聚丙烯纤维对机制砂混凝土拌和性能、抗渗性能影响及配合比优化

机制砂的发展，不仅减少了天然砂的开采，又解决了矿石尾料、矿渣和建筑废料的处理问题。通过调整机制砂与天然砂的掺和比例，研究机制砂混凝土拌和、抗压强度及抗渗等性能的影响规律，进而对全部使用机制砂后通过掺入不同尺寸的聚丙烯纤维，对拌和性能、抗渗性能及荷载作用下的机制砂混凝土渗透性能进行研究。1 试验方案1.1 试验用原材料水泥采用普通硅酸盐水泥（P·O 42.5）；细骨料为机制砂和天砂，平均细度模数分别为3.13,2.51，含泥量分别为2.8%,0.6%，机制砂石粉含量13.4%；石子为5~25 mm连续级配；粉煤灰为F类Ⅰ级粉煤灰；减水剂为SP–800聚羧酸高效减水剂；聚丙烯纤维为高强度聚丙烯。以上所用原材料均符合相关规范的要求标准。1.2 配合比设计混凝土配合比抗压强度等级为C 30、水胶比为0.42、砂率为42 %、纤维掺量0.9 kg/m³。试验设置了25 %的机制砂替换梯度替换天然砂，未掺机制砂为基准组，配合比见表1。表1 混凝土配合比1.3 试验方法（1）主要设备仪器。HP 4.0–4型程控抗渗仪、TYE–2000B型压力试验机、混凝土贯入阻力仪、QuantaFEG 250场发射扫描电子显微镜、MSBC–12离子溅射仪等。（2）凝结时间试验。参照SL352—2006《水工混凝土试验规程》。（3）混凝土相对渗透性试验。试件到达试验龄期7 d、28 d时，将抗渗仪水压力分别一次加到1.5 MPa、1.8 MPa，在此压力下恒定24 h，然后降压，从试模中取出试件，在各等分点处量出渗水高度。（4）卸载毛细吸水试验。试件到达试验龄期28 d时，记录破坏荷载。取抗压强度的40 %、60 %、80 %恒压10 min后卸载，烘干24 h后，将试件冷却、石蜡包裹四周，保证单轴吸水，分别记录试块30 min，1 h、2 h、4 h、6 h、9 h直至最终接近吸水饱和的质量。（5）服役毛细吸水试验。试件到达试验龄期28 d时，取抗压强度的40 %、60 %、80 %，在水中恒压30 min、60 min，分别记录试块的吸水质量。2 试验结果与分析2.1 混凝土拌和性能对拌和物的坍落度、泌水率、凝结时间以及表观密度进行测试。由结果可知：8号坍落度较5号机制砂混凝土基准组降幅最高，约18.33 %，9号降幅最低，约9.57 %。同体积聚丙烯纤维掺量下单掺纤维，随着纤维长度的增大，混凝土坍落度值逐渐降低。两种不同长度的纤维混掺中，混掺12mm+19mm效果最好。随着机制砂掺量的逐渐增大，混凝土泌水率也逐步递增，全部使用机制砂后，泌水率可达7.8 %左右，掺入聚丙烯纤维后，泌水率降低较为明显。随着机制砂掺量的增加，初凝时间、终凝时间均缩短。掺入聚丙烯纤维后，无论是单掺还是混掺纤维，混凝土的初凝和终凝时间均无明显的规律性变化。聚丙烯纤维形成三维乱向网络，削弱骨料下沉，降低混凝土坍落度。不同长度纤维混掺形成复杂的网状结构，降低拌合物的流动性，使混凝土坍落度降低更为明显。同时，纤维表面会吸附一定量的水分，泌水率在一定程度上有所降低。2.2 混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度为研究混凝土的抗压和劈裂抗拉强度指标，采用TYE–2000 B型压力试验机、RFP–0.3型智能测力仪对混凝土试件进行试验。根据试验数据可知：12号混凝土7 d抗压强度、劈裂抗拉强度提升幅度最大，分别为18.02 %，15.88 %；9号混凝土抗压强度提高5.65 %，10号劈裂抗拉强度提高约12.34 %；单掺聚丙烯纤维的机制砂混凝土中，6、7号提高较大，分别为13.78 %，10.25 %，7号劈裂抗拉强度提高最大，约5.93 %。28 d的12号抗压强度、劈裂抗拉强度较基准组提高最大约11.97%、16.97%；10号抗压强度提高约11.27%；9、10号劈裂抗拉强度较高，分别提高约13.03%、12.74%；7号抗压强度、劈裂抗拉强度是单掺中提高最大的一组，分别约为10.56 %、6.30 %。56d的10号抗压强度、劈裂抗拉强度提高最大，分别约12.33%、12.33%；12号劈裂抗拉强度和抗压强度分别提高10.13%；7号抗压强度是单掺中提高最大的一组，约为10.13%。