淺談聚丙烯纖維對不同環(huán)境下混凝土力學性能的影響*

王楷燾，顧 娟，姜景山，朱兆悅，王安卿，蘭天翔，鞠永康

（南京工程學院建筑工程學院，江蘇 南京 211167）

1 研究背景

傳統(tǒng)的水泥石、砂漿混凝土普遍存在著抗拉抗壓強度低、極限延伸率小、性脆等問題，新型的纖維混凝土通過加入抗拉強度高、延伸率大、抗堿性優(yōu)良的纖維，利用纖維在混凝土中均勻地立體分布，有效降低了裂縫頂端的應(yīng)力集中，使的混凝土的綜合性能得到了較好的改善與提升。在提升混凝土抗拉抗壓性能的同時，纖維的摻入也有效提升了混凝的抗?jié)B強度，使混凝土在涉水環(huán)境工程中起到更好的防水作用。此外，混凝土在使用時需考慮工程所需強度要求和其使用壽命，而使用環(huán)境對混凝土的強度及壽命有著至關(guān)重要的影響。

聚丙烯纖維混凝土作為一種典型的纖維混凝土，相比于普通混凝土具有更高的強度及韌性，在抗腐蝕性能、抗裂性能、抗凍性能等方面都有很大提升；其在不同使用環(huán)境下的使用性能和使用壽命相較普通混凝土得到了較大改善，但目前對聚丙烯纖維在不同使用環(huán)境下力學性能的影響研究還不夠深入，有必要針對不同使用環(huán)境對其力學性能的影響進行進一步研究。

2 溶解性鹽對聚丙烯纖維混凝土的侵蝕

自然界中存在的溶解性鹽，如NaCl、K2SO4等，會對建筑產(chǎn)生持續(xù)不斷的侵蝕作用，降低建筑的使用強度和使用壽命，為了保證建筑結(jié)構(gòu)的安全，在工程建設(shè)中必須要考慮溶解性鹽對混凝土的侵蝕破壞問題，并采取有效措施防治侵蝕破壞，使其滿足工程使用要求。

2.1 氯鹽對聚丙烯纖維混凝土的侵蝕

目前聚丙烯纖維混凝土常以鋼筋混凝土的形式應(yīng)用到實際工程中，其加入有效地改善了混凝土在涉水使用環(huán)境工程中的泌水現(xiàn)象和體積變化現(xiàn)象。

氯離子侵蝕作為導致鋼筋混凝土強度及耐久性下降的主要因素之一，廣泛出現(xiàn)于各種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程中，氯離子侵蝕破壞在沿海的建筑工程與以撒鹽為主要抗凍手段的路橋工程中顯得尤為嚴重。高質(zhì)量濃度的氯離子會參與到水泥的水化反應(yīng)中，生成大量的氧氯化鈣（3CaO·CaCl2·15H2O）固體，使混凝土產(chǎn)生明顯的體積膨脹，且該固體的生成量會隨鈣離子質(zhì)量濃度和氯離子質(zhì)量濃度的提高而增加[1]，混凝土體積膨脹會產(chǎn)生較大的膨脹力，對混凝土的力學性能產(chǎn)生較大影響。

史麗峰[2]研究發(fā)現(xiàn)氯離子侵蝕對纖維混凝土的強度有明顯的降低，且氯離子對鋼纖維混凝土的侵蝕明顯強于聚丙烯纖維混凝土，這是因為混凝土中氯鹽的滲入會降低混凝土的酸堿度，打破混凝土內(nèi)原有的酸堿度平衡，使混凝土內(nèi)鋼筋表面存在的氧化物鈍化膜因不穩(wěn)定而分解并使其無法再重新生成鈍化膜，因鈍化膜分解而露出的鐵基層與未分解的鈍化膜在混凝土中形成腐蝕電池，再由氯離子加強導電性與促進鐵離子反應(yīng)加快了鋼筋的腐蝕，最終造成鋼筋承載能力的減弱，導致混凝土破壞[3]。

氯離子本身與聚丙烯之間并不會發(fā)生反應(yīng)，因此并不能產(chǎn)生侵蝕現(xiàn)象。在鋼纖維混凝土中摻入聚丙烯纖維可填充混凝土孔隙，有效阻礙氯離子的滲入，保護鋼纖維結(jié)構(gòu)，提升混凝土強度[2]。

2.2 硫酸鹽對聚丙烯纖維混凝土的侵蝕

硫酸鹽侵蝕作為影響混凝土耐久度的主要因素之一，同時也作為復雜性與危害性最大的一種環(huán)境侵蝕，受到廣泛關(guān)注與研究。硫酸鹽中的硫酸根離子SO42-會與水泥中的氫氧化鈣Ca(OH)2和水化鋁酸鈣CaO·Al2O3·10H2O發(fā)生反應(yīng)，生成三硫型水化鋁酸鈣3CaO·AI2O3·3CaSO4·（30～32）H2O（鈣礬石），會使固相體積增大94%；若在高硫酸根離子質(zhì)量濃度下，還會析出石膏結(jié)晶，使固相體積增大124%；有時也會生成堿性硫酸鹽金屬結(jié)晶，且混凝土會在硫酸根離子質(zhì)量濃度超過1 500 mg/L時被嚴重侵蝕而破壞[4]。

