改性聚酯纤维在混凝土中的分散性及对耐久性的影响

工程科学学报，第38卷，第11期：1603-1609,2016年11月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,No.11:1603-1609,November 2016 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2016.11.014:http://journals.ustb.edu.cn 改性聚酯纤维在混凝土中的分散性及对耐久性的 影响 陈建强2)四，纪洪广”，刘娟红”，杨芳) 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)青岛理工大学土木工程学院，青岛266033 ☒通信作者，E-mail:hunter7750@sina.com 摘要制备了不同纤维摻量的改性聚酯纤维混凝土，通过纤维分散的图像处理方法研究五种不同搅拌方式对改性聚酯纤 维在混凝土中分散性能的影响，并通过耐久性试验研究改性聚酯纤维混凝土的抗碳化、抗氯盐侵蚀和抗冻性能.结果表明， 图像处理方法能够较好地评价改性聚酯纤维混凝土中的纤维分散性，认为“砂石胶材60s+水608+纤维60s”的搅拌方式得 到的纤维分散性最好，与肉眼观察的效果一致.摻加改性聚酯纤维能够提高混凝土的抗压强度，摻量为1.1kg·m3时提高强 度14%左右，继续增大纤维摻量不能持续提升强度.改性聚酯纤维在混凝土中的密集分布能够削弱C0,的扩散，降低混凝土 的碳化速率12.6%~18.9%，纤维摻量越多，抗碳化能力越好.摻加改性聚酯纤维能够降低混凝土的氯离子扩散系数，提高 其抗氯离子侵蚀能力.改性聚酯纤维还能有效减少冻融循环过程中表层材料的剥落，大大改善混凝土的抗冻性. 关键词纤维性混凝土：聚酯纤维：分散性：耐久性 分类号TU528 Dispersivity of modified polyester fibers in concrete and its influence on the durability of concrete CHEN Jian--qiang:2,JⅡHong-guang”',LIU Juan--hong,YANG Fang”' 1)School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Civil Engineering,Qingdao University of Technology,Qingdao 266033,China Corresponding author,E-mail:hunter7750@sina.com ABSTRACT Modified polyester fiber reinforced concrete with different additions was prepared.The dispersivity of modified polyes- ter fibers in concrete by five different mixing methods was studied by an image processing method.With a series of durability tests,the carbonation resistance,chloride penetration resistance and frost resistance of the fiber reinforced concrete were also investigated.The results indicate that the image processing method can evaluate the dispersivity of the fiber reinforced concrete well.The mixing method of "aggregate and binding materials for 60s water for 60s +fiber for 60s"makes the best dispersivity of modified polyester fibers.It is in accord with direct observations by naked eyes.The compressive strength is increased by the addition of modified polyester fibers. After adding 1.I kgmmodified polyester fibers,the compressive strength of concrete increases by 14%:but with more modified polyester fibers,the compressive strength no longer increases.The existence of modified polyester fibers in concrete can slow down the diffusion of CO2,the carbonation rate of concrete decreases by 12.6%to 18.9%,and with more modified polyester fibers,the carbonation resistance became better.After the addition of modified polyester fibers,the chloride diffusion coefficient of concrete also decreases.The modified polyester fibers can reduce the surface spalling of concrete during freeze-thaw cycles,which improves the frost resistance of concrete significantly. KEY WORDS fiber reinforced concrete:polyester fibers:dispersivity:durability 收稿日期：201604-19

