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聚丙烯腈纤维混凝土耐久性能试验研究

文档作者：王志旺1 杨鼎宜1 2 王金辉3 刘淼1 杨俊 1 文档来源： 1.扬州大学建筑科学与工程学院 2.扬州大学绿色建筑材料研究所 3.扬州市给水排水管理处		更新日期： 2026年04月04日	点击数：
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0 前言
混凝土是应用广泛的建筑材料袁具有价格低尧
强度高尧刚度大与防辐射等优点遥但是袁普通混凝土
存在韧性差尧抗拉强度低尧容易开裂等缺点袁这些缺
点使有害物质容易从裂缝侵入混凝土中袁导致混凝
土耐久性严重下降袁极大减少了混凝土在复杂环境
中的使用年限遥工程中所使用的混凝土不仅要满足
强度与刚度的条件袁而且还要满足耐久性的要求遥
已有大量研究表明袁钢纤维尧聚丙烯纤维以及混杂
纤维等掺入混凝土后袁能够弥补混凝土自身存在的
缺陷袁提高混凝土的抗裂能力袁增加混凝土的韧性袁
改善混凝土的内部结构袁提高其抗冻性尧抗渗性与
抗碳化能力等耐久性能[1-11]遥不同种类的纤维袁其性
能也不同[12]袁聚丙烯腈纤维渊PAN冤袁又称腈纶袁其分
子结构中具有极性亲水基团渊-CN冤袁使得PAN 纤维
在搅拌过程中能够均匀地分散在混凝土中袁且与混
凝土之间的黏结性能较好遥相比于聚丙烯纤维
渊PP冤袁PAN 纤维具有更高的强度与弹性模量[13]遥
目前袁关于PAN 纤维混凝土耐久性能方面的研
究相对较少袁鉴于此袁本文研究了不同水胶比PAN
纤维混凝土的抗冻性尧抗渗性及抗硫酸盐干湿循环
性能遥
1 试验方案
1.1 原材料
采用5耀20 mm 连续级配的碎石曰中砂曰自来水曰
P窑O 42.5 级水泥曰聚羧酸减水剂袁减水率为30%袁含
固量23%曰PAN 纤维袁体积掺量为0.1豫袁其各项性
能指标见表1遥
1.2 试验配合比
试验用配合比见表2遥
聚丙烯腈纤维混凝土耐久性能试验研究
王志旺1袁杨鼎宜1袁2袁王金辉3袁刘淼1袁杨俊1
渊1.扬州大学建筑科学与工程学院袁225127曰2.扬州大学绿色建筑材料研究所袁225127曰
3.扬州市给水排水管理处袁225127冤
摘要院为探寻聚丙烯腈纤维对不同强度等级混凝土耐久性的改善作用袁试验对水胶比为0.30尧0.35尧0.40尧0.45尧
0.50 的聚丙烯腈纤维混凝土的抗渗性尧抗冻性和抗硫酸盐干湿循环等耐久性能进行了研究遥结果表明袁掺入聚丙烯
腈纤维袁能够降低混凝土的渗水高度袁抑制混凝土相对动弹性模量的降低袁提高混凝土的抗压强度增长率和抗压强
度耐蚀系数袁从而改善混凝土的抗渗性尧抗冻性以及抗硫酸盐干湿循环等耐久性能遥
关键词院聚丙烯腈纤维混凝土曰抗渗性曰抗冻性曰抗干湿循环性能
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
中图分类号院TU528.572 文献标识码院A doi:10.19761/j.1000-4637.2019.11.049.04
基金项目院国家自然科学基金项目渊51578479尧51708483冤曰国
家重点研发计划项目渊2016YFB0303104尧2018YFD1101002-
05冤曰2018 年市级计划原市校合作专项项目渊YZ2018139冤遥
表1 PAN 纤维的性能指标
密度
/渊g/cm3冤
直径
/滋m
长度
/mm
弹性模量
/GPa
抗拉强度
/MPa
