PPE改性水電工程用復(fù)合材料的和易性與密度研究

張鈿 宋振聰 龔振如 賈偉瓏 關(guān)昊龍

摘 要：基于聚丙烯纖維（PPF）是一種輕質(zhì)熱塑性纖維，具有微小的直徑、低密度、低彈性模量，且無吸水性，因此，聚丙烯纖維混凝土通常表現(xiàn)出優(yōu)良的和易性、力學(xué)特性、抗裂特性及抗?jié)B特性。這使得它能有效地解決水利水電工程中的混凝土滲透和開裂問題。研究將聚丙烯纖維作為增強(qiáng)相添加至混凝土體系中，探究不同聚丙烯纖維摻雜量對(duì)混凝土和易性、密度、力學(xué)強(qiáng)度和楊氏模量的影響規(guī)律，以制備出性能最佳的聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土，并在水利水電工程中得到廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：聚丙烯纖維；混凝土；摻量；水利水電工程；實(shí)際應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TQ342+.62

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2023）11-0161-04

Study on workability and density of PPF modified composite materials for hydropower engineering

ZHANG Xi，SONG Zhencong，GONG Zhenru，JIA Weilong，GUAN Haolong

（HenanLuoning Pumped Storage Co.，Ltd.，Luoyang 471000，Henan China

）

Abstract：polypropylene fiber（PPF） is a lightweight thermoplastic fiber with a small diameter，low density，low elastic modulus，and no water absorption.Therefore，polypropylene fiber concrete usually exhibits excellent workability，mechanical properties，crack resistance，and impermeability.This makes it an effective material to solve the problem of concrete penetration and cracking in hydraulic and hydroelectric engineering.Polypropylene fiber was added to concrete system as reinforcement phase，and the influence law of different polypropylene fiber doping amount on concrete workability，density，mechanical strength and Youngs modulus was studied to prepare polypropylene fiber reinforced concrete with the best performance，and it was widely used in hydraulic and hydroelectric engineering.

Key words：polypropylene fiber;concrete;doping;hydraulic and hydroelectric engineering; practicalapplication

為了解決水利水電工程中的混凝土抗沖擊磨損技術(shù)問題，全球的學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究。除了需要對(duì)建筑物的表面特性進(jìn)行科學(xué)的水力設(shè)計(jì)外，更應(yīng)采用優(yōu)質(zhì)的新型混凝土材料以及合理的施工方法來保護(hù)和修復(fù)排水建筑物。聚丙烯纖維混凝土最初用于美國軍事項(xiàng)目，主要用以增強(qiáng)混凝土的韌性［1-3］。聚丙烯纖維混凝土相較于普通混凝土，其脆性指數(shù)和彈性模量顯著降低，而極限拉伸變形顯著增大［4］。這些特性有助于提升混凝土的延展性，增強(qiáng)其抵抗變形的能力，進(jìn)而有效抑制混凝土裂縫的擴(kuò)展。因此聚丙烯纖維混凝土在水利水電工程中得到了廣泛的應(yīng)用［5］。通過在混凝土中摻雜聚丙烯纖維，研究纖維摻量對(duì)混凝土和易性、密度和力學(xué)性能等性質(zhì)的影響，旨在開發(fā)一種適用于水電水利工程的高性能混凝［6］。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

在試驗(yàn)中所用的水泥為P·O42.5的普通硅酸鹽水泥，其主要性質(zhì)見表1；通過X射線衍射分析確定碳酸鈣為水泥的主要成分。研究中所用的粗骨料和聚丙烯纖維（PPF）具體特性見表2和表3；其中，聚丙烯纖維為市售聚丙烯纖維，其平均長度為12 mm，有效直徑為25～42 μm，具體如圖1所示。

1.2 混凝土配合比

通過在混凝土中摻雜不同含量的聚丙烯纖維制備了幾種聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土，其摻量分別為0%、0.25%、0.5%、0.75%和1%。采用0.45的水灰比和0.75的膠砂比來配置強(qiáng)度大于25 MPa的標(biāo)準(zhǔn)混凝土。此外，為了保持所有樣品的均勻性，采用了聚羧酸高效減水劑，其使用劑量保持在水含量的0.5%～0.9%。

