聚丙烯纤维高性能混凝土抗渗性能的试验研究

摘要：通过测试混凝土吸水率、渗透高度、抗氯离子渗透性、不同深度氯离子浓度等指标，研究了掺入聚丙烯纤维对高性能混凝土抗渗性能的影响。试验结果表明，由于高性能混凝土中掺有粉煤灰、硅粉，其抗渗性大大提高；而掺入聚丙烯纤维后吸水率、渗透高度增大，但抗氯离子渗透性无明显变化，需要做进一步的研究。

关键词：高性能混凝土；聚丙烯纤维；抗渗性能

中图分类号：TU528.572 文献标识码：B 文章编号：1001- 702X11- 0050- 02

0 前言

　　为改善高性能混凝土抗拉强度低、极限应变小、抗冲击性差、脆性大、易开裂等缺点，满足对混凝土高强度高韧性的要求，近年来，通过在高性能混凝土中掺入短纤维改善其上述不足正受到广泛重视。聚丙烯纤维是研究较早并已用于混凝土的聚合物纤维之一，它通过大量吸收能量，大幅度提高了混凝土抗裂能力及改善抗冲击性能，并提高了混凝土的整体性，这些已经为大量试验证实。

　　但是聚丙烯纤维对混凝土抗渗性能的影响，目前存在2 种不同的观点。一种观点认为：纤维掺入混凝土后基体失水面积减小，水分迁移困难，从而使毛细管失水收缩形成的毛细管张力有所减小；同时，由于合成纤维的弹性模量高于凝结初期基体的弹性模量，增加了塑性和硬化初期复合体的抗拉强度，减少了纤维混凝土的微裂缝，孔隙结构得到改善，从而提高了混凝土的抗渗性[1]。另一种观点认为：纤维的加入增加了混凝土的界面，导致混凝土孔隙率提高，抗渗性降低[2]。关于掺入聚丙烯纤维对混凝土抗渗性能的影响，已进行了很多试验研究[2-5]。

　　但是，这些研究中大都用渗透高度法，即制作上下底面直径分别为175mm和185mm、高度为150mm的圆柱体试件，养护28d后，测定在恒压条件下24 h 后试件的渗水高度，作为衡量混凝土抗渗性的指标。除采用这种方法外，本文还进行了吸水率、抗氯离子渗透性、不同深度氯离子浓度试验，采用不同的指标，综合研究聚丙烯纤维对高性能混凝土抗渗性的影响。

1 试验概述

1.1 原材料及混凝土配合比

　　水泥：大连小野田水泥厂生产的42.5R 普通硅酸盐水泥；

　　粗骨料：最大粒径为20 mm的碎石；

　　细骨料：细度模数为2.9 的河砂；

　　粉煤灰：大连热电厂生产的二级粉煤灰；

　　硅粉：上海埃肯公司生产的硅粉；

　　纤维：PP 纤维，性能见表1；

　　减水剂：sika 高效减水剂。

　　混凝土配合比见表2，水灰比为0.35。配方A、C 中粉煤灰+硅粉的掺量为20%+5%，配方B、D 中的粉煤灰+硅粉掺量为30%+8%。

1.2 试验内容及方法

1.2.1 吸水率

　　混凝土是多孔体，孔隙组织影响混凝土的密实性，从而影响混凝土抗渗性。制作边长100 mm的立方体试件，养护28d后烘干，然后浸入水中，测试3 h 内吸水量所占混凝土质量的百分比。具体方法见JTJ 270—98《水运工程混凝土试验规程》。

1.2.2 渗水高度

　　制作上下底面直径分别为175 mm和185 mm、高度为150mm的圆柱体试件，养护28 d 后，测试在MPa 恒压条件下，24 h 后试件中的渗水高度。具体方法见JTJ 270—98。

1.2.3 电通量

　　制作直径为95 mm、厚度为51 mm 混凝土圆柱体试件，测试60 V 直流电压作用下6 h 内通过试件的总电量，作为混凝土抗氯离子渗透性指标。具体方法见JTJ 275—2000《海港工程混凝土结构防腐技术规范》的附录B“混凝土抗氯离子渗透性标准试验方法”。

1.2.4 氯离子浓度

　　测试各种试件不同深度处的氯离子浓度。具体做法是：制作100 mm×100 mm×300 mm 的棱柱体试件，试件养护28 d后，先将每个试件的2 个正方形截面和3 个长方形截面的表面浮浆磨去，然后用酒精清洗干净，最后用环氧树脂涂刷，只留出其中1 个长方形截面作为渗透面。将试件放入盛有NaCl 溶液的铁箱中浸泡。NaCl 溶液淹没试件的上表面，试验期间定期检测NaCl 溶液浓度，使其保持在3.5%左右，同时定期加入溶液，确保试件全部浸没。浸泡180 d，取出相应的试件，从暴露面中间100 mm 区段位置分层钻取粉末试样，研磨面与暴露面平行，分层深度为：0～3、3～6、6～9、9～12、12～15 和15～20 mm。然后通过化学方法测定混凝土中总的氯离子含量，具体方法参见JTJ 270—98。

