聚丙烯纤维在混凝土中分散性实验方法的研究

摘要：针对目前聚丙烯纤维在混凝土中分散性实验方法与评价方法的不足，采用优化的水洗实验方法，并引入变异系数这一指标，更加科学合理地评价了聚丙烯纤维在混凝土中分散性。

中图分类号：TU528 混凝土及混凝土制品

关键词：聚丙烯纤维 混凝土 变异系数 分散性 润强丝

0.引言

　　聚丙烯纤维已广泛应用于混凝土材料中，其主要功能有早期阻裂、增韧、提高轴向拉伸性能、弯曲疲劳性能、抗冲击及抗冻融性能^[1]。纤维混凝土的所有力学性能都与纤维在混凝土中的分散性密切相关。如果纤维不能均匀分散在混凝土中，混凝土的强度下降许多，纤维在混凝土中不能真正起到抗裂性的作用，相反，混凝土的抗裂性、抗渗透性、抗冻性、抗冲击性降低^[2]。其原因是：在纤维混凝土体系中，没有纤维分布的区域，裂缝更容易生成与发展，从而形成缺陷导致材料失效^[3-4]。因此，采用合理的方法来评价纤维在混凝土中的分散性非常必要。

　　为了达到良好的效果，聚丙烯短纤一般要求三维无规乱向均匀地分布于混凝土中。为了使之均匀地分散在混凝土中，采用了不同的方法：对纤维进行改性^[5-6]、采用纤维分散剂^[7-8]、优化混凝土的搅拌方法^[9]。目前，尚没有技术标准规范来详细评价合成纤维在混凝土中的分散性，业内主要采用的水洗方法，具体操作在有关文献^[10]中略有提及。在纤维混凝土结构技术规程（CECS38：2004）^[11]中，要求采用水洗法测得的纤维实际含量与配合比要求的含量相差不应超过15%。此处提及的水洗流程没有细化，在实际操作中的可操作性不强，且偏差较大（15%），取样个数为两个，实验结果只考虑了两个实验值的平均值与理论值的差异，而未考察各实验值之间的差异。而要合理地评价纤维在混凝土中的分散性，各样品中单位质量（或体积）混凝土中的纤维量的偏差也是重要指标。

　　针对上述情况，本文优化了实验方案与数据处理方式，用本公司生产的润强丝聚丙烯纤维进行了纤维分散性实验。

1.试验部分

1.1试验设备及用具

　　搅拌机：SJD60型强制式单卧轴混凝土搅拌机

　　台称：1台，称量50kg，感量0.1kg

　　天平：2台，称量5kg，感量0.1g；称量20g，感量：0.001g

　　料桶：3只，5升

　　容器：3只，容积20L

　　筛网：3只，筛孔分别为9.5、0.63、0.15mm的标准筛

　　烘箱：1台，温度范围：常温-300℃

1.2实验原料

　　水泥：小野田52.5P II，粗集料：5-20mm，细集料：中砂，减水剂：JM-A，江苏博特新材料有限公司产，纤维：润强丝聚丙烯纤维，不同生产批次产品，江苏博特新材料有限公司产。

