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聚丙烯腈纖維混凝土耐久性能試驗(yàn)研究

文檔作者：王志旺1 楊鼎宜1 2 王金輝3 劉淼1 楊俊 1 文檔來源： 1.揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院 2.揚(yáng)州大學(xué)綠色建筑材料研究所 3.揚(yáng)州市給水排水管理處		更新日期： 2026年04月04日	點(diǎn) 擊數(shù)：
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0 前言
混凝土是應(yīng)用廣泛的建筑材料袁具有價(jià)格低堯
強(qiáng)度高堯剛度大與防輻射等優(yōu)點(diǎn)遙但是袁普通混凝土
存在韌性差堯抗拉強(qiáng)度低堯容易開裂等缺點(diǎn)袁這些缺
點(diǎn)使有害物質(zhì)容易從裂縫侵入混凝土中袁導(dǎo)致混凝
土耐久性嚴(yán)重下降袁極大減少了混凝土在復(fù)雜環(huán)境
中的使用年限遙工程中所使用的混凝土不僅要滿足
強(qiáng)度與剛度的條件袁而且還要滿足耐久性的要求遙
已有大量研究表明袁鋼纖維堯聚丙烯纖維以及混雜
纖維等摻入混凝土后袁能夠彌補(bǔ)混凝土自身存在的
缺陷袁提高混凝土的抗裂能力袁增加混凝土的韌性袁
改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)袁提高其抗凍性堯抗?jié)B性與
抗碳化能力等耐久性能[1-11]遙不同種類的纖維袁其性
能也不同[12]袁聚丙烯腈纖維淵PAN冤袁又稱腈綸袁其分
子結(jié)構(gòu)中具有極性親水基團(tuán)淵-CN冤袁使得PAN 纖維
在攪拌過程中能夠均勻地分散在混凝土中袁且與混
凝土之間的黏結(jié)性能較好遙相比于聚丙烯纖維
淵PP冤袁PAN 纖維具有更高的強(qiáng)度與彈性模量[13]遙
目前袁關(guān)于PAN 纖維混凝土耐久性能方面的研
究相對較少袁鑒于此袁本文研究了不同水膠比PAN
纖維混凝土的抗凍性堯抗?jié)B性及抗硫酸鹽干濕循環(huán)
性能遙
1 試驗(yàn)方案
1.1 原材料
采用5耀20 mm 連續(xù)級配的碎石曰中砂曰自來水曰
P窯O 42.5 級水泥曰聚羧酸減水劑袁減水率為30%袁含
固量23%曰PAN 纖維袁體積摻量為0.1豫袁其各項(xiàng)性
能指標(biāo)見表1遙
1.2 試驗(yàn)配合比
試驗(yàn)用配合比見表2遙
聚丙烯腈纖維混凝土耐久性能試驗(yàn)研究
王志旺1袁楊鼎宜1袁2袁王金輝3袁劉淼1袁楊俊1
淵1.揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院袁225127曰2.揚(yáng)州大學(xué)綠色建筑材料研究所袁225127曰
3.揚(yáng)州市給水排水管理處袁225127冤
摘要院為探尋聚丙烯腈纖維對不同強(qiáng)度等級混凝土耐久性的改善作用袁試驗(yàn)對水膠比為0.30堯0.35堯0.40堯0.45堯
0.50 的聚丙烯腈纖維混凝土的抗?jié)B性堯抗凍性和抗硫酸鹽干濕循環(huán)等耐久性能進(jìn)行了研究遙結(jié)果表明袁摻入聚丙烯
腈纖維袁能夠降低混凝土的滲水高度袁抑制混凝土相對動(dòng)彈性模量的降低袁提高混凝土的抗壓強(qiáng)度增長率和抗壓強(qiáng)
度耐蝕系數(shù)袁從而改善混凝土的抗?jié)B性堯抗凍性以及抗硫酸鹽干濕循環(huán)等耐久性能遙
關(guān)鍵詞院聚丙烯腈纖維混凝土曰抗?jié)B性曰抗凍性曰抗干濕循環(huán)性能
Abstract: In order to explore the effect of polyacrylonitrile fibers on the durability of concrete with different strength
grades, the durability of polyacrylonitrile fibers concrete with W/C of 0.30, 0.35, 0.40, 0.45 and 0.50, such as
impermeability, frost resistance and sulfate dry -wet cycle resistance were studied. The result shows that adding
polyacrylonitrile can reduce the water penetration height, inhibit the relative dynamic modulus, increase the compressive
strength growth rate and the corrosion resistance coefficient, thereby improving the impermeability, frost resistance and
resistance to sulfate dry and wet cycles of the concrete.
