混雜纖維增韌高性能混凝土的研究

賴震環(huán), 胡 輝

暨南大學(xué)力學(xué)與土木工程系（510632）

1 概述

在當(dāng)代工程材料中,混凝土的用量最大,應(yīng)用范圍最廣泛。自1824年英國人J.Aspdin發(fā)明了波特蘭水泥以來,混凝土材料在近200年的歷史中,獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,從最早的素混凝土發(fā)展到鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土、纖維混凝土、聚合物混凝土、高強(qiáng)混凝土、智能混凝土和高性能混凝土。

2 高性能混凝土

2.1 高性能混凝土的定義

高性能混凝土(High Performance Concrete,簡(jiǎn)稱HPC)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的高技術(shù)混凝土。HPC主要是通過原材料控制、配合比設(shè)計(jì)、拌合物生產(chǎn)制備以及施工方法來改善混凝土的脆性大、抗裂性和耐久性差等弱點(diǎn)。概括而言，高性能混凝土主要具有以下特點(diǎn)：高工作性，良好的穩(wěn)定性，高強(qiáng)度（至少是中強(qiáng)度），高抗裂性，高耐久性，良好的施工工藝性和經(jīng)濟(jì)性且綠色環(huán)保。

2.2 高性能混凝土的組分

高性能混凝土的配置主要是通過以下途徑得以實(shí)現(xiàn)的：首先選用優(yōu)質(zhì)原材料,如優(yōu)質(zhì)水泥與粉煤灰、超細(xì)礦渣與礦粉、優(yōu)質(zhì)高效減水劑和具有優(yōu)異力學(xué)性能且級(jí)配良好的骨料；其次在配合比設(shè)計(jì)時(shí),減少水泥用量；最后施工時(shí),嚴(yán)格控制施工、強(qiáng)化質(zhì)量[2]?？梢?，HPC除了水、水泥、砂、石等基本組分外，還含有優(yōu)質(zhì)高效減水劑和超細(xì)礦粉等新組分。

3 混雜纖維在高性能混凝土中的作用

我國混凝土材料專家、中科院院士吳中偉教授指出,HPC是當(dāng)前水泥基材料發(fā)展的主要方向,其中復(fù)合化是水泥基材料高性能化的主要途徑，纖維增強(qiáng)是其核心，對(duì)高強(qiáng)水泥基材料增加韌性、抗沖擊性等起關(guān)鍵作用,復(fù)合化的技術(shù)思路—超疊加效應(yīng)對(duì)纖維增強(qiáng)混凝土高性能化有重要意義,可用公式“1+23”表示?；祀s纖維高性能混凝土是復(fù)合思想—超疊加效應(yīng)在水泥基復(fù)合材料中的又一突破性應(yīng)用,它將進(jìn)一步推動(dòng)混凝土高性能化和思想化[3]。采用高模量纖維可提高混凝土的強(qiáng)度,而低模量、大變形纖維摻入混凝土后可明顯提高其韌性，欲同時(shí)提高混凝土的強(qiáng)度和韌性,用單一纖維難以實(shí)現(xiàn)[4]。選用高彈性纖維如鋼纖維，則體積含量受到限制、分散、攪拌困難，用低彈高延性纖維如聚丙烯纖維可提高復(fù)合材料的韌性，但增強(qiáng)作用不明顯。因此，近年來，開始研究將高彈纖維和高延性纖維混雜共同增強(qiáng)混凝土的嘗試，獲得了具有優(yōu)異綜合力學(xué)性能的混雜纖維增強(qiáng)混凝土[5-6]?；祀s纖維混凝土方面的研究,主要是試圖把具有不同性能和優(yōu)點(diǎn)的纖維混雜，取長(zhǎng)補(bǔ)短，在不同層次和受荷階段發(fā)揮“正混雜效應(yīng)”來增強(qiáng)混凝土，以適應(yīng)不同工程的需要。目前，應(yīng)用最廣泛的是用鋼纖維和有機(jī)纖維混雜,常用的有機(jī)纖維有聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維等。

4 實(shí)例分析

本研究主要采用鋼纖維和聚丙烯纖維混雜作為增強(qiáng)材料，力求配制出高性能混凝土。主要采用正交分析實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行研究，選擇聚丙烯纖維摻量、鋼纖維摻量、水膠比和粉煤灰摻量等作為主要影響因素,以坍落度值與抗折強(qiáng)度值作為考察指標(biāo)，最后采用功效系數(shù)法來考核各指標(biāo)的優(yōu)劣情況。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)結(jié)果和考核指標(biāo)分析見表1所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，最佳的試驗(yàn)條件是A2B1C3D3，聚丙烯纖維摻量為0.10%、鋼纖維摻量0.6%、水膠比為0.38、粉煤灰摻量為20%。研究表明，在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，可以配置出和易性與抗折強(qiáng)度優(yōu)異的高性能混凝土。

5 結(jié)論

一般而言,采用鋼纖維與其他有機(jī)合成纖維混雜是節(jié)省造價(jià)、減輕自重的一種有效途徑。鋼纖維增強(qiáng)、增韌效果均很好,但價(jià)格較高；合成纖維增強(qiáng)效果較差,增韌效果較好,價(jià)格便宜,可通過合理的材料設(shè)計(jì)，經(jīng)纖維混雜，相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，在不同層次和受荷階段發(fā)揮“混雜效應(yīng)”來增強(qiáng)混凝土。因此,采用鋼纖維與聚丙烯纖維混雜是節(jié)省造價(jià)、減輕自重和提高綜合性能的一種重要途徑。目前,混雜纖維混凝土是混凝土研究的一個(gè)新興領(lǐng)域,在許多方面尚待進(jìn)一步系統(tǒng)探討和研究。

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表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及考核指標(biāo)表

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