聚乙烯醇纤维改性混凝土及抗盐蚀研究.pdf

聚乙烯醇纤维改性混凝土及抗盐蚀研究贾青（杨凌职业技术学院，陕西 杨凌712100）收稿日期：2023-05-17作者简介：贾青（1982），女，山东聊城人，硕士研究生，讲师，研究方向为建筑新材料。联系方式：15388627856摘要：针对普通混凝土耐久性和抵抗恶劣环境差的问题，提出通过聚乙烯醇纤维对混凝土进行改性，并研究了纤维对混凝土的改性效果。试验结果表明，当聚乙烯醇纤维掺量为12%时（PVA12样品），混凝土坍落度较基础混凝土下降了约45%。在28 d龄期，PVA12混凝土抗压强度约为65 MPa，较基础混凝土抗压强度提升了约28%；抗折强度达到了8.5 MPa，较基础混凝土提升了约55%；剩余强度较PVA6混凝土剩余强度增加了约210%；电阻率较基础混凝土大18.6 cm；氯离子迁移系数与基础混凝土较为接近，满足抗氯离子渗透能力极高的标准要求。改性混凝土表现出良好的工作性能、力学性能和抗氯离子渗透能力。关键词：聚乙烯醇纤维；抗盐蚀性能；氯离子迁移系数；力学性能中图分类号：TU528.572文献标识码：A文章编号：2096-3408（2024）01-0038-05Study on Polyvinyl Alcohol Fiber Modified Concreteand Its Salt Corrosion ResistanceJIA Qing（Yangling Vocational&Technical College，Yangling 712100，China）Abstract:In response to the poor durability and resistance to harsh environments of ordinaryconcrete，it is proposed to modify concrete using polyvinyl alcohol fibers，and the modification effect of fibers on concrete is studied.The experimental results showed that when the content of polypropylene alcohol fiber is 12%（PVA12 sample），the slump of concrete decreases by about 45%compared to the basic concrete.At the age of 28 days，the compressive strength of PVA12 concreteis about 65 MPa，which is about 28%higher than the compressive strength of the basic concrete；The flexural strength reached 8.5MPa，which is about 55%higher than the basic concrete；The residual strength of PVA6 concrete has increased by about 210%compared to that of PVA6 concrete；The electrical resistivity is 18.6 cm higher than that of the basic concrete，and the chloride ionmigration coefficient is relatively close to that of the basic concrete，meeting the high standard requirements for resistance to chloride ion penetration.It exhibits good working performance，mechanical properties，and resistance to chloride ion penetration.Key words：Polyvinyl alcohol fiber；Salt corrosion resistance；Chloride ion migration coefficient；Mechanical property混凝土因其抗压强度高、价格低廉、与钢筋具备较好的胶结性等优点，被广泛用于各种建筑。但受混凝土自身材料特性的影响，存在脆性大和耐久性差的问题，难以适应现代工程要求，因此需要对混凝土进行改性。为了进一步提升混凝土的性能，部分学者也进行了很多研究，如蒋加森通过PVA纤维对混凝土抗氯离子盐侵蚀性能进行提升，并对提升效果进行研究。