纖維對(duì)水工粉煤灰混凝土性能的影響

周朝+張子琴

摘 要：纖維可以改善混凝土性能，因而在工程中得到了廣泛應(yīng)用。對(duì)摻不同品種纖維的水工粉煤灰混凝土基本力學(xué)性能、變形性能、抗沖磨強(qiáng)度、抗裂性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，摻入不同品種的纖維后，混凝土極限拉伸值、抗沖磨強(qiáng)度、平板抗裂性均有所提高，纖維對(duì)混凝土早齡期干縮具有較好的抑制作用。

關(guān)鍵詞：纖維；粉煤灰混凝土；抗沖磨；抗裂性

中圖分類(lèi)號(hào)：TU528 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）31-0037-03

高性能混凝土（HPC）是水泥基材料的發(fā)展方向，更是水泥基材料的未來(lái)，被稱(chēng)為“21世紀(jì)混凝土”[1]。粉煤灰資源豐富、價(jià)格低廉，且含有大量的活性成分，優(yōu)質(zhì)粉煤灰合理地應(yīng)用于混凝土中，不但能代替部分水泥，節(jié)省工程造價(jià)，而且能夠改善和提高混凝土的性能，是高性能混凝土中的理想摻合料[2]。在現(xiàn)代混凝土中，粉煤灰與水泥、集料、水、外加劑同樣重要，已成為混凝土中的一個(gè)組份[3]。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[4]。纖維增強(qiáng)在復(fù)合化中占突出地位，纖維的摻入能夠顯著提高混凝土抗拉強(qiáng)度、抗裂性、延性、韌性、抗沖擊及抗剪性能[5-7]。本文主要探討在粉煤灰混凝土中摻入改性聚乙烯醇KS-1500（PVA1）纖維、聚乙烯醇（PVA2）纖維和聚丙烯（PP）纖維，對(duì)水工粉煤灰混凝土性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥為華新（昭通）堡壘42.5中熱硅酸鹽水泥，比表面積為342m2/kg，密度為3.22g/cm3，標(biāo)準(zhǔn)稠度為24.1%。粉煤為宣威電廠I級(jí)粉煤灰，比表面積為386m2/kg，表觀密度為2.32g/cm3，細(xì)度為6.8%，需水量比為93%。外加劑采用江蘇博特JM-PCA高效減水劑，減水率為27%，浙江龍游ZB-1G引氣劑。纖維為江蘇能力科技有限公司生產(chǎn)的改性聚乙烯醇纖維KS-1500，四川維綸廠生產(chǎn)的聚乙烯醇纖維和張家港方大纖維有限公司生產(chǎn)的聚丙烯纖維，纖維廠家及力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。骨料為玄武巖人工粗、細(xì)骨料，其中細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)為 2.89，石粉含量為 12.4%。

摻粉煤灰混凝土的試驗(yàn)配合比及拌和物性能見(jiàn)表2。試驗(yàn)結(jié)果表明，在保證混凝土坍落度、含氣量一致的情況下，摻入纖維后，JM-PCA減水劑的摻量應(yīng)增加0.1%，ZB-1G引氣劑的摻量可保持不變。

1.2 試驗(yàn)方法

混凝土力學(xué)性能、變形性能和熱學(xué)性能的試驗(yàn)方法按照DL/T 5150-2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行，混凝土力學(xué)性能試件的尺寸為150mm×150mm×150mm，混凝土極限拉伸值采用翼形外夾試件，用位移傳感器測(cè)量極限拉伸值；混凝土干縮試件的尺寸為100mm×100mm×515mm，測(cè)量?jī)x器為臥式弓形螺旋測(cè)微儀；混凝土絕熱溫升采用JR-4型混凝土絕熱溫升測(cè)試儀進(jìn)行。

混凝土抗裂性的試驗(yàn)方法采用CCES 01-2005《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》附錄A2推薦的平板法。試驗(yàn)裝置的試模尺寸為600mm×600mm×63mm，由放置在周邊的L形鋼筋網(wǎng)提供約束，試模內(nèi)部底面上鋪一層塑料薄膜以減少對(duì)混凝土的約束，試件澆注后，用太陽(yáng)燈和電風(fēng)扇讓其快速脫水，收縮24h后測(cè)定裂縫長(zhǎng)度和寬度。

