玄武巖-PVA混雜纖維混凝土力學(xué)性能研究

惠 存， 曹 旭， 劉 盼， 李樂鋒， 王帥旗， 海 然

(中原工學(xué)院 建筑工程學(xué)院， 河南 鄭州 450007)

隨著現(xiàn)代社會的高速發(fā)展，土木工程行業(yè)日新月異，大型復(fù)雜工程項(xiàng)目層出不窮，地下軌道交通中盾構(gòu)管片的制作、隧道工程中的錨噴支護(hù)、機(jī)場跑道及大跨度橋梁的路面工程等對混凝土材料的綜合性能提出了越來越高的要求?；祀s纖維改性混凝土汲取了兩種纖維的優(yōu)點(diǎn)，兩種纖維取長補(bǔ)短，協(xié)同工作，在一定摻量范圍內(nèi)具有正混雜效應(yīng)，不僅顯著改善了混凝土的綜合性能，而且彌補(bǔ)了單一纖維功能單一的不足[1-5]。玄武巖纖維作為一種新型綠色纖維，不僅具有良好的力學(xué)性能，而且其化學(xué)穩(wěn)定性好、價(jià)格低、綠色可降解。玄武巖纖維加入混凝土后有良好的分散性，與混凝土有良好的親和性與相容性，可顯著改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能及耐久性[6-7]。高強(qiáng)高模聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol，PVA)纖維具有良好的力學(xué)性能和遇水分散性，與水泥基有良好的親和性。PVA纖維不僅能提高混凝土的彎曲韌性和早期阻裂性能，還可改善混凝土的破壞形態(tài)[8-9]。將這兩種纖維中的一種或兩種摻入混凝土而制成單摻或混雜纖維混凝土，用于解決混凝土脆性及耐久性問題，已成為當(dāng)今的一大研究熱點(diǎn)[10-12]。

本文基于玄武巖纖維和PVA纖維的特性和研究狀況，將玄武巖纖維和PVA纖維單摻或混雜摻入混凝土中，通過實(shí)驗(yàn)探究單摻纖維、混雜纖維及不同混雜纖維的組成和摻量對混凝土工作性及力學(xué)性能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用水泥為天瑞集團(tuán)滎陽公司生產(chǎn)的P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥，其密度為3.02 g/cm3，性能指標(biāo)見表1。河砂的表觀密度為2 600 kg/m3，堆積密度為1 580 kg/m3，細(xì)度模數(shù)為2.48，含泥量為5.3%。實(shí)驗(yàn)選用5～20 mm連續(xù)級配碎石，其表觀密度為2 890 kg/m3，堆積密度為1 600 kg/m3，吸水率為1.9%。外加劑選用德國西卡牌減水劑，其主要成分為聚羧酸鹽，減水率為30%。玄武巖纖維選用浙江省杭州市石金玄武巖纖維有限公司生產(chǎn)的短切浸膠型產(chǎn)品。PVA纖維選用安徽皖維高新材料股份有限公司生產(chǎn)的WWF-40-3型高強(qiáng)高模產(chǎn)品。玄武巖纖維和PVA纖維的基本性能如表2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)所用普通硅酸鹽水泥的性能指標(biāo)

表2 玄武巖纖維和PVA纖維的基本性能

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

參考《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ55-2011)，配制C60普通混凝土。其配合比見表3?；祀s纖維混凝土的纖維組成見表4。

表3 C60普通混凝土的配合比

表4 混雜纖維混凝土的纖維組成 %

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)需保證玄武巖纖維和PVA纖維在新拌混凝土中的均勻性。實(shí)驗(yàn)采用的攪拌成型制度為：首先將石子、砂子、水泥干拌60 s，加水濕拌120 s，加水后手工撒入玄武巖纖維和PVA纖維，最后澆注成型并按標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至檢測齡期。在混凝土制備過程中，嚴(yán)格控制材料的投放順序、攪拌時(shí)間以及制備過程每個環(huán)節(jié)的時(shí)間，以保證每個試塊的質(zhì)量穩(wěn)定性及可比性。

參照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50080-2016)進(jìn)行混雜纖維混凝土的工作性試驗(yàn)?？箟簭?qiáng)度試塊尺寸為：100 mm×100 mm×100 mm?？拐蹚?qiáng)度試塊尺寸為：100 mm×100 mm×400 mm。本實(shí)驗(yàn)參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2016)中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，每組均為3個試塊。