2.3 混凝土抗渗性能根据规范要求将每组所测得6个数据取平均值后作为该试验组的渗透高度，根据试验结果可知：机制砂替换天然砂后，7d、28d的渗透高度有所降低，分别从49.4mm、34.7mm降至38.5mm、24.0mm，说明机制砂对混凝土的抗渗性能具有一定的提高作用。在全部使用机制砂后掺入不同尺寸的聚丙烯纤维，抗渗性能均有提高，7d的8号、10号、12号渗透高度降低最为显著，渗透高度分别约为30.0mm、30.2mm、24.0mm，其中12号效果最好，抗渗性能提升约37.7%。28 d的7号,9号,12号渗透高度分别为18.0mm、16.5mm、16.0mm，12号效果最好，抗渗性能提升约33.3 %。较单掺聚丙烯纤维混凝土，掺入（6+12）mm、（6+19）mm、（6+12+19）mm聚丙烯纤维对混凝土抗渗性能提升更为明显。机制砂含有一定量的石粉，使过渡层的结构得到有效改善，并使混凝土内部更为密实。聚丙烯纤维在水泥浆体中均匀分布，细化内部基体，降低混凝土中孔径较大的有害孔隙数量，增强混凝土结构的密实度。长度不同的纤维协同桥接作用使效果明显，对机制砂混凝土抗渗性能起到重要作用。2.4 卸载后毛细吸水试验对28d机制砂混凝土采用压力试验机以单轴加载方式，分别施加40%、60%、80%的荷载。由试验结果可知：无荷载状态下，各组毛细吸水量基本一致；卸荷状态下的毛细吸水起初较快，随着时间的增加，曲线增长逐渐缓慢，吸水接近饱和。40%抗压强度下卸载后的吸水质量，6号、10号、12号毛细吸水量较低，8号毛细吸水量最大，5号次之。60 %抗压强度下卸载后的吸水质量，7号、10号、12号毛细吸水量较低，5号毛细吸水量最大。80%抗压强度下卸载后的吸水质量与60 %抗压强度下吸水质量的规律基本一致。综合上述数据可得知：随着压力值越大，初始毛细吸水越多，相较于毛细吸水时间的增加，压力值对毛细吸水影响更大。在40%、60%、80%抗压强度下，掺入6mm+12mm+19mm聚丙烯纤维的毛细吸水质量始终保持最低，掺入6mm+19mm+12mm聚丙烯纤维的毛细吸水质量均较小。混掺不同长度的聚丙烯纤维可以有效改善混凝土基体结构，增强混凝土韧性，在承受较大荷载时，有效抑制裂缝的发展，并阻碍裂缝的相互贯通。2.5 服役下的毛细吸水试验根据试验数据可知：在40 %抗压强度下，7号为单掺中毛细吸水量最小的一组，30min，1h的毛细吸水相对于未掺纤维的基准组，分别降低约12.5%，19%；9号30 min，1h毛细吸水量相较于基准组5号分别降低约20%、31.6%；混掺（6+12+19）mm效果等同于（6+12）mm。在60 %抗压强度下，7号为单掺中毛细吸水量最小的一组，30min、1h毛细吸水相对于未掺纤维的基准组，分别降低约22.2%、19.2%；9号30min，1h毛细吸水量相较于基准组5号分别降低约22.2%、24%；12号为所有试件中毛细吸水最小的一组，30min、1h毛细吸水量相较于基准组降低约22.7 %、29.2 %。在80 %抗压强度下，7号、10号、12号为所有试件中毛细吸水较小的三组，30min毛细吸水量相较于基准组分别降低约16.7%、27.2%、55.6%。综合上述数据可得知：机制砂混凝土持载状态下毛细吸水质量随荷载和服役时间的增加而变大，40%、60%抗压强度下，基本未因破坏而产生裂缝，毛细吸水质量变化相对较小，80%抗压强度下，毛细吸水质量明显增大，说明在80 %抗压强度下，产生的微裂缝对吸水性能影响较大。掺入12mm、6mm+12mm、6mm+12mm+19mm聚丙烯纤维为所有试件组中服役状态下毛细吸水质量较小的三组。卸载后，产生的裂缝会有一定程度上闭合，相较于卸载后的毛细吸水，服役状态更贴近工程实际。3 结束语随着机制砂掺量的增加，混凝土拌合物坍落度逐渐降低、泌水率增加，全部使用机制砂后，掺入不同长度聚丙烯纤维，可有效降低拌合物的流动性和泌水率。与天然砂相比，机制砂混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度均有所提高；混掺0.9 kg/m³、6mm+12mm+19m