黃 河，馬芹永

(1.安徽理工大學(xué)礦山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001； 2.安徽理工大學(xué)省部共建深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；3.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

自密實(shí)混凝土(Self-Compacting Concrete)是指不需要振搗，通過自身重力即可均勻密實(shí)的填充整個(gè)模板的混凝土[1]。具有施工噪音小、免振搗、抗離析性好等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。為了響應(yīng)我國(guó)的綠色施工的政策，自密實(shí)混凝土的應(yīng)用越來越廣泛[4-5]。與普通混凝土相比，自密實(shí)混凝土水膠比小，漿料用量大，脆性更加明顯，自身收縮要比普通混凝土大，極易形成早期裂縫，加速結(jié)構(gòu)劣化，影響結(jié)構(gòu)正常使用。因此向自密實(shí)混凝土中添加纖維是改善脆性提高韌性的有效途徑[6-9]。

近年來，針對(duì)混雜纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[10]在混凝土中摻入多元混雜纖維，發(fā)現(xiàn)三元混雜纖維明顯改善混凝土的脆性破壞特征；文獻(xiàn)[11]發(fā)現(xiàn)混雜纖維改善了自密實(shí)混凝土的彎曲韌性，鍍銅微鋼纖維和納米碳纖維在開裂的不同時(shí)期發(fā)揮改性的作用；文獻(xiàn)[12]向自密實(shí)混凝土中摻入不同幾何形狀的鋼纖維，發(fā)現(xiàn)在滿足工作性能的前提下，混雜纖維可有效提高彎曲韌性，改善梁的屈服荷載和極限荷載；文獻(xiàn)[13]認(rèn)為聚丙烯纖維與芳綸纖維混雜增強(qiáng)水泥砂漿有利于纖維性能的發(fā)揮。

目前對(duì)普通混凝土進(jìn)行混雜纖維的試驗(yàn)研究較多，對(duì)混雜纖維自密實(shí)混凝土的研究分析鮮有報(bào)道。本文對(duì)養(yǎng)護(hù)28d，不同摻量的鋼纖維、聚丙烯纖維及兩種混雜纖維自密實(shí)混凝土進(jìn)行工作性能和基本力學(xué)性能研究，以期得到鋼纖維、聚丙烯纖維對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用產(chǎn)自淮南市八公山水泥廠的42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥； 淮河中砂， 細(xì)度模數(shù)為2.6， 含泥量約為0.91%， 粒徑小于20mm的連續(xù)級(jí)配碎石；淮南市平圩電廠生產(chǎn)的一級(jí)粉煤灰，密度為2 300kg/m3，比表面積2 500～2 700cm2/g；江蘇蘇博特聚羧酸系高效減水劑；潔凈的自來用水；鋼纖維選用贛州大業(yè)金屬纖維有限公司生產(chǎn)的30mm，直徑0.5mm的鋼絲端鉤型鋼纖維，聚丙烯纖維選用湖南長(zhǎng)沙生產(chǎn)的長(zhǎng)15mm，直徑18～48μm的束狀單絲型聚丙烯纖維。

1.2 試驗(yàn)配合比

根據(jù)《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》JGJT 283-2012所給出的自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)方法得出試驗(yàn)配合比，具體如表1所示。

考慮自密實(shí)混凝土對(duì)工作性能的要求，對(duì)不同體積摻量的鋼纖維、聚丙烯纖維及兩者混摻對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能和基本力學(xué)性能進(jìn)行研究，試塊分組具體如表2所示。

表1 試驗(yàn)配合比 kg

表2 纖維摻和方式

注：SF為鋼纖維，PP為聚丙烯纖維。其中SF20為鋼纖維摻量為0.2%，PP10為聚丙烯纖維摻量0.1%。

1.3 試驗(yàn)攪拌方式

表2中16組攪拌投料順序如下：先將稱好的粗細(xì)骨料放入攪拌機(jī)不加水?dāng)嚢?0s，將纖維打散放入攪拌機(jī)攪拌1min。接著將膠凝材料放入攪拌機(jī)不加水?dāng)嚢?0s，然后將三分之二的水加入攪拌1min，最后將減水劑和剩余的水加入攪拌機(jī)攪拌1min。

1.4 工作性能試驗(yàn)

工作性能試驗(yàn)根據(jù)文獻(xiàn)[14]采用坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)與J環(huán)試驗(yàn)。