2 結(jié)果與討論

2.1 玄武巖-PVA混雜纖維組成對新拌混凝土流動性的影響

圖1所示為玄武巖纖維和PVA纖維不同摻量對混凝土流動性的影響。

圖1 玄武巖纖維和PVA纖維不同摻量對混凝土流動性的影響

由圖1可以看出：在玄武巖纖維摻量一定的條件下，新拌混雜纖維混凝土的坍落度隨著PVA纖維用量的增大而降低；在PVA纖維摻量一定的條件下，新拌混凝土的工作性隨著玄武巖纖維摻量的增大而降低；總體上，新拌混凝土的工作性隨著混雜纖維總摻量的增大而顯著降低。當(dāng)玄武巖纖維摻量不高于0.15%、PVA纖維摻量不高于0.20%時(shí)，坍落度在100 mm以上；當(dāng)混雜纖維總摻量不高于0.35%時(shí)，坍落度也在100 mm以上。這一方面是由于玄武巖纖維摻量超過0.10%之后，不能被攪拌機(jī)完全打散的短切浸膠玄武巖纖維，以單絲狀和束狀共存于基體之中，束狀玄武巖纖維一定程度上起類似于鋼纖維的棚架承托作用，使得混凝土流動性下降，進(jìn)而降低其坍落度；另一方面是PVA纖維吸水性強(qiáng)，當(dāng)其摻量超過0.20%時(shí)，纖維表面會吸附大量的自由水，從而降低混凝土的坍落度。

2.2 玄武巖-PVA混雜纖維組成對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖2所示為玄武巖纖維和PVA纖維不同摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。

圖2 玄武巖纖維和PVA纖維不同摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

(1) 由圖2可以看出：當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.15%時(shí)，隨著PVA纖維含量的增大，混凝土抗壓強(qiáng)度呈先升后降的趨勢，而且當(dāng)PVA纖維摻量為0.30%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，較基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度提高9.3%。這說明纖維摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度影響有限。

(2) 由圖2還可看出：當(dāng)混雜纖維總摻量在0.30%～0.45%之間，且玄武巖纖維摻量為0.10%～0.15%、PVA纖維摻量為0.20%～0.30%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度大于基準(zhǔn)混凝土。這說明合理的纖維摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度起增強(qiáng)作用，過高或過低的纖維摻量則會產(chǎn)生負(fù)混雜效應(yīng)。其主要原因在于：過小的纖維摻量未能形成網(wǎng)狀承力體系，同時(shí)增加了基體界面效應(yīng)，使得混凝土抗壓強(qiáng)度下降；隨著玄武巖纖維摻量增大，大量束狀玄武巖纖維一定程度上起類似于鋼纖維的承力骨架作用，使其抗壓強(qiáng)度提高；合理摻量的PVA纖維可改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，減少內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生，從而增大混凝土抗壓強(qiáng)度。

2.3 玄武巖-PVA混雜纖維組成對混凝土抗折強(qiáng)度的影響

圖3所示為玄武巖纖維和PVA纖維不同摻量對混凝土抗折強(qiáng)度的影響。

圖3 玄武巖纖維和PVA纖維不同摻量對混凝土抗折強(qiáng)度的影響

(1) 由圖3可以看出：單摻PVA和玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土的抗折強(qiáng)度隨著纖維摻量的增大而增加，當(dāng)單摻PVA纖維0.40%時(shí)混凝土抗折強(qiáng)度提高19.6%，單摻玄武巖纖維0.20%時(shí)混凝土抗折強(qiáng)度提高10.2%；混雜纖維混凝土的抗折強(qiáng)度均大于單摻纖維混凝土的抗折強(qiáng)度。這說明混雜纖維在提高基準(zhǔn)混凝土的性能方面有良好的協(xié)同效應(yīng)。

(2) 由圖3還可看出：在PVA纖維或玄武巖纖維摻量一定的情況下，混雜纖維混凝土的抗折強(qiáng)度呈先增后降的變化趨勢，當(dāng)PVA纖維摻量不超過0.20%時(shí)，混雜纖維混凝土抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)增長趨勢；當(dāng)PVA纖維摻量超過0.20%，且玄武巖纖維超過0.05%時(shí)，混雜纖維混凝土抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢；當(dāng)PVA纖維摻量為0.10%和0.20%，且與玄武巖纖維的各摻量進(jìn)行混雜時(shí)，混凝土抗折強(qiáng)度的增幅均不低于20%；當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.10%、PVA纖維摻量為0.20%時(shí)，混雜纖維混凝土抗折強(qiáng)度達(dá)到7.71 MPa，抗折強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土提高29.1%，較單摻0.20%PVA纖維的混凝土提高14.2%，較單摻0.10%玄武巖纖維的混凝土提高22.6%。