1.18 22.73 12 5.826 307.39
表2 混凝土配合比
砂石水水泥粉煤灰纤维减水剂
JZ混凝土
PAN纤维混凝土
750
750
1 035
1 035
171
171
343
343
86
86
0
1.2
0.429
0.429
kg/m3
圆园19年第11 期混凝土与水泥制品圆园19 晕燥.11
11 月悦匀陨晕粤悦韵晕悦砸耘栽耘粤晕阅悦耘酝耘晕栽孕砸韵阅哉悦栽杂November
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1.3 试验方法
参照GB/T 50082要2009叶普通混凝土长期性能
和耐久性能试验方法标准曳[14]进行抗冻性尧抗渗性及
抗硫酸盐干湿循环性能试验遥
2 抗渗性能试验
按照标准要求袁测得混凝土水渗透高度以及水
渗透高度比见图1和图2遥
抗渗性试验采用渗水高度法袁混凝土抗渗性通
过水渗透高度来表示袁水渗透高度越小袁表明抗渗
性越好遥由图1可知袁PAN 纤维混凝土与JZ混凝土
的渗水高度随着水胶比的增大而增大袁PAN 纤维混
凝土与JZ混凝土的渗水高度随着水胶比的提高袁两
者之间的差值也随之增大遥这是因为低水胶比混凝
土自身内部比较密实袁骨料和水泥浆体界面之间的
黏结力较大袁混凝土内部自由水较少袁由自由水的
迁移和泌水而造成的连通孔道较少袁抗渗性能因此
得到提高遥而高水胶比混凝土自身内部密实性较
差袁其内部自由水较多袁由自由的水迁移及泌水而
形成的孔洞与缺陷就较多袁抗渗性能因此下降遥对
比同一水胶比的两类混凝土可以发现袁PAN 纤维混
凝土的渗水高度要低于JZ混凝土袁说明PAN 纤维
的加入袁有利于提高混凝土的抗渗性[15]遥
由图2 可以看出袁随着水胶比的提高袁水渗透
高度比呈现逐渐下降趋势袁0.30 水胶比混凝土的水
渗透高度比为0.89袁0.50 水胶比混凝土的水渗透高
度比降至0.82袁说明PAN 纤维的掺入对于高水胶比
混凝土抗渗性的提高幅度更大遥这是因为在混凝土
中掺入PAN 纤维后袁由于其杂乱地分布在混凝土
中袁形成了空间网状结构袁减少了新拌混凝土的离
析袁提高了混凝土的保水性袁减少了硬化后混凝土
中的孔道与缺陷袁从而提高了混凝土的抗渗性曰另
一方面袁由于保水性的改善使得水泥浆体在混凝土
中的水化更加均匀尧彻底袁抗渗性得到提高遥此外袁
PAN 纤维可有效抑制混凝土早期裂缝的产生与发
展袁减少混凝土中的缺陷袁从而改善了混凝土的抗
渗性[16-17]遥
3 抗冻性试验
抗冻试验采用的是快冻法袁混凝土的抗冻性是
通过混凝土在冻融循环后的相对动弹性模量来表
示的袁相对动弹性模量越高袁说明混凝土的抗冻性
能越好遥本试验每进行25 次循环后用DT-20 动弹
仪检测混凝土的动弹性模量袁依据规范给出的公式
计算每次循环试验后的相对动弹性模量遥
图3 为相对动弹性模量随循环次数的变化关
系曲线遥由图3 可知袁各水胶比混凝土的相对动弹
性模量随冻融循环次数的增加逐渐下降袁PAN 纤维
的加入袁可以有效抑制混凝土相对动弹性模量的降
低袁提高了混凝土的抗冻性遥从图3渊a冤中0.50 水胶
比混凝土与图3 渊b冤中0.45 水胶比混凝土可以看
出袁经过25 次冻融循环后袁PAN 纤维混凝土的相对
动弹性模量明显大于JZ混凝土袁随着冻融循环次数
的增加袁两者之间的差值变大遥从图3渊c冤尧渊d冤尧渊e冤
可以看出袁0.3尧0.35尧0.4 水胶比JZ混凝土与PAN 纤
维混凝土经过25 次冻融循环后袁相对动弹性模量
相差并不大袁但随着冻融循环次数的增加袁两者的