工程科学学报，第 38 卷，第 11 期: 1603--1609，2016 年 11 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，No． 11: 1603--1609，November 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． 11． 014; http: / /journals． ustb． edu． cn 改性聚酯纤维在混凝土中的 分散性及对耐久性的 影响 陈建强1，2) ，纪洪广1) ，刘娟红1) ，杨 芳1) 1) 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083 2) 青岛理工大学土木工程学院，青岛 266033  通信作者，E-mail: hunter7750@ sina． com 摘 要 制备了不同纤维掺量的改性聚酯纤维混凝土，通过纤维分散的图像处理方法研究五种不同搅拌方式对改性聚酯纤 维在混凝土中分散性能的影响，并通过耐久性试验研究改性聚酯纤维混凝土的抗碳化、抗氯盐侵蚀和抗冻性能． 结果表明， 图像处理方法能够较好地评价改性聚酯纤维混凝土中的纤维分散性，认为“砂石胶材 60 s + 水 60 s + 纤维 60 s”的搅拌方式得 到的纤维分散性最好，与肉眼观察的效果一致． 掺加改性聚酯纤维能够提高混凝土的抗压强度，掺量为 1. 1 kg·m － 3 时提高强 度 14% 左右，继续增大纤维掺量不能持续提升强度． 改性聚酯纤维在混凝土中的密集分布能够削弱 CO2的扩散，降低混凝土 的碳化速率 12. 6% ～ 18. 9% ，纤维掺量越多，抗碳化能力越好． 掺加改性聚酯纤维能够降低混凝土的氯离子扩散系数，提高 其抗氯离子侵蚀能力． 改性聚酯纤维还能有效减少冻融循环过程中表层材料的剥落，大大改善混凝土的抗冻性． 关键词 纤维性混凝土; 聚酯纤维; 分散性; 耐久性 分类号 TU528 收稿日期: 2016--04--19 Dispersivity of modified polyester fibers in concrete and its influence on the durability of concrete CHEN Jian-qiang1，2)  ，JI Hong-guang1) ，LIU Juan-hong1) ，YANG Fang1) 1) School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) School of Civil Engineering，Qingdao University of Technology，Qingdao 266033，China  Corresponding author，E-mail: hunter7750@ sina． com ABSTＲACT Modified polyester fiber reinforced concrete with different additions was prepared． The dispersivity of modified polyes￾ter fibers in concrete by five different mixing methods was studied by an image processing method． With a series of durability tests，the carbonation resistance，chloride penetration resistance and frost resistance of the fiber reinforced concrete were also investigated． The results indicate that the image processing method can evaluate the dispersivity of the fiber reinforced concrete well． The mixing method of“aggregate and binding materials for 60 s + water for 60 s + fiber for 60 s”makes the best dispersivity of modified polyester fibers． It is in accord with direct observations by naked eyes． The compressive strength is increased by the addition of modified polyester fibers． After adding 1. 1 kg·m － 3 modified polyester fibers，the compressive strength of concrete increases by 14% ; but with more modified polyester fibers，the compressive strength no longer increases． The existence of modified polyester fibers in concrete can slow down the diffusion of CO2，the carbonation rate of concrete decreases by 12. 