玄武巖-聚丙烯混雜纖維RPC抗壓強(qiáng)度及混雜效應(yīng)試驗

何曉雁， 秦立達(dá)， 郝贠洪， 李 慧， 張淑艷

玄武巖-聚丙烯混雜纖維RPC抗壓強(qiáng)度及混雜效應(yīng)試驗

何曉雁， 秦立達(dá)， 郝贠洪， 李 慧， 張淑艷

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

通過單摻和混摻的方式，分別按玄武巖纖維2、3、4、5 kg/m3，聚丙烯纖維0.2、0.4、0.6、0.8 kg/m3摻入活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，RPC）中，對其進(jìn)行全面對比抗壓試驗，并采用比值法評價兩種纖維在RPC基體中的混雜效應(yīng)。結(jié)果表明，纖維的摻入可以明顯提高RPC基體的抗壓強(qiáng)度，且玄武巖纖維起主導(dǎo)作用；通過計算混雜效應(yīng)系數(shù)知，存在正、負(fù)兩種混雜效應(yīng)，若纖維摻量、匹配問題選擇不當(dāng)，則可能出現(xiàn)負(fù)混雜效應(yīng)；當(dāng)玄武巖纖維摻量為4 kg/m3，聚丙烯纖維摻量為0.6 kg/m3時，可獲得最優(yōu)正混雜效應(yīng)，RPC基體抗壓強(qiáng)度達(dá)87 MPa，比基準(zhǔn)組提高23.9%。

活性粉末混凝土； 混雜效應(yīng)； 玄武巖纖維； 抗壓強(qiáng)度； 聚丙烯纖維

活性粉末混凝土（RPC）是由法國人Pierre Richar［1～3］于20世紀(jì)90年代率先研發(fā)的一種集高強(qiáng)度、高耐久性和高韌性為一體的新型水泥基復(fù)合材料［4］?；祀s纖維RPC作為高性能混凝土和纖維混凝土的完美結(jié)合，自誕生以來就得到了迅猛發(fā)展?；祀s纖維RPC具有優(yōu)異的阻裂和增韌特性，體現(xiàn)出比單摻纖維RPC更為優(yōu)越的力學(xué)性能。因此，研究混雜纖維RPC的破壞機(jī)理、力學(xué)性能以及纖維的混雜效應(yīng)等具有重要的學(xué)術(shù)價值和工程應(yīng)用價值［5］。

目前，諸多學(xué)者致力于對混雜纖維RPC的試驗研究。畢巧巍、楊兆鵬等［6］研究了混雜纖維（玻璃纖維與鋼纖維）活性粉末混凝土的力學(xué)性能；鄭文忠、李海艷等［7］研究了高溫后混雜纖維RPC的單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系；王成啟，吳科如等［8］研究了不同尺寸纖維混雜混凝土的混雜效應(yīng)；李書進(jìn)、吳科如［9］研究了基體強(qiáng)度對水泥基復(fù)合材料纖維混雜效應(yīng)的影響。

本文旨在探究不同摻量的玄武巖纖維與聚丙烯纖維混雜對RPC基體抗壓強(qiáng)度的影響，并對玄武巖-聚丙烯纖維在RPC基體中的混雜效應(yīng)進(jìn)一步分析。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：遁石牌P.O 42.5水泥；粉煤灰：物理性能指標(biāo)如表1所示；硅灰：永興硅灰，白色粉末；石英砂：40-70目石英砂，粒徑450 um；減水劑：JSM-1型聚羧酸高效減水劑；玄武巖纖維：短切玄武巖纖維，物理性能指標(biāo)如表2所示；聚丙烯纖維：白色銀絲束狀，物理性能指標(biāo)如表3所示；水：自來水。

表1 粉煤灰物理性能指標(biāo)

表2 玄武巖纖維性能指標(biāo)

表3 聚丙烯纖維性能指標(biāo)