通過測(cè)量坍落擴(kuò)展度的大小來評(píng)價(jià)流動(dòng)性的大小。流動(dòng)性越大，混凝土的填充能力越強(qiáng)。

通過測(cè)量J環(huán)兩個(gè)垂直方向圓鋼內(nèi)外混凝土高差Δh、混凝土坍落擴(kuò)展度與J環(huán)擴(kuò)展度的差值即間隙通過性指標(biāo)(PA)來衡量自密實(shí)混凝土的間隙通過性是否合格。

1.5 力學(xué)性能試驗(yàn)

按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB50081-2002對(duì)不同種類、不同纖維摻量尺寸為100mm×100mm×100mm養(yǎng)護(hù)28d的混凝土試塊進(jìn)行立方體抗壓試驗(yàn)和劈裂抗拉試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 工作性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同摻量的纖維自密實(shí)混凝土工作性能試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，16組自密實(shí)混凝土的坍落擴(kuò)展度基本在650～800mm之間，滿足流動(dòng)性的要求。與單摻纖維自密實(shí)混凝土相比，混雜纖維降低自密實(shí)混凝土的工作性能更加明顯，當(dāng)鋼纖維摻量為0.6%，聚丙烯纖維摻量為0.2%時(shí)，工作性能最差，比未添加纖維組小50mm。

表3 工作性能試驗(yàn)結(jié)果

坍落擴(kuò)展度與J環(huán)坍落擴(kuò)展度的差值均在0～50mm范圍內(nèi)，且鋼筋邊緣處無骨料集中。根據(jù)J環(huán)鋼筋內(nèi)外高度差的結(jié)果可知，當(dāng)鋼纖維摻量為0.6%時(shí)，Δh大于10mm，SF60PP20組達(dá)17mm，大大降低混凝土的間隙通過性能，聚丙烯纖維對(duì)間隙通過性影響很小。

新拌纖維混凝土中纖維與粗骨料之間存在相互作用，阻礙了混凝土的流動(dòng)，造成工作性能的損失。由于聚丙烯纖維屬于柔性纖維，相互作用力小，對(duì)工作性能影響較小。反之，鋼纖維剛度較大，與粗骨料之間的作用力大，對(duì)工作性能影響較大。

因此在本試驗(yàn)條件下鋼纖維對(duì)流動(dòng)性能和間隙通過性均有較大的影響，聚丙烯纖維對(duì)流動(dòng)性能和間隙通過性能無明顯降低。且當(dāng)鋼纖維摻量達(dá)0.6%時(shí)，則達(dá)不到工作性能的要求。

2.2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1為不同纖維摻量下抗壓強(qiáng)度的變化趨勢(shì)。由圖1可知，纖維摻入后，抗壓強(qiáng)度波動(dòng)范圍不大。單摻聚丙烯纖維的抗壓強(qiáng)度為47.77MPa、46.03MPa、44.17MPa，較未添加纖維混凝土分別提高了6.4%、2.5%、-1.6%。單摻鋼纖維可提高抗壓強(qiáng)度，當(dāng)鋼纖維摻量為0.2%、0.4%、0.6%時(shí)，抗壓強(qiáng)度分別為44.6MPa、49.32MPa、51.3MPa，較未添加纖維混凝土分別提高了0%、9.8%、14.3%。在鋼纖維摻量為0.6%，聚丙烯纖維摻量為0.2%時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值52.98MPa，大于單摻纖維組抗壓強(qiáng)度最大值，較未添加纖維混凝土提高了18%。

圖1 不同纖維摻量的抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)

纖維在混凝土呈現(xiàn)三維亂向分布，可一定程度上阻止粗細(xì)骨料下沉，減少沉降裂縫的出現(xiàn)，有效抑制微裂隙生成，使混凝土具有更好的整體性。但纖維具有不親水性和較大的比表面積，使纖維表面具有比水泥基質(zhì)更高的水灰比，出現(xiàn)纖維-基質(zhì)弱界面效應(yīng)。當(dāng)混凝土中的弱界面效應(yīng)強(qiáng)于纖維對(duì)整體性的提高時(shí)，抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)降低的現(xiàn)象。相反，抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)增強(qiáng)的現(xiàn)象。由于纖維與水泥基質(zhì)具有一定的黏結(jié)強(qiáng)度，可增加混凝土的韌性，改善混凝土的脆性破壞特征如圖2所示。