混凝土抗沖磨性能的試驗(yàn)按照DL/T 5150-2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》的水下鋼球法，試件尺寸為φ300mm×100mm，抗沖磨性能以抗沖磨強(qiáng)度來(lái)表示。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 纖維對(duì)粉煤灰混凝土強(qiáng)度與極限拉伸值的影響

纖維種類(lèi)對(duì)粉煤灰混凝土強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖1-圖3，對(duì)混凝土極限拉伸值的影響見(jiàn)圖4。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在粉煤灰混凝土中摻入不同種類(lèi)的纖維后，相比較于未摻加纖維的粉煤灰混凝土試件：

（1）28d齡期的抗壓強(qiáng)度降低的幅度偏大，PVA1纖維混凝土和PVA2纖維混凝土在10%左右，PP纖維混凝土降低了14%；其他齡期的抗壓強(qiáng)度略有降低，在3%左右；不同種類(lèi)的纖維混凝土抗壓強(qiáng)度都呈現(xiàn)出前期的抗壓強(qiáng)度降低的幅度大于后期。

（2）28d齡期時(shí)PVA2纖維混凝土劈拉強(qiáng)度提高了3%，其他齡期時(shí)，PVA1纖維混凝土和PVA2纖維混凝土的劈拉強(qiáng)度都有降低，同齡期PVA2纖維混凝土的劈拉強(qiáng)度降低的幅度大于PVA1纖維混凝土；PP纖維混凝土劈拉強(qiáng)度前期降低的幅度較大，7d齡期時(shí)為6%，28d齡期時(shí)為21%，后期劈拉強(qiáng)度略有降低。不超過(guò)1%。

（3）PVA2纖維混凝土180d齡期時(shí)抗拉強(qiáng)度降低了6%，其他各齡期，摻不同種類(lèi)纖維的混凝土抗拉強(qiáng)度都提高了，其中PVA1纖維混凝土提高的幅度最大，28d齡期時(shí)為20%，90d齡期時(shí)為14%，180d齡期時(shí)為3%，前期提高的幅度大于后期。

（4）PVA1纖維混凝土和PP纖維混凝土各齡期的極限拉伸值都提高了，PVA1纖維混凝土提高的幅度明顯大于PP纖維混凝土，同種纖維混凝土不同齡期比較，前期提高的幅度大于后期；PVA2纖維混凝土各齡期的極限拉伸值都略有降低，在2%左右。

纖維的摻入和混凝土形成了薄弱的界面過(guò)渡區(qū)，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度下降，后期因?yàn)榉勖夯倚?yīng)的發(fā)揮，增強(qiáng)了混凝土抗壓強(qiáng)度，從而摻入不同種類(lèi)的纖維后，混凝土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出后期降低幅度小于前期的趨勢(shì)。PVA1纖維、PVA2纖維和PP纖維抗拉強(qiáng)度高，具有較好的延性，摻入混凝土中，能有效提高混凝土的抗拉強(qiáng)度和極限拉伸值強(qiáng)度。PVA1纖維相較于PVA2纖維和PP纖維，其抗拉強(qiáng)度更大，彈性模量更高，所以PVA1纖維對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度和極限拉伸值的提高幅度更大。比較 3 種不同品種纖維，PVA1纖維的改善效果更好。

2.2 纖維對(duì)粉煤灰混凝土干縮的影響

纖維種類(lèi)對(duì)粉煤灰混凝土干縮的影響見(jiàn)圖5。

試驗(yàn)結(jié)果表明，摻入不同品種的纖維后，混凝土干縮變形減小，且對(duì)混凝土早齡期干縮的抑制效果更顯著，但不同纖維品種之間的差異不明顯。endprint

毛細(xì)管張力理論[9]表明：在混凝土中摻入纖維，纖維的亂向分布可以起到骨架的作用，降低了混凝土表面的析水，從而提高了水泥砂漿的保水能力，延長(zhǎng)了水泥砂漿的孔隙中出現(xiàn)表面張力的時(shí)間，所以纖維能夠有效的地減小其干縮率。