试验结果表明，PVA纤维的掺入盐科学与化工Journal of Salt Science and Chemical Industry第53卷第1期2024年1月38能够增强路基工程用混凝土在氯离子环境下的抗侵蚀能力，有效延长混凝土结构的使用寿命1。胡秀月通过玄武岩纤维对混凝土进行优化，结果表明，玄武岩纤维对混凝土的综合性能产生积极的影响2。路鸣宇从制备原理、制作设备、纤维种类等几个方面对定向纤维混凝土制备方法及纤维取向的研究现状进行了详细整理、总结归纳3。夏冬桃则以混杂纤维为改性材料，对混凝土进行增强4。郭寅川通过玄武岩纤维对混凝土抗渗性能进行优化。结果表明，玄武岩纤维延缓了混凝土孔结构劣化和微裂缝扩展，从而降低了抗渗性衰减幅度5。以上学者的研究为提升混凝土性能提供了参考，但对于纤维增强混凝土抗盐蚀性能还有进一步的优化空间。基于此，试验以张翼翔6论文中的方法，制备了一种新型纤维混凝土，并对其抗氯离子盐蚀性能进行研究。1试验部分1.1材料与设备主要材料：水泥（P.O42.5 鲁圣耐火材料）；粉煤灰（I级 百益矿产品）；矿渣粉（II级 怡然矿产品）；粗骨料（I 级 康辉耐材）；细骨料（II 级宁博矿产品）；PVA纤维（标准品科良建材）；减水剂（AR 晴天化工）。主要设备：YAW 型压力试验机（文腾试验仪器）；LX-WN-LL2T型万能材料试验机（力雄仪器）；WPC-9052 型数据采集器（韦尔讯信息技术）；FTND-4型挠度传感器（标卓科学）。1.2试验方法参照 GJ 552011对混凝土配合比进行设计，具体见表1。表1混凝土配比设计Tab.1Concrete mix designkg/m3编号水泥粉煤灰水减水剂矿渣粉粗骨料细骨料PVA纤维PVA019464.7172.51.94172.51 015830.80PVA67.8PVA911.7PVA1215.6PVA1519.5（1）根据表1配比依次将水泥、粉煤灰、矿渣粉、粗骨料、细骨料和 PVA 纤维放入搅拌机内进行干拌，干拌时间为2 min。（2）将减水剂倒入水中，然后将一半用水倒入，混合均匀后，倒入剩下的水搅拌5 min，得到纤维混凝土拌和物。（3）进行坍落度试验后，将拌和物倒入模具中，标准养护。养护1 d后拆模，继续标准养护至相应龄期。1.3性能测试1.3.1坍落度测试将混凝土拌和物分3次倒入坍落度筒内，然后立刻垂直提起坍落度筒，对混凝土坍落情况进行记录。1.3.2抗压强度测试参照 纤维混凝土试验方法标准 使用YAW型压力试验机对材料抗压强度进行测试7-8。1.3.3弯曲强度测试参照 CECS 132009 对材料弯曲强度进行测试 9-10。1.3.4抗折强度测试通过万能材料试验机对纤维混凝土施加荷载，进一步确定聚乙烯醇纤维对混凝土抗折强度的影响。1.3.5抗氯离子渗透性能测试通过电阻法和氯离子快速迁移试验对混凝土的抗氯离子渗透性能进行测试。2结果与讨论2.1坍落度试验结果图1为坍落度试验结果。由图1可知，混凝土的坍落度随聚乙烯醇掺量的增加而下降。当聚丙烯醇纤维掺量为12%时，坍落度较基础混凝土下降了约 45%。出现这个变化的主要原因是纤维在混凝土内部形成均匀的乱向支撑体系，且该支撑体系占据空间随纤维掺量的增加而增加，再加上聚乙烯醇纤维与混凝土基体具备较强的粘结性，因此随纤维掺量的增加，混凝土的粘聚性也随之增加，坍落度有一定降低11-12。贾青：聚乙烯醇纤维改性混凝土及抗盐蚀研究坍落度/mm3002502001501005000691215掺量/%图1坍落度试验结果Fig.1Slump test results39盐科学与化工第53卷第1期2024年1月2.2对纤维力学性能的影响2.2.1抗压强度测试图2为抗压强度测试结果。由图2可知，过量的纤维会对混凝土抗压强度产生不良影响。这是因为过量的纤维会在混凝土内部相互聚集，增加了混凝土内部孔隙率，进而影响混凝土的抗压强度，而这种缺陷无法通过后期养护弥补13-14。而小掺量聚乙烯醇纤维对混凝土抗压强度产生积极的影响，在28 d龄期，掺量12%的纤维混凝土抗压强度约为65 MPa，较基础混凝土抗压强度提升了约28%。这是因为聚乙烯醇纤维与混凝土胶凝材料亲和力和结合性较好，适合掺量的纤维可以在混凝土内部支撑与锚固，对混凝土内部密实性和抗压强度有增强作用15。抗压强度/MPa8070605040302010071428龄期/dPVA0PVA6PVA9PVA12PVA15图2抗压强度测试结果Fig.2Compressive strength test results2.2.2弯曲强度测试以28 d龄期为例，通过载荷挠度曲线对混凝土弯曲性能进行分析，结果见图3。