混雜纖維對(duì)輕骨料混凝土強(qiáng)度和抗凍性能的影響★

梁家瑋 劉勝兵* 王 豪 周揚(yáng)揚(yáng)

(武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢 430073)

0 引言

輕骨料混凝土作為一種自重輕、保溫性能好、抗震性能強(qiáng)的新型建筑材料，近些年來(lái)被廣泛使用［1］。混凝土的耐久性問(wèn)題一直是學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)，實(shí)際工程中的混凝土耐久性問(wèn)題是一個(gè)在荷載與環(huán)境雙重和多重破壞因素作用下的混凝土損傷劣化過(guò)程［2］。在混凝土中摻入一定量的纖維，使得混凝土基體的性能在某一層次起到一定的改善作用，國(guó)內(nèi)外有研究表明［3，4］:在混凝土中摻入聚丙烯纖維能夠抑制混凝土的早期塑性開(kāi)裂，有效控制裂縫的擴(kuò)展，最終改善混凝土的力學(xué)性能和耐久性能?；祀s纖維混凝土則將不同品種的纖維或不同作用的纖維按一定比例混雜摻入混凝土中，從而使混凝土性能在多層次上得到改善。大量試驗(yàn)表明［5-9］，混雜纖維混凝土能有效提高混凝土的抗裂和阻裂能力，比單一纖維效果更好。作者將鋼—聚丙烯混雜纖維摻入輕骨料混凝土，試圖通過(guò)“正混雜效應(yīng)”來(lái)提高輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度，改善輕骨料混凝土的耐久性能，為我國(guó)在實(shí)際工程中推廣應(yīng)用混雜纖維增強(qiáng)輕骨料混凝土提供更多的理論參考和試驗(yàn)基礎(chǔ)。

關(guān)于混雜纖維輕骨料混凝土，姜猛等［10］進(jìn)行了塑鋼—聚丙烯混雜纖維輕骨料混凝土沖擊壓縮試驗(yàn)，得出在低壓沖擊下，塑鋼—聚丙烯混雜纖維輕骨料混凝土具備多次承受沖擊的能力;蔣思晨等［11］進(jìn)行了CF-PF混雜纖維輕骨料混凝土抗凍性能試驗(yàn)，結(jié)果表明:碳纖維與聚丙烯纖維相互混雜可以產(chǎn)生互補(bǔ)效應(yīng)，對(duì)輕骨料混凝土的抗凍性能有一定的提高作用;董喜平等［12］進(jìn)行了玻璃纖維和聚丙烯纖維單一摻入和混合摻入對(duì)輕骨料混凝土力學(xué)性能的影響，混雜纖維輕骨料混凝土較基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度有所提高;藍(lán)紹衡［13］對(duì)玄武巖纖維和聚丙烯纖維混雜纖維輕骨料混凝土進(jìn)行了抗壓試驗(yàn)和凍融循環(huán)破壞試驗(yàn)，適量的混雜纖維對(duì)基體的力學(xué)性能和抗凍耐久性能有一定提升。本文旨在通過(guò)全面試驗(yàn)，分析鋼—聚丙烯混雜纖維對(duì)輕骨料混凝土立方體抗壓強(qiáng)度和耐久性能的影響，得到混雜纖維較優(yōu)摻量，同時(shí)對(duì)纖維的混雜效應(yīng)進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)

采用全面試驗(yàn)法，試驗(yàn)中選取聚丙烯纖維和鋼纖維的不同體積率作為影響因素。參照國(guó)家試驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)，按照不同的纖維體積率設(shè)計(jì)了9組鋼—聚丙烯混雜纖維輕骨料混凝土，3組聚丙烯纖維輕骨料混凝土，3組鋼纖維輕骨料混凝土和1組普通輕骨料混凝土對(duì)比試件，各組纖維輕骨料混凝土均采用相同的混凝土基準(zhǔn)配合比，盡量避免由于原材料性能的差異使試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生離散性。

1.1 材料選用和技術(shù)性能

1)水泥:本試驗(yàn)選用武漢華新水泥廠生產(chǎn)的P.O32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。

2)粗骨料:寶珠陶粒開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)的高強(qiáng)頁(yè)巖陶粒，碎石型，粒徑不大于20 mm。

3)細(xì)骨料:武漢天然河砂，中砂，沙子細(xì)度模數(shù)2.54，含泥量1.9%，粒徑不大于5 mm。

4)水:本試驗(yàn)所用水為武漢市自來(lái)水，用水符合《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》。

5)鋼纖維:為武漢新途工程纖維制造有限公司生產(chǎn)的波紋型鋼纖維，其基本性能見(jiàn)表1。

6)聚丙烯纖維:為廊坊德凱保溫材料有限公司提供的聚丙烯纖維，其基本性能見(jiàn)表2。

表1 鋼纖維基本性能參數(shù)指標(biāo)

表2 聚丙烯纖維基本性能參數(shù)指標(biāo)

1.2 配合比

試驗(yàn)設(shè)計(jì)輕骨料混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為L(zhǎng)C30，采用松散體積法［14，15］進(jìn)行輕骨料混凝土的配合比計(jì)算，并根據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［16］和《輕骨料混凝土技術(shù)及應(yīng)用》［17］初步設(shè)計(jì)出輕骨料混凝土的配合比，最后的基準(zhǔn)混凝土配合比見(jiàn)表3。

表3 輕骨料混凝土配合比設(shè)計(jì)

1.3 試驗(yàn)方法

表4 立方體混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)采用立方體試件(100 mm×100 mm×100 mm)，每一組均采用3個(gè)試件。攪拌方式為先干拌后濕拌，經(jīng)28 d養(yǎng)護(hù)齡期后在200 t壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以及在凍融機(jī)上進(jìn)行抗凍融耐久性試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

