纖維增強自密實輕骨料混凝土抗凍性能試驗研究

董健苗　莊佳橋　王亞東　余浪　王慧敏

摘? 要：將長度均為10 mm，體積摻量為0.8 kg/m3的聚丙烯纖維、體積摻量為2.0 kg/m3的劍麻纖維分別摻加到強度等級為C40的自密實輕骨料混凝土（SCLC）中進行抗凍融循環(huán)試驗，測試其抗壓強度損失率和質(zhì)量損失率.采用線性回歸的方法，研究建立了3種SCLC試塊不同凍融循環(huán)條件下抗壓強度線性回歸預(yù)測模型.與空白樣對比，250次凍融循環(huán)試驗后，劍麻纖維SCLC和聚丙烯纖維SCLC的質(zhì)量損失率分別降低了2.12%、2.58%，抗壓強度損失率分別降低了3.10%、4.30%.試驗數(shù)據(jù)表明，在不同凍融循環(huán)次數(shù)下，兩種不同纖維制備的SCLC的抗凍性均得到了顯著提高，其中摻加聚丙烯纖維的SCLC改善效果要優(yōu)于摻加劍麻纖維的SCLC.

關(guān)鍵詞：自密實輕骨料混凝土;劍麻纖維;聚丙烯纖維;抗凍性 ;抗壓強度;質(zhì)量損失率

中圖分類號：TU528.041? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.02.002

0引言

有關(guān)數(shù)據(jù)表明，國內(nèi)外約一半混凝土建筑存在凍害現(xiàn)象.我國幅員遼闊，氣候環(huán)境復(fù)雜，特別是東北地區(qū)，混凝土工程存在部分或大面積的凍融災(zāi)害[1-3].混凝土結(jié)構(gòu)因時常遭受凍融循環(huán)作用，性能會出現(xiàn)不同程度的降低[4-5]，甚至會被破壞.受到凍融破環(huán)的建筑物所造成的經(jīng)濟損失遠遠高于建筑總成本，因此，研究如何提高混凝土的抗凍性是十分必要的.

自密實輕骨料混凝土（SCLC）是在自密實混凝土技術(shù)基礎(chǔ)上，用輕骨料代替普通骨料配制的一種表觀密度小于1 950 kg/m3的新型高性能混凝土，它較好地解決了普通混凝土自重大和施工時需要振搗等問題[6].為了提高SCLC的耐久性，研究人員通常會往里面添加碳纖維、鋼纖維等來增加SCLC的密實度;而碳纖維、鋼纖維價格昂貴，其在混凝土中的應(yīng)用和發(fā)展受到了一定限制[7].本文在前期研究的基礎(chǔ)上，用長度為10 mm，摻量為2.0 kg/m3的劍麻纖維、0.8 kg/m3的聚丙烯纖維替換碳纖維、鋼纖維等分別摻加到強度等級為C40的自密實輕骨料混凝土中進行凍融循環(huán)試驗，研究SCLC的抗凍性能.

1試驗

1.1?? 原材料

水泥：廣西魚峰牌P·O42.5級水泥.

粉煤灰：I級灰，來賓電廠生產(chǎn)，化學(xué)成分見表1.

陶粒：湖北宜昌寶珠陶粒有限公司產(chǎn)900級頁巖圓球型陶粒，相關(guān)技術(shù)指標見表2.

砂：柳州產(chǎn)河砂，中砂，表觀密度為2 800 kg/m3，細度模數(shù)為2.8，級配合格.

水：試驗用自來水.

減水劑：蘇州弗克牌聚羧酸高效減水劑，減水率為30%.

聚丙烯纖維：深圳維特耐新材料有限公司生產(chǎn)，短纖維，長度為10 mm，直徑18～22 μm，基本性能見表3.圖1為聚丙烯纖維的掃描電鏡照片，從照片可以看出聚丙烯纖維表面平滑，呈規(guī)則的桿狀.

劍麻纖維：廣西劍麻集團生產(chǎn)，平均直徑?? 305 μm，長10 mm，相關(guān)參數(shù)見表3.纖維內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，有腔體，腔體大小呈不規(guī)則分布[8].圖2為劍麻纖維的掃描電鏡照片，從圖中可以看出劍麻纖維的表面凹凸不平，呈不規(guī)則的長條形狀.

采用絕對體積法進行配合比設(shè)計，如表4所示.