由图3可知，纤维混凝的荷载挠度曲线均可分为三个阶段，第一阶段为达到最高峰值之前，此时荷载挠度曲线为线性变化，在该时刻条件下，聚乙烯醇纤维与混凝土基体共同承受荷载，混凝土工作状态为弹性工作16-17。继续增加载荷，混凝土开始出现裂缝，承载力迅速下降，到了第二阶段，承载力下降后会有小幅度的回升，当第二个峰值出现，强度明显低于最高峰值强度。在第二阶段，受混凝土裂缝的影响，挠度增长快于荷载增长，此时聚乙烯醇纤维在界面粘结力的作用下横贯在裂缝两端，起到传递应力的作用，因此在该阶段，混凝土仍能承受较大的荷载18。在第二峰值出现后，荷载挠度曲线下降，纤维混凝土塑性良好，裂而不断。总的来说，聚乙烯醇纤维能有效增强混凝土的韧性，且纤维掺量越大，其韧性也越大19。荷载/kN3530252015105071428挠度/mmPVA6PVA9PVA12PVA15图3荷载挠度曲线Fig.3Load deflection curve2.2.3抗折强度测试图4为抗折强度测试。由图4可知，纤维对混凝土抗折强度产生积极的影响。在养护龄期为28 d的条件下，PVA12混凝土抗折强度达到了8.5 MPa，较基础混凝土提升了约55%，表现出良好的抗折性能。这是因为聚乙烯醇纤维与混凝土胶凝材料亲和度较高，具备一定的吸附粘结力，受外界荷载作用时，混凝土出现裂缝，聚乙烯醇纤维在吸附粘结力的作用下不会瞬间拔出，反而在裂缝中起到架桥连接作用，提升混凝土裂后承载力，抗折强度明显增加20。抗折强度/MPa12108642071428挠度/mmPVA0PVA6PVA9PVA12PVA15图4 抗折强度测试结果Fig.4 Bending strength test results2.2.4剩余强度分析图5为 L/150 处剩余强度。由图5可知，聚乙烯醇纤维对混凝土的剩余强度产生积极影响。当养护龄期为 28 d时，PVA12混凝土剩余强度较 PVA6混凝土剩余强度增加了约 210%。这是因为，在混凝土开裂后，纤维对混凝土裂缝的发展有一定约束作用，在进一步受荷载作用时，将荷载传递至裂缝上下表面，使其仍能继续承受荷载。当纤维掺量越多，在混凝土裂缝中架桥的纤维也越多，其剩余强度也越大。40L/150处剩余强度/MPa12108642071428龄期/dPVA6PVA9PVA12PVA15图5剩余强度测试结果Fig.5Residual strength test results2.3弯曲试件破坏形貌分析图6为混凝土破坏形貌。由图6可知，基础混凝土的断裂为脆性断裂。在纤维混凝土断裂面分布有较多断裂和被拔出的纤维，这说明在混凝土承受荷载的过程中，纤维对混凝土强度产生积极的作用。（a）基础混凝土（b）纤维混凝土图6混凝土破坏形貌分析Fig.6Analysis of concrete cross section2.4抗氯离子渗透性能分析2.4.1电阻率法图7为电阻率测试结果。由图7可知，在养护龄期为28 d时，PVA12混凝土电阻率较基础混凝土大18.6 cm，这是因为聚乙烯醇纤维会在一定程度上增强混凝土的密实度，弥补混凝土内部因纤维掺入而造成的孔隙率增加的缺陷。同时，到养护龄期28 d为止，混凝土电阻率一直处于增长的趋势，也就是说，电阻率一直会随养护时间的增加而增加。出现这个变化的主要原因在于，混凝土胶凝材料中含有矿渣粉和粉煤灰，在养护前期，受矿渣粉火山灰效应，提升电阻率。在养护后期，混凝土内的粉煤灰开始发挥作用，可有效细化孔径，增强混凝土内部密实度，提升混凝土电阻率，增强混凝土的抗渗性能。电阻率/cm160140120100806040200510龄期/dPVA0PVA6PVA9PVA12PVA1515202530图7纤维混凝土电阻率测试结果Fig.7Changes in electrical resistivity of fiber reinforced concrete2.4.2氯离子快速迁移试验图 8 为氯离子快速迁移试验结果。由图 8 可知，聚乙烯醇纤维掺量与氯离子迁移系数成正比。当氧化龄期为7 d时，PVA12较基础混凝土组，氯离子迁移系数增加了约 55%。纤维会导致混凝土内部孔结构劣化，影响混凝土密实度，降低了混凝土的抗渗性能。在养护后期，纤维混凝土的氯离子迁移系数与基础混凝土氯离子迁移系数较为接近。这是因为随养护龄期的增长，混凝土内部的粉煤灰和矿渣粉不断发生水化反应，水化产物对纤维导致的内部孔结构劣化问题有弥补作用，因此随养护龄期的增加，混凝土的抗氯离子渗透性能有所回升。氯离子迁移系数/（10-12m2/s）43.532.521.510.50龄期/dPVA0PVA6PVA9PVA1214285图8抗渗试验结果Fig.8Results of impermeability test2.4.3评价标准根据相关参考文献建立混凝土抗氯离子渗透性能的评价标准，结果见表 2、表 3。