圖2為未添加纖維與兩種單摻纖維混凝土抗壓強(qiáng)度破壞形態(tài)。由圖2(a)可看出，未添加纖維混凝土破壞后出現(xiàn)表面混凝土層大量剝落的現(xiàn)象，呈正倒角錐形。由圖2(b)可知單摻聚丙烯纖維混凝土出現(xiàn)較多小寬度的裂縫，無大碎屑掉落，具有相對(duì)完整的狀態(tài)。由圖2(c)可看出單摻鋼纖維混凝土出現(xiàn)一條較寬裂縫，同時(shí)有較多小碎屑掉落，由于鋼纖維端鉤與混凝土有較大的黏結(jié)力，在裂縫寬度較大的情況下，仍然保證試塊裂而不散的狀態(tài)。

(a)未添加纖維 (b)單摻聚丙烯纖維 (c)單摻鋼纖維圖2 未添加纖維與兩種單摻纖維混凝土抗壓試驗(yàn)破壞形態(tài)

圖3為混雜纖維混凝土抗壓試驗(yàn)破壞形態(tài)。由圖3可知，混雜纖維混凝土破壞后出現(xiàn)少量的混凝土碎屑剝落，且均無大寬度的貫穿裂縫出現(xiàn)，綜合了單摻聚丙烯纖維與單摻鋼纖維的混凝土破壞特征，表明兩種纖維混雜更有利于纖維性能的發(fā)揮。在試塊失效破壞后，仍具有殘余強(qiáng)度，表現(xiàn)出塑性破壞特征，與未添加纖維組相比有較好的完整性。

圖3 混雜纖維混凝土抗壓試驗(yàn)破壞形態(tài)

2.3 劈裂抗拉試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖4為不同纖維摻量下抗拉強(qiáng)度變化趨勢(shì)。由圖4可知，纖維的摻入可提高自密實(shí)混凝土的抗拉強(qiáng)度。單摻聚丙烯纖維時(shí)抗拉強(qiáng)度為3.11MPa、3.36MPa、3.43MPa，較未添加纖維混凝土分別提高13.1%、22.2%、24.7%；單摻鋼纖維時(shí)抗拉強(qiáng)度為3.84MPa、3.9MPa、5.28MPa，抗拉強(qiáng)度分別提高39.6%、41.8%、92%?？梢婁摾w維具有更顯著的增強(qiáng)作用?；祀s纖維均提高混凝土的抗拉強(qiáng)度，當(dāng)鋼纖維摻量為0.6%，聚丙烯纖維摻量為0.15%時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值為5.31MPa，較未添加纖維混凝土提高了93%，大于單摻纖維組的抗拉強(qiáng)度。

圖4 不同纖維摻量的抗拉強(qiáng)度變化趨勢(shì)

混凝土試塊在承受拉力作用時(shí)，截面各點(diǎn)承受的拉力是不均勻的，存在大量不規(guī)則的應(yīng)力集中點(diǎn)，纖維的加入可分擔(dān)混凝土的內(nèi)應(yīng)力，減少應(yīng)力集中的現(xiàn)象出現(xiàn)，從而推遲裂縫的出現(xiàn)。當(dāng)裂縫傳遞到纖維時(shí)，裂縫傳遞即可被阻斷或延遲。高彈模的鋼纖維可承擔(dān)不超過其與基質(zhì)黏結(jié)強(qiáng)度的力，低彈模的聚丙烯纖維受力時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的伸長(zhǎng)變形，從而出現(xiàn)應(yīng)力松弛，因此鋼纖維對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度的提高更顯著。與抗壓強(qiáng)度相似，兩種纖維與基質(zhì)的黏結(jié)改善混凝土抗拉時(shí)的破壞形態(tài)，具體如圖5所示。

(a)未添加纖維 (b)單摻聚丙烯纖維 (c)單摻鋼纖維圖5 未添加纖維與兩種單摻纖維混凝土的抗拉試驗(yàn)破壞形態(tài)

圖5(a)為未添加纖維與兩種單摻纖維抗拉試驗(yàn)的破壞形態(tài)。未添加纖維混凝土失效破壞為兩個(gè)混凝土塊，脆性破壞特征明顯。由圖5(b)知單摻聚丙烯纖維組在失效破壞后出現(xiàn)一條主貫穿裂縫，四周有細(xì)微的裂縫出現(xiàn)?？捎^察到拔出、拔斷的聚丙烯纖維。圖5(c)為單摻鋼纖維組，試塊失效破壞后，出現(xiàn)一條小寬度的貫穿裂縫，仍具有較大的殘余強(qiáng)度，無纖維拔出現(xiàn)象。

