劉 雙，石振武，李兆林，張永志

(1．東北林業(yè)大學土木工程學院;2．內蒙古阿里河林業(yè)局)

1 混凝土簡述

1．1 聚丙烯纖維

本研究中采用的四種纖維分別是聚丙烯單絲纖維、聚丙烯腈纖維、聚丙烯網(wǎng)狀纖維和束狀絞聯(lián)增強聚丙烯纖維。為敘述方便，下文中將以上幾種纖維分別稱為1#、2#、3#和4#纖維，相應地，摻加了纖維的混凝土分別稱為1#、2#、3#和4#混凝土，另外沒有摻加纖維的混凝土稱為0#混凝土。四種聚丙烯纖維的性能指標如表1所示。

表1 四種聚丙烯纖維的性能指標

由表1可見，四種聚丙烯纖維的抗拉強度值非常接近。1#纖維與2#纖維的長度與彈性模量有很大差異;1#纖維與3#纖維除了在形狀上有所不同，其他方面差異不大;1#纖維與4#纖維在長度、形狀和當量直徑差距很大。

1．2 混凝土配合比

本試驗采用哈爾濱亞泰天鵝P．O42．5普通硅酸鹽水泥，水泥混凝土配合比設計按照設計抗壓強度45MPa、設計抗彎拉強度4．5MPa進行設計，設計容重為2450kg/m3，水灰比為0．39，砂率為0．39，各種材料比例為 m水泥∶m水∶m砂∶m石∶m引氣減水劑=390∶152．1∶709∶1108．9∶15．6。四種聚丙烯纖維摻量按表 2進行摻加。

表2 聚丙烯纖維摻加量 kg/m3

1．3 投料順序

為了使聚丙烯纖維在混凝土中分散良好，并獲得較好的工作性能，本試驗采用圖1所示的投料順序進行混凝土拌和。

圖1 混凝土拌和的投料順序

1．4 力學性能

混凝土抗壓強度試驗按照《水泥混凝土立方體抗壓強度試驗方法》(T0553-2005)進行;混凝土抗折強度試驗按照《水泥混凝土抗彎拉強度試驗方法》(T0558-2005)進行。力學性能試驗結果如表3所示，聚丙烯纖維混凝土強度相對普通混凝土提高幅度如表4所示。

表3 混凝土力學性能試驗結果 MPa

表4 聚丙烯纖維混凝土強度提高幅度 %

表3結果顯示五種混凝土的強度均能滿足強度要求;表4顯示聚丙烯纖維混凝土的抗壓強度和抗折強度要高于普通混凝土，但效果不明顯。

2 抗凍性試驗研究

2．1 研究現(xiàn)狀

混凝土抗凍性是指混凝土在飽水狀態(tài)下，能經受多次凍融循環(huán)作用而不破壞的能力。與普通混凝土相比，摻人聚丙烯纖維后混凝土的抗凍性能可以得到提高。原因在于混凝土中摻人聚丙烯纖維，可以緩解因溫度變化而引起的混凝土內部的溫度應力，當初始裂紋發(fā)生后，可以阻止溫度裂縫的進一步發(fā)展。

2．2 抗凍性試驗

混凝土抗凍性試驗按照《水泥混凝土抗凍性試驗方法(快凍法)》(T0565-2005)進行。按照配合比制取每組3個100mm×100mm×400mm標準立方體試件，并將試件放入標準養(yǎng)生室養(yǎng)護，其中溫度為20℃ ±2℃，相對濕度保持95%以上。試件養(yǎng)生齡期為28d，在規(guī)定齡期的前4d，將試件放在20℃±2℃的飽和石灰水中浸泡，水面至少高出試件20mm，浸泡4d后進行試驗。凍融試驗達到以下三種情況的任何一種時，即可停止試驗：(1)凍融至300次循環(huán);(2)試件的相對動彈性模量下降至60%以下;(3)試件的質量損失率達5%。

2．3 試驗結果及分析

根據(jù)試驗結果，經歷300次凍融循環(huán)后，混凝土的相對動彈性模量、質量減少率與凍融循環(huán)次數(shù)的變化情況分別如圖2和圖3表示。

(1)由圖2以看出，在整個試驗過程中，所有混凝土試件的相對動彈性模量都下降。參照圖3以看出，由于相對動彈性模量降低至60%以下而結束試驗的2#和4#混凝土，其質量減少率均沒有超過5%。另外，經過50次凍融循環(huán)，五種混凝土試件的相對動彈性模量均下降至95%左右。