1.3 混凝土成型與養(yǎng)護(hù)

混凝土的攪拌使用手動(dòng)裝載的實(shí)驗(yàn)室攪拌機(jī)進(jìn)行。聚羧酸高效減水劑最初與水混合以實(shí)現(xiàn)高效減水劑的均勻分散，高效減水劑的用量在水質(zhì)量的0.5%～0.9%變化，以保持60 mm的最小坍落度值。此外，為了考慮高效減水劑對(duì)硬化性能的影響，將其添加到對(duì)比樣與聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土中。目前，配合比設(shè)計(jì)方法是分2個(gè)階段添加混合水［7-9］。

將所有骨料和一半的水混合2 min，然后加入水泥、沙子和剩余的水，并進(jìn)一步攪拌2 min以獲得所需的和易性和可加工性。根據(jù)BIS（IS-1199-1959）標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)所有樣品類型進(jìn)行坍落度試驗(yàn)，以確保制備的混凝土具有合適的和易性。養(yǎng)護(hù)24 h后，將樣品從模具中取出，放置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定時(shí)間［10］。

對(duì)于抗壓強(qiáng)度測(cè)試，制備150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體，在養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)7 d和28 d后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試［11］。對(duì)于抗彎強(qiáng)度測(cè)試，制備500 mm×100 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)長方體，在養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行抗彎強(qiáng)度測(cè)試［12］。對(duì)于劈裂強(qiáng)度測(cè)試，制備Φ150 mm×300 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱樣品，在養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行劈裂強(qiáng)度測(cè)試［13］。此外，還需要準(zhǔn)備16個(gè)圓柱形樣品，用于彈性模量測(cè)試。在試驗(yàn)中，上述所有測(cè)試分別進(jìn)行3次并取平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果［14］。

2 結(jié)果與討論

2.1 和易性與密度

研究了不同摻量聚丙烯纖維混凝土的和易性和密度，具體結(jié)果如圖2所示。坍落度試驗(yàn)顯示，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，制備的聚丙烯纖維混凝土可加工性進(jìn)一步降低，可加工性變差［15］。而密度結(jié)果顯示，隨著聚丙烯纖維含量的增加，制備的混凝土整體密度均表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，其根本原因在于聚丙烯纖維的比重要明顯低于混凝土本身［16］。因此，為了配置聚丙纖維增強(qiáng)的高性能混凝土，要盡可能控制聚丙烯纖維的含量，保證混凝土最基本的可加工性［17］。

2.2 力學(xué)性能

混凝土具有良好的力學(xué)特性，聚丙烯纖維的加入降低了混凝土脆性，雖然會(huì)一定程度上降低混凝土抗壓特性，但會(huì)顯著增強(qiáng)其抗彎和抗拉特性［18］。不同摻量的聚丙烯纖維混凝土力學(xué)性能，如圖3所示。

由圖3（a）可知 ，由于聚丙烯纖維與混凝土基材的不相容性，制備的聚丙烯纖維混凝土抗壓強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)一定程度的降低。而對(duì)于劈裂強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度，當(dāng)纖維摻量為0.5%～0.75%時(shí)，其劈裂強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度將增加至最大，可分別達(dá)到2.8 MPa和3.7 MPa，相對(duì)于未摻雜纖維的對(duì)比樣分別提升25%和15.6%。

為了從機(jī)理上驗(yàn)證聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土力學(xué)強(qiáng)度提升的原因，通過場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)摻量為0.75%的混凝土微觀形貌做了分析，具體如圖4所示［19］。眾所周知，混凝土的力學(xué)強(qiáng)度由界面特性所決定。由圖3可以看出，聚丙烯纖維被大量C—S—H凝膠包裹，顯著增強(qiáng)了纖維的橋接能力，從而增大了混凝土抗劈裂和抗彎特性。然而，過量摻雜聚丙烯纖維又會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部出現(xiàn)大量裂紋和空隙［20］。因此，適量的摻雜聚丙烯纖維可以在保證混凝土抗壓強(qiáng)度的同時(shí)提升抗劈裂強(qiáng)度和抗彎特性，制備高性能纖維增強(qiáng)混凝土。