圖6為混雜纖維抗拉試驗(yàn)破壞形態(tài)。混雜纖維試塊在加載初期出現(xiàn)一條主貫穿裂縫，四周伴有細(xì)小裂縫發(fā)展，在試塊失效破壞后貫穿裂縫的寬度無明顯擴(kuò)張，具有較大的殘余強(qiáng)度，試塊較未添加纖維混凝土具有相對(duì)完整性，說明混雜纖維有效的改善了試塊的脆性破壞特征。

圖6 混雜纖維抗拉試驗(yàn)破壞形態(tài)

2.4 混雜效應(yīng)分析

為了更好地分析兩種纖維混雜對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，采用混雜系數(shù)αA-B≥1評(píng)價(jià)混雜纖維的正負(fù)混雜效應(yīng)[15]，如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

式中：f為纖維混凝土的強(qiáng)度，MPa；fm為未添加纖維混凝土強(qiáng)度，MPa；βi為纖維增強(qiáng)混凝土相對(duì)于未添加纖維混凝土的增強(qiáng)系數(shù)，i=A、B、A-B，A、B分別代表鋼纖維、聚丙烯纖維。當(dāng)αA-B≥1時(shí)，為正混雜效應(yīng)；當(dāng)αA-B<1時(shí)，為負(fù)混雜效應(yīng)。表4為各組纖維混凝土的混雜系數(shù)。由表4可知，當(dāng)鋼纖維摻量為0.6%，聚丙烯纖維摻量為0.2%時(shí)，抗壓強(qiáng)度混雜系數(shù)達(dá)到最大值為1.04，而抗拉強(qiáng)度的混雜系數(shù)卻達(dá)到最小值為0.755，可見抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的混雜效應(yīng)不具有明顯的正相關(guān)性。

表4 纖維混凝土混雜系數(shù) MPa

在SF60PP10組中，混雜效應(yīng)達(dá)到最低，與其他8組的混雜效應(yīng)相差太大，可能是由于試驗(yàn)過程中纖維攪拌不均勻，造成纖維纏繞團(tuán)結(jié)使界面薄弱區(qū)增加，這與SF60PP10組在抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)較大削弱現(xiàn)象表現(xiàn)一致。在纖維最大摻量時(shí)，纖維在混凝土中與水泥基質(zhì)的共同增強(qiáng)作用消除了界面薄弱區(qū)的負(fù)面影響，使抗壓強(qiáng)度達(dá)到了最大正混雜效果。

劈裂抗拉強(qiáng)度的混雜效應(yīng)部分呈現(xiàn)正混雜效應(yīng)，在最低摻量與鋼纖維摻量為0.4%時(shí)為正混雜效應(yīng)，而在混雜纖維摻量最大的一組，抗拉強(qiáng)度的混雜效應(yīng)達(dá)到最小值0.755?？梢妼?duì)于抗拉強(qiáng)度而言，存在最優(yōu)混雜效應(yīng)，相對(duì)應(yīng)的纖維摻量為鋼纖維摻量為0.4%、聚丙烯纖維摻量為0.15%，其抗壓強(qiáng)度為42.99MPa，抗拉強(qiáng)度為5.21MPa，較未添加纖維混凝土分別提高-4.3%、89%。在實(shí)際工程中，應(yīng)注意最優(yōu)混摻纖維的選擇，避免出現(xiàn)負(fù)混雜效應(yīng)。

3 結(jié)論

(1)與聚丙烯纖維相比，鋼纖維對(duì)自密實(shí)混凝土的工作性能影響更大。當(dāng)鋼纖維摻量達(dá)0.6%，則達(dá)不到自密實(shí)混凝土對(duì)間隙通過性與填充性能的要求。

(2)鋼纖維對(duì)自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)效果較聚丙烯纖維更大。當(dāng)兩種纖維混雜時(shí)可有效改善自密實(shí)混凝土的破壞特征，在鋼纖維摻量為0.6%，聚丙烯纖維摻量為0.2%時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值為52.98MPa，提高了18%；在鋼纖維摻量為0.6%，聚丙烯摻量為0.15%時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值為5.31MPa，提高了93%。

(3)劈裂抗拉強(qiáng)度的混雜效應(yīng)存在最優(yōu)混雜效應(yīng)。相對(duì)應(yīng)的纖維摻量為鋼纖維0.4%，聚丙烯纖維0.15%，其抗拉強(qiáng)度為5.21MPa，較未添加纖維混凝土提高89%。