1.2 配合比

RPC基準(zhǔn)配合比如表4所示，在基體中摻入一定量的纖維，可以有效阻止因外力作用引起的水泥基復(fù)合材料裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，有效提高RPC的力學(xué)性能。高彈性模量玄武巖纖維可改善基體的粘聚性和穩(wěn)定性，提高RPC的力學(xué)性能，低彈性模量聚丙烯纖維的阻裂效應(yīng)也可提高RPC的力學(xué)性能。但聚丙烯纖維在基體中摻量較少，因聚丙烯纖維具有細(xì)度高、比表面積大、不親水的特性，摻量較大時，纖維不易攪拌均勻，易形成結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，其弱界面效應(yīng)更明顯，反而會降低RPC的力學(xué)性能。參考駱冰冰［10］對混雜纖維自密實混凝土的性能研究，選用玄武巖纖維摻量分別為0、2、3、4、5 kg/m3，聚丙烯纖維的摻量分別為0、0.2、0.4、0.6、0.8 kg/m3組成25個試驗組，進(jìn)行混雜纖維RPC抗壓強(qiáng)度的研究。

表4 RPC基準(zhǔn)配合比 kg/m3

1.3 試驗方法

本試驗按GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》進(jìn)行，RPC立方體抗壓強(qiáng)度試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，使用強(qiáng)制式攪拌機(jī)，攪拌時投料順序為石英砂、纖維、水泥、礦物摻合料，干料先攪拌4 min，加水和減水劑后再攪拌6 min，試件成型后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)28 d后測其抗壓強(qiáng)度，加載速率為1.2～1.4 MPa/s。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果

試驗過程中發(fā)現(xiàn)，由于纖維加入，RPC的延性增加，試件破壞前不再出現(xiàn)崩裂或強(qiáng)度的突然降低，而是有一定預(yù)兆，強(qiáng)度達(dá)到峰值后逐漸降低，且試件破壞后仍保持較好的完整性，抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果如表5所示。試驗得出的RPC抗壓強(qiáng)度與混雜纖維摻量的關(guān)系見圖1。

表5 混雜纖維RPC基體抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果MPa

由圖1可以看出：

（1）單摻玄武巖纖維時，隨纖維摻量增加，RPC抗壓強(qiáng)度逐步提高，玄武巖纖維摻量為5 kg/m3時，RPC抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值80.5 MPa，其抗壓強(qiáng)度比不摻纖維的基準(zhǔn)組提高了14.7%；單摻聚丙烯纖維時，隨纖維摻量增加，RPC抗壓強(qiáng)度曲線趨于平緩，抗壓強(qiáng)度最大值為73 MPa，其抗壓強(qiáng)度比不摻纖維的基準(zhǔn)組僅提高了3.9%。

（2）玄武巖纖維摻量少于3 kg/m3時，隨聚丙烯纖維摻量的增加，RPC抗壓強(qiáng)度曲線反而呈現(xiàn)降低趨勢，盡管聚丙烯摻量為0.8 kg/m3時，抗壓強(qiáng)度降低趨勢有所緩和，但仍低于不摻聚丙烯纖維時RPC的抗壓強(qiáng)度。

圖1 RPC抗壓強(qiáng)度與混雜纖維摻量的關(guān)系

（3）玄武巖纖維摻量高于3 kg/m3時，RPC基體的抗壓強(qiáng)度明顯提高，且隨聚丙烯纖維摻量的增加，RPC抗壓強(qiáng)度曲線呈現(xiàn)緩慢升高趨勢。玄武巖纖維摻量4 kg/m3，聚丙烯纖維摻量0.6 kg/m3時，抗壓強(qiáng)度達(dá)到極大值87 MPa。其抗壓強(qiáng)度比不摻纖維的基準(zhǔn)組提高了23.9%，遠(yuǎn)優(yōu)于單摻玄武巖纖維的14.7%和單摻聚丙烯纖維的3.9%。