结合图 7、图 8、表2、表3可知，在养护后期，PVA12纤维混凝土贾青：聚乙烯醇纤维改性混凝土及抗盐蚀研究41盐科学与化工第53卷第1期2024年1月电阻率和氯离子迁移系数均满足抗氯离子渗透能力极高的标准要求。表2试验标准Tab.2Test standards抗氯离子渗透能力低中高非常高氯离子迁移系数DC1/(10-12m/s)1510155102.55表3电阻率法评价标准Tab.3Evaluation standards for resistivity method抗氯离子渗透能力低中高非常高极高电阻率/（m）343结论1）聚乙烯醇纤维对混凝土工作性能产生积极的影响。2）28 d龄期，掺量12%的纤维混凝土抗压强度约为 65 MPa，较基础混凝土抗压强度提升了约28%。3）纤维混凝土的荷载挠度曲线均可分为三个阶段，聚乙烯醇纤维能有效增强混凝土的韧性，且纤维掺量越大，其韧性也越大。4）在养护龄期为28 d的条件下，PVA12混凝土抗折强度达到了 8.5 MPa，较基础混凝土提升了约55%，表现出良好的抗折性能。5）当养护龄期为28 d时，PVA12混凝土剩余强度较PVA6混凝土剩余强度增加了约210%。6）在养护龄期为28 d时，PVA12混凝土电阻率较基础混凝土大18.6 cm，氯离子迁移系数与基础混凝土较为接近，满足抗氯离子渗透能力极高的标准要求，表现出良好的抗氯离子能力。参考文献1蒋加森，王文金，陈毕良，等.路基工程用纤维混凝土抗氯盐侵蚀性能研究 J.合成纤维，2023，52（2）：57-60，65.2胡秀月，庞建勇，雷成祥.玄武岩纤维混凝土孔隙结构及在围压下渗透性能研究 J.复合材料科学与工程，2023（1）：94-99.3路鸣宇，廖维张.定向纤维混凝土的制备方法与纤维取向研究进展 J.复合材料科学与工程，2022（12）：124-132.4夏冬桃，李欣怡，吴昊.混杂纤维混凝土与既有混凝土的粘结斜剪性能试验研究 J .沈阳建筑大学学报（自然科学版），2022，38（4）：645-654.5郭寅川，谢波，周利超，等.动态疲劳荷载下玄武岩纤维混凝土抗渗性衰减及机理研究 J.硅酸盐通报，2022，41（3）：810-817.6张翼翔.纤维种类和掺量对混凝土力学及抗氯离子渗透性能的影响研究 D.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2019.7肖良丽，陈宇标，刘彦，等.玻璃纤维增强塑料筋混杂纤维混凝土梁抗弯性能研究 J.武汉科技大学学报，2021，44（4）：295-303.8蔡力，胡敏，贾文渊，等.振动搅拌对钢纤维混凝土工作性能的影响研究 J.新型建筑材料，2021，48（7）：75-77，88.9徐浩，杨予，王毅，等.钢纤维混凝土声弹性系数与体积掺量的关系 J.浙江理工大学学报（自然科学版），2022，47（2）：231-237.10马衍轩，于霞，徐亚茜，等.智能纤维混凝土的力场损伤响应、监测与修复研究进展 J.材料导报，2021，35（19）：19 081-19 090.11黄玉琴，王瑞燕，龙天艳，等.泡沫混凝土的力学性能优化研究 J .地下空间与工程学报，2021，17（S2）：603-608.12甘磊，吴健，沈振中，等.硫酸盐和干湿循环作用下玄武岩纤维混凝土劣化规律 J.土木工程学报，2021，54（11）：37-46.13皇民，陈刚，赵玉如.弯曲荷载下玄武岩纤维混凝土疲劳寿命与韧性分析 J.河南理工大学学报（自然科学版），2022，41（1）：159-166，173.14戴丽，杨峰，周美容，等.纤维混凝土复合材料的制备及力学性能的研究 J.功能材料，2021，52（12）：12 095-12 099.15陆春华，吴小龙，徐可，等.普通/钢纤维混凝土混合配筋梁裂缝和挠度计算分析 J.南京工业大学学报（自然科学版），2022，44（2）：197-206.16张健新，赵茜娅，丁传林，等.高强钢筋钢纤维混凝土框架中节点抗震性能试验研究 J.应用力学学报，2022，39（4）：707-716.17叶中豹，潘锐.准静态循环加卸载下钢纤维混凝土力学特性分析 J.安徽建筑大学学报，2022，30（4）：14-19.18刘佩玺，刘恒安，刘福胜，等.不饱和聚酯树脂混凝土性能优化及抗冻性 J.山东农业大学学报（自然科学版），2022，53（4）：651-655.19邓一三，李德明，陈代秉.钢纤维混凝土管片顶推工况下的力学响应试验 J.重庆交通大学学报（自然科学版），2022，41（8）：127-133.20段小芳，袁娇娇.碳纤维混凝土力学性能探讨 J.江苏建筑职业技术学院学报，2022，22（3）：8-12.（编辑：郑丹妮）欢迎广大作者、读者踊跃投稿电话：022-60718628/60718633E-mail:42