相对动弹性模量的差值不断加大袁说明在冻融循环
早期袁冻融循环次数较少袁PAN 纤维掺入低水胶比
混凝土中对抗冻性提高不是特别明显遥但到冻融循
环后期袁随着冻融循环次数的不断增加袁PAN 纤维
对低水胶比混凝土抗冻性的提高作用越来越明显袁
PAN 纤维混凝土的相对动弹性模量高于JZ 混凝
土袁且PAN 纤维混凝土的相对动弹性模量与JZ 混
凝土的差值也越来越大遥
可见袁PAN 纤维能有效提高混凝土的抗冻性遥
混凝土属多孔材料袁受冻损伤破坏的原因主要是混
凝土孔隙里的水在低温条件下结冰袁结冰后体积膨
胀逐渐产生静水压力与渗透压力袁当由这两种压力
所产生的内部拉应力超过混凝土的抗拉极限值时袁
就会产生微裂缝遥随着冻融次数的增加袁混凝土中
的微裂缝不断扩展袁损伤不断积累袁直至混凝土破
图2 混凝土水渗透高度相对值
0.30 0.35 0.40 0.45 0.50
水胶比
图1 水渗透高度与水胶比的关系
0.30 0.35 0.40 0.45 0.50
水胶比
JZ
PAN
JZ PAN
100
80
60
40
20
0
1.2
0.9
0.6
0.3
0.0
圆园19年第11 期混凝土与水泥制品总第283 期
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图3 混凝土相对动弹性模量随循环次数变化情况
25 50 75 100 循环次数/次
渊d冤水胶比0.35
渊a冤水胶比 0.50 渊b冤水胶比 0.45 渊c冤水胶比 0.40
渊e冤水胶比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
坏遥PAN纤维能够提高混凝土抗冻性的原因主要包
括三个方面院淤PAN 纤维直径较小袁数量较多袁纤维
之间的间距较小袁PAN 纤维能够在混凝土中乱向分
布袁形成空间网状结构袁减少了新拌混凝土的离析袁
提高了混凝土的保水性袁使混凝土硬化后更加均匀
密实袁抗冻性得到改善曰于PAN 纤维掺入混凝土中袁
减少了混凝土在硬化的过程中所产生的原生裂缝袁
减小了裂缝尺寸袁从而提高了抗冻性能曰盂掺入
PAN纤维能够有效提高混凝土的抗拉强度袁改善混
凝土的力学与变形性能袁提高混凝土在冻融循环过
程中能量的吸收与消耗袁不但有效阻止了微裂缝的
扩展袁而且阻止了外部水分的进入袁减缓了混凝土
的冻胀开裂袁从而提高了混凝土的抗冻性[18-19]遥
4 抗硫酸盐干湿循环性能试验
4.1 干湿循环后混凝土抗压尧抗压强度增长率分析
图4 为JZ混凝土与PAN 纤维混凝土经过硫酸
盐干湿循环后的抗压强度袁图中袁BY 表示标准养
护袁XH表示经过硫酸盐干湿循环遥由图4 可知袁JZ
混凝土与PAN 纤维混凝土的抗压强度总体随干湿
循环次数的增加先升高后降低遥对比两类混凝土的
抗压强度增长率不难发现袁PAN 纤维混凝土的增长
率总体上要高于JZ混凝土遥经过30次硫酸盐干湿
循环过后袁JZ 混凝土与PAN 纤维混凝土的抗压强
度在总体上高于同期标准养护试件曰经过90 次硫
25 50 75 100 循环次数/次
25 50 75 100 循环次数/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 循环次数/次25 50 75 100 循环次数/次
图4 混凝土标准养护与干湿循环后抗压强度变化情况
30 60 90 120 150 180 210 240 270
循环次数/次
渊d冤水胶比0.35
