引言：聚丙烯纖維不僅價格低、工藝簡單，還具有較好的性能，在混凝土中得到廣泛應(yīng)用。本文通過對聚丙烯纖維水泥混凝土進行試驗，研究其各項性能，為其在建設(shè)工程中的應(yīng)用提供更多數(shù)據(jù)支持及實踐經(jīng)驗。1.項目概述該工程項目為濱海地區(qū)的一處跨鐵路立交橋，修建于2008年。橋梁全長576.06m，共十九跨分六聯(lián)（第一聯(lián)跨徑組合為4×30m、其余各聯(lián)跨徑組合均為3×30m）。橋梁全寬24.5m，分兩幅，每幅橋?qū)?2m，其中每幅橋凈寬11m。上部結(jié)構(gòu)采用等高度預應(yīng)力混凝土連續(xù)梁（單箱雙室直腹板斷面），梁高1.6m，結(jié)構(gòu)體系為連續(xù)梁體系。該橋梁是當?shù)剡M出港口的主通道，重交通負荷，該橋橋面破損嚴重，嚴重影響了進出港車輛的行車舒適性和道路安全性。2020年建設(shè)單位對該橋梁進行維修加固，主要改造內(nèi)容為：鑿除舊橋面瀝青鋪裝層，澆筑新的水泥混凝土橋面。在新圖紙設(shè)計中，為了有效的提高橋面鋪裝層的抗裂抗?jié)B性能，本次混凝土采用了摻入聚丙烯纖維的技術(shù)。在項目設(shè)計中，摻入0.9kg/m3聚丙烯纖維和水泥用量8%的抗裂防水劑，然后橋梁伸縮縫處混凝土里面摻入水泥重量12%的抗裂膨脹劑，以及1.2kg/m3的聚丙烯纖維，混凝土強度等級提升了5MPa。在該項目中，為了有效把控項目質(zhì)量，在檢測實驗室對聚丙烯纖維水泥混凝土的性能進行檢測。2.聚丙烯纖維水泥混凝土分析2.1纖維作用和性能纖維的作用不僅和自身性能有關(guān)，還與其在混凝土基體中的狀態(tài)有一定的關(guān)系?；炷林袚饺肜w維后，將水泥基體里面的連通裂縫減少，有效阻止了水分的侵入；同時，纖維具有阻裂作用，防止水泥基體中微小裂縫的擴展，還可以延緩新裂縫的出現(xiàn)；纖維具有增強作用，通過使用高彈性模量纖維，有助于提升基體抗拉強度；纖維具有耐久作用，可以適當改善水泥基體的抗疲勞等各種性能。但并不是所有的纖維在混凝土中可以起到相同作用，這與纖維自身性能有關(guān)，不同纖維和混凝土復合形成的纖維混凝土，其性能存在一定的差異性，不過也存在一定的共性，即所有的纖維在混凝土中具有抗裂作用[1]。2.2纖維混凝土增強機理纖維混凝土增強機理主要有兩種，一種是復合材料理論，另一種是纖維阻裂理論。其一，復合材料理論，該理論體系中，復合材料被視作為一種多相系統(tǒng)，性能為多個性能之和，在混凝土的應(yīng)用中，假設(shè)纖維沿著應(yīng)力作用的方向，連續(xù)均勻排列；纖維和水泥基體之間有著良好的連接，沒有出現(xiàn)相對滑移的情況。復合材料理論的精髓之處便是中心質(zhì)效應(yīng)能夠疊加，而復合材料需要復合主要是因為基礎(chǔ)性材料的性能各不相同，具有互補性特點，發(fā)揮著重要的作用。不過，在材料科技水平的影響下，復合材料并非總是完善的?；炷敛牧辖Y(jié)構(gòu)不是均質(zhì)的，在承受拉力作用的時候，混凝土構(gòu)件的截面受力不是均勻的，有許多不規(guī)則應(yīng)力集中點。通過適當配置抗拉力筋，可以有效約束混凝土塑性變形，防止混凝土裂縫的出現(xiàn)。從復合材料理論來分析，如果纖維無法在混凝土體系中均勻的分散，混凝土基體內(nèi)纖維較少或者沒有的區(qū)域便成為薄弱地帶，施工后可能會產(chǎn)生裂縫，所以說，混凝土內(nèi)纖維的均勻分散非常重要。