侵蚀，混合性盐生成的固体物质对混凝土造成的侵蚀破坏更加严重4,6，尤其是在发生双腐蚀或存在水化反应时会促进侵蚀性离子反应，生成更多固体物质。聚丙烯纤维混凝土对溶解盐侵蚀的抵抗主要体现在使混凝土的孔隙率降低、抗渗性提升，使溶解盐离子无法大量进入混凝土内部发生反应，且聚丙烯纤维在混凝土内的三维分布也会提升混凝土的抗拉裂能力，抑制混凝土内部开裂现象，在综合聚丙烯纤维所带来的抗渗性提升和过渡区扩大所带来的影响后，聚丙烯纤维对混凝土的强度性能和抗腐蚀性能仍有明显的提升6。3气温环境对聚丙烯纤维混凝土的破坏3.1冻融循环对聚丙烯纤维混凝土的破坏冻融循环作为造成混凝土结构破坏的主要因素之一，在我国东北地区、华北地区的大型混凝土结构破坏中占很大比例。冻融循环一般通过使混凝土内部空隙中的水分重复冻结膨胀与溶解收缩，产生疲劳应力，加剧混凝土内部初始裂缝的扩张和新裂缝的生成。聚丙烯纤维会对产生的裂缝进行牵拉，提升混凝土的阻裂能力，抑制裂缝的扩大。冻融循环过程中，混凝土会出现较为明显的质量损失，这种质量损失主要表现为混凝土表层脱落。聚丙烯纤维会对混凝土表层提供一定的牵拉，抑制脱落现象，试验显示加入聚丙烯纤维的混凝土表层脱落现象相较于普通混凝土得到了很大改善。在冻融循环初期也会出现质量增加的情况，主要表现为混凝土内出现细微裂缝使吸水率变大，导致混凝土质量上升。有关聚丙烯纤维混凝土抗冻融循环研究显示，聚丙烯纤维混凝土在 150 次冻融循环左右出现明显的表层脱落现象和明显的损伤率提升7-8，混凝土表层脱落现象会随着聚丙烯纤维掺入量的提升而得到抑制。严武建等7通过对比试验发现，相同聚丙烯纤维掺量的混凝土，在加入引气剂后进行冻融循环，混凝土强度损失率会有一定的上升。3.2高温对聚丙烯混凝土的破坏聚丙烯纤维混凝土作为一种新型建筑材料，需具备足够的耐高温性能，以免在建筑发生火灾时，混凝土受高温后发生明显的强度降低，从而导致重大安全事故的发生。由于混凝土本身的低渗透性特点，高温会导致混凝土内部水化物分解产生水蒸气，使混凝土内部空隙压力增大，空隙压力与热应力共同作用，致使孔隙贯通，从而导致混凝土表层脱落甚至爆裂9。聚丙烯纤维一般 165 时开始融化，475 时完全蒸发消失。在通常的火灾中，一般 1015 min达到 400，在此期间，混凝土强度会出现明显的降低。Ali Behnood 等10研究发现，加入聚丙烯纤维能有效改善混凝土受高温后的强度，纤维在受高温融化后，仍然会保留在混凝土中，冷却后重新回归固态，在混凝土中仍然能起到一定的牵拉作用，有助于提高混凝土强度；但混凝土受高温后会受到不可逆的损伤，各项使用性能均有明显的下降。此外，聚丙烯纤维在受到高温后融化为液体，液体所占体积小于固体所占体积，从而形成众多的孔隙；而且由于纤维在混凝土中分布的广泛性与均匀性，致使混凝土内部孔隙结构发生变化，孔隙连通性增强，为蒸发的水分提供了一定的空间与通应 用 技术Applied Technology-119-SCI-TECH INNOVATION&PRODUCTIVITYNo.1 Jan.2023，Total No.348道，缓解了水分蒸发所带来的压力，使混凝土爆裂的可能性降低11，可以保证在人员疏散救援时建筑结构的整体稳定，保障建筑内人员的人身安全。无论是冻融循环破坏还是高温破坏，混凝土本身的结构都会发生改变，这种改变必然会导致混凝土抗渗性的降低，使混凝土更易受到溶解性盐的侵蚀，从而产生更大的连续性破坏。因此，聚丙烯纤维混凝土的研究应该对多种破坏综合的相互影响进行更加深入的探讨。4反复荷载对聚丙烯纤维混凝土性能的影响作为混凝土结构常见破坏的形式，混凝土在车辆、行人及工程设备的反复荷载应力作用下，其内部会产生细微的疲劳破坏并造成已有缺陷的扩展，随后导致混凝土结构使用寿命的明显降低，最终造成混凝土结构的整体破坏，因此混凝土结构的抗疲劳性能对混凝土的使用性能具有重要影响。在反复荷载应力作用下，普通混凝土一旦产生裂纹，将逐渐丧失使用性能甚至发生破坏。而聚丙烯混凝土能在裂纹产生的初期维持其承载力，这种承载力的维持主要是受到聚丙烯纤维在混凝土中的牵拉作用，其抗疲劳强度相较于普通混凝土提升了1.533.07 倍，混凝土的韧性获得了较大提升12。张伟等13对改性聚丙烯纤维混凝土抗疲劳性能开展了研究，试验采用弯曲疲劳试验，加载波形统一为正弦波，结果显示聚丙烯纤维掺量对混凝土抗疲劳寿命的影响呈明显的上凸的抛物线形。当聚丙烯纤维掺量过大时，会产生纤维在混凝土中集聚成束的现象，使其无法正常发挥其原有的牵拉作用，造成混凝土的抗疲劳能力下降。相较于普通聚丙烯纤维，若添加不易结团、在混凝土中分散性更好的改性聚丙烯纤维，则能使混凝土的抗疲劳强度获得更大的提升。同时，改性聚丙烯纤维在混凝土中的均匀分布也能产生对骨料的支撑作用，在一定程度上改善混凝土骨料沉降造成的骨料分布不均的问题，使混凝土整体强度分布更加均匀，避免造成混凝土使用性能的下降；若在混凝土中再加入具有强火山灰性的矿渣、粉煤灰等物质，则能通过火山灰反应产生的水化物凝胶使混凝土变得更加密实，从而加强聚丙烯纤维在混凝土中起到的牵拉作用；同时，在试验中发现，随着仪器加载频率的提升，混凝土的抗弯疲劳性能同样会出现明显的下降14。相较于其他影响因素，疲劳破坏对混凝土的使用性能影响更为常见；而作为混凝土常见的基础破坏形式，与其他混凝土破坏因素间复杂的综合关系有待更加深入的探讨与研究。5结束语聚丙烯纤维混凝土作为典型的高性能纤维混凝土，具有巨大的利用价值和广阔的发展前景，大量的研究也表明聚丙烯纤维的添加对混凝土的常见破坏具有非常明显的抑制效果。我国秉持可持续发展战略，在建筑行业中常将矿渣、矿料等加入混凝土中；目前仍有大量的矿物废料具有在混凝土中应用的可能，但所制作的混凝土大多都存在一定的性能问题，是否能采用掺入纤维来加强矿物废料混凝土的性能，抑制混凝土的破坏，还需要针对纤维的掺入对不同矿物混凝土强度的影响及其