對于聚丙烯纖維混凝土，纖維的添加很好地改善了混凝土本身的孔隙狀態(tài)，但同時也增大了混凝土最薄弱的過渡相區(qū)域，使混凝土中的原生裂縫增多，硫酸鹽侵蝕更加嚴重。梁樹鋒[5]通過對噴射聚丙烯纖維混凝土的研究發(fā)現(xiàn)，當纖維摻入量為8%時，混凝土的強度達到最大且優(yōu)于普通混凝土；在纖維摻入量為8 kg/m3時，經(jīng)過硫酸鹽溶液浸泡后的纖維混凝土抗壓強度最高，且摻入量為8 kg/m3時經(jīng)濟性也為最佳?？琢諠嵉萚6]也通過對聚丙烯纖維混凝土的抗硫酸鹽侵蝕試驗得出了結(jié)論：聚丙烯纖維的摻入能有效改善混凝土的力學性能和綜合抗硫酸鹽腐蝕能力，且聚丙烯纖維單摻混凝土相較其他混摻混凝土質(zhì)量損失最小。

2.3 混合性鹽對纖維混凝土的侵蝕

混合性鹽對聚丙烯纖維的侵蝕方式是在混凝土內(nèi)部與混凝土組分發(fā)生化學反應(yīng)，生成膨脹固體、水結(jié)晶或凝膠，常見混合侵蝕類離子為Cl-、SO42-、Mg2+、NH4+的混合物，相較單一離子侵蝕，混合性鹽生成的固體物質(zhì)對混凝土造成的侵蝕破壞更加嚴重[4,6]，尤其是在發(fā)生雙腐蝕或存在水化反應(yīng)時會促進侵蝕性離子反應(yīng)，生成更多固體物質(zhì)。

聚丙烯纖維混凝土對溶解鹽侵蝕的抵抗主要體現(xiàn)在使混凝土的孔隙率降低、抗?jié)B性提升，使溶解鹽離子無法大量進入混凝土內(nèi)部發(fā)生反應(yīng)，且聚丙烯纖維在混凝土內(nèi)的三維分布也會提升混凝土的抗拉裂能力，抑制混凝土內(nèi)部開裂現(xiàn)象，在綜合聚丙烯纖維所帶來的抗?jié)B性提升和過渡區(qū)擴大所帶來的影響后，聚丙烯纖維對混凝土的強度性能和抗腐蝕性能仍有明顯的提升[6]。

3 氣溫環(huán)境對聚丙烯纖維混凝土的破壞

3.1 凍融循環(huán)對聚丙烯纖維混凝土的破壞

凍融循環(huán)作為造成混凝土結(jié)構(gòu)破壞的主要因素之一，在我國東北地區(qū)、華北地區(qū)的大型混凝土結(jié)構(gòu)破壞中占很大比例。凍融循環(huán)一般通過使混凝土內(nèi)部空隙中的水分重復凍結(jié)膨脹與溶解收縮，產(chǎn)生疲勞應(yīng)力，加劇混凝土內(nèi)部初始裂縫的擴張和新裂縫的生成。聚丙烯纖維會對產(chǎn)生的裂縫進行牽拉，提升混凝土的阻裂能力，抑制裂縫的擴大。

凍融循環(huán)過程中，混凝土會出現(xiàn)較為明顯的質(zhì)量損失，這種質(zhì)量損失主要表現(xiàn)為混凝土表層脫落。聚丙烯纖維會對混凝土表層提供一定的牽拉，抑制脫落現(xiàn)象，試驗顯示加入聚丙烯纖維的混凝土表層脫落現(xiàn)象相較于普通混凝土得到了很大改善。在凍融循環(huán)初期也會出現(xiàn)質(zhì)量增加的情況，主要表現(xiàn)為混凝土內(nèi)出現(xiàn)細微裂縫使吸水率變大，導致混凝土質(zhì)量上升。有關(guān)聚丙烯纖維混凝土抗凍融循環(huán)研究顯示，聚丙烯纖維混凝土在150次凍融循環(huán)左右出現(xiàn)明顯的表層脫落現(xiàn)象和明顯的損傷率提升[7-8]，混凝土表層脫落現(xiàn)象會隨著聚丙烯纖維摻入量的提升而得到抑制。嚴武建等[7]通過對比試驗發(fā)現(xiàn)，相同聚丙烯纖維摻量的混凝土，在加入引氣劑后進行凍融循環(huán)，混凝土強度損失率會有一定的上升。

3.2 高溫對聚丙烯混凝土的破壞

聚丙烯纖維混凝土作為一種新型建筑材料，需具備足夠的耐高溫性能，以免在建筑發(fā)生火災(zāi)時，混凝土受高溫后發(fā)生明顯的強度降低，從而導致重大安全事故的發(fā)生。由于混凝土本身的低滲透性特點，高溫會導致混凝土內(nèi)部水化物分解產(chǎn)生水蒸氣，使混凝土內(nèi)部空隙壓力增大，空隙壓力與熱應(yīng)力共同作用，致使孔隙貫通，從而導致混凝土表層脫落甚至爆裂[9]。