圖2 混凝土相對動彈性模量

圖3 混凝土質量減少率

由圖3可以看出，50次凍融循環(huán)結束后，五種混凝土的質量都有所增加，但所有混凝土試件并沒有表皮脫落的現(xiàn)象。這主要是由于混凝土試件在凍融循環(huán)中充分吸水所致。同時參考圖2，五種混凝土的動彈性模量變化很小，說明進入混凝土內部外界水并沒有使其強度降低。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，0#混凝土的質量損失都遠遠大于摻加了聚丙烯纖維的混凝土，造成這種現(xiàn)象的主要原因是混凝土內部大量分布的聚丙烯纖維起到了抗剝落作用，避免了試件表皮脫落所引起的質量損失。

(2)將1#和3#混凝土與0#混凝土對比，不難發(fā)現(xiàn)，1#纖維和3#纖維對混凝土的抗凍性有顯著提高。雖然在前200次凍融循環(huán)過程中，0#混凝土在相對動彈性模量方面與1#和3#的差異性很小，但經過最后100次凍融循環(huán)，其相對動彈性模量大幅度下降。這是因為經過200次的凍融循環(huán)而積累的試件內部損傷才逐漸表現(xiàn)出來，并且損傷的速率開始加快。而聚丙烯單絲纖維和聚丙烯網(wǎng)狀纖維直徑很細、單位體積內分布比較廣泛，可以較好地抑制混凝土內部的塑性開裂，緩解混凝土在凍融過程中出現(xiàn)的內應力。因此，這兩種聚丙烯纖維混凝土的抗凍性有所提高。

1#和3#混凝土在整個凍融循環(huán)過程中，相對動彈性模量和質量減少率保持了極為相似的變化趨勢，而且經過300次凍融循環(huán)，這兩種混凝土的相對動彈性模量均能保持在90%以上。然而從質量損失方面看，3#混凝土的質量損失速率大于1#混凝土，表明1#纖維對于混凝土的抗凍性的提高要優(yōu)于3#纖維。

(3)將2#和4#混凝土與0#混凝土對比，2#纖維和4#纖維非但沒有提高混凝土的抗凍性，反而使其大大降低，凍融循環(huán)次數(shù)僅僅達到200次和250次。

在50次凍融循環(huán)之后，2#混凝土的相對動彈性模量幾乎成直線下降，經過200凍融循環(huán)即降至59%;4#混凝土的相對動彈性模量雖然在150～200次凍融循環(huán)中變化較小，但是整體的下降趨勢非常明顯，經過250凍融循環(huán)即降至58．5%。

雖然2#混凝土僅僅經過200次凍融循環(huán)就停止試驗，但該混凝土沒有出現(xiàn)大面積表皮脫落，這一點從圖3可以明顯看出：即其質量變化很小。同時參照表1可以看出，2#纖維的直徑和長度相對更小，從而使其在混凝土內部分布更為均勻，阻礙了混凝土雖然有表皮脫落的趨勢;另一方面4#混凝土的質量減少率很大，僅僅低于0#混凝土。但是，2#纖維和3#纖維的摻入均使得新拌混凝土的流動性變差，從而影響硬化后混凝土的密實度與均勻性，混凝土中有害空隙、毛細管等內部缺陷的增多導致抗凍性下降。

3 結論

(1)聚丙烯纖維的摻人對于混凝土抗壓強度和抗折強度的提高作用并不顯著。

(2)一些聚丙烯纖維(如聚丙烯單絲纖維和聚丙烯網(wǎng)狀纖維)能夠提高混凝土的抗凍性，提高效果比較明顯;而一些聚丙烯纖維(如聚丙烯腈纖維和束狀絞聯(lián)增強聚丙烯纖維)，不但沒有提高混凝土的抗凍性，還使其相應混凝土的抗凍性明顯下降。

(3)抗凍性試驗結果表明，聚丙烯單絲纖維能夠提高混凝土的抗凍性，并且明顯優(yōu)于其他三種聚丙烯纖維，300次凍融循環(huán)后的相對動彈性模量高達90．4%，并且能夠改善鋼纖維在混凝土中的缺點，在寒區(qū)混凝土應用中具有重要作用，擁有很好的應用前景。

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