其二，纖維阻裂理論，該理論認為混凝土內(nèi)部有固有缺陷，想要提升強度，就需要將缺陷的程度盡可能降低，從而提升材料的抗變形能力。纖維阻裂理論指的是纖維在混凝土中均勻分布，可以有效阻止塊體內(nèi)的裂縫逐漸擴展。該理論的假設(shè)前提是纖維可以均勻分散，若分散不均勻，說明該條件不成立，該理論失效。由此可見，纖維在混凝土中的分散性，是保證其抗裂效果的關(guān)鍵。2.3聚丙烯纖維水泥混凝土制備過程聚丙烯纖維水泥混凝土的制備主要是在普通混凝土配合比的標準上，適當摻入聚丙烯纖維。聚丙烯纖維混凝土所需的原材料主要有水泥、礦物摻合料、骨料、外加劑、水、PP纖維，其中，礦物摻合料主要為?；郀t礦渣粉、磨細粉煤灰、硅粉等。對于聚丙烯纖維混凝土的配合比，應(yīng)保證符合JGJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》的規(guī)范要求，不僅要滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求的抗折強度、抗壓強度，還應(yīng)確保滿足抗?jié)B性、抗裂性、耐腐蝕性等多項要求。在聚丙烯纖維混凝土的實際生產(chǎn)中，PP纖維的具體摻加比例，可以結(jié)合纖維混凝土使用目的，或者依據(jù)抗折、抗拉強度的配制要求合理添加[2]。對于聚丙烯纖維混凝土的稠度，可以根據(jù)工程對普通混凝土稠度的要求來確定，在混凝土中摻入聚丙烯纖維，能夠有效改善其粘聚性以及保水性。3.聚丙烯纖維水泥混凝土性能試驗3.1正交試驗正交試驗法是處理多因子試驗的有效方法之一，能夠在工藝過程中為了試制新產(chǎn)品、配方、流程等，遇到多水平、多因子、多指標等問題，如果采用傳統(tǒng)孤立變量法，那么試驗的次數(shù)比較多，試驗周期比較長，試驗的誤差也比較大，并且還會耗費大量人力物力。通過使用正交試驗法，在正式試驗之前，先使用提前制作好的正交表，有計劃地安排試驗，并在試驗之后經(jīng)過表格運算，合理分析試驗結(jié)果，在這樣的試驗中，只需要幾次試驗便可以找到不同因子在試驗中的主次作用，從而確定好的生產(chǎn)條件。對于試驗所需的結(jié)果，將其作為指標，例如，在進行聚丙烯纖維混凝土各項性能試驗時，可以將混凝土抗彎拉強度、抗裂強度、抗壓強度等作為試驗指標，將水泥的用量、纖維的長度、水灰比、砂率作為試驗因子。因子越多，試驗的次數(shù)也會增加，在試驗之前，應(yīng)結(jié)合平時經(jīng)驗選擇主要因子來安排試驗。3.2試驗原材料聚丙烯纖維是新型高分子材料，使用改性母料，將其添加到聚丙烯切片當中，通過共混、紡絲、拉伸、切斷，從而制成適用于混凝土的工程纖維。本試驗所用的纖維類型為束狀單絲，截面形狀為Y型，導電導熱性較低，沒有毒性和吸水性，性能見表1。水泥選擇昌樂山水水泥生產(chǎn)的P.O42.5，其具有凝結(jié)時間適宜特點，后期具有較高的強度。砂子最好選擇細度模數(shù)超出2.5-3.0的中砂，其中，對于粒徑小于0.075mm的顆粒，保證控制在10%以內(nèi)，同時MB值≤1.0；以避免對水泥、集料粘接性產(chǎn)生影響，如果砂子細度過粗，回彈量會隨之增加。對于砂子的含水量，最好控制在3%至6%之間，含水量過高或者過低，都不太好。骨料選擇本地產(chǎn)石灰?guī)r碎石，骨料的最大粒徑應(yīng)控制在26.5mm以內(nèi)，為了確保骨料間空隙率，不應(yīng)使用間斷級配的級配方式。對于試驗中使用的水，選擇生活自來水[3]。