張鴻朋 馬芹永

摘 要：通過自密實(shí)性能試驗(yàn)和早期拉壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究不同體積摻量的玄武巖纖維、聚丙烯腈纖維以及玄武巖-聚丙烯腈混雜纖維對(duì)自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性、間隙通過性以及7d劈裂抗拉強(qiáng)度和立方體抗壓強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著纖維摻量的增加，自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性和間隙通過性會(huì)逐漸降低;混雜纖維對(duì)自密實(shí)混凝土抗拉強(qiáng)度的提升效果較抗壓強(qiáng)度更為顯著，當(dāng)玄武巖纖維和聚丙烯腈纖維的摻量分別為0.20%和0.12%時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度的增幅最大，較素自密實(shí)混凝土提高了87.5%。

關(guān)鍵詞：玄武巖纖維;聚丙烯腈纖維;自密實(shí)性能試驗(yàn);劈裂抗拉強(qiáng)度;抗壓強(qiáng)度

Abstract：The effects of basalt fiber， polyacrylonitrile fiber and basalt-polyacrylonitrile hybrid fiber with different volume contents on the fluidity， permeability， 7d splitting tensile strength and cubic compressive strength of self-compacting concrete were studied through the self-compacting performance test and early tension-compression strength test. The results show that the fluidity and clearance passability of self-compacting concrete will decrease with the increase of fiber content. When the contents of basalt fiber and polyacrylonitrile fiber are respectively 0.20% and 0.12%， the splitting tensile strength of self-compacting concrete increases the most， 87.5% higher than that of plain self-compacting concrete.

Key words：basalt fiber; polyacrylonitrile fiber; self-compacting performance test; splitting tensile strength; compressive strength

隨著我國建設(shè)單位對(duì)工程進(jìn)度、質(zhì)量及成本的要求不斷提高，人們也對(duì)周圍的生活環(huán)境有了更高的追求，因此實(shí)際工程中自密實(shí)混凝土成為了更好的選擇[1-3]。然而在自密實(shí)混凝土制備過程中膠凝材料和水的用量大，極易出現(xiàn)早期收縮開裂，裂縫的產(chǎn)生會(huì)影響結(jié)構(gòu)的承載力[4-6]，而纖維的摻入可以增強(qiáng)與混凝土之間的粘結(jié)力，從而提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。但是自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性會(huì)隨著纖維摻量的增加而下降。因此，在自密實(shí)混凝土中摻纖維并找到纖維摻量的合理配比區(qū)間就顯得尤為重要[7-8]359。

文獻(xiàn)[9]在普通混凝土試件中摻入不同摻量的玄武巖-聚丙烯腈混雜纖維，發(fā)現(xiàn)纖維的摻入可以大幅提升混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，但在一定程度上降低了混凝土的抗壓強(qiáng)度。文獻(xiàn)[10]發(fā)現(xiàn)當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.10%時(shí)，自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值;而且纖維會(huì)影響混凝土的工作性能，纖維摻量越多，工作性能越差。文獻(xiàn)[11]19通過試驗(yàn)研究不同含量、不同長度的單絲聚丙烯腈纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明摻入6mm和12mm的聚丙烯腈纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的提升效果較19mm的而言更為明顯。文獻(xiàn)[12]研究了玄武巖纖維、玻璃纖維以及玄武巖-玻璃混雜纖維對(duì)自密實(shí)混凝土力學(xué)性能的影響。研究表明混雜纖維對(duì)改善自密實(shí)混凝土的力學(xué)性能起著重要的作用。文獻(xiàn)[13]向輕骨料混凝土中摻入一定的玄武巖纖維、聚丙烯腈纖維以及玻璃纖維，發(fā)現(xiàn)混雜纖維可以改善混凝土的力學(xué)性能，而摻入過多則對(duì)力學(xué)性能有不利影響。

通過文獻(xiàn)[7]361可知，當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.1%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度增長最大，摻入過多會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度的下降，因此設(shè)定0.20%為上限;而對(duì)聚丙烯腈纖維自密實(shí)混凝土力學(xué)性能的研究很少，且大多以纖維長度為變量來進(jìn)行試驗(yàn)，例如文獻(xiàn)[11]50，長度12mm的聚丙烯腈纖維混凝土強(qiáng)度是隨摻量的增長呈現(xiàn)較為平緩的先增長后下降的規(guī)律，因此以0.12%作為上限。

基于混凝土的強(qiáng)度隨齡期的增長而不斷發(fā)展，最初養(yǎng)護(hù)的7d內(nèi)強(qiáng)度增長最快，14d以后強(qiáng)度增長的比較緩慢，而且，現(xiàn)階段，對(duì)混雜纖維普通混凝土和單摻纖維自密實(shí)混凝土的研究較多，對(duì)混雜纖維自密實(shí)混凝土的研究與分析較少。因此，本文通過對(duì)養(yǎng)護(hù)7d、不同摻量的玄武巖纖維、聚丙烯腈纖維及兩種纖維混摻的自密實(shí)混凝土進(jìn)行自密實(shí)性能和力學(xué)性能的分析，為該混凝土材料在工程中的應(yīng)用提供了依據(jù)。