6% to 18. 9% ，and with more modified polyester fibers，the carbonation resistance became better． After the addition of modified polyester fibers，the chloride diffusion coefficient of concrete also decreases． The modified polyester fibers can reduce the surface spalling of concrete during freeze!thaw cycles，which improves the frost resistance of concrete significantly． KEY WOＲDS fiber reinforced concrete; polyester fibers; dispersivity; durability

·1604. 工程科学学报，第38卷，第11期 自波特兰水泥发明以来，混凝土在工程建设领域 对硬化后纤维混凝土的纤维分散，尚无成熟的方法来 发挥着其他材料无法替代的作用，成为现代工程中应 评定新拌混凝土中的纤维分散性能：同时，目前大多数 用最广泛的材料.但是，混凝土材料自身也存在一些 研究主要集中在改性聚酯纤维对混凝土力学性能、早 缺陷，如易开裂、抗拉和抗冲击韧性差皿.纤维混凝土 期抗裂性能等方面的改善，关于其抗碳化性、抗冻性等 就是以传统素混凝土为基体的新型复合材料.纤维混 耐久性能方面的研究尚不多见 凝土是在普通混凝土基体中掺入均匀分散的纤维，通 因此，本文针对上述问题，制备了不同纤维掺量的 过纤维的物理力学作用改善混凝土基体的内部结构， 改性聚酯纤维混凝土试件，建立并通过一种图像处理 并不改变混凝土中各材料自身的原有化学性能，从而 方法，编制相应的分析程序对不同方式搅拌后的混凝 抑制混凝土的早期开裂，提升混凝土的综合性能.在 土中纤维分散特性做定性和定量的分析研究，并通过 受力过程中混凝土发挥其抗压强度高的优势，而短纤 耐久性试验研究得到多种搅拌方式的改性聚酯纤维对 维发挥其抗拉强度高的优势，从而提高纤维混凝土的 混凝土强度、抗氯盐侵蚀、抗碳化和抗冻融等耐久性方 各项技术性能，使其抗弯、抗疲劳、抗拉、抗冲击等性能 面的影响程度和改善效果 得以提高，同时增加耐磨性和韧性.目前，关于聚丙烯 纤维、钢纤维、聚乙烯醇纤维、改性纤维等在水泥混凝 1原材料及试验方法 土中的研究和应用已较多，成为特殊工况下对普 1.1原材料 通混凝土材料的有力补充· 原材料主要有：Ⅱ级粉煤灰；北京金隅产P·0 改性聚酯纤维是国家“863”科技项目研发的一种 42.5普通硅酸盐水泥：45m筛余量为16%，烧失量 纤维，解决了聚酯纤维由于耐碱性差而只能用于沥青 为2.53%；首钢嘉华公司生产S95型磨细矿粉：水泥 混凝土和无碱混凝土的难题一@.改性聚酯纤维具有 和两种矿物掺和料的化学成分如表1所示：两种级配 高性能、低成本的特点和优势，满足了国家重点工程和 的碎石，5~16mm和16~31.5mm,比例为1：1：萘系减 国防建设的需要，在工程建设中有着广阔的发展前景. 水剂：细度模数为2.4的河砂：自来水；杜强华微（北 然而，改性聚酯纤维作为一种新的组分加入到混凝土 京)高新材料科技有限公司的改性聚酯纤维，其主要 中，纤维分散会影响混凝土的匀质性，当前研究主要针 技术指标如表2所示. 表1水泥、矿粉和粉煤灰的化学成分及其含量（质量分数） Table 1 Chemical composition of cement and mineral admixtures used in this project 号 原料 Cao Si0, A203 C02 Na20 K20 MgO TiO2 P203 CI- 水泥 53.03 19.80 7.18 3.63 3.28 9.22 0.960.48 1.48 0.44 0.10 0.03 S95矿粉 37.32 26.12 14.86 0.53 2.26 8.27 0.46 0.58 8.69 0.73 0.10 0.08 粉煤灰 1.54 37.61 23.28 2.81 0.8237.60 0.280.07 0.57 0.67 0.27 0.02 表2改性聚酯纤维的主要技术指标 Table 2 Main properties of modified polyester fibers used in this project 密度/ 长度/ 熔点/ 燃点/ 抗拉 伸长 弹性 耐 外观 纤度，D (g*cm-3) mm ℃ ℃ 强度/MPa 率/% 模量/MPa 酸碱 束状单丝无卷曲 0.9-1.31 9-13 20 167-260 ≥550 300~500 30 7000~12000断裂保持率≥95% 1.2试件制备 程中掺加1.1kg·m3和1.3kgm3的改性聚酯纤维， 试验制备了C30基准混凝土(R),详细配合比如 制备了两种不同纤维掺量的改性聚酯纤维增强混凝 表3所示.在基准混凝土的基础上，在混凝土搅拌过 土，分别编号F1.1和F1.3. 表3基准混凝土配合比 Table 3 Mix proportion of the reference concrete 混凝土原材料用量/(kg·am3) 编号 等级强度 水泥 粉煤灰矿粉 砂 石子1(16~31.5mm)石子2(5~16mm) 水 减水剂 C30 210 84 126 680 470 470 176 6.72