本次聚丙烯纖維混凝土進行室內(nèi)配合比設(shè)計時，加入拌鍋的原材料投料順序最開始為，砂、石預攪拌—摻入水泥干攪拌—加入水—加入纖維—加入外加劑，攪拌時間為2min。室內(nèi)攪拌時發(fā)生了聚丙烯纖維被水泥漿包裹、水泥膠結(jié)成團塊的現(xiàn)象。為此，調(diào)整生產(chǎn)流程，原材料投料順序為：砂、石預攪拌—加入纖維干拌—加入水泥攪拌—加水濕攪拌—加入外加劑。改進后，混凝土混合料未再出現(xiàn)結(jié)塊現(xiàn)象。?3.3抗壓強度試驗在抗壓強度試驗中，從養(yǎng)護室將試件取出來，擦拭干凈，打開試驗機，待試件和上壓板靠近的時候，適當調(diào)整壓力機的球座結(jié)構(gòu)，保證試塊與上下壓板接觸均衡。在加壓期間，對試驗機進行適當調(diào)節(jié)，確保均勻加荷，至于加速度，將其把控在0.5MPa至0.8MPa之間即可。在加壓過程中，當試件快要破壞并且快速變形的時候，將試驗機油門關(guān)停，一直到試件破壞，并將破壞荷載記錄下來?；炷亮⒎襟w抗壓強度公式為：fcc=F/A。其中，fcc為混凝土立方體抗壓強度（MPa），F(xiàn)為試件的破壞荷載（N），A為試件的承壓面面積（mm2）。根據(jù)對聚丙烯纖維混凝土抗壓強度的試驗數(shù)據(jù)分析，當PP摻入量低于0.3kg/m3時，混凝土的抗彎拉強度、抗壓強度、靜力抗壓彈性模量、立方體軸心劈裂強度4項常規(guī)力學性能沒有明顯改變。當pp的摻入量達到0.9kg/m3時，此4項常規(guī)力學性能才有一明顯增幅。未摻pp纖維的混凝土試塊在達到極限荷載時，首先表現(xiàn)為試塊表面的表層剝落，同時壓力試驗機的壓力值直線下降，試塊表現(xiàn)為明顯的環(huán)箍效應(yīng)；而摻入PP纖維的混凝土試塊達到極限荷載時，試件表面首先出現(xiàn)眾多裂紋，而不是呈現(xiàn)表面剝落，同時壓力試驗機讀數(shù)則是緩慢降低。這說明摻入PP纖維混凝土相比未摻PP纖維的混凝土具有較高的抗變形能力。3.4抗折強度試驗在混凝土抗折性能試驗中，對于試驗機的加載速度，一般控制在0.05MPa/s至0.08MPa/s，一直持續(xù)到試件斷裂為止?；炷量拐蹚姸龋╢f）和試件截面的高（h）、寬（b）、支座間距離（L）、試件破壞所承受的荷載（F）有一定的關(guān)系，公式為：ff=FL/(bh2)。在試驗過程中，物料配比為720kg的砂子、395kg的水泥、1145kg的集料、190kg的水、165.8g的減水劑，然后添加不同比例的聚丙烯纖維材料，分別為0、0.5kg、0.7kg、0.9kg，通過添加不同比例的聚丙烯纖維，并在養(yǎng)護室養(yǎng)護28天檢測抗彎拉強度，最終的結(jié)果為表2。?根據(jù)室內(nèi)配合比設(shè)計的混凝土抗彎拉強度統(tǒng)計數(shù)據(jù)得出，摻入0.9%PP纖維的混凝土抗彎拉強度代表值能夠達到了設(shè)計彎拉強度值的116%。試塊在彎拉受荷過程中，試塊底部的跨中部位會先出現(xiàn)數(shù)道細微裂縫，細微裂縫寬度隨著荷載的增大逐漸加寬，最終形成主裂縫，至最大力時試塊被彎拉破壞。而未摻入PP纖維的混凝土試塊在受荷加載過程中，底部跨中達到極限荷載時表現(xiàn)為瞬時斷裂，是一種典型的脆性破壞。3.5抗沖擊試驗在聚丙烯纖維混凝土抗沖擊試驗中，使用8kg的鋼球，從高位25cm位置處做自由落體，砸向試件，試件的裂縫超過3mm時，將沖擊的次數(shù)記錄下來。在每一組試驗中，都應(yīng)經(jīng)最大值、最小值舍掉，然后將剩余三個數(shù)值的平均值作為最終結(jié)果。