Key words: Polyacrylonitrile fiber reinforced concrete; Impermeability; Frost resistance; Anti-dry and wet cycle
performance
中圖分類號院TU528.572 文獻(xiàn)標(biāo)識碼院A doi:10.19761/j.1000-4637.2019.11.049.04
基金項(xiàng)目院國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目淵51578479堯51708483冤曰國
家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目淵2016YFB0303104堯2018YFD1101002-
05冤曰2018 年市級計(jì)劃原市校合作專項(xiàng)項(xiàng)目淵YZ2018139冤遙
表1 PAN 纖維的性能指標(biāo)
密度
/淵g/cm3冤
直徑
/滋m
長度
/mm
彈性模量
/GPa
抗拉強(qiáng)度
/MPa
1.18 22.73 12 5.826 307.39
表2 混凝土配合比
砂石水水泥粉煤灰纖維減水劑
JZ混凝土
PAN纖維混凝土
750
750
1 035
1 035
171
171
343
343
86
86
0
1.2
0.429
0.429
kg/m3
圓園19年第11 期混凝土與水泥制品圓園19 暈燥.11
11 月悅勻隕暈粵悅韻暈悅砸耘栽耘粵暈閱悅耘醞耘暈栽孕砸韻閱哉悅栽雜November
- 49 -
1.3 試驗(yàn)方法
參照GB/T 50082要2009葉普通混凝土長期性能
和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)曳[14]進(jìn)行抗凍性堯抗?jié)B性及
抗硫酸鹽干濕循環(huán)性能試驗(yàn)遙
2 抗?jié)B性能試驗(yàn)
按照標(biāo)準(zhǔn)要求袁測得混凝土水滲透高度以及水
滲透高度比見圖1和圖2遙
抗?jié)B性試驗(yàn)采用滲水高度法袁混凝土抗?jié)B性通
過水滲透高度來表示袁水滲透高度越小袁表明抗?jié)B
性越好遙由圖1可知袁PAN 纖維混凝土與JZ混凝土
的滲水高度隨著水膠比的增大而增大袁PAN 纖維混
凝土與JZ混凝土的滲水高度隨著水膠比的提高袁兩
者之間的差值也隨之增大遙這是因?yàn)榈退z比混凝
土自身內(nèi)部比較密實(shí)袁骨料和水泥漿體界面之間的
黏結(jié)力較大袁混凝土內(nèi)部自由水較少袁由自由水的
遷移和泌水而造成的連通孔道較少袁抗?jié)B性能因此
得到提高遙而高水膠比混凝土自身內(nèi)部密實(shí)性較
差袁其內(nèi)部自由水較多袁由自由的水遷移及泌水而
形成的孔洞與缺陷就較多袁抗?jié)B性能因此下降遙對
比同一水膠比的兩類混凝土可以發(fā)現(xiàn)袁PAN 纖維混
凝土的滲水高度要低于JZ混凝土袁說明PAN 纖維
的加入袁有利于提高混凝土的抗?jié)B性[15]遙
由圖2 可以看出袁隨著水膠比的提高袁水滲透
高度比呈現(xiàn)逐漸下降趨勢袁0.30 水膠比混凝土的水
滲透高度比為0.89袁0.50 水膠比混凝土的水滲透高
度比降至0.82袁說明PAN 纖維的摻入對于高水膠比
混凝土抗?jié)B性的提高幅度更大遙這是因?yàn)樵诨炷?
