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摘  要
    本文研究了不同摻量聚丙烯纖維高性能混凝土的抗折、脆性和抗沖擊性能，綜合論述了摻纖維對高性能混凝土抗折強(qiáng)度、脆性、抗沖擊性能和影響，探討和分析了高性能水泥基纖維復(fù)合材料脆性下降，抗沖擊性能提高的機(jī)理。試驗(yàn)證明：高性能混凝土中摻纖維能顯著降低混凝土的脆性和提高混凝土抗折強(qiáng)度、抗沖擊性能。


    一、前言
    高性能混凝土不僅要有良好的強(qiáng)度性能，還應(yīng)有優(yōu)異的耐久性能和適宜的工作性能，以滿足目前和未來的大規(guī)模重混凝土工程的施工需要，經(jīng)過大量的試驗(yàn)研究，我們應(yīng)用硅灰和粉煤灰配制出高性能混凝土，這種混凝土不僅具有很高的強(qiáng)度，而且工作性好、硬化混凝土的抗凍融性能、抗?jié)B透性能和抗侵蝕性能優(yōu)異。但脆性大、抗沖擊性差是影響高性能混凝土實(shí)際應(yīng)用的一個重要因素。有研究認(rèn)為，自收縮開裂、濕脹開裂和脆性是目前高性能混凝土急待解決的重要問題。本文將采用聚丙烯纖維來改善高性能混凝土脆性和抗沖擊性能。  
    二、實(shí)驗(yàn)方法
    １．原材料  
    1.1水泥：采用三舫局小野田水泥有限公司525＃普硅水泥摻
    1.2合料：試驗(yàn)采用化聯(lián)外加劑廠提供的硅灰，減水劑采用五四助劑廠生產(chǎn)的SN－Ⅱ高效減水劑
    1.3集料：粗集料采用5－8mm的石英碎石，細(xì)集料采用標(biāo)準(zhǔn)石英砂。
    1.4聚丙烯纖維：采用新型改性聚丙烯纖維，其物理性能列于表1。
                   
                      表1  改性聚丙烯纖維的物理性能          
吸水性  比重  纖維長度  熔點(diǎn)  沸點(diǎn)  導(dǎo)電性  導(dǎo)熱性  耐酸堿性  抗壓強(qiáng)度  拉伸強(qiáng)度
               (mm)    （℃） （℃）                           （Mpa）   （Mpa）
無      0．91  12－19  160-170  590   低      低        高     560-770     350

    2．試驗(yàn)方法 
    抗折、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)GB177－85水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)方法進(jìn)行。用水量是采用標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量，其標(biāo)準(zhǔn)稠度及凝結(jié)時間均按GB134－77水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量進(jìn)行。 
耐磨試件尺寸為15cm×15cm×7cm。磨損試驗(yàn)采用GLM－200鋼輪式混凝土磨損試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)方法按GB／T12988－91《無機(jī)地面材料耐磨性試驗(yàn)方法》進(jìn)行。耐磨性用抗長度L表示，單位mm，耐磨試驗(yàn)每組5塊，取十次試驗(yàn)平均值。 
    抗沖擊性能尺為15cm×15cm×5cm，每組共5個試件。將8kg重的鋼球從25cm高度自由落下，當(dāng)試件裂縫寬度大于3mm時，記錄沖擊次數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果取中間3個數(shù)據(jù)的平均值。   
    三、結(jié)果與討論 
    1．聚丙烯纖維對高性能混凝土脆性影響 
    高性能混凝土強(qiáng)度和耐久性主要受水灰比和礦物聚合物的影響，當(dāng)水灰比（w/c）一定時，礦物摻合料量將直接影響到高性能混凝土各種物理力學(xué)性能。耐摻聚丙烯纖維可以改善高性能混凝土的力學(xué)性能。表2是高性能混凝土改變纖維摻量（0、0.1%、0.15%）對混凝土強(qiáng)度影響。 

                
                表2     高性能水泥基聚丙烯纖維復(fù)合材料強(qiáng)度 
試件  硅灰摻量    纖維摻量          抗壓強(qiáng)度          抗折強(qiáng)度 
          （％）      （Kg）                             
                                         R3   R28       R3      R28
1           0           0              36.9  63.4      5.31    8.53
2           5           0              43.0  73.9      5.45    9.05
3          10           0              47.5  82.4      6.06    9.82
4           0          0.1              29.3  60.8      5.36    8.59
5           5          0.1              29.9  61.3      5.33    8.72
6          10          0.1              32.4  66.9      5.45    9.25
7           0          0.15             38.4  68.5     6.08     9.35
8           5          0.15             39.9  77.7     6.28     11.02
9          10          0.15             47.4  82.3     7.55     12.52
    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)水灰比（w/c）一定時，混凝土力學(xué)性能隨摻量增加提高，與此同時混凝土的耐久性能也大幅度提高。但硅灰摻量變化對混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度影響程度是不一樣的。由表中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)硅灰從0～10％混凝土抗壓強(qiáng)度提高30％以上，而抗折強(qiáng)度僅僅提高15％左右，這樣高性能混凝土的脆性就隨之顯著提高。 
    試驗(yàn)結(jié)果表明摻和聚丙烯纖維可以改善高性能混凝土的脆性。當(dāng)聚丙烯纖維含量從（0～15％）高性能混凝土抗壓強(qiáng)度幾乎沒有變化，而抗折強(qiáng)度提高27％以上。使混凝土的脆度系數(shù)從8.39下降到6.5％。從而表現(xiàn)為高性能混凝土在保證抗壓強(qiáng)度和耐久性能不變的前提下大幅度降低混凝土的脆性。 
    2．聚丙烯纖維網(wǎng)對高性能混凝土抗沖擊性影響 
    聚丙烯纖維對高性能混凝土抗沖擊性具有較大影響。同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在高性能混凝土中摻加纖維可以顯著改善混凝土抗沖擊性能。高性能混凝土的抗沖擊性能隨纖維摻量增加耐明顯提高，混凝土抗沖擊性提高與纖維摻量成正比。此外纖維高性能混凝土的抗沖擊性能隨混凝土基材強(qiáng)度的提高而增長。因此，纖維與高性能混凝土基材復(fù)合是配制高性能水泥基復(fù)合材料的主要技術(shù)途徑之一。 
    3．聚丙烯纖維對高性能混凝土增折與抗沖擊性能改善的機(jī)理初探 