在抗沖擊性能試驗中，分別針對聚丙烯纖維不同添加量的混凝土進行試驗，未添加聚丙烯纖維的混凝土，第一次裂開的沖擊次數(shù)是41次，破壞沖擊次數(shù)是50次；添加量為0.5kg/m3的混凝土，第一次裂開的沖擊次數(shù)是85次，破壞沖擊次數(shù)是92次；添加量為0.7kg/m3的混凝土，第一次裂開的沖擊次數(shù)是108次，破壞沖擊次數(shù)118次；添加量為0.9kg/m3的混凝土，第一次裂開的沖擊次數(shù)是114次，破壞沖擊次數(shù)是121次。由此可見，從試驗中這幾組數(shù)據(jù)來看，聚丙烯纖維的添加量越高，相應(yīng)的抗沖擊能力越強。3.6抗?jié)B性能試驗聚丙烯纖維在水泥混凝土中的應(yīng)用具有極大的優(yōu)勢，有助于提升其抗?jié)B性能。聚丙烯纖維是一種抗裂增強材料，對于水泥混凝土抗?jié)B性能的影響，直接關(guān)系著工程的安全性。將聚丙烯纖維加入混凝土中有助于防止早期開裂，或者避免裂縫逐步擴展，有效減少收縮性裂紋的出現(xiàn)，增強混凝土防水性能。試驗分為五組，如表1所示，為混凝土的配合比。具體的試驗內(nèi)容包括吸水率、滲水高度、氯離子濃度等，在吸水率試驗中，制作立方體試件，邊長為100mm，養(yǎng)護時間28天，然后將其烘干并放入水中進行測試，測試時間為三個小時，觀察其吸水量占據(jù)混凝土質(zhì)量的百分比。在滲水高度的測試中，制作一個圓柱體試件，上下底面的直徑分別為175、185mm，高度為150mm，養(yǎng)護時間28天，測試條件為1.2±0.05MPa，在恒壓下，保證測試時間為24h，然后觀察試件滲水高度。在氯離子濃度測試中，制作棱柱體試件，規(guī)格為100mm×100mm×300mm，測試在不同深度，試件的氯離子濃度，將試件養(yǎng)護28天之后，磨去試件表層的浮漿，并使用敬酒擦洗干凈，涂刷一層環(huán)氧樹脂，并留出一個長方形截面，將其作為滲透面。接著，將試件放進裝有氯化鈉溶液的鐵箱，保證溶液將試件完全淹沒，在整個測試過程中，保證氯化鈉溶液濃度在3.5%左右，然后定期添加溶液，浸泡時間180天，取出后從滲透面分層鉆取粉末試樣，并測出其中總的氯離子含量。經(jīng)過試驗，得知第一組的吸水率、滲透高度、28d抗壓強度分別為4.81%、0.8mm、49MPa；第二組分別為4.3%、1.6mm、54MPa；第三組分別為4.11%、2.3mm、57MPa；第四組分別為4.65%、11mm、50MPa；第五組分別為5.46%、13.1mm、56MPa。在第1-3組中，硅粉、粉煤灰摻合料的增加，聚丙烯纖維混凝土吸水率下降，主要是因為其火山灰活性效應(yīng)的影響。當添加PP纖維之后，混凝土吸水率有所增加。對于滲水高度，摻入PP纖維之后，試件的滲透性能有所下降，導致滲水高度增加。但是摻入PP纖維后，混凝土拌合物的流動性降低，導致其密實性變得更差，并且在壓力水作用下，滲透性有所增加，抗?jié)B性能下降，或者是添加纖維之后，混凝土界面增加，從而在壓力水影響下，混凝土中的滲水通道增加。見表3表3混凝土配合比（kg/m3）結(jié)語：聚丙烯纖維具有較強的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢，在混凝土工程中，能夠有效滿足抗沖擊性、抗裂性等要求。對比我國使用了聚丙烯纖維的水泥混凝土的工程檢測數(shù)據(jù)，其混凝土的抗裂、抗?jié)B性能都得到了有效提高。