通過圖1和以上數(shù)據(jù)分析知，玄武巖-聚丙烯混雜纖維RPC中，高彈性模量玄武巖纖維對基體抗壓強(qiáng)度的提高起主導(dǎo)作用，而低彈性模量聚丙烯纖維對基體抗壓強(qiáng)度的提高貢獻(xiàn)較小。在適當(dāng)?shù)膿搅糠秶鷥?nèi)，高彈性模量玄武巖纖維在基體內(nèi)部形成“承力骨架”，低彈性模量聚丙烯纖維可以有效填補(bǔ)骨架空隙，形成優(yōu)勢互補(bǔ)，從而阻礙基體內(nèi)部裂縫的發(fā)展途徑，增加密實度，有效提高了基體抗壓強(qiáng)度。纖維摻量過少，基體內(nèi)部未形成有效“承力骨架”，未能充分發(fā)揮纖維對基體抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)作用；纖維摻量過多，不易攪拌均勻，在基體內(nèi)部易結(jié)團(tuán)，基體內(nèi)部形成應(yīng)力薄弱區(qū)，甚至使基體抗壓強(qiáng)度降低。

2.2 纖維混雜效應(yīng)

為量化纖維混雜對RPC基體力學(xué)行為的影響，引進(jìn)混雜效應(yīng)系數(shù)［11，12］對其進(jìn)一步分析。定義β為纖維增強(qiáng)RPC相對于基準(zhǔn)RPC的纖維增強(qiáng)系數(shù)：式中：σ為纖維增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度；σ0為基準(zhǔn)混凝土的抗壓強(qiáng)度。

單玄武巖纖維、單聚丙烯纖維及混雜纖維RPC的纖維增強(qiáng)系數(shù)分別記為βB、βP和βBP。采用比值法［13］評價兩種纖維在RPC基體中的混雜效應(yīng)，定義玄武巖纖維與聚丙烯纖維的混雜效應(yīng)系數(shù)αBP為：

由混雜效應(yīng)系數(shù)可以直觀看出纖維摻量對混雜纖維RPC力學(xué)行為的影響，若αBP＞1稱為正混雜效應(yīng)，則αBP＜1稱為負(fù)混雜效應(yīng)?；祀s纖維RPC的纖維增強(qiáng)系數(shù)與混雜效應(yīng)系數(shù)如表6所示。

表6 混雜纖維RPC纖維增強(qiáng)系數(shù)和混雜效應(yīng)系數(shù)

纖維增強(qiáng)系數(shù)與混雜纖維摻量的關(guān)系如圖2所示。通過圖2可知，在玄武巖纖維摻量為2～5 kg/m3的范圍內(nèi)，纖維增強(qiáng)系數(shù)基本不隨聚丙烯纖維摻量的增加而升高，纖維增強(qiáng)系數(shù)趨勢保持一致；玄武巖纖維摻量為4 kg/m3時，試驗組纖維增強(qiáng)系數(shù)達(dá)到最大值；伴隨纖維總摻量的增加，纖維增強(qiáng)系數(shù)總體呈現(xiàn)下降趨勢。說明在混雜纖維RPC中，纖維對RPC基體的增強(qiáng)作用，主要取決于高彈性模量的玄武巖纖維，而低彈性模量的聚丙烯纖維對增強(qiáng)作用貢獻(xiàn)較小；選擇適當(dāng)?shù)幕祀s纖維摻量，可以優(yōu)勢互補(bǔ)，充分發(fā)揮不同纖維對RPC基體的增強(qiáng)作用，使纖維增強(qiáng)系數(shù)取得最大值；由于纖維的大量摻入，造成纖維在RPC基體內(nèi)分布不均勻，易結(jié)團(tuán)，形成應(yīng)力薄弱區(qū)，從而纖維增強(qiáng)系數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢。