工程科学学报，第 38 卷，第 11 期 自波特兰水泥发明以来，混凝土在工程建设领域 发挥着其他材料无法替代的作用，成为现代工程中应 用最广泛的材料． 但是，混凝土材料自身也存在一些 缺陷，如易开裂、抗拉和抗冲击韧性差［1］． 纤维混凝土 就是以传统素混凝土为基体的新型复合材料． 纤维混 凝土是在普通混凝土基体中掺入均匀分散的纤维，通 过纤维的物理力学作用改善混凝土基体的内部结构， 并不改变混凝土中各材料自身的原有化学性能，从而 抑制混凝土的早期开裂，提升混凝土的综合性能． 在 受力过程中混凝土发挥其抗压强度高的优势，而短纤 维发挥其抗拉强度高的优势，从而提高纤维混凝土的 各项技术性能，使其抗弯、抗疲劳、抗拉、抗冲击等性能 得以提高，同时增加耐磨性和韧性． 目前，关于聚丙烯 纤维、钢纤维、聚乙烯醇纤维、改性纤维等在水泥混凝 土中的研究和应用已较多［2--8］，成为特殊工况下对普 通混凝土材料的有力补充． 改性聚酯纤维是国家“863”科技项目研发的一种 纤维，解决了聚酯纤维由于耐碱性差而只能用于沥青 混凝土和无碱混凝土的难题［9--10］． 改性聚酯纤维具有 高性能、低成本的特点和优势，满足了国家重点工程和 国防建设的需要，在工程建设中有着广阔的发展前景． 然而，改性聚酯纤维作为一种新的组分加入到混凝土 中，纤维分散会影响混凝土的匀质性，当前研究主要针 对硬化后纤维混凝土的纤维分散，尚无成熟的方法来 评定新拌混凝土中的纤维分散性能; 同时，目前大多数 研究主要集中在改性聚酯纤维对混凝土力学性能、早 期抗裂性能等方面的改善，关于其抗碳化性、抗冻性等 耐久性能方面的研究尚不多见［11--15］． 因此，本文针对上述问题，制备了不同纤维掺量的 改性聚酯纤维混凝土试件，建立并通过一种图像处理 方法，编制相应的分析程序对不同方式搅拌后的混凝 土中纤维分散特性做定性和定量的分析研究，并通过 耐久性试验研究得到多种搅拌方式的改性聚酯纤维对 混凝土强度、抗氯盐侵蚀、抗碳化和抗冻融等耐久性方 面的影响程度和改善效果． 1 原材料及试验方法 1. 1 原材料 原材料 主 要 有: Ⅱ 级 粉 煤 灰; 北 京 金 隅 产 P·O 42. 5 普通硅酸盐水泥; 45 μm 筛余量为 16% ，烧失量 为 2. 53% ; 首钢嘉华公司生产 S 95 型磨细矿粉; 水泥 和两种矿物掺和料的化学成分如表 1 所示; 两种级配 的碎石，5 ～ 16 mm 和 16 ～ 31. 5 mm，比例为 1∶ 1; 萘系减 水剂; 细度模数为 2. 4 的河砂; 自来水; 杜强华微( 北 京) 高新材料科技有限公司的改性聚酯纤维，其主要 技术指标如表 2 所示． 表 1 水泥、矿粉和粉煤灰的化学成分及其含量 ( 质量分数) Table 1 Chemical composition of cement and mineral admixtures used in this project % 原料 CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 SO3 CO2 Na2O K2O MgO TiO2 P2O5 Cl － 水泥 53. 03 19. 80 7. 18 3. 63 3. 28 9. 22 0. 96 0. 48 1. 48 0. 44 0. 10 0. 03 S95 矿粉 37. 32 26. 12 14. 86 0. 53 2. 26 8. 27 0. 46 0. 58 8. 69 0. 73 0. 10 0. 08 粉煤灰 1. 54 37. 61 23. 28 2. 81 0. 82 37. 60 0. 28 0. 07 0. 57 0. 67 0. 27 0. 02 表 2 改性聚酯纤维的主要技术指标 Table 2 Main properties of modified polyester fibers used in this project 外观 密度/ ( g·cm － 3 ) 纤度，D 长度/ mm 熔点/ ℃ 燃点/ ℃ 抗拉 强度/MPa 伸长 率/% 弹性 模量/MPa 耐 酸碱 束状单丝无卷曲 0. 9 ～ 1. 31 9 ～ 13 20 167 ～ 260 ≥550 300 ～ 500 30 7000 ～ 12000 断裂保持率≥95% 1. 2 试件制备 试验制备了 C30 基准混凝土( Ｒ) ，详细配合比如 表 3 所示． 在基准混凝土的基础上，在混凝土搅拌过 程中掺加 1. 1 kg·m － 3 和 1. 3 kg·m － 3 的改性聚酯纤维， 制备了两种不同纤维掺量的改性聚酯纤维增强混凝 土，分别编号 F1. 1 和 F1. 3． 表 3 基准混凝土配合比 Table 3 Mix proportion of the reference concrete 编号 等级强度 混凝土原材料用量/( kg·cm － 3 ) 水泥 粉煤灰 矿粉 砂 石子 1 ( 16 ～ 31. 5 mm) 石子 2 ( 5 ～ 16 mm) 水 减水剂 Ｒ C30 210 84 126 680 470 470 176 6. 72 ·1604·

陈建强等：改性聚酯纤维在混凝士中的分散性及对耐久性的影响 ·1605· 纤维水泥复合材料已经成为一种重要的工程材 各向同性，才能达到纤维掺入混凝土的预期效果，因此 料，纤维可以抑制或减少砂浆和混凝土的早期塑性开 纤维的分散度研究对混凝土性能的改善尤为重要.本 裂，改善水泥基材的韧性，提高耐久性.要使纤维的效 文采用纤维分散的图像处理方法对新拌混凝土的纤维 果得到充分发挥，必须以纤维的良好分散为前提，因此 分散度进行测定和分析，流程如图1所示. 提高纤维的分散性成为一项重要工作，选择合适的加 获得原始照片 料顺序和搅拌工艺十分重要.