1.3配合比

1.4试验流程

　　搅拌方法：水泥、砂、集料、减水剂与纤维一起，干混30s，然后加水搅拌3min。每个实验样品比取样三次。

　　纤维收集流程：a.把称好的混凝土倒入20L的水桶，加入半桶水，用铁棒搅动，用0.63mm的标准筛过滤，收集纤维，保留滤液，混凝土留在原桶内，重复一次此步操作；

　　b.把a步骤中保留的滤液用0.15mm的标准筛过滤，收集纤维，倒掉滤液；

　　c.把a步骤中保留的混凝土倾倒到9.5mm的标准筛上，搁置在一20L的水桶上，用水冲洗混凝土，筛上保留粗集料，而水泥、砂、减水剂及纤维均落入桶内；

　　d.收集裹覆在粗集料上的少许纤维，倒掉粗集料；

　　e.把c步骤中桶内混合物用0.63mm的标准筛，过滤，收集纤维，保留滤液，固体混合物留在桶内，重复三次，目测固体混合物中不含有纤维为止，倒掉固体混合物；

　　f.把e步骤中的滤液体再用0.15mm的标准筛过滤，收集纤维，倒掉滤液；

　　g.把各步骤中收集的所有纤维在105℃下烘干至恒重，称量并进行相关数据处理。

2.结果与讨论

　　表2为纤维分散性实验结果。

　　用本公司生产的润强丝进行了纤维在混凝土中的分散性实验，从实验结果可以看出，采用了上述水洗流程所测实验值，单位质量混凝土中纤维重量与理论值偏差明显小于15%（CECS38：2004规定值），最小者为5.75%。

　　为了更好地评价纤维在混凝土中的均匀分散性，在此采用变异系数来评价一个样品中三次取样的实验结果之间的偏差，变异系数为样品的标准差与样品平均数的比值，为一相对值，其大小同时受平均数与标准差的影响。变异系数越大，则表示样本波动程度越大。从实验结果来看，三组实验值的变异系数分别为0.0286、0.0027、0.0108，可见各组实验的样本偏差非常小，最小者达到了2.7‰，这一指标很好地说明了本公司润强丝纤维在混凝土中良好的分散性。同时，变异系数的引入，与纤维混凝土结构技术规程（CECS38:2004）中相关的要求结合，使纤维在混凝土中的分散性的评价方法更加科学与合理。

　　在实验过程中要尽量避免纤维的损失，从而缩小实验值与理论值的差距。仔细分析，纤维损失的主要在以下方面：

　　a. 纤维在搅拌混合过程中被损伤或断裂，变成小段，在各次洗涤过滤过程中，未被收集到，进入废液倾倒掉。

　　b. 在纤维被烘干至恒重后，由于在收集过程中纤维裹覆了一些细砂，需要手工分离纤维与细砂等杂质，纤维容易散落而不易收集。

3.结论

　　采用优化的水洗实验方法，评价了润强丝在混凝土中分散性，结果表明，纤维的分散性良好。引入变异系数这一指标，结合实验值与理论值偏差的实验数据，更加科学合理地评价了聚丙烯纤维在混凝土中的分散性。

参考文献

　　1 沈荣熹，王璋水，崔玉忠，纤维增强水泥与纤维增强混凝土，第1版，北京：化学工业出版社，2006：295

　　2 邓宗才.高性能合成纤维混凝土，第1版，北京：科学出版社，2003：32

　　3 L.Y. Woo, S. Wansom, N. Ozyurt.Characterizing fiber dispersion in cement composites usingAC-Impedance Spectroscopy,Cement & Concrete Composites 2005, 27 (6):627

　　4 Akkaya Y, Picka J, Shah SP. Spatial distribution of aligned short fibers in cement composites. Journal of Materials in Civil Engineering, 2000,12(8):272

　　5 格雷斯公司.高分散性增强聚合纤维，CN Pat，02120588. 2002

　　6 水中和, 赵正齐, 李超, 詹必浩.表面处理对碳纤维在水泥浆体中分散性的影响.武汉理工大学学报， 2003，25（12）：17

　　7 张新，一种合成纤维分散剂及其制备方法，CN Pat，00132183. 2000

　　8 深圳市海川实业股份有限公司，一种纤维分散液，CN Pat，10051268. 2004

　　9 杨元霞，毛起，沈大荣，李卓球.碳纤维水泥基复合材料中纤维分散性的研究.建筑材料学报，2001，4（1）：84

　　10 邓宗才，高性能合成纤维混凝土，第1版，北京：科学出版社，2003：33

　　11 大连理工大学主编，纤维混凝土结构技术规程（CECS 38:2004），第1版，北京：中国计划出版社，2004：95