聚丙烯纖維一般165℃時開始融化，475℃時完全蒸發(fā)消失。在通常的火災(zāi)中，一般10～15 min達到400℃，在此期間，混凝土強度會出現(xiàn)明顯的降低。Ali Behnood等[10]研究發(fā)現(xiàn)，加入聚丙烯纖維能有效改善混凝土受高溫后的強度，纖維在受高溫融化后，仍然會保留在混凝土中，冷卻后重新回歸固態(tài)，在混凝土中仍然能起到一定的牽拉作用，有助于提高混凝土強度；但混凝土受高溫后會受到不可逆的損傷，各項使用性能均有明顯的下降。

此外，聚丙烯纖維在受到高溫后融化為液體，液體所占體積小于固體所占體積，從而形成眾多的孔隙；而且由于纖維在混凝土中分布的廣泛性與均勻性，致使混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，孔隙連通性增強，為蒸發(fā)的水分提供了一定的空間與通道，緩解了水分蒸發(fā)所帶來的壓力，使混凝土爆裂的可能性降低[11]，可以保證在人員疏散救援時建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定，保障建筑內(nèi)人員的人身安全。

無論是凍融循環(huán)破壞還是高溫破壞，混凝土本身的結(jié)構(gòu)都會發(fā)生改變，這種改變必然會導致混凝土抗?jié)B性的降低，使混凝土更易受到溶解性鹽的侵蝕，從而產(chǎn)生更大的連續(xù)性破壞。因此，聚丙烯纖維混凝土的研究應(yīng)該對多種破壞綜合的相互影響進行更加深入的探討。

4 反復荷載對聚丙烯纖維混凝土性能的影響

作為混凝土結(jié)構(gòu)常見破壞的形式，混凝土在車輛、行人及工程設(shè)備的反復荷載應(yīng)力作用下，其內(nèi)部會產(chǎn)生細微的疲勞破壞并造成已有缺陷的擴展，隨后導致混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的明顯降低，最終造成混凝土結(jié)構(gòu)的整體破壞，因此混凝土結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能對混凝土的使用性能具有重要影響。

在反復荷載應(yīng)力作用下，普通混凝土一旦產(chǎn)生裂紋，將逐漸喪失使用性能甚至發(fā)生破壞。而聚丙烯混凝土能在裂紋產(chǎn)生的初期維持其承載力，這種承載力的維持主要是受到聚丙烯纖維在混凝土中的牽拉作用，其抗疲勞強度相較于普通混凝土提升了1.53～3.07倍，混凝土的韌性獲得了較大提升[12]。

張偉等[13]對改性聚丙烯纖維混凝土抗疲勞性能開展了研究，試驗采用彎曲疲勞試驗，加載波形統(tǒng)一為正弦波，結(jié)果顯示聚丙烯纖維摻量對混凝土抗疲勞壽命的影響呈明顯的上凸的拋物線形。當聚丙烯纖維摻量過大時，會產(chǎn)生纖維在混凝土中集聚成束的現(xiàn)象，使其無法正常發(fā)揮其原有的牽拉作用，造成混凝土的抗疲勞能力下降。相較于普通聚丙烯纖維，若添加不易結(jié)團、在混凝土中分散性更好的改性聚丙烯纖維，則能使混凝土的抗疲勞強度獲得更大的提升。同時，改性聚丙烯纖維在混凝土中的均勻分布也能產(chǎn)生對骨料的支撐作用，在一定程度上改善混凝土骨料沉降造成的骨料分布不均的問題，使混凝土整體強度分布更加均勻，避免造成混凝土使用性能的下降；若在混凝土中再加入具有強火山灰性的礦渣、粉煤灰等物質(zhì)，則能通過火山灰反應(yīng)產(chǎn)生的水化物凝膠使混凝土變得更加密實，從而加強聚丙烯纖維在混凝土中起到的牽拉作用；同時，在試驗中發(fā)現(xiàn)，隨著儀器加載頻率的提升，混凝土的抗彎疲勞性能同樣會出現(xiàn)明顯的下降[14]。

相較于其他影響因素，疲勞破壞對混凝土的使用性能影響更為常見；而作為混凝土常見的基礎(chǔ)破壞形式，與其他混凝土破壞因素間復雜的綜合關(guān)系有待更加深入的探討與研究。

5 結(jié)束語

聚丙烯纖維混凝土作為典型的高性能纖維混凝土，具有巨大的利用價值和廣闊的發(fā)展前景，大量的研究也表明聚丙烯纖維的添加對混凝土的常見破壞具有非常明顯的抑制效果。我國秉持可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，在建筑行業(yè)中常將礦渣、礦料等加入混凝土中；目前仍有大量的礦物廢料具有在混凝土中應(yīng)用的可能，但所制作的混凝土大多都存在一定的性能問題，是否能采用摻入纖維來加強礦物廢料混凝土的性能，抑制混凝土的破壞，還需要針對纖維的摻入對不同礦物混凝土強度的影響及其對混凝土破壞的抑制進行更深入的研究。