为了研究不同搅拌方式 对混凝土中改性聚酯纤维的分散性能的影响，试验采 光照矫正和增强 用文献中常用的五种不同的搅拌方式和投料顺 序6-9，具体搅拌方式如下： (1)先将改性聚酯纤维和粗、细骨料投入搅拌机 转换为灰度值图像 干拌60s,然后再加水泥、矿物掺和料、水和减水剂搅 拌120s; 纤维检测 (2)将改性聚酯纤维、砂和石搅拌均匀60s后，将 胶凝材料和减水剂一起搅拌均匀60s,最后加水搅拌 分析纤维的分散度 60s成形： 图1纤维分散度测定与分析流程 (3)先将砂石和胶凝材料搅拌均匀60s后，再加 Fig.1 Measurement and analysis process of fiber dispersion degree 水一起搅拌均匀60s,最后加入改性聚酯纤维搅拌60s 成形： 具体步骤如下： (4)将改性聚酯纤维与砂搅拌60s后，加入约13 (1)应用自行组装的NNO系列数字相机的光学 水搅拌30s,再加入胶凝材料和减水剂搅拌30s,然后 显微镜对新拌混凝土连续拍照，获得原始照片 加入石子搅拌均匀，最后加入剩余的水搅拌60s; (2)基于二次函数的RGB三通道值缩放的图像 (5)先把纤维、减水剂和水混合浸泡2h后，与胶 增强算法对原始图像进行光照矫正和增强，获得亮度 凝材料、粗细集料混合搅拌180s. 分布较为均匀的图像并将其转换为灰度值图像：初始 成型试件包括边长为100mm的立方体，尺寸为 图像的识别及其光照矫正和增强后的图像对比如图2 100mm×100mm×400mm的棱柱体，及直径100mm 所示. 高度50mm的圆柱体.试件成型24h后拆模，随后将 (3)利用改进的渗流生长算法对处理后的图像进 所有试件放入温度为(20±3)℃、湿度为95%以上的 行纤维检测，获取纤维占图像总面积的比例，通过集中 标准养护室中养护至28d龄期. 和离散趋势来分析纤维的分散度 1.3纤维分散的图像处理法 1.4改性聚酯纤维混凝土的耐久性试验 纤维在混凝土中均匀分散使混凝土的性能表现出 本文对改性聚酯纤维混凝土的耐久性也进行试验 a 图2纤维混凝土图像中纤维识别的初始与识别后处理图像对比.()原始图像：(b)未处理的识别结果：()光照矫正和增强处理后的识 别结果 Fig.2 Contrast of initial images and treated images to recognize fibers in the fiber reinforced concrete:(a)original image:(b)untreated recognition results:(c)recognition results after illumination correction and enhancement processing

陈建强等: 改性聚酯纤维在混凝土中的分散性及对耐久性的影响 纤维水泥复合材料已经成为一种重要的工程材 料，纤维可以抑制或减少砂浆和混凝土的早期塑性开 裂，改善水泥基材的韧性，提高耐久性． 要使纤维的效 果得到充分发挥，必须以纤维的良好分散为前提，因此 提高纤维的分散性成为一项重要工作，选择合适的加 料顺序和搅拌工艺十分重要． 为了研究不同搅拌方式 对混凝土中改性聚酯纤维的分散性能的影响，试验采 用文 献 中 常 用 的 五 种 不 同 的 搅 拌 方式和投料顺 序［16--19］，具体搅拌方式如下: ( 1) 先将改性聚酯纤维和粗、细骨料投入搅拌机 干拌 60 s，然后再加水泥、矿物掺和料、水和减水剂搅 拌 120 s; ( 2) 将改性聚酯纤维、砂和石搅拌均匀 60 s 后，将 胶凝材料和减水剂一起搅拌均匀 60 s，最后加水搅拌 60 s 成形; ( 3) 先将砂石和胶凝材料搅拌均匀 60 s 后，再加 水一起搅拌均匀 60 s，最后加入改性聚酯纤维搅拌 60 s 成形; ( 4) 将改性聚酯纤维与砂搅拌 60 s 后，加入约1 /3 水搅拌 30 s，再加入胶凝材料和减水剂搅拌 30 s，然后 加入石子搅拌均匀，最后加入剩余的水搅拌 60 s; ( 5) 先把纤维、减水剂和水混合浸泡 2 h 后，与胶 凝材料、粗细集料混合搅拌 180 s． 图 2 纤维混凝土图像中纤维识别的初始与识别后处理图像对比． ( a) 原始图像; ( b) 未处理的识别结果; ( c) 光照矫正和增强处理后的识 别结果 Fig． 2 Contrast of initial images and treated images to recognize fibers in the fiber reinforced concrete: ( a) original image; ( b) untreated recognition results; ( c) recognition results after illumination correction and enhancement processing 成型试件包括边长为 100 mm 的立方体，尺寸为 100 mm × 100 mm × 400 mm 的棱柱体，及直径 100 mm 高度 50 mm 的圆柱体． 试件成型 24 h 后拆模，随后将 所有试件放入温度为( 20 ± 3) ℃、湿度为 95% 以上的 标准养护室中养护至 28 d 龄期． 1. 3 纤维分散的图像处理法 纤维在混凝土中均匀分散使混凝土的性能表现出 各向同性，才能达到纤维掺入混凝土的预期效果，因此 纤维的分散度研究对混凝土性能的改善尤为重要． 本 文采用纤维分散的图像处理方法对新拌混凝土的纤维 分散度进行测定和分析，流程如图 1 所示． 图 1 纤维分散度测定与分析流程 Fig． 1 Measurement and analysis process of fiber dispersion degree 具体步骤如下: ( 1) 应用自行组装的 INNO 系列数字相机的光学 显微镜对新拌混凝土连续拍照，获得原始照片． ( 2) 基于二次函数的 ＲGB 三通道值缩放的图像 增强算法对原始图像进行光照矫正和增强，获得亮度 分布较为均匀的图像并将其转换为灰度值图像; 初始 图像的识别及其光照矫正和增强后的图像对比如图 2 所示． ( 3) 利用改进的渗流生长算法对处理后的图像进 行纤维检测，获取纤维占图像总面积的比例，通过集中 和离散趋势来分析纤维的分散度． 1. 4 改性聚酯纤维混凝土的耐久性试验 本文对改性聚酯纤维混凝土的耐久性也进行试验 ·1605·