1 試驗(yàn)原材料及方案

（1）試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)選取淮南市八公山水泥廠的P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥;粉煤灰采用鞏義市某材料有限公司的Ⅱ級(jí)粉煤灰，密度為2 300kg/m3;粗骨料采用粒徑為5～20mm的連續(xù)級(jí)配碎石;細(xì)骨料選用淮河中砂，細(xì)度模數(shù)為2.7;潔凈的淮南市自來水;減水劑選取上海某公司生產(chǎn)的聚羧酸高效粉狀減水劑;玄武巖纖維采用上海某公司生產(chǎn)的長度為18mm的短切玄武巖纖維，聚丙烯腈纖維選用山東濟(jì)南某公司生產(chǎn)的聚丙烯腈纖維。

（2）試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[14]（JGJT283-2012）中的規(guī)范進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，基準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì)如表1所示。對(duì)不同摻量的玄武巖纖維和聚丙烯腈纖維進(jìn)行單摻與混摻，具體纖維摻和方式如表2所示。

（3）攪拌工藝

首先將攪拌機(jī)潤濕，隨后將碎石和砂子投入攪拌機(jī)中干攪60s，接著將膠凝材料和纖維放入攪拌機(jī)中攪拌90s，然后倒入一半水和減水劑濕攪60s，最后將剩余一半水和減水劑投入攪拌機(jī)攪拌60s。

（4）試驗(yàn)方法

自密實(shí)性能試驗(yàn)根據(jù)歐洲規(guī)范EFNARC[15]進(jìn)行坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)和J環(huán)試驗(yàn)。

試件養(yǎng)護(hù)7d后，根據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2019）的規(guī)范，對(duì)100mm×100mm×100mm的立方體試塊進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)選用的加載速率分別為3mm/min和1mm/mim，每組有3個(gè)混凝土平行試件，結(jié)果取平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

（1）自密實(shí)性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同摻量的纖維自密實(shí)混凝土的自密實(shí)性能試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可看出，16組纖維自密實(shí)混凝土的坍落擴(kuò)展度基本都維持在650～750mm之間，具有較好的流動(dòng)性。隨著纖維摻量的增加，自密實(shí)性能降低的越明顯。

從工作性能試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，坍落擴(kuò)展度和J環(huán)坍落擴(kuò)展度的差值均不超過50mm，J環(huán)內(nèi)外高度差也都在20mm以內(nèi)，滿足間隙通過性能的要求。單摻玄武巖纖維要大于單摻聚丙烯腈纖維對(duì)自密實(shí)混凝土間隙通過性的影響，當(dāng)玄武巖纖維的摻量為0.2%時(shí)，J環(huán)內(nèi)外高度差要大于10mm，由此可知，玄武巖纖維的摻入會(huì)大大降低混凝土的間隙通過性，而聚丙烯腈纖維對(duì)間隙通過性的影響較小。

在新拌自密實(shí)混凝土中，混雜纖維自密實(shí)混凝土的自密實(shí)性能較單摻纖維的坍落擴(kuò)展度下降的更為顯著，這是由于纖維的橋接作用，與粗骨料之間存在耦合作用，嚴(yán)重影響了混凝土的流動(dòng)性，并且隨著纖維摻量的增加，影響越明顯，由此降低了自密實(shí)混凝土的自密實(shí)性能。

（2）早期劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與分析

由圖1可知，單摻纖維時(shí)，纖維自密實(shí)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，素自密實(shí)混凝土的抗拉強(qiáng)度為2.57MPa。由圖2可知，當(dāng)單摻玄武巖纖維和單摻聚丙烯腈纖維的摻量分別為0.20%和0.12%時(shí)，達(dá)到峰值抗拉強(qiáng)度，分別為3.09MPa和3.13MPa，較素自密實(shí)混凝土分別提高了12.4%和13.8%。這是由于在混凝土中摻入纖維材料可以控制基體混凝土裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，從而增加混凝土的抗裂性。對(duì)于抗拉強(qiáng)度來說，單摻聚丙烯腈纖維的最優(yōu)摻量為BF00PAN12，單摻玄武巖纖維的最優(yōu)摻量為BF20PAN00。

從圖2中可以看出，混摻纖維時(shí)，當(dāng)玄武巖纖維的摻量為0.05%、0.10%和0.20%時(shí)，纖維自密實(shí)混凝土的抗拉強(qiáng)度均隨著聚丙烯腈纖維摻量的增加而增大，在聚丙烯腈纖維摻量為0.12%時(shí)，抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到峰值4.48MPa、3.82MPa和4.82MPa，較素自密實(shí)混凝土分別提高了74.3%、48.6%和87.5%。由此可知，混摻纖維對(duì)自密實(shí)混凝土抗拉強(qiáng)度的提升效果要明顯優(yōu)于單摻纖維。 這是因?yàn)槔w維混凝土在荷載作用下，即使混凝土發(fā)生開裂，由于纖維與混凝土之間的“橋接效應(yīng)”，還可以繼續(xù)承受拉應(yīng)力，隨著纖維摻量的增加，纖維的增強(qiáng)效果越明顯，玄武巖纖維和聚丙烯腈纖維混摻呈現(xiàn)“正混雜效應(yīng)”。對(duì)于抗拉強(qiáng)度來說，玄武巖-聚丙烯腈混雜纖維的最優(yōu)摻量為BF20PAN12。

