摘　要：試驗(yàn)采用P.P.Kraai提出的砂漿及混凝土干燥收縮裂縫測試方法、混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)、抗凍等耐久性能試驗(yàn)方法，研究了改性聚丙烯纖維對(duì)砂漿和混凝土性能的影響。結(jié)果表明，在混凝土中摻入一定量的改性聚丙烯纖維，混凝土的抗壓強(qiáng)度略有下降；纖維在混凝土中形成的亂向支撐體系，產(chǎn)生了有效的增強(qiáng)效果，減少了裂縫的產(chǎn)生，提高了混凝土的抗折、抗拉強(qiáng)度，從而改善了混凝土抗裂、抗?jié)B、抗沖擊和抗凍等性能。 
　　 
混凝土作為十分廣泛的建筑材料，種類繁多，其性能得到不斷改善，但由于混凝土材料本身的缺陷，如易塑性開裂、抗拉強(qiáng)度低、韌性差等，限制了其在工程中更廣泛的使用[1]。在混凝土中摻入一定量的非連續(xù)的短纖維，由于纖維隨機(jī)地分布于混凝土中，起到了配筋和約束裂縫發(fā)展的作用，達(dá)到增強(qiáng)的目的。 
纖維混凝土一般分為鋼纖維、玻璃纖維和聚合物纖維混凝土等幾種類型。鋼纖維攪拌時(shí)易結(jié)團(tuán)，分散均勻性差，不易施工，且摻量大，成本增加較高；而玻璃纖維由于在混凝土堿性介質(zhì)中與堿起化學(xué)反應(yīng)，其耐久性差[2]。國內(nèi)目前在混凝土中使用的普通聚丙烯纖維多是切割后的短而細(xì)的纖維，或?qū)⒗w維編織成網(wǎng)狀，它們與混凝土的握裹力較弱[3]。 
改性聚丙烯纖維是在紡絲過程中添加聚丙烯晶系成核劑，產(chǎn)生不穩(wěn)定的β晶，并在拉伸時(shí)發(fā)生β晶向α晶轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致體積縮小而產(chǎn)生微孔，這些孔隙使得原來光滑表面變得粗糙。改性聚丙烯纖維具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，耐腐蝕，表面疏水，攪拌時(shí)不易成團(tuán)，與水泥混凝土之間的粘著力較強(qiáng)。本文通過兩種不同的改性聚丙烯纖維，在不同摻量的情況下，對(duì)混凝土和砂漿的性能影響進(jìn)行研究。 
1　實(shí)　驗(yàn) 
1.1　主要原料：水泥；江蘇龍?zhí)端�泥廠生產(chǎn)的42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。 
粗集料：5～31 5ｍｍ級(jí)配的碎石，其表觀密度為2 70 g/cm3。 
細(xì)集料：河砂，其表觀密度為2 65g/cm3，細(xì)度模數(shù)2 78。 
纖維：(1)通盛纖維，江蘇中銀公司生產(chǎn)的白色短切纖維，相對(duì)密度0 9，抗拉強(qiáng)度295ＭＰａ，長度為19ｍｍ；(2)杜拉纖維，美國杜拉公司生產(chǎn)的白色短切纖維，相對(duì)密度0 91，抗拉強(qiáng)度276ＭPa，長度為19mm。 
水：自來水。 
1.2　砂漿抗裂性能試驗(yàn)方法試驗(yàn)按照P.P.Kraai教授所提出的砂漿及混凝土干燥收縮裂縫測試方法進(jìn)行[4]。實(shí)驗(yàn)采用914mm×610mm×19mm的木模；木模四周釘有用于限制收縮的鐵絲網(wǎng)；在砂漿中加入通盛和杜拉兩種改性聚丙烯纖維，加入量分別為0.45k g/cm3、0 68 k g/cm3，編號(hào)及配合比見表1；將砂漿沿木模邊緣螺旋式向試模中心進(jìn)行澆注，直至拌和料自動(dòng)流滿整個(gè)木模，即用長木條刮平試件表面。成型后即打開風(fēng)速為5m/s的電風(fēng)扇。連續(xù)吹24ｈ后，采用直筒顯微鏡測量裂縫的寬度，按裂縫寬度分段測量裂縫的長度。 
1.3　混凝土配合比和測試方法混凝土設(shè)計(jì)相應(yīng)的配合比為ｍ(水泥)∶ｍ(砂)∶(ｍ)石∶ｍ(水)=352∶732∶1146∶190，纖維的摻量為(1)0.68 k g/cm3 (2)0.90 k g/cm3。試驗(yàn)前先測定砂、石的含水率，并從總用水量中扣除，采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)。采用干拌法，攪拌時(shí)先將水泥、砂、石一起投入攪拌機(jī)內(nèi)開始干拌，再將纖維用手捻開，逐漸撒到攪拌機(jī)內(nèi)，以保證纖維在混凝土中分散得均勻，最后加入拌合水，攪拌均勻后出料，測定混凝土的坍落度，裝模成型，養(yǎng)護(hù)。測試混凝土試驗(yàn)的各種性能按GBJ81-85，GBJ82-85規(guī)范進(jìn)行。用光學(xué)顯微鏡觀察混凝土試樣斷裂后的微觀結(jié)構(gòu)。 
表1 試驗(yàn)配合比 
Table 1 Experimental mix proportions 
試件編號(hào) m（水泥）：m（砂） 水灰比（w/c） 纖維摻量（kgm－3） 
S1 1：1.5 0.5 0 
S2 1：1.5 0.5 0.45（通盛） 
S3 1：1.5 0.5 0.45（杜拉） 
S4 1：1.5 0.5 0.68（通盛） 
S5 1：1.5 0.5　 0.68（杜拉） 