·1606 工程科学学报，第38卷，第11期 研究，包括加速碳化、氯离子渗透和快速冻融循环试 验.试验方法分别简述如下. (1)加速碳化试验.依据GB/T50082一2009《普 通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中加速 碳化试验的规定，试件养护至规定龄期后，开始碳 化试验，加速碳化箱内中C02体积分数为20%，控制温 度为(20±2)℃，相对湿度为70%.待试件碳化至7、 14和28d时，取出相应试件，按照标准规定的方法测 定混凝土的碳化深度.首先用压力试验机将试件劈 开，每次劈开厚度应为试件宽度的一半，将试件剩余部 232 分的切段面封好后继续放入碳化箱至下一试验期.然 1一阳极板：2一阳极溶液：3一试件：4一阴极溶液：5一直流稳压电 后，对劈除部分的表面进行清理，去除残存的粉末，并 源：6一有机硅橡胶套：7一环箍：8一阴极板：9一支架：10一阴极试 立即喷上1%酚酞乙醇浓液，约30s后，按每10mm 验槽 个测量点测出断面各点的碳化深度.当测点处的碳化 图3RCM氯离子扩散系数试验测试装置示意图 Fig.3 RCM test equipment to measure the chloride diffusion coeffi- 分界线上刚好嵌有粗骨料颗粒时，可取该颗粒两侧处 cient 碳化深度的平均值作为该点的碳化深度，最后取所有 测点的平均值作为该试件的碳化深度. 计，以纤维频数与相同间距为依据作图，得到五种不同 (2)氯离子渗透试验.依据GB/T50082一2009 搅拌方式下纤维的分散情况，结果如图4所示.图中 《谱通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中 纤维比例分组的序号1~10各组代表的纤维比例依次 混凝土氯离子扩散系数快速测法(rapid chloride migra- 为0-0.01、0.01≈0.02、0.02~0.03、0.03-0.04、 tion,RCM),对混凝土的氯离子渗透性能进行试验测 0.05≈0.06、0.06-0.07、0.07-0.08、0.08≈0.09、 定和评价.首先将圆柱体试件表面刷洗洁净，将试件 0.09~0.1及0.1以上 在饱和面干状态下置于真空容器中进行真空饱水处 由结果可以发现：第一种搅拌方式纤维分布主要 理，然后将试件安装至RCM试验装置中，如图3所示， 集中在0.01~0.02和0.02~0.03之间，这两个间距 确保试件的圆柱曲面密封性良好.试件安装完成后， 之间的纤维比例占纤维总数的30%和32%，0.01以下 在橡胶套中注入约300mL浓度为0.3molL-的NaOH 占12%，而0.04以上则整体比例更小：第二种搅拌方 溶液：在阴极试验槽内注入12L质量分数为10%的 式的纤维分散比例主要集中在0.02~0.03之间，占纤 NaCl溶液，并使其液面与NaOH溶液的液面齐平.最 维总量的31%，0.01~0.02和0.03~0.04则分别占 后，将电源的阳极用导线连至橡胶筒中的阳极板，将阴 17%和22%，而两端的纤维分散比较少：第三种搅拌 极连至试验槽中的阴极板.试验结束后，测定氯离子 方式的纤维分散主要集中在0.02~0.03和0.03~ 的渗透深度，然后计算得到混凝土的非稳态氯离子扩 0.04之间，占总量的26%和25%，其次为0.01~0.02 散系数 和0.04~0.05之间，0.01以下和0.06以上的纤维分 (3)冻融循环试验.依据GB/T50082一2009《普 散较少，此种搅拌方式下纤维分散更为均匀，检测到的 通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，试件 纤维更多：第四种搅拌方式的纤维分散主要集中在 成型后放入标准养护室养护，到达试验龄期前4d将 0.02~0.03和0.03~0.04之间，占纤维总量的29% 试件取出放入(20±3)℃的水中浸泡.试验前将试件 和25%，0.01以下的纤维所占比例较大，而0.05以上 从水中取出，擦去表面水后测量自振频率，并称取质 纤维比例较少，此种搅拌方式纤维分散比较离散，各组 量，作为评定抗冻性的起始值.试验采用快速冻融法. 均未占很大的比例：第五种搅拌方式的纤维分散与第 每次冻融循环约为2.5h,试件中心的温度要严格控制 三种搅拌方式类似，主要集中在0.02~0.03和0.03~ 在(-17±2)℃和(8±2)℃之间.在每50次冻融循环 0.04之间，占纤维总量的25%和20.7%，纤维分布集 后，测定试件的质量变化和相对动弹性模量的变化，进 中在0.01~0.06之间，0.01以下和0.06以上的基本 而评价其抗冻性能 可以忽略，此种搅拌方式纤维分散比较好，两端的极值 情况都很少 2试验结果与讨论 搅拌方式对纤维分散有一定的影响，纤维分散基 2.1搅拌方式对纤维分散度的影响 本符合统计分布中正态分布的类型.除第一种搅拌方 根据图像处理得出的直接数据，对纤维比例（纤 式得到的均值偏小外，其余基本一致，五种搅拌方式下 维面积与整张图片面积的比值)按间距为0.01进行统 低含量的纤维分布差别小，高含量的分散差别较大，第