（3）早期抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與分析

由圖4可知，單摻纖維后，自密實(shí)混凝土的7d抗壓強(qiáng)度較素自密實(shí)混凝土均有所上升，但波動(dòng)范圍不大。素自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度為27.61MPa。通過圖4（a）可知，當(dāng)單摻聚丙烯腈纖維時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨著聚丙烯腈纖維摻量的增加而增大，當(dāng)摻量為0.12%時(shí)，達(dá)到峰值抗壓強(qiáng)度31.07MPa，較素自密實(shí)混凝土提升了12.5%。由圖4（b）可得，當(dāng)單摻玄武巖纖維時(shí)，抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，當(dāng)摻量為0.10%時(shí)，達(dá)到峰值抗壓強(qiáng)度28.85MPa，較素自密實(shí)混凝土提升了4.5%，當(dāng)單摻玄武巖纖維超過0.10%時(shí)，抗壓強(qiáng)度逐漸降低。這是由于玄武巖纖維是一種耐堿硅酸鹽材料，少量的摻入可以均勻地在攪拌機(jī)中分散開來，過量的摻入會(huì)出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，從而導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度的降低。對(duì)于抗壓強(qiáng)度來說，單摻聚丙烯腈纖維的最優(yōu)摻量為BF00PAN12，單摻玄武巖纖維的最優(yōu)摻量為BF10PAN00。

由圖5看出，對(duì)于混雜纖維，當(dāng)玄武巖纖維的摻量為0.05%、0.10%和0.20%時(shí)，隨著聚丙烯腈纖維摻量的增加，纖維自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，在聚丙烯腈纖維摻量為0.09%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度增長最大，分別為29.11MPa、29.69MPa和28.49MPa，較素自密實(shí)混凝土分別提高了5.4%、7.5%和3.2%。由此可知，當(dāng)聚丙烯腈纖維摻量超過0.09%時(shí)，混雜纖維自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度會(huì)下降，且混雜纖維較單摻纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的提升并不顯著，造成這一現(xiàn)象的原因是，隨著纖維摻量的增加，在進(jìn)行混凝土攪拌時(shí)纖維無法均勻地分散開來，容易結(jié)團(tuán)，造成試件內(nèi)部出現(xiàn)很多薄弱面，且纖維表面與混凝土之間相互吸附，從而導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度的下降，兩種纖維呈現(xiàn)“負(fù)混雜效應(yīng)”。對(duì)于抗壓強(qiáng)度來說，玄武巖-聚丙烯腈混雜纖維的最優(yōu)摻量為BF10PAN09。

圖6為未摻纖維、單摻纖維以及混摻纖維自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度的破壞形態(tài)。由圖6（a）可知，未摻加纖維的混凝土破壞后，試件四周外表層大量剝落，最終試件破壞呈倒角錐形。從圖6（b）和圖6（c）可知，單摻纖維的混凝土破壞時(shí)表面出現(xiàn)很多細(xì)小的裂縫，頂部有少量碎屑剝落，由于纖維的摻入，試件破壞后相對(duì)完整。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于纖維的摻入限制了在外力作用下試件裂縫的發(fā)展，當(dāng)承受外力時(shí)，水泥基質(zhì)與纖維共同承受，基質(zhì)開裂后，纖維成為了外力的主要承受者。

3 結(jié)論

（1）隨著纖維的增加，自密實(shí)混凝土的自密實(shí)性能會(huì)逐漸降低，聚丙烯腈纖維較玄武巖纖維對(duì)自密實(shí)性能的影響更明顯。

（2）單摻聚丙烯腈纖維均可很好的提升自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，而單摻玄武巖纖維可以很好的提升自密實(shí)混凝土的抗拉強(qiáng)度，對(duì)抗壓強(qiáng)度的提升不明顯;綜合考慮兩種纖維單摻對(duì)自密實(shí)混凝土的工作性能以及早期拉壓強(qiáng)度的影響，確定聚丙烯腈纖維和玄武巖纖維的單摻最優(yōu)摻量分別為0.20%和0.12%。

（3）混雜纖維對(duì)自密實(shí)混凝土抗拉強(qiáng)度的提升效果較單摻更加顯著，而對(duì)抗壓強(qiáng)度的提升效果不如單摻明顯;綜合考慮混雜纖維自密實(shí)混凝土的工作性能以及早期拉壓強(qiáng)度，確定兩種纖維的混雜最優(yōu)摻量分別為0.10%和0.12%;且由于纖維的摻入，混凝土的破壞形態(tài)明顯改善，由脆性破壞轉(zhuǎn)成塑性破壞，提高了混凝土的工程質(zhì)量。

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（責(zé)任編輯：丁 寒，吳曉紅）