中摻入PAN 纖維后袁由于其雜亂地分布在混凝土
中袁形成了空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)袁減少了新拌混凝土的離
析袁提高了混凝土的保水性袁減少了硬化后混凝土
中的孔道與缺陷袁從而提高了混凝土的抗?jié)B性曰另
一方面袁由于保水性的改善使得水泥漿體在混凝土
中的水化更加均勻堯徹底袁抗?jié)B性得到提高遙此外袁
PAN 纖維可有效抑制混凝土早期裂縫的產(chǎn)生與發(fā)
展袁減少混凝土中的缺陷袁從而改善了混凝土的抗
滲性[16-17]遙
3 抗凍性試驗(yàn)
抗凍試驗(yàn)采用的是快凍法袁混凝土的抗凍性是
通過混凝土在凍融循環(huán)后的相對動(dòng)彈性模量來表
示的袁相對動(dòng)彈性模量越高袁說明混凝土的抗凍性
能越好遙本試驗(yàn)每進(jìn)行25 次循環(huán)后用DT-20 動(dòng)彈
儀檢測混凝土的動(dòng)彈性模量袁依據(jù)規(guī)范給出的公式
計(jì)算每次循環(huán)試驗(yàn)后的相對動(dòng)彈性模量遙
圖3 為相對動(dòng)彈性模量隨循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)
系曲線遙由圖3 可知袁各水膠比混凝土的相對動(dòng)彈
性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸下降袁PAN 纖維
的加入袁可以有效抑制混凝土相對動(dòng)彈性模量的降
低袁提高了混凝土的抗凍性遙從圖3淵a冤中0.50 水膠
比混凝土與圖3 淵b冤中0.45 水膠比混凝土可以看
出袁經(jīng)過25 次凍融循環(huán)后袁PAN 纖維混凝土的相對
動(dòng)彈性模量明顯大于JZ混凝土袁隨著凍融循環(huán)次數(shù)
的增加袁兩者之間的差值變大遙從圖3淵c冤堯淵d冤堯淵e冤
可以看出袁0.3堯0.35堯0.4 水膠比JZ混凝土與PAN 纖
維混凝土經(jīng)過25 次凍融循環(huán)后袁相對動(dòng)彈性模量
相差并不大袁但隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加袁兩者的
相對動(dòng)彈性模量的差值不斷加大袁說明在凍融循環(huán)
早期袁凍融循環(huán)次數(shù)較少袁PAN 纖維摻入低水膠比
混凝土中對抗凍性提高不是特別明顯遙但到凍融循
環(huán)后期袁隨著凍融循環(huán)次數(shù)的不斷增加袁PAN 纖維
對低水膠比混凝土抗凍性的提高作用越來越明顯袁
PAN 纖維混凝土的相對動(dòng)彈性模量高于JZ 混凝
土袁且PAN 纖維混凝土的相對動(dòng)彈性模量與JZ 混
凝土的差值也越來越大遙
可見袁PAN 纖維能有效提高混凝土的抗凍性遙
混凝土屬多孔材料袁受凍損傷破壞的原因主要是混
凝土孔隙里的水在低溫條件下結(jié)冰袁結(jié)冰后體積膨
脹逐漸產(chǎn)生靜水壓力與滲透壓力袁當(dāng)由這兩種壓力
所產(chǎn)生的內(nèi)部拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉極限值時(shí)袁
就會產(chǎn)生微裂縫遙隨著凍融次數(shù)的增加袁混凝土中
的微裂縫不斷擴(kuò)展袁損傷不斷積累袁直至混凝土破
圖2 混凝土水滲透高度相對值
0.30 0.35 0.40 0.45 0.50
水膠比
圖1 水滲透高度與水膠比的關(guān)系
0.30 0.35 0.40 0.45 0.50
水膠比
JZ
PAN
JZ PAN
100
80
60
40
20
0
1.2
0.9
0.6
0.3
0.0
圓園19年第11 期混凝土與水泥制品總第283 期
- 50 -
圖3 混凝土相對動(dòng)彈性模量隨循環(huán)次數(shù)變化情況
25 50 75 100 循環(huán)次數(shù)/次
淵d冤水膠比0.35
淵a冤水膠比 0.50 淵b冤水膠比 0.45 淵c冤水膠比 0.40
淵e冤水膠比0.30
100
90
80
70
60
0.5JZ
0.5PAN 0.45JZ
0.45PAN
0.4JZ
0.4PAN
0.35JZ
0.35PAN 0.3JZ
0.3PAN
壞遙PAN纖維能夠提高混凝土抗凍性的原因主要包
括三個(gè)方面院淤PAN 纖維直徑較小袁數(shù)量較多袁纖維
之間的間距較小袁PAN 纖維能夠在混凝土中亂向分
布袁形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)袁減少了新拌混凝土的離析袁