1.2?? 試塊制作和試驗方法

SCLC試件為棱柱體試塊，尺寸為100 mm×100 mm×300 mm.試塊分為不摻纖維、摻劍麻纖維以及摻聚丙烯纖維3大組，按順序分別編號為K1—K12、S1—S12、P1—P12共36個小組，合計108個試件.

試塊采取快凍法試驗，試驗過程為標準養(yǎng)護24 d，泡進水中養(yǎng)護4 d，其水面高出試塊頂部?? 30 mm，水溫控制在20 ℃左右，養(yǎng)護完成后取出試塊.

擦干試件表面后按編號依次稱取試件的重量，隨后把試件放進凍融箱里進行凍融循環(huán).首先將試塊周圍的溫度在2 h內(nèi)降到-18 ℃，并在-20 ℃～-18 ℃之間持續(xù)4 h，之后向箱子里注入溫水，使試件進入融化狀態(tài)，并使溫度在18 ℃～20 ℃之間保持4 h. 25次凍融循環(huán)結(jié)束，按編號順序取出試塊，然后擦干表面的水，觀察記錄混凝土表面破損和脫落的情況.烘干試塊后進行稱重和測量抗壓強度，并記錄試驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)象，其余組繼續(xù)進行50次、75次、100次、……、250次凍融循環(huán)試驗.凍融試驗儀器滿足混凝土抗凍試驗要求和規(guī)范要求，具體如圖3所示.

2試驗結(jié)果與分析

2.1?? 凍融破壞形態(tài)分析

圖4表示100次、150次、200次、250次凍融循環(huán)作用下3種SCLC試塊表面脫落情況的比較.以圖4（a）為例，SCLC試塊從上往下分別為不摻纖維的SCLC，摻聚丙烯纖維的SCLC以及摻劍麻纖維的SCLC;圖4（b）、圖4（c）、圖4（d）的試塊排列順序同上.

從圖中可以看出，不摻纖維的SCLC相比添加纖維的SCLC，其起皮脫落的過程隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加變得更為迅速，破壞情況更加嚴重;到了250次凍融循環(huán)，不摻纖維的SCLC試件表面凹凸不平，邊角有較多的脫落物，而摻加纖維的兩種SCLC脫落情況較為輕微，其試塊邊角依然保持完好.比較摻聚丙烯纖維和劍麻纖維的這兩種SCLC發(fā)現(xiàn)，兩種試塊都較為完整，沒有很嚴重的破損脫落現(xiàn)象.這是由于不摻纖維的SCLC試件表面的陶粒失去了混凝土的固定，與混凝土連接作用減弱，最后陶粒剝落使得試件表面變得凹凸不平，而纖維的添加能有效地抑制SCLC表面的脫落，提高混凝土的抗凍性能.

2.2?? SCLC試塊微觀形貌分析

圖5—圖7分別表示SCLC、聚丙烯纖維SCLC、劍麻纖維SCLC試塊養(yǎng)護28 d后的掃描電鏡照片，照片放大倍數(shù)為5 000倍.

圖5 SCLC水化產(chǎn)物周圍形成了較多的孔隙，孔隙形狀大小不一，C-S-H凝氫氧化鈣晶體各自聚集在一起，分布并不均勻，這是由于粗骨料表面存在較厚的水膜，水泥水化過程中，析出的CH晶體會在粗骨料和漿體的界面過渡區(qū)中大量聚集，使得孔隙率增加.圖6的聚丙烯纖維SCLC中的水化產(chǎn)物則分布更加均勻、緊湊，這是由于基體的水化產(chǎn)物在聚丙烯纖維周圍富集，填充了基體與纖維之間的孔隙;此外，聚丙烯纖維細度高，平均直徑為 18～22 μm，0.8 kg/m3體積摻量的聚丙烯纖維在SCLC試塊中分布數(shù)量很大，均勻分散之后會形成緊密的三維亂向分布的纖維網(wǎng)，對混凝土的早期收縮干縮，能夠起到很好的約束作用，從而有效阻止收縮裂縫的產(chǎn)生，其抗凍性也得到了提高.從圖7中可以看出，劍麻纖維SCLC的孔隙率比空白SCLC的要小一些，其密實度要高，但與聚丙烯纖維SCLC相比，劍麻纖維的添加使SCLC的孔隙數(shù)量稍有增加，且孔隙分布更加集中，影響了SCLC抗凍性能的提升，這是由于劍麻纖維直徑過大以及表面缺陷過多所致.

2.3?? 試驗數(shù)據(jù)分析

2.3.1?? 質(zhì)量損失率

3種SCLC試塊在不同凍融循環(huán)條件下質(zhì)量的變化如圖8所示.