2　試驗(yàn)結(jié)果與分析 
2 1　改性聚丙烯纖維對(duì)砂漿抗裂性能的影響改性聚丙烯纖維砂漿抗裂性能采用開裂指數(shù)，據(jù)此評(píng)價(jià)其開裂程度。試驗(yàn)采用Kraai關(guān)于計(jì)算開裂指數(shù)的方法，把裂縫寬度分為4級(jí)，分別有對(duì)應(yīng)的代表值，見表2[4]；開裂指數(shù)為每級(jí)寬度的裂縫長度分別乘以其相應(yīng)的代表值。 
表2 本試驗(yàn)采用的代表值【4】 
Table 2 The typical value in the study 
裂縫寬度d（mm） 代表值 
d≥3 3 
3＞d≥2 2 
2＞d≥1 1 
　d＜1 0.50 


試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，纖維砂漿的試件表面的塑性收縮裂縫分布廣而微細(xì)，而素砂漿的裂縫比較寬，而且較長，其結(jié)果見表3。由表3可見，砂漿的抗裂性能有了明顯的改善，其裂縫減少分別達(dá)到60%，62%和83%，82%；隨著纖維量的增加，開裂指數(shù)大幅度下降，其裂縫的趨勢是由寬到窄，由大到小，即大裂縫逐漸減少，小裂縫逐漸增多�？梢姼男跃郾�烯纖維在低含量的范圍內(nèi)可有效地控制砂漿塑性裂縫的產(chǎn)生，降低裂縫的寬度。 
表3 纖維砂漿的塑性收縮 
Table 3 Plastic shrinkage of mortar with fibers 
編號(hào) 裂縫寬度范圍類的裂縫長度（cm） 開裂指數(shù) 
d≥3　 　3＞d≥2 2＞d≥1　 d＜1　 
S1 21 83 56 36 301 
S2 0 20 59 43 121 
S3 0 17 64 35 116 
S4 0 0 36 29 51 
S5 0 0 31 46 54 


2 2　改性聚丙烯纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響改性聚丙烯纖維混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表4�？梢钥闯�，改性纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度比不摻纖維的混凝土的抗壓強(qiáng)度在28ｄ時(shí)略有下降，而且隨著纖維摻量的增大而下降得越多，但各齡期的抗折強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都增加了，其增加幅度為5%～10%左右。圖1為不摻纖維的混凝土斷裂表面形貌，圖2為纖維在混凝土中的分布與混凝土斷裂表面形貌特征。由圖2可知，纖維在混凝土基體中分布是亂向的。 
表4 改性聚丙烯混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果 
Table 4 Experimental results of mechanical properties 
試驗(yàn)編號(hào) 坍落度（cm） 抗壓強(qiáng)度（Mpa) 抗折強(qiáng)度(Mpa) 劈裂抗拉（Mpa) 
3d 7d 28d 3d 7d 28d 28d 
W-0 8 13.8 21.3 32.0 1.8 2.2 3.8 1.9 
T-1 6 13.0 21.1 31.2 2.1 3.0 4.0 2.0 
T-2 5 12.4 20.6 30.2 2.2 2.9 4.2 2.1 
D-1 6 14.0 21.5 31.5 2.2 2.8 4.1 2.1 
D-2 6 13.1 21.0 29.8 2.1 2.7 4.1 2.2 