2.3 楊氏模量

摻量為0.75%的聚丙烯纖維混凝土微觀形貌如圖5所示。

由圖5可知，

隨著聚丙烯纖維含量的增加，混凝土的彈性模量整體呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢(shì)。當(dāng)聚丙烯纖維的摻量保持在0.5%時(shí)，其彈性模量達(dá)到最大，為34.5 GPa。分析其原因，由于聚丙烯纖維具有良好的柔性和延展性，在混凝土中添加聚丙烯纖維對(duì)其裂縫增長、裂縫橋接以及裂紋延展提供了顯著的改善效果，可以顯著增強(qiáng)混凝土的抗變形能力和楊氏模量。然而，隨著聚丙烯纖維含量的進(jìn)一步增加，混凝土體系內(nèi)會(huì)出現(xiàn)較多的微裂紋，這又會(huì)顯著降低混凝土抵抗變形的能力，導(dǎo)致其楊氏模量顯著降低。因此，適量的聚丙烯纖維摻入會(huì)使得混凝土彈性模量先增加后減小，圖5中楊氏模量的變化規(guī)律以及圖4中展現(xiàn)出的微裂紋均驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

在試驗(yàn)中，摻量為0.5%～0.75%的聚丙烯纖維混凝土具有良好的力學(xué)性能、抗裂強(qiáng)度高、韌性強(qiáng)，有望可以在水利水電工程得到廣泛的應(yīng)用。在目前大壩和閘門的建設(shè)中，大壩和閘門起著至關(guān)重要的作用，它們對(duì)于控制水流、儲(chǔ)存水源、防止洪水有著舉足輕重的地位。因此，它們需要使用強(qiáng)度高、抗裂性強(qiáng)、耐久性好的材料，而上述制備的聚丙烯纖維混凝土正好滿足這些要求，這種混凝土的使用可以增強(qiáng)大壩和閘門的穩(wěn)定性，從而提高工程的安全性和壽命。此外，像水電站建設(shè)、防洪墻和排水系統(tǒng)建設(shè)、海堤和港口建設(shè)中，聚丙烯纖維混凝土均可表現(xiàn)出顯著的優(yōu)越性。使用聚丙烯纖維混凝土可以顯著提高上述水利水電工程的使用壽命和穩(wěn)定性，可進(jìn)一步提升水利工程的效益和可靠性。

3 結(jié)語

（1）0.5%～0.75%摻量的聚丙烯纖維混凝土可以保持良好的和易性，保持混凝土良好的易加工特性；

（2）隨著聚丙烯摻量的增加，混凝土密度逐漸降低，這是由于纖維的比重顯著低于混凝土導(dǎo)致的；

（3）當(dāng)聚丙烯摻量增至0.5%時(shí)，混凝土抗劈裂和抗彎強(qiáng)度均顯著增加。然而，如果進(jìn)一步增加聚丙烯纖維的摻量，混凝土抗劈裂和抗彎強(qiáng)度均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。這是由于適量的聚丙烯纖維摻雜會(huì)導(dǎo)致聚丙烯纖維被大量C—S—H凝膠包裹，顯著增強(qiáng)纖維的橋接能力和混凝土的抗劈裂和抗彎特性。然而，過量摻雜聚丙烯纖維又會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部出現(xiàn)大量裂紋和空隙，使其力學(xué)性能顯著下降；

（4）隨著聚丙烯纖維摻量的增加，混凝土的彈性模量整體呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢(shì)。當(dāng)聚丙烯纖維的摻量保持在0.5%時(shí)，其彈性模量達(dá)到最大，為34.5 GPa。

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收稿日期：2023-06-20；修回日期：2023-09-21

作者簡(jiǎn)介：張 鈿（1984-），男，工程師，主要從事水電工程施工新技術(shù)研究；E-mail：hyom0919@163.com。

引文格式：張 鈿，宋振聰，龔振如，等.PPF改性水電工程用復(fù)合材料的和易性與密度研究［J］.粘接，2023，50（11）：161-164.