提高了混凝土的保水性袁使混凝土硬化后更加均勻
密實(shí)袁抗凍性得到改善曰于PAN 纖維摻入混凝土中袁
減少了混凝土在硬化的過程中所產(chǎn)生的原生裂縫袁
減小了裂縫尺寸袁從而提高了抗凍性能曰盂摻入
PAN纖維能夠有效提高混凝土的抗拉強(qiáng)度袁改善混
凝土的力學(xué)與變形性能袁提高混凝土在凍融循環(huán)過
程中能量的吸收與消耗袁不但有效阻止了微裂縫的
擴(kuò)展袁而且阻止了外部水分的進(jìn)入袁減緩了混凝土
的凍脹開裂袁從而提高了混凝土的抗凍性[18-19]遙
4 抗硫酸鹽干濕循環(huán)性能試驗(yàn)
4.1 干濕循環(huán)后混凝土抗壓堯抗壓強(qiáng)度增長率分析
圖4 為JZ混凝土與PAN 纖維混凝土經(jīng)過硫酸
鹽干濕循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度袁圖中袁BY 表示標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)
護(hù)袁XH表示經(jīng)過硫酸鹽干濕循環(huán)遙由圖4 可知袁JZ
混凝土與PAN 纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度總體隨干濕
循環(huán)次數(shù)的增加先升高后降低遙對比兩類混凝土的
抗壓強(qiáng)度增長率不難發(fā)現(xiàn)袁PAN 纖維混凝土的增長
率總體上要高于JZ混凝土遙經(jīng)過30次硫酸鹽干濕
循環(huán)過后袁JZ 混凝土與PAN 纖維混凝土的抗壓強(qiáng)
度在總體上高于同期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件曰經(jīng)過90 次硫
25 50 75 100 循環(huán)次數(shù)/次
25 50 75 100 循環(huán)次數(shù)/次
100
90
80
70
60
100
90
80
70
60
100
90
80
70
60
100
90
80
70
60
25 50 75 100 循環(huán)次數(shù)/次25 50 75 100 循環(huán)次數(shù)/次
圖4 混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)與干濕循環(huán)后抗壓強(qiáng)度變化情況
30 60 90 120 150 180 210 240 270
循環(huán)次數(shù)/次
淵d冤水膠比0.35
30 60 90 120 150 180 210 240 270
循環(huán)次數(shù)/次
淵a冤水膠比0.50
30 60 90 120 150 180 210 240 270
循環(huán)次數(shù)/次
淵c冤水膠比0.40
30 60 90 120 150 180 210 240 270
循環(huán)次數(shù)/次
淵b冤水膠比0.45
30 60 90 120 150 180 210 240 270
循環(huán)次數(shù)/次
淵e冤水膠比0.30
50
45
40
35
30
00..55JJZZ--BXYH 00..55PPAANN--BXYH
50
45
40
35
00..4455JJZZ--BXYH 00..4455PPAANN--BXYH
00..44JJZZ--XBYH 00..44PPAANN--BXYH
00..3355JJZZ--BXYH 00..3355PPAANN--XBYH
00..33JJZZ--XBHY 00..33PPAANN--XBHY
65
60
55
50
45
40
70
65
60
55
50
80
75
70
65
王志旺袁楊鼎宜袁王金輝袁等 聚丙烯腈纖維混凝土耐久性能試驗(yàn)研究
- 51 -
酸鹽干濕循環(huán)過后袁兩類混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸低
于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件曰經(jīng)過150 次硫酸鹽干濕循環(huán)過
后袁兩類混凝土的抗壓強(qiáng)度總體要小于同期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)
護(hù)試件曰經(jīng)過210 次堯270 次硫酸鹽干濕循環(huán)后袁抗