混凝土從理想狀態(tài)來說，其抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度的增長應(yīng)該是基本一致的，但由于混凝土內(nèi)部存在不同程度的微裂縫，而微裂縫對(duì)抗折強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)大于抗壓強(qiáng)度，所以改性聚丙烯纖維混凝土抗壓強(qiáng)度提高幅度低于抗折強(qiáng)度。需要指出的是：在摻入纖維后，混凝土的抗壓強(qiáng)度有所下降。國外學(xué)者把這種現(xiàn)象歸于聚丙烯纖維較低的彈性模量。作者通過研究認(rèn)為，摻入纖維后，由于改性聚丙烯纖維疏水性，引入的纖維會(huì)產(chǎn)生纖維—水泥石薄弱界面，也是原因之一；在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，纖維混凝土的含氣量有所增加，這也導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度的下降。而混凝土的抗折和抗拉強(qiáng)度與混凝土內(nèi)部的微裂縫有很大關(guān)系，改性聚丙烯纖維混凝土的抗折和抗拉強(qiáng)度提高的主要原因在于纖維的抑制裂縫形成的能力，在混凝土結(jié)構(gòu)形成時(shí)，由于纖維的亂向作用，阻止裂縫的引發(fā)與擴(kuò)展，從而能提高混凝土的抗折和抗拉強(qiáng)度。 
2 3　改性聚丙烯纖維對(duì)混凝土抗凍性能的影響改性聚丙烯纖維混凝土的抗凍性試驗(yàn)采用25次凍融循環(huán)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。從表5可得，混凝土中摻0.68 kg/cm3，改性聚丙烯纖維，經(jīng)25次凍融循環(huán)后混凝土的強(qiáng)度損失率分別為7.0%和6.2%，質(zhì)量損失率為1.1%和0.8%；而在混凝土中摻0.90 k g/cm3改性聚丙烯纖維，強(qiáng)度損失率為分別為3.8%和4.1%，質(zhì)量損失率均為0.5%。可見，摻入一定量的改性聚丙烯纖維后，纖維亂向分布形式有助于減少混凝土砂漿的塑性裂縫，混凝土的抗凍性明顯提高。 
表5 混凝土抗凍試驗(yàn)結(jié)果 
Table 5 Experimental results of frost beave-resistance 
編號(hào) W-0 T-1 D-1 T-2 D-2 
強(qiáng)度損失％ 11.0 7.0 6.2 3.8 4.1 
質(zhì)量損失％ 2.0 1.1 0.8 0.5 0.5 


2.4　改性聚丙烯纖維對(duì)混凝土抗沖擊特征的影響材料在一次或多次迅速施加荷載(沖擊荷載)的作用下，抵抗疲勞破壞的能力為材料的抗沖擊能力。抗沖擊試驗(yàn)采用落錘法進(jìn)行(錘質(zhì)量2ｋｇ，錘的下端為球面，落高68ｃｍ，試件尺寸為邊長15ｃｍ的立方體)，混凝土的抗沖擊性能以試件在落錘的反復(fù)沖擊作用下，混凝土表面出現(xiàn)第一條裂紋時(shí)單位體積所耗的功來表示[5，6]。試驗(yàn)結(jié)果見表6。 
表6 混凝土抗沖擊試驗(yàn)結(jié)果 
Table 6 Experimental results of impact resistance 
編號(hào) W-0 T-1 D-1 T-2 D-2 
相對(duì)抗沖擊強(qiáng)度％ 100 113 118 132 129 


從表6的試驗(yàn)結(jié)果看，在混凝土中摻入0.68 k g/cm3改性聚丙烯纖維，混凝土的抗沖擊性能分別提高13%和18%，而摻入量為0.9 k g/cm3時(shí)，抗沖擊性能分別提高32%和29%。由于在混凝土受力時(shí)，力由混凝土通過纖維與混凝土的界面?zhèn)鬟f給纖維，纖維具有較大的吸收能量的能力，從而纖維與混凝土一起承受力的作用，防止結(jié)構(gòu)的破壞，因此，混凝土的抗沖擊性能明顯提高。 
2 5　改性聚丙烯纖維對(duì)混凝土滲透性能的影響混凝土試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28ｈ后進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)，保持水壓0 8MPa，持續(xù)8ｈ，然后劈裂，測試滲透高度，結(jié)果見表7。 
表7 混凝土抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果 
Table 7 Experimental results of impermeability 
編號(hào) W-0 T-1 D-1 T-2 D-2 
滲透高度(mm) 82 57 60 38 44 


從表7可見，由于均勻分布在混凝土的纖維減少了混凝土微裂縫產(chǎn)生，并且纖維在混凝土中起到了支撐作用，降低了混凝土骨料的沉降，使得混凝土微孔隙含量大大下降。纖維混凝土的抗?jié)B能力明顯好于不摻纖維的混凝土，并隨著纖維摻量的增加，混凝土滲透高度減小。 
3　結(jié)　論 
(1)摻入一定量的改性聚丙烯纖維減低混凝土的坍落度，但影響不是很大。 
(2)混凝土中摻入一定量的改性聚丙烯纖維，可以有效地控制裂縫的產(chǎn)生，從而提高混凝土的抗?jié)B，抗凍等性能。 
(3)改性聚丙烯纖維亂向分布改善混凝土的韌性，提高混凝土的抗折和抗拉強(qiáng)度。 
(4)纖維有著較強(qiáng)的吸收能量的能力，摻入一定量的纖維能提高混凝土的抗沖擊性能。