2 试验结果与分析

　　表3 为试验结果。

2.1 吸水率

　　由表3 可知，随着掺合料掺量的增加，混凝土的吸水率急剧下降。这是由于粉煤灰和硅粉的火山灰活性效应，混凝土内部总孔隙率降低，孔径减小，结构致密，使得混凝土在一定时间内的吸水率降低。但是掺入PP 纤维后，2 种混凝土的吸水率均有所增加。当掺合料粉煤灰与硅粉的总掺量为25%时，掺入PP 纤维后吸水率增加了8%；掺合料总掺量为38%时，掺入PP 纤维后吸水率增加了33%。吸水率增加的原因是掺入的PP 纤维使混凝土拌合物的流动性降低，工作性变差，从而混凝土的密实性变差，吸水率增加。另外一个可能的原因是纤维的加入增加了混凝土中的界面，从而导致混凝土孔隙率提高，吸水率增加。

2.2 渗水高度

　　由表3 知，掺入PP 纤维后，试件的渗透性降低，渗水高度增加。当粉煤灰与硅粉总掺量为25%时，掺入PP 纤维后渗水高度从1.6 mm增加到11.0 mm；掺合料总掺量为38%时，掺入PP纤维后渗水高度从2.3 mm增加到13.1 mm。其可能的原因同上，即掺入纤维后使得混凝土拌合物流动性降低，工作性变差，从而使混凝土的密实性变差，在压力水作用下，渗透性增强，抗渗性降低；另外一个可能的原因就是纤维的加入增加了混凝土中的界面，在压力水作用下，水向混凝土内部渗入的通道增加。

2.3 电通量

　　电通量反映混凝土抗氯离子渗透的能力。由试验结果可知，当掺合料总掺量分别为0、25%、38%时，6 h 内通过试件的电量分别为981 C、362 C、162 C。电通量随掺合料掺量的增加呈减少的趋势。这说明掺合料的掺入可以阻止氯离子在混凝土中的渗透速度，延长氯离子渗透到混凝土内部的时间，提高混凝土抗氯离子侵蚀能力。原因是粉煤灰和硅粉均为具有一定活性的无机矿物细粉，其加入可以改善混凝土的微观结构，使混凝土的结构更加密实，从而降低了氯离子在混凝土中的迁移速度。另外，由于粉煤灰颗粒具有空心结构和复杂的内表面，可能增加吸附与反应的场所，对混凝土内部的氯离子吸附起到一定的有利作用，从而使移动的电量减小。

　　尽管随着掺合料掺量的增加，以及PP 纤维的掺入，通过试件的电量呈减小的趋势，但是按照ASTM Cl202—97[6]标准，这5 种配合比的混凝土均属于氯离子渗透能力很低的混凝土。也就是说这几种混凝土的抗氯离子渗透的能力相差不大。

2.4 氯离子浓度

　　相同暴露条件下，5 种混凝土试件中氯离子浓度随渗透深度变化情况如图1 所示。

　　从图1 可以看出，随着深度的增加，氯离子浓度降低。掺入粉煤灰和硅粉后，相同深度处的氯离子浓度减小，10 mm深处氯离子浓度已接近于0。

　　对于掺PP 纤维和不掺PP 纤维的试件，在较高渗透深度时，氯离子浓度相近，说明在试验条件下，掺入PP 纤维后对氯离子的渗透性无明显影响。

3 结论

　　对于高性能混凝土，掺入粉煤灰和硅粉这2 种活性材料后，孔结构有很大改善，密实性大大提高。随着粉煤灰和硅粉掺量的增加，混凝土的吸水率、电通量及相同暴露条件下同一深度处的氯离子浓度减小。

　　高性能混凝土中掺入PP 纤维对混凝土密实性有一定影响，使混凝土吸水率和渗水高度有所增大，渗透性增强；但测得的电通量减小，氯离子渗透性变化不大，这与吸水率和渗水高度的试验结果不甚相符，需要做进一步的研究。

参考文献:

　　[1] 黄承逵.纤维混凝土结构.北京：机械工业出版社，2004.

　　[2] 孙家瑛，陆斌，栾峰.网状聚丙烯纤维对混凝土渗透性影响研究.混凝土，2000：46- 48.

　　[3] 孙道胜，黄小明.高性能路面水泥混凝土研究.混凝土与水泥制品，2004：20- 22.

　　[4] 黄学功.聚丙烯纤维对水工混凝土耐久性的影响.河南科学，2005：415- 418.

　　[5] 朱江.聚丙烯纤维与高强高性能混凝土.混凝土，2000：49- 51.

　　[6] ASTM Cl202—94，Standard test method for electrical indicationof concrete ability to resist ion penetration.