    綜上所述，在高性能混凝土中摻入聚丙烯纖維后能顯著提高混凝土抗折強(qiáng)度和抗沖擊性能，其抗沖擊性能的提高尤為顯著。究其原因，在于纖維的阻裂效應(yīng)。實(shí)際上高性能混凝土從無缺陷理想狀態(tài)來講，其抗壓、抗折強(qiáng)度增長幅度應(yīng)該是基本一致的，之所以高性能混凝土抗壓強(qiáng)度提高幅度大大地大工業(yè)于抗抗折強(qiáng)度提高幅度，原因就在于高性能混凝土內(nèi)部存在不同尺度的微裂縫，而微裂縫對抗折強(qiáng)度影響遠(yuǎn)大于抗壓強(qiáng)度，由于高性能混凝土脆性及自收縮等造成內(nèi)部存在不同尺度的微裂紋，在結(jié)構(gòu)形成過程中，聚丙烯纖維阻止了這此裂縫的引發(fā)，從而減少了裂縫源的數(shù)量，并使裂縫尺度變小，這就降低了裂縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子，緩合了裂縫尖端受力集中程度，在受力過程中，又抑制裂縫的引發(fā)與擴(kuò)展，這樣就可以充分發(fā)揮高性能混凝土高抗折強(qiáng)度效應(yīng)，這就是纖維能大幅度提高高性能混凝土抗折強(qiáng)度，而不能提高其抗壓強(qiáng)度的原因，但為了充分發(fā)揮纖維混凝土阻裂效果必須加強(qiáng)界面粘結(jié)性能，而界面粘結(jié)構(gòu)特性又直接受水灰比和硅灰的影響。 
    （1）減小w/c 界面區(qū)影響 
    w/c的大小是影響聚丙烯纖維與混凝土基材、集料與水泥石界面的粘結(jié)主要因素。界面粘結(jié)與界面區(qū)微觀礦物組成和其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。當(dāng)w/c較在百，混凝土集料和纖維界面區(qū)域內(nèi)由于泌水等原因使局部w/c增大，使表層界面區(qū)域的w/c比基材大得多，離子濃度低，由于離子擴(kuò)散及晶體生長等因素，Ca(OH)2晶體在此區(qū)域發(fā)育完善和取向指數(shù)高、Ca(OH)2板狀晶體富集，并產(chǎn)生定向排列，晶體生長約束力小而尺度大，導(dǎo)致界面結(jié)構(gòu)疏松。纖維混凝土增折，高沖擊性能就得不能發(fā)揮。界面高效減水劑降低w/c就可以減少上述弊端，增強(qiáng)界面粘結(jié)力，使高性能混凝土抗折強(qiáng)度、脆性和抗沖擊性能得以大幅度改善。 
    （2） 加入硅灰對界面區(qū)影響 
    在聚丙烯纖維混凝土摻入硅灰，同時加入高效減水劑，可使其抗折強(qiáng)度和抗沖擊性大為提高。硅灰是一種高活性火由灰質(zhì)材料、在水化過程中，硅灰與水泥石孔隙中的離子起化學(xué)反應(yīng)，使C－S－H凝膠增加，導(dǎo)致水泥石中大孔減少，凝膠孔增加，結(jié)構(gòu)變得致密，強(qiáng)度顯著提高，摻入適量硅灰、改善纖維混凝土中水泥漿體與集料、纖維界面區(qū)的結(jié)構(gòu)、使界面區(qū)的Ca(OH)2晶體數(shù)量下降，取向度明顯降低，晶粒細(xì)化、C－S－H凝膠數(shù)量增加，加強(qiáng)了界面粘結(jié)力，提高聚丙烯纖維高性能混凝土抗沖擊性能和降低其脆性。 
    四、結(jié)論 
    1．高性能混凝土由于脆性，自收縮開裂和內(nèi)部微裂縫使其抗折強(qiáng)度增長幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度增長幅度，并且后期強(qiáng)度和耐久性能有可能下降。 
    2．在高性能混凝土中摻量聚丙烯纖維可以充分發(fā)揮高性能混凝土高強(qiáng)效應(yīng)，特別是高抗折效應(yīng)。當(dāng)高性能混凝土中摻加纖維體積分?jǐn)?shù)為0.15%時，混凝土抗壓強(qiáng)度幾乎不變，而抗折強(qiáng)度提高30％以上。 
    3．聚丙烯纖維高性能混凝土在沖擊荷載下的抗裂性能是高性能混凝土上的3－4倍。而高性能混凝土的抗沖擊性能幾乎與普通混凝土一樣。