立方體抗壓試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖如圖1所示。纖維體積率與立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系如圖2所示。

圖1 立方體抗壓試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

圖2 纖維體積率與立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

由圖1可以看出，C30基體強(qiáng)度下纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度受混雜方式和纖維總摻量影響較大，并且隨著聚丙烯纖維和鋼纖維總摻量的提高，混凝土的抗壓強(qiáng)度有增長(zhǎng)的趨勢(shì)。輕骨料混凝土的纖維體積率在一定范圍內(nèi)可以提高混凝土立方體的抗壓強(qiáng)度，而超過(guò)該范圍抗壓強(qiáng)度則會(huì)降低，說(shuō)明摻入纖維的體積率在合適的范圍內(nèi)會(huì)對(duì)抗壓強(qiáng)度有提高作用。摻入一定量聚丙烯纖維和鋼纖維的輕骨料混凝土可能會(huì)出現(xiàn)抗壓強(qiáng)度提高和降低兩種情況，說(shuō)明高彈模的鋼纖維和低彈模的聚丙烯纖維存在正負(fù)兩種混雜效應(yīng)。

表5 50次凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土的強(qiáng)度損失數(shù)據(jù)

由圖2結(jié)果得出，單摻聚丙烯纖維均不同程度地提高了混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，其中單摻聚丙烯纖維體積率為0.06%時(shí)效果最好;單摻鋼纖維與混雜纖維系列大部分都對(duì)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度有所增強(qiáng)。PPSC1對(duì)混凝土的增強(qiáng)作用最有效，與普通混凝土相比，抗壓強(qiáng)度提高了11%，PPSC4和PPSC7兩種混雜方式也產(chǎn)生了明顯的正混雜效應(yīng)。PC1和SC3的抗壓強(qiáng)度相比普通混凝土分別降低了3.58%和1.53%，在試驗(yàn)誤差范圍內(nèi)。可以看出，在相同鋼纖維體積率下，隨著聚丙烯體積率的提高會(huì)導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度下降，原因是不同的纖維體積率會(huì)產(chǎn)生正負(fù)兩種不同的混雜效應(yīng)。

2.2 立方體抗凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果分析

50次凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土的強(qiáng)度損失試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

立方體抗凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖見(jiàn)圖3，纖維體積率與立方體強(qiáng)度損失率的關(guān)系如圖4所示。

圖3 立方體抗凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

圖4 纖維體積率與立方體強(qiáng)度損失率的關(guān)系

本實(shí)驗(yàn)采用慢凍法。結(jié)合圖3，圖4可以看出，除了體積率為0.18%的聚丙烯纖維PPC3外，其余各組混凝土基體的強(qiáng)度損失率與普通混凝土相比均有不同程度降低，混雜纖維對(duì)混凝土基體的強(qiáng)度損失率均有不同程度影響，其中PPSC3降低強(qiáng)度損失率的效果尤為明顯，與普通混凝土相比降低了77.13%，可見(jiàn)在混凝土基體中摻入混雜纖維可以有效降低混凝土基體的強(qiáng)度損失率。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，摻入纖維的混凝土經(jīng)過(guò)50次凍融循環(huán)后的強(qiáng)度損失率均有不同程度的改善?；炷恋?0次抗凍融循環(huán)試驗(yàn)后的強(qiáng)度損失率越小，說(shuō)明混凝土抗凍性能越好。由圖4可知，鋼纖維體積率為0.6%時(shí)均比其他各組的強(qiáng)度損失率要低，鋼纖維體積率為0和1.8%的各組強(qiáng)度損失率較高，說(shuō)明添加適量的鋼纖維會(huì)改善輕骨料混凝土的抗凍性能。由圖3可知，隨著單摻聚丙烯纖維和鋼纖維的體積率增大，混凝土的強(qiáng)度損失率均有上升趨勢(shì)，其中PC1和SC1表現(xiàn)較好，混凝土損失率較普通混凝土分別降低了48.09%和54.83%。在混雜纖維中，表現(xiàn)最出色的是PPSC1～PPSC3，此時(shí)鋼纖維體積率為0.6%，聚丙烯纖維體積率為0.06% ～0.18%，表現(xiàn)較差的是纖維體積率較高的PPSC7和PPSC8。可以看出當(dāng)混雜纖維體積率繼續(xù)增加時(shí)，混凝土強(qiáng)度損失率幅度減少，說(shuō)明纖維體積率有合適的范圍，超過(guò)一定范圍會(huì)產(chǎn)生負(fù)混雜效應(yīng)，使混凝土抗凍融能力減弱，從而降低其耐久性。

3 結(jié)語(yǔ)

1)鋼纖維體積率在0.6% ～1.8%之間，聚丙烯纖維體積率在0.06%時(shí)，混雜纖維對(duì)輕骨料混凝土立方體抗壓強(qiáng)度影響最大。

2)鋼纖維體積率在0.6% ～1.2%之間，聚丙烯纖維體積率在0.06% ～0.18%之間，混雜纖維輕骨料立方體抗凍融循環(huán)能力最強(qiáng)。

3)加入體積率為0.6%的鋼纖維和體積率為0.06%聚丙烯纖維混雜時(shí)，對(duì)輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度和耐久性能增強(qiáng)效果最顯著。

4)鋼纖維和聚丙烯纖維的摻入對(duì)輕骨料混凝土的力學(xué)性能和耐久性能均有一定影響，適量的混雜纖維可以發(fā)揮“正混雜效應(yīng)”改善輕骨料混凝土的性能。