壓強(qiáng)度開始逐漸降低袁且小于同期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件遙
這是由于在干濕循環(huán)初期淵30 次冤袁濕熱的環(huán)境對混
凝土試件起到了養(yǎng)護(hù)作用袁水泥在濕熱環(huán)境中繼續(xù)
水化袁同時(shí)袁溶液中的SO42-與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反
應(yīng)袁生成石膏與鈣礬石等袁對混凝土中的缺陷可起
到一定的填充作用袁提高了混凝土的密實(shí)度袁混凝
土抗壓強(qiáng)度因而得到提升袁此時(shí)的循環(huán)作用要大于
標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)作用袁因此袁經(jīng)過干濕循環(huán)試件的抗壓強(qiáng)
度要高于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件曰到干濕循環(huán)后期淵210 次堯
270 次冤袁由于干濕循環(huán)的持續(xù)作用袁混凝土發(fā)生疲
勞破壞袁外部的硫酸鹽溶液滲入混凝土中袁對混凝
土起到了一定的腐蝕破壞作用袁導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度逐漸
降低袁標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件的抗壓強(qiáng)度更高[20-21]遙
4.2 干濕循環(huán)后混凝土抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)分析
根據(jù)GB/T 50082要2009 提供的公式院
Kf = ffcn c0 伊100%
式中院Kf 為抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)曰fcn 為N 次干濕
循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度曰fc0為同期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)抗壓強(qiáng)度遙
表6為PAN 纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)袁
由表6 可知袁兩類混凝土的抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)總體
隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢遙對
比兩類混凝土的抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)可以看出袁PAN
纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)總體上要高于JZ
混凝土袁說明PAN纖維混凝土抗硫酸鹽干濕循環(huán)性
能比JZ混凝土更好遙
5 結(jié)論
淵1冤PAN 纖維能夠提高混凝土的抗?jié)B性袁降低
混凝土的水滲透高度袁低水膠比混凝土本身抗?jié)B性
較好袁故PAN 纖維的加入對高水膠比混凝土抗?jié)B性
的改善效果更為明顯遙
淵2冤PAN 纖維的摻入袁可使混凝土相對動(dòng)彈性
模量平均提高7.58%袁使各水膠比混凝土的抗凍性
均得到提高袁隨著凍融次數(shù)的增加袁纖維的作用越
加明顯遙低水膠比混凝土自身抗凍性好袁經(jīng)100 次
凍融循環(huán)后相對動(dòng)彈性模量仍然保持在85%以上遙
淵3冤PAN 纖維可提高混凝土的抗壓強(qiáng)度增長率袁
摻加PAN 纖維后抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)平均提高
3.5%袁并可改善混凝土抗硫酸鹽干濕循環(huán)性能遙
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收稿日期院2019-04-16
作者簡介院王志旺淵1993-冤袁男袁碩士研究生遙
聯(lián)系電話院18361311942
通訊作者院楊鼎宜淵1965-冤袁女袁教授堯博導(dǎo)遙
E-mail院ydy1991@163.com
圓園19年第11 期混凝土與水泥制品總第283 期
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