2.3 纖維對(duì)粉煤灰混凝土抗沖磨強(qiáng)度的影響

纖維種類(lèi)對(duì)混凝土抗沖磨強(qiáng)度的影響見(jiàn)表3。

試驗(yàn)結(jié)果表明：摻入纖維后，混凝土不同齡期抗沖磨強(qiáng)度有一定程度的增加，增長(zhǎng)幅度在15%左右；纖維種類(lèi)對(duì)混凝土抗沖磨強(qiáng)度影響的差異較小。

粉煤灰的顆粒一般都很小，在混凝土中可起微集料作用，充填在微小的孔隙中，同時(shí)，受到水泥水化生成的氫氧化鈣的激發(fā)，粉煤灰會(huì)逐漸發(fā)生水化作用生成膠凝物質(zhì)C-S-H，物理充填和水化反應(yīng)物充填共存，可使混凝土更加致密，從而提高混凝土的抗沖磨強(qiáng)度。相較于粉煤灰混凝土，纖維的抗拉強(qiáng)度大，彈性模量高，在粉煤灰混凝土中摻入纖維可降低混凝土的脆性，從而進(jìn)一步提高混凝土的抗沖模強(qiáng)度。

2.4 纖維對(duì)硅粉混凝土抗裂性能的影響

纖維對(duì)混凝土抗裂性能的影響見(jiàn)表4，混凝土平板開(kāi)裂最大裂縫寬度隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖6，裂縫總面積與試件類(lèi)型的關(guān)系見(jiàn)圖7。

試驗(yàn)結(jié)果表明，粉煤灰基準(zhǔn)混凝土的平板抗裂等級(jí)為V級(jí)，摻入不同種類(lèi)纖維后，混凝土的平板抗裂等級(jí)為I級(jí)，且PVA1纖維混凝土全程未開(kāi)裂，阻裂效果最好。由圖6可見(jiàn)，PVA2纖維和PP纖維摻入混凝土中降低了不同時(shí)間段內(nèi)混凝土的最大裂縫寬度，粉煤灰混凝土最大裂縫寬度0.32mm，PVA2纖維混凝土最大裂縫寬度0.15mm，PP纖維混凝土最大裂縫寬度0.11mm，且纖維混凝土出現(xiàn)第一條裂縫的時(shí)間明顯延遲。裂縫總面積是評(píng)價(jià)和優(yōu)化混凝土開(kāi)裂性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，由圖7可見(jiàn)，PVA1纖維未開(kāi)裂，另外兩種纖維混凝土較粉煤灰混凝土裂縫總面積顯著降低，PVA2纖維混凝土降低了76%，PP纖維降低了84%。因此，纖維能顯著提高混凝土抗裂性能，不同纖維阻裂能力的順序?yàn)椋篜VA1纖維>PVA2纖維>PP纖維。

纖維抗拉強(qiáng)度大，彈性模量高，分散性良好，纖維加入混凝土中能有效提高混凝土的韌性；同時(shí)纖維數(shù)量眾多，在混凝土中均勻分布，能有效改善混凝土內(nèi)部的應(yīng)力分布，降低微裂縫尖端的應(yīng)力集中，從而有效地消耗微裂縫擴(kuò)展的能量，從而有限提高混凝土的抗裂能力。

3 結(jié)論

（1）摻入不同種類(lèi)的纖維后，混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度都有降低，混凝土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出前期降低幅度大于后期的趨勢(shì)；混凝土抗拉強(qiáng)度都有提高，PVA1纖維混凝土提高的幅度最大，且呈現(xiàn)出前期大于后期趨勢(shì)；PVA1纖維混凝土和PP纖維混凝土各齡期的極限拉伸值都提高了，PVA1纖維混凝土提高的幅度較大，PVA2纖維混凝土各齡期的極限拉伸值都略有降低。

（2）纖維對(duì)混凝土干縮有一定的抑制效果，特別是早齡期混凝土的干縮。

（3）纖維能提高混凝土抗沖模強(qiáng)度，纖維種類(lèi)對(duì)混凝土抗沖磨強(qiáng)度影響的差異較小。

（4）摻入纖維有效抑制了混凝土的早期塑性開(kāi)裂，提高了混凝土的耐久性；不同纖維阻裂能力的順序?yàn)椋篜VA1纖維>PVA2纖維>PP纖維。

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