30 60 90 120 150 180 210 240 270
循环次数/次
渊a冤水胶比0.50
30 60 90 120 150 180 210 240 270
循环次数/次
渊c冤水胶比0.40
30 60 90 120 150 180 210 240 270
循环次数/次
渊b冤水胶比0.45
30 60 90 120 150 180 210 240 270
循环次数/次
渊e冤水胶比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
王志旺袁杨鼎宜袁王金辉袁等 聚丙烯腈纤维混凝土耐久性能试验研究
- 51 -
酸盐干湿循环过后袁两类混凝土的抗压强度逐渐低
于标准养护试件曰经过150 次硫酸盐干湿循环过
后袁两类混凝土的抗压强度总体要小于同期标准养
护试件曰经过210 次尧270 次硫酸盐干湿循环后袁抗
压强度开始逐渐降低袁且小于同期标准养护试件遥
这是由于在干湿循环初期渊30 次冤袁湿热的环境对混
凝土试件起到了养护作用袁水泥在湿热环境中继续
水化袁同时袁溶液中的SO42-与水泥水化产物发生反
应袁生成石膏与钙矾石等袁对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实度袁混凝
土抗压强度因而得到提升袁此时的循环作用要大于
标准养护作用袁因此袁经过干湿循环试件的抗压强
度要高于标准养护试件曰到干湿循环后期渊210 次尧
270 次冤袁由于干湿循环的持续作用袁混凝土发生疲
劳破坏袁外部的硫酸盐溶液渗入混凝土中袁对混凝
土起到了一定的腐蚀破坏作用袁导致抗压强度逐渐
降低袁标准养护试件的抗压强度更高[20-21]遥
4.2 干湿循环后混凝土抗压强度耐蚀系数分析
根据GB/T 50082要2009 提供的公式院
Kf = ffcn c0 伊100%
式中院Kf 为抗压强度耐蚀系数曰fcn 为N 次干湿
循环后的抗压强度曰fc0为同期标准养护抗压强度遥
表6为PAN 纤维混凝土的抗压强度耐蚀系数袁
由表6 可知袁两类混凝土的抗压强度耐蚀系数总体
随干湿循环次数的增加而呈现逐渐降低的趋势遥对
比两类混凝土的抗压强度耐蚀系数可以看出袁PAN
纤维混凝土的抗压强度耐蚀系数总体上要高于JZ
混凝土袁说明PAN纤维混凝土抗硫酸盐干湿循环性
能比JZ混凝土更好遥
5 结论
渊1冤PAN 纤维能够提高混凝土的抗渗性袁降低
混凝土的水渗透高度袁低水胶比混凝土本身抗渗性
较好袁故PAN 纤维的加入对高水胶比混凝土抗渗性
的改善效果更为明显遥
渊2冤PAN 纤维的掺入袁可使混凝土相对动弹性
模量平均提高7.58%袁使各水胶比混凝土的抗冻性
均得到提高袁随着冻融次数的增加袁纤维的作用越
加明显遥低水胶比混凝土自身抗冻性好袁经100 次
冻融循环后相对动弹性模量仍然保持在85%以上遥
渊3冤PAN 纤维可提高混凝土的抗压强度增长率袁
掺加PAN 纤维后抗压强度耐蚀系数平均提高
3.5%袁并可改善混凝土抗硫酸盐干湿循环性能遥
参考文献院
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收稿日期院2019-04-16
作者简介院王志旺渊1993-冤袁男袁硕士研究生遥
联系电话院18361311942
通讯作者院杨鼎宜渊1965-冤袁女袁教授尧博导遥
E-mail院ydy1991@163.com
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