2.4 玄武巖-PVA混雜纖維組成對混凝土折壓比的影響

折壓比反映混凝土彎曲荷載下的變形能力和抗裂能力，是表征混凝土韌性的一個重要參數(shù)。圖4所示為混雜纖維混凝土折壓比隨PVA纖維摻量的變化特征。

圖4 混雜纖維混凝土折壓比隨PVA纖維摻量的變化特征

(1) 對于PVA纖維單摻，當(dāng)摻量小于0.10%時(shí)，其對混凝土的折壓比影響不明顯；當(dāng)纖維摻量超過0.10%時(shí)，混凝土折壓比隨著摻量增大而單調(diào)提高。

(2) 對于玄武巖纖維單摻，當(dāng)摻量小于0.05%時(shí)，混凝土的折壓比相對于基準(zhǔn)混凝土有所下降；當(dāng)纖維摻量超過0.05%時(shí)，混凝土折壓比隨著摻量增大而單調(diào)提高。

(3) 對于纖維混摻，當(dāng)PVA纖維摻量為0.10%，與不同摻量玄武巖纖維進(jìn)行混雜時(shí)，增強(qiáng)效果顯著，但隨著PVA纖維摻量的增大，增強(qiáng)效果開始下降；在PVA摻量為0.30%而玄武巖纖維摻量為0.15%、0.20%時(shí)，混凝土的折壓比甚至低于單摻纖維混凝土。

(4) 當(dāng)PVA纖維摻量為0.20%、玄武巖纖維摻量為0.10%時(shí)，混雜纖維混凝土的折壓比達(dá)到了0.117，較基準(zhǔn)混凝土提高25.2%，較單摻0.20%PVA纖維的混凝土提高12.2%，較單摻0.10%玄武巖纖維的混凝土提高21.1%。這是由于PVA纖維和單絲狀存在的玄武巖纖維起到了橋接作用，纖維相互搭接而形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，均勻分布于混凝土內(nèi)部，可改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其分散應(yīng)力，從而抑制混凝土內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，增大混凝土折壓比；但是，隨著兩種纖維摻量增至一定程度，大量束狀玄武巖纖維的存在增強(qiáng)了混凝土的界面效應(yīng)，纖維之間纏繞而結(jié)團(tuán)的現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致混雜纖維分布不勻，增加了混凝土內(nèi)部薄弱區(qū)，從而使混凝土折壓比降低。

3 結(jié) 論

(1) 無論纖維單摻還是混摻，混凝土坍落度都隨著纖維總摻量的增加而降低；單摻玄武巖纖維的量超過0.15%或單摻PVA纖維的量超過0.20%時(shí)，混凝土坍落度明顯下降，混雜纖維總摻量不高于0.35%時(shí)，混凝土坍落度維持在100 mm以上。

(2) 玄武巖纖維、PVA纖維和混雜纖維對混凝土抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)效果均不明顯；合理的纖維摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度起增強(qiáng)作用，過高或過低的纖維摻量則會產(chǎn)生負(fù)混雜效應(yīng)；當(dāng)混雜纖維總摻量在0.30%～0.50%之間，且玄武巖纖維摻量在0.10%～0.15%之間、PVA纖維摻量為0.20%～0.30%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度大于基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度。

(3) 玄武巖纖維、PVA纖維和混雜纖維的摻入均明顯改善了混凝土抗折強(qiáng)度及韌性，相比單摻纖維，玄武巖-PVA混雜纖維對混凝土抗折強(qiáng)度及韌性的增強(qiáng)作用更為顯著；混摻時(shí)，PVA纖維比玄武巖纖維對混凝土抗折強(qiáng)度的增強(qiáng)作用更為明顯；當(dāng)玄武巖纖維為0.10%、PVA纖維為0.20%時(shí)，混雜纖維混凝土抗折強(qiáng)度達(dá)到7.71 MPa，較基準(zhǔn)混凝土提高了29.1%，折壓比較基準(zhǔn)混凝土提高了25.2%，玄武巖-PVA混雜纖維在提高混凝土抗折強(qiáng)度及韌性方面表現(xiàn)出良好的協(xié)同效應(yīng)。