工程科学学报，第 38 卷，第 11 期 研究，包括加速碳化、氯离子渗透和快速冻融循环试 验． 试验方法分别简述如下． ( 1) 加速碳化试验． 依据 GB/T 50082—2009《普 通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中加速 碳化试验的规定［16］，试件养护至规定龄期后，开始碳 化试验，加速碳化箱内中 CO2体积分数为 20% ，控制温 度为( 20 ± 2) ℃，相对湿度为 70% ． 待试件碳化至 7、 14 和 28 d 时，取出相应试件，按照标准规定的方法测 定混凝土的碳化深度． 首先用压力试验机将试件劈 开，每次劈开厚度应为试件宽度的一半，将试件剩余部 分的切段面封好后继续放入碳化箱至下一试验期． 然 后，对劈除部分的表面进行清理，去除残存的粉末，并 立即喷上 1% 酚酞乙醇浓液，约 30 s 后，按每 10 mm 一 个测量点测出断面各点的碳化深度． 当测点处的碳化 分界线上刚好嵌有粗骨料颗粒时，可取该颗粒两侧处 碳化深度的平均值作为该点的碳化深度，最后取所有 测点的平均值作为该试件的碳化深度． ( 2) 氯离子渗透试验． 依据 GB/T 50082—2009 《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中 混凝土氯离子扩散系数快速测法( rapid chloride migra￾tion，ＲCM) ，对混凝土的氯离子渗透性能进行试验测 定和评价． 首先将圆柱体试件表面刷洗洁净，将试件 在饱和面干状态下置于真空容器中进行真空饱水处 理，然后将试件安装至 ＲCM 试验装置中，如图 3 所示， 确保试件的圆柱曲面密封性良好． 试件安装完成后， 在橡胶套中注入约300 mL 浓度为0. 3 mol·L － 1 的 NaOH 溶液; 在阴极试验槽内注入 12 L 质量分数为 10% 的 NaCl 溶液，并使其液面与 NaOH 溶液的液面齐平． 最 后，将电源的阳极用导线连至橡胶筒中的阳极板，将阴 极连至试验槽中的阴极板． 试验结束后，测定氯离子 的渗透深度，然后计算得到混凝土的非稳态氯离子扩 散系数． ( 3) 冻融循环试验． 依据 GB/T 50082—2009《普 通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，试件 成型后放入标准养护室养护，到达试验龄期前 4 d 将 试件取出放入( 20 ± 3) ℃ 的水中浸泡． 试验前将试件 从水中取出，擦去表面水后测量自振频率，并称取质 量，作为评定抗冻性的起始值． 试验采用快速冻融法． 每次冻融循环约为 2. 5 h，试件中心的温度要严格控制 在( － 17 ± 2) ℃和( 8 ± 2) ℃之间． 在每 50 次冻融循环 后，测定试件的质量变化和相对动弹性模量的变化，进 而评价其抗冻性能． 2 试验结果与讨论 2. 1 搅拌方式对纤维分散度的影响 根据图像处理得出的直接数据，对纤维比例( 纤 维面积与整张图片面积的比值) 按间距为 0. 01 进行统 1—阳极板; 2—阳极溶液; 3—试件; 4—阴极溶液; 5—直流稳压电 源; 6—有机硅橡胶套; 7—环箍; 8—阴极板; 9—支架; 10—阴极试 验槽 图 3 ＲCM 氯离子扩散系数试验测试装置示意图 Fig． 3 ＲCM test equipment to measure the chloride diffusion coeffi￾cient 计，以纤维频数与相同间距为依据作图，得到五种不同 搅拌方式下纤维的分散情况，结果如图 4 所示． 图中 纤维比例分组的序号 1 ～ 10 各组代表的纤维比例依次 为 0 ～ 0. 01、0. 01 ～ 0. 02、0. 02 ～ 0. 03、0. 03 ～ 0. 04、 0. 05 ～ 0. 06、0. 06 ～ 0. 07、0. 07 ～ 0. 08、0. 08 ～ 0. 09、 0. 09 ～ 0. 1 及 0. 1 以上． 由结果可以发现: 第一种搅拌方式纤维分布主要 集中在 0. 01 ～ 0. 02 和 0. 02 ～ 0. 03 之间，这两个间距 之间的纤维比例占纤维总数的 30% 和32% ，0. 01 以下 占 12% ，而 0. 04 以上则整体比例更小; 第二种搅拌方 式的纤维分散比例主要集中在 0. 02 ～ 0. 03 之间，占纤 维总量的 31% ，0. 01 ～ 0. 02 和 0. 03 ～ 0. 04 则分别占 17% 和 22% ，而两端的纤维分散比较少; 第三种搅拌 方式的纤维 分 散 主 要 集 中 在 0. 02 ～ 0. 03 和 0. 03 ～ 0. 04 之间，占总量的 26% 和 25% ，其次为 0. 01 ～ 0. 02 和 0. 04 ～ 0. 05 之间，0. 01 以下和 0. 06 以上的纤维分 散较少，此种搅拌方式下纤维分散更为均匀，检测到的 纤维更多; 第四种搅拌方式的纤维分散主要集中在 0. 02 ～ 0. 03 和 0. 03 ～ 0. 04 之间，占纤维总量的 29% 和 25% ，0. 01 以下的纤维所占比例较大，而 0. 05 以上 纤维比例较少，此种搅拌方式纤维分散比较离散，各组 均未占很大的比例; 第五种搅拌方式的纤维分散与第 三种搅拌方式类似，主要集中在 0. 02 ～ 0. 03 和 0. 03 ～ 0. 04 之间，占纤维总量的 25% 和 20. 7% ，纤维分布集 中在 0. 01 ～ 0. 06 之间，0. 01 以下和 0. 06 以上的基本 可以忽略，此种搅拌方式纤维分散比较好，两端的极值 情况都很少． 搅拌方式对纤维分散有一定的影响，纤维分散基 本符合统计分布中正态分布的类型． 除第一种搅拌方 式得到的均值偏小外，其余基本一致，五种搅拌方式下 低含量的纤维分布差别小，高含量的分散差别较大，第 ·1606·

