粉煤灰是燃料在燃烧时产生的气体中携带的固体颗粒物，对环境和人体有着不良影响。目前煤依旧是我国主要的电力来源，如果对其产生的大量粉煤灰不加以管控和处理，势必造成环境污染。此外，粉煤灰属于火山灰质材料，胶凝能力较差，但常温下可与混凝土中的物质发生水化反应，并生成难溶于水的水化硅酸钙，可以对混凝土内部孔隙起到填充作用，对于提高混凝土的抗渗能力和抗压能力有明显的效果。随着技术的发展，粉煤灰等固体废弃物的回收效率也在不断提高，粉煤灰的获取方式也方便快捷［2-3］。聚丙烯纤维具有价格低廉和易于获取等优点，作为一种能够增加韧性的材料被广泛应用于混凝土中。在素混凝土中加入聚丙烯纤维有利于提高混凝土的抗裂、抗拉和抗折等能力［4-6］。聚丙烯纤维还能减缓冻融损伤，改善混凝土内部的孔结构，提高混凝土在长期荷载作用下的耐久性和抗折性能［7-8］。

为满足当前经济发展和材料性能的要求，本试验通过在混凝土中加入不同含量的粉煤灰和聚丙烯纤维，来研究两种材料含量的变化对混凝土抗压和抗折强度的影响，为制备高性能混凝土和提高固体废弃物粉煤灰的利用率提供理论依据和数据参考。

1 试验部分

1.1 原材料

试验采用华新牌P·O32.5级普通硅酸盐水泥，其性能指标满足GB175—2007［9］的要求。采用河南郑州生产的Ⅰ级粉煤灰，其细度为43 μm，密度为2.4 g/cm3，含水量为0.5%。减水剂采用山东莱阳宏祥外加剂厂生产的高效减水剂，无污染，对钢筋无锈蚀作用，减水率为18%~25%。聚丙烯纤维采用河北省廊坊生产的单丝束状聚丙烯纤维，其基本参数见表1。

1.2 配合比设计

试验以混凝土强度等级C30为设计指标，采用的水胶比为0.44，砂率为33%，聚丙烯纤维掺入的质量分数分别为0、0.23%、0.45%；粉煤灰掺入的质量分数分别为0%、10%、20%，每组制作3个试件，混凝土试件的配合比数据见表2。

表2 材料配合比设计

Tab. 2 Material mix design kg/m3

[编号 水泥 粉煤灰 聚丙烯纤维 减水剂 1 400 0 0.0 3.2 2 400 0 0.9 3.2 3 400 0 1.8 3.2 4 360 40 0.0 3.2 5 360 40 0.9 3.2 6 360 40 1.8 3.2 7 320 80 0.0 3.2 8 320 80 0.9 3.2 9 320 80 1.8 3.2 ]

1.3 试样制备

混凝土抗压试验的试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，抗折试验的试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm。制备试件过程中，控制混凝土的塌落度在160~180 mm范围内。将制备好的混凝土试件在标准条件下放置24 h后，进行编号、拆模和养护。

1.4 抗压试验

混凝土试件在标准养护室内达到28 d养护龄期后，在万能压力机上进行抗压试验，根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》GB/T 50081—2019［10］按式（1）计算试件的抗压强度：

fcc=F/A （1）

式（1）中：fcc为试件抗压强度，MPa；F为试件破坏荷载，kN；A为试件承压面积，mm。

1.5 抗折试验

将混凝土抗折试件放到万能压力机上进行抗折试验，根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》GB/T 50081——2019［10］，当断面发生在2个试件的加荷点之间时，抗折强度按式（2）计算：

ff =FL/（bh2） （2）

式（2）中：F为极限荷载，kN；L为支座间距离，mm；b为试件宽度，mm；h为试件高度，mm。

2 结果与讨论

取每组中所有试件抗压强度和抗折强度的算术平均值作为该组的抗压强度和抗折强度，各组抗压强度和抗折强度如图1所示。

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图1 粉煤灰与聚丙烯纤维掺量对混凝土力学性能的

影响：（a）抗压强度，（b）抗折强度

Fig. 1 Effects of fly ash and polypropylene fiber blending on mechanical properties of concrete：（a）compressive strength，（b）flexural strength

2.1 抗压强度

由图1（a）可知，聚丙烯纤维质量分数为0.23%和0.45%时，混凝土的抗压强度随粉煤灰质量分数先增大后减小；当聚丙烯纤维质量分数为0时，混凝土抗压强度随粉煤灰质量分数的增加而增加。当粉煤灰质量分数为10%、聚丙烯纤维质量分数为0.23%时，混凝土的抗压强度表现较好。

分析其原因：在混凝土材料发生水化反应时，粉煤灰可以起到一定的养护作用；同时，粉煤灰通过自身特有的微集料作用对混凝土的徐变产生抑制，从而提高混凝土抗压强度［11-12］。因此，未掺入聚丙烯纤维且粉煤灰掺量适量时，混凝土抗压强度随掺入粉煤灰质量分数的增加而提高。当聚丙烯纤维质量分数达到一定值时，聚丙烯纤维在拌和过程中不能均匀分散，会在混凝土中产生聚团现象，导致混凝土内部孔隙增加［13］，从而降低混凝土的完整性和连续性。混凝土的抗压强度主要由胶凝材料和骨料构成的骨架承担，随着聚丙烯纤维掺量的增加，在垂直轴向压力的断面上，混凝土胶凝材料所占面积相对减少，其承受的压应力相对增加，从而导致试件整体抗压强度反而降低［14］。

2.2 抗折强度

由图1（b）可知，同一聚丙烯纤维质量分数条件下，抗折强度随粉煤灰掺量增大呈先升高后降低趋势。同一粉煤灰质量分数条件下，抗折强度随聚丙烯纤维质量分数的增加也呈先升高后降低趋势。当聚丙烯纤维质量分数为0.23%和粉煤灰质量分数为10%时，抗折强度较好。

分析其原因：由于聚丙烯纤维质量分数高于一定值时，聚丙烯纤维不能均匀分散，会在混凝土内部结团，抗折强度反而随着掺量的增加而降低［15］。在拌和混凝土的过程中，粉煤灰会发生水化反应，能够提高混凝土的抗折性能。同时聚丙烯纤维也能与水泥胶体形成网格结构，这种结构能够提高混凝土的黏聚力，从而增大混凝土的抗折强度［16］。但应控制聚丙烯纤维的质量分数在0.23%左右，防止由于聚丙烯纤维不能均匀分散而造成混凝土抗折强度的降低。

3 结 论

（1）聚丙烯纤维质量分数为0时，粉煤灰发生水化反应，混凝土的抗压强度随粉煤灰质量分数的增加而提高；聚丙烯纤维质量分数为0.23%和0.45%时，因聚丙烯聚团，混凝土的抗压强度随粉煤灰质量分数的增加而先提高后降低。

（2）同时掺入粉煤灰和聚丙烯纤维时，随着两种材料掺量的增加，混凝土的抗折强度均呈先升高后降低趋势。主要原因是聚丙烯纤维能通过加筋作用提高混凝土抗折强度，但掺量过大时会因聚团作用导致混凝土抗折强度降低。粉煤灰发生水化反应，能够对混凝土中集料颗粒起到一定弱胶结作用，从而提高抗折强度；但粉煤灰掺量过大时，则会取代部分水泥，弱化了整体胶结效果，从而导致混凝土抗折强度降低。

（3）当聚丙烯纤维质量分数为0.23%、粉煤灰质量分数为10%时，混凝土的抗压强度和抗折强度均达到较高水平。