圖2 纖維增強(qiáng)系數(shù)與混雜纖維摻量的關(guān)系

混雜效應(yīng)系數(shù)與混雜纖維摻量的關(guān)系如圖3所示。通過圖3可知，玄武巖纖維、聚丙烯纖維混雜摻入RPC基體中，產(chǎn)生了正、負(fù)混雜效應(yīng)兩種現(xiàn)象。玄武巖纖維摻量小于3 kg/m3時，混雜效應(yīng)系數(shù)隨聚丙烯纖維摻量的增加反而呈現(xiàn)下降趨勢，且均為負(fù)混雜效應(yīng)；玄武巖纖維摻量為4 kg/m3時，混雜效應(yīng)系數(shù)隨聚丙烯纖維摻量的增加基本呈現(xiàn)上升趨勢，聚丙烯纖維摻量為0.6 kg/ m3時，混雜效應(yīng)達(dá)到最大值；隨纖維摻入總量的增加，混雜纖維效應(yīng)系數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，纖維摻入總量達(dá)到最大值時，混雜效應(yīng)系數(shù)卻達(dá)最小值。說明高彈性模量玄武巖纖維摻量較少時，在RPC基體內(nèi)部未能形成有效的“承力骨架”，不能充分發(fā)揮纖維對基體的增強(qiáng)作用；纖維的大量摻入，在RPC基體內(nèi)部不易分散均勻，造成纖維結(jié)團(tuán)，形成應(yīng)力薄弱區(qū)，影響了纖維對RPC基體的增強(qiáng)作用。

圖3 混雜效應(yīng)系數(shù)與混雜纖維摻量的關(guān)系

3 結(jié) 論

（1）玄武巖-聚丙烯混雜纖維RPC基體中，纖維對基體的增強(qiáng)作用，主要取決于高彈性模量的玄武巖纖維，而低彈性模量的聚丙烯纖維對其增強(qiáng)作用貢獻(xiàn)較小。

（2）玄武巖纖維、聚丙烯纖維混雜摻入RPC基體中，可以有效改善其力學(xué)行為。倘若選擇纖維摻量不當(dāng)，則也可能出現(xiàn)負(fù)混雜效應(yīng)。

（3）玄武巖纖維、聚丙烯纖維混雜摻入RPC基體中，在一定的纖維摻量范圍內(nèi)，二者協(xié)同作用，表現(xiàn)出比單摻纖維更強(qiáng)的力學(xué)行為，稱為正混雜效應(yīng)。結(jié)合基體抗壓強(qiáng)度和混雜效應(yīng)系數(shù)，玄武巖纖維摻量為4 kg/m3，聚丙烯纖維摻量為0.6 kg/m3時，RPC基體抗壓強(qiáng)度可達(dá)87 MPa，比基準(zhǔn)組提高了23.9%。

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Experimental Study on Basalt-Polypropylene Hybrid Fiber RPC Compressive Strength and the Effect of Hybrid

HE Xiao-yan，QIN Li-da，HAO Yun-hong，LIHui，ZHANG Shu-yan
（School of Civil Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot010051，China）

Through the way of single or mixed，adding the basalt fiber of 2，3，4，5 kg/m3and polypropylene fiber of 0.2，0.4，0.6，0.8 kg/m3into reactive powder concrete respectively，carries on the comprehensive contrast compression test，and use the ratio method to evaluate two kinds of hybrid effect of fibers in the RPC substrate.Results show that themixed fiber can obviously increase the compressive strength of RPCmatrix，and play a leading role and the basalt fibers.By calculating the coefficient of hybrid effect，there are both positive and negative hybrid effect，if the fiber dosage，and improper selection matching problem may appear negative hybrid effect.When the dosage of basalt fiber is 4 kg/m3，polypropylene fiber content is 0.6 kg/m3，it can obtain the optimal positive hybrid effect and compressive strength of 87MPa，the RPC matrix than the baseline group increased by 23.9%.

reactive powder concrete； hybrid effect； basalt fiber； compressive strength；polypropylene fiber

TU528.572

A

2095-0985（2016）04-0024-05

2015-12-29

2016-01-26

何曉雁（1970-），女，內(nèi)蒙古呼和浩特人，副教授，研究方向為混凝土耐久性（Email：764874612@qq.com）

張淑艷（1984-），女，內(nèi)蒙古呼倫貝爾人，講師，碩士，研究方向為混凝土耐久性（Email：294337884@qq.com）

國家自然科學(xué)基金（51468049）；內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)?；痦椖浚╔201508）