由圖8可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，3種SCLC的質(zhì)量損失率曲線都呈現(xiàn)上升的趨勢，其中，不摻纖維的SCLC在不同的凍融循環(huán)次數(shù)下質(zhì)量損失率最大，摻劍麻纖維或者聚丙烯纖維的SCLC的質(zhì)量損失率有所降低，經(jīng)過250次的凍融循環(huán)，質(zhì)量損失率分別為1.93%、1.47%，比不摻纖維分別降低了2.12%、2.58%.

2.3.2?? 抗壓強度損失率

試驗試塊抗壓強度損失率計算公式如式（1）所示：

[Δfc=fc0-fcnfc0×100%]?? （1）

式中：[Δfc]——多次凍融循環(huán)條件下試塊的抗壓強度損失率; [fc0]——對比用的一組試驗試件凍融前抗壓強度值（MPa），精確至0.1 MPa; [fcn]——多次凍融循環(huán)后一組試驗試塊的抗壓強度值（MPa），精確至0.1 MPa.

圖9是不同凍融循環(huán)條件下，SCLC試塊抗壓強度損失率變化曲線.

由圖9可知，3種SCLC抗壓強度損失率總體呈上升趨勢.與不摻纖維的SCLC相比，摻聚丙烯纖維或劍麻纖維的SCLC在不同的凍融循環(huán)次數(shù)下，抗壓強度損失率均有所降低，其中降低幅度最大的為聚丙烯纖維SCLC.經(jīng)過250次的凍融循環(huán)，劍麻纖維SCLC以及聚丙烯纖維SCLC的抗壓強度損失率分別為11.20%、10.00%，比不摻纖維的SCLC降低了3.10%、4.30%，各組SCLC試塊均能滿足抗壓強度損失率不大于25%的要求.

通過比較分析3種SCLC的質(zhì)量損失率和抗壓強度損失率，可以發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維和劍麻纖維都能夠提高SCLC的抗凍性能，其中提升效果較優(yōu)的是聚丙烯纖維.

2.4?? 抗凍性試驗結(jié)果機理分析

SCLC的抗凍能力主要與內(nèi)部裂縫數(shù)量、孔隙大小有關(guān).內(nèi)部裂縫產(chǎn)生的主要原因是由于早期收縮應(yīng)力產(chǎn)生的，三維亂相分布在混凝土內(nèi)部的纖維能夠起到骨架支撐的作用，有利于抵消部分早期收縮應(yīng)力;纖維還能夠有效切斷毛細管通道，減少因泌水而形成的連通孔隙，從而阻礙了水分進入混凝土中，減少了因結(jié)冰膨脹造成的損害.纖維較高的彈性模量使得混凝土在受到凍融循環(huán)影響時不會因承拉過大而發(fā)生變形破壞.劍麻纖維與聚丙烯纖維相比，其直徑大、質(zhì)地較硬，在澆筑摻了劍麻纖維的SCLC試件時，一定程度上阻礙了砂漿和骨料的自重沉降，使其不能均勻地分布在混凝土內(nèi)部，使得混凝土孔隙率增大;其次，劍麻纖維是親水性材料，表面缺陷較多、腔體大小不一、形狀不規(guī)則，使試件水化反應(yīng)后的C-S-H膠凝呈片狀且不規(guī)則分布，從而形成微小的滲水通道，其水分在受到凍脹效果影響時，混凝土內(nèi)部便會形成微小裂縫，所以劍麻纖維SCLC相對于聚丙烯纖維SCLC來說更容易發(fā)生凍脹破壞.

2.5?? 抗壓強度線性回歸預(yù)測模型分析

lm函數(shù)是R語言中常見的函數(shù)，用來擬合回歸預(yù)測模型，也是擬合線性回歸預(yù)測模型最基本的函數(shù)，通過lm函數(shù)能夠建立出3種SCLC試塊在不同凍融循環(huán)條件下抗壓強度線性回歸預(yù)測模型，分別為：

[y1=48.2x1-0.02]? （2）

[y2=56.46x2-0.02]（3）

[y3=51.7x2-0.02]? （4）

式中：[y1]、[y2]、[y3]——SCLC、聚丙烯纖維SCLC與劍麻纖維SCLC試塊的抗壓強度預(yù)測模型擬合值;[x1]、[x2]、[x3]——SCLC、聚丙烯纖維SCLC與劍麻纖維SCLC試塊受到的凍融循環(huán)次數(shù).