陈建强等：改性聚酯纤维在混凝土中的分散性及对耐久性的影响 1607· 第一种 第二种 第三种 35 35 0 30 20 20 20 15 10 ☑☑a A AA. a☑☑ 4567 910 6 8 910 3 6 8910 纤维比例分组序号 纤维比例分组序号 纤维比例分组序号 第四种 第五种 ·-搅拌方式1 30 ·搅拌方式2 25 搅拌方式3 平搅拌方式4 25 20 ◆搅拌方式5 20 20 10 o 5 0a ☑ 5 6 8 910 0. 8 0 10 0.020.040.060.080.10 纤维比例分组序号 纤维比例分组序号 纤维面积比例 图4五种不同搅拌方式下改性聚酯纤维的分散情况 Fig.4 Dispersivity of modified polyester fibers by five different mixing processes 二种和第三种搅拌方式对纤维的分散相对较好.结合 化时间较短时(7d),掺加改性聚酯纤维的混凝土与基 实际制备过程中肉眼直接观察的实际效果，认为第三 准混凝土的碳化深度相差不大：但随着碳化时间的增 种搅拌方式即“砂石胶材60s+水60s+纤维60s”得 长，改性聚酯纤维混凝土的碳化深度有所降低，且纤维 到的纤维分散性最好 掺量越大，下降幅度越大，碳化14d时纤维掺量 2.2改性聚酯纤维对混凝土强度的性能研究 1.1kgm3和1.3kgm3的混凝土碳化深度分别降低 通过测定基准混凝土、不同样本的改性聚酯纤维 13.0%和18.2%，碳化28d时两种掺量下混凝土的碳 混凝土不同龄期的抗压强度，得出结果见表4.由结果 化深度也分别降低11.3%和17.5%.这说明改性聚 可以发现，与基准混凝土的抗压强度相比，改性聚酯纤 酯纤维混凝土具有一定的抗碳化能力，可以认为是新 维混凝土的强度有所提高，纤维掺量1.1kgm和1.3 加入的纤维在水泥砂浆中广泛分布相互交叉形成网络 kg"m3对强度的提升效果无明显差别，28d时强度的 结构，骨料下沉得到抑制，混凝土拌和物离析受阻，混 提高幅度均为14%左右，纤维掺量高于1.1kg·m3后 凝土中孔隙通道得以减少，混凝土的泌水也得以降低 对强度的贡献不再增加 同时，在浆体中广泛分布的纤维使混凝土拌和物的毛 8 表4基准混凝土与改性聚酯纤维混凝土的抗压强度 Table 4 Compressive strength of the reference concrete and the modified 6 polyester fiber reinforced concrete +R F1.1 抗压强度/MPa F1.3 混凝土 3d 7d 14d 28d R 10.7 23.0 27.1 33.7 F1.1 11.3 26.9 29.8 38.3 F1.3 12.0 26.6 30.7 38.7 15 20 25 30 碳化时间d 2.3改性聚酯纤维混凝土的碳化性能 图5基准混凝土和改性聚酯纤维混凝土经过不同碳化时间后 基准混凝土和不同样本的改性聚酯纤维混凝土经 的碳化深度 过不同时间的碳化试验后，测定各混凝土内部的碳化 Fig.5 Carbonation depth of the reference concrete and the modified 深度，结果如图5所示.由碳化结果可以明显看出：碳 polyester fiber reinforced concrete after different carbonation times

陈建强等: 改性聚酯纤维在混凝土中的分散性及对耐久性的影响 图 4 五种不同搅拌方式下改性聚酯纤维的分散情况 Fig． 4 Dispersivity of modified polyester fibers by five different mixing processes 二种和第三种搅拌方式对纤维的分散相对较好． 结合 实际制备过程中肉眼直接观察的实际效果，认为第三 种搅拌方式即“砂石胶材 60 s + 水 60 s + 纤维 60 s”得 到的纤维分散性最好． 2. 2 改性聚酯纤维对混凝土强度的性能研究 通过测定基准混凝土、不同样本的改性聚酯纤维 混凝土不同龄期的抗压强度，得出结果见表 4． 由结果 可以发现，与基准混凝土的抗压强度相比，改性聚酯纤 维混凝土的强度有所提高，纤维掺量 1. 1 kg·m － 3 和 1. 3 kg·m － 3 对强度的提升效果无明显差别，28 d 时强度的 提高幅度均为 14% 左右，纤维掺量高于 1. 1 kg·m － 3 后 对强度的贡献不再增加． 表 4 基准混凝土与改性聚酯纤维混凝土的抗压强度 Table 4 Compressive strength of the reference concrete and the modified polyester fiber reinforced concrete 混凝土 抗压强度/MPa 3 d 7 d 14 d 28 d Ｒ 10. 7 23. 0 27. 1 33. 7 F1. 1 11. 3 26. 9 29. 8 38. 3 F1. 3 12. 0 26. 6 30. 7 38. 7 2. 3 改性聚酯纤维混凝土的碳化性能 基准混凝土和不同样本的改性聚酯纤维混凝土经 过不同时间的碳化试验后，测定各混凝土内部的碳化 深度，结果如图 5 所示． 由碳化结果可以明显看出: 碳 化时间较短时( 7 d) ，掺加改性聚酯纤维的混凝土与基 准混凝土的碳化深度相差不大; 但随着碳化时间的增 长，改性聚酯纤维混凝土的碳化深度有所降低，且纤维 图 5 基准混凝土和改性聚酯纤维混凝土经过不同碳化时间后 的碳化深度 Fig． 5 Carbonation depth of the reference concrete and the modified polyester fiber reinforced concrete after different carbonation times 掺量 越 大，下 降 幅 度 越 大，碳 化 14 d 时 纤 维 掺 量 1. 1 kg·m － 3 和 1. 3 kg·m － 3 的混凝土碳化深度分别降低 13. 0% 和 18. 2% ，碳化 28 d 时两种掺量下混凝土的碳 化深度也分别降低 11. 3% 和 17. 5% ． 这说明改性聚 酯纤维混凝土具有一定的抗碳化能力，可以认为是新 加入的纤维在水泥砂浆中广泛分布相互交叉形成网络 结构，骨料下沉得到抑制，混凝土拌和物离析受阻，混 凝土中孔隙通道得以减少，混凝土的泌水也得以降低． 同时，在浆体中广泛分布的纤维使混凝土拌和物的毛 ·1607·