通過線性回歸預(yù)測模型（式（2）—式（4））可以計算出空白SCLC、聚丙烯纖維SCLC與劍麻纖維SCLC不同凍融循環(huán)次數(shù)下的抗壓強度預(yù)測模型擬合值，并與其實測值進行對比.空白SCLC、聚丙烯纖維SCLC與劍麻纖維SCLC試塊的對比情況如圖10所示.

圖10中的散點距離斜線越近，說明試塊實測值與抗壓強度預(yù)測模型擬合值越吻合.由圖10可知，空白SCLC、聚丙烯纖維SCLC與劍麻纖維SCLC的抗壓強度實測值與抗壓強度線性回歸預(yù)測模型擬合值吻合情況都較為良好，其中，劍麻纖維SCLC明顯優(yōu)于其他兩種纖維，說明該模型具有很好的可信度，在實際的工程應(yīng)用中有很好的參考價值.

3結(jié)論

1）與不摻纖維的SCLC相比，在不同的凍融循環(huán)次數(shù)下，摻劍麻纖維或者摻聚丙烯纖維的SCLC的質(zhì)量損失率和抗壓強度損失率都有明顯的減少，其中摻聚丙烯纖維的SCLC減少的最多;以250次的凍融循環(huán)為例，劍麻纖維SCLC的質(zhì)量損失率和抗壓強度損失率分別降低了2.12%、3.10%，聚丙烯纖維SCLC的質(zhì)量損失率和抗壓強度損失率分別降低了2.58%、4.30%.

2）隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，空白組SCLC試塊表面起皮和陶粒脫落情況較為嚴重;在添加劍麻纖維或者聚丙烯纖維后，SCLC試件表面起皮和陶粒脫落的情況有明顯的改善，其中添加聚丙烯纖維的SCLC改善最為明顯.

3）掃描電鏡結(jié)果顯示，與空白組SCLC相比，摻聚丙烯纖維的SCLC內(nèi)部水泥水化產(chǎn)物分布更加均勻，密實度更高，所以抗凍性能更加優(yōu)良;而摻劍麻纖維的SCLC內(nèi)部孔隙數(shù)量雖然減少，但孔隙分布較為集中，使得混凝土內(nèi)部不同的地方密實度不同，有的松散，有的密實，所以其抗凍性能的提升不如摻聚丙烯纖維的SCLC.

4）3種SCLC的抗壓強度與凍融循環(huán)次數(shù)之間存在良好的線性關(guān)系，所求得的抗壓強度線性回歸預(yù)測模型都非常顯著，抗壓強度實測值與預(yù)測模型擬合值較為吻合，其中，劍麻纖維吻合情況最好.

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Study on frost resistance of self compacting lightweight aggregate

concrete with sisal fiber and polypropylene fiber

DONG Jianmiao1， ZHUANG Jiaqiao1，WANG Yadong*2， YU Lang1， WANG Huimin

（1.School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China; 2.Liuzhou Railway Vocational and Technical College， Liuzhou 545616， China）

Abstract： Polypropylene fiber and sisal fiber with centent of 0.8 kg/m3 or 2.0 kg/m3 and a length of 10 mm were respectively added to self compacting lightweight aggregate concrete with strength grade C40 for the freeze-thaw cycle experiment to test the compressive strength loss rate and mass loss rate.??? Compared with the blank sample， the respective mass loss rate of sisal fiber SCLC and polypropylene fiber SCLC are reduced by 2.12% and 2.58% after 250 freeze-thaw cycles， and the respective strength?loss rate is reduced by 3.10% and 4.30%. The experimental data show that under different freeze-thaw??? cycles， the frost resistance of SCLC prepared by two different fibers is significantly improved， and the improvement effect of SCLC with polypropylene fiber is better than that with sisal fiber. The linear???? regression model of compressive strength of three kinds of SCLC specimens under different????????? freeze-thaw cycles was established by using linear regression method.

Key words： self compacting lightweight aggregate concrete; sisal fiber; polypropylene fiber; frost????? resistence

（責任編輯：羅小芬、黎?? 婭）

收稿日期：2020-09-26

基金項目：廣西科技攻關(guān)項目（桂科攻1114016-6）;廣西教育廳科研項目（YB2014199）資助.

作者簡介：董建苗，碩士，教授，研究方向：高性能混凝土，建筑節(jié)能，新型建筑材料.

通信作者：王亞東，碩士，講師，研究方向：新型建筑材料及其工程應(yīng)用，E-mail：1007728701@qq.com.