玄武巖—聚丙烯混雜纖維混凝土基本性能研究

郭靳時(shí) 趙 崢 云佳琪

吉林建筑大學(xué)（130118）

0 引言

在我國(guó)乃至世界，混凝土是用量最大、用途最廣的建筑材料，而混凝土技術(shù)不斷發(fā)展，人們不滿足于混凝土現(xiàn)有性能，纖維混凝土是一種新型的水泥復(fù)合材料，其的出現(xiàn)無疑推動(dòng)了混凝土技術(shù)的發(fā)展，許多研究者為了發(fā)揮纖維在混凝土中的優(yōu)勢(shì)，選擇多種纖維按一定的纖維體積率混雜，使纖維發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，而玄武巖-聚丙烯纖維混凝土作為一個(gè)新型建筑材料處在一個(gè)探索期，對(duì)其性能需要進(jìn)行更詳細(xì)研究。

1 纖維混凝土

纖維混凝土[1]以混凝土（水泥漿、砂漿）為基體，加入纖維組成的復(fù)合材料。研究表明，纖維的加入可以改善混凝土基體性能，若加入混雜纖維效果更好[2-3]。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料及配合比

2.1.1 原材料

1）水泥:42.5普通硅酸鹽水泥，其性能見表1。

表1 水泥物理性能

2）細(xì)骨料:選用細(xì)度模數(shù)為2.7中砂。

3）粗骨料:選用粒徑最大20 mm碎石，表觀密度為2 710 kg/m3。

4）水:自來水。

5）纖維:主要參數(shù)見表2。

表2 纖維主要參數(shù)

2.1.2 配合比

依據(jù)《普通混凝配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》JGJ 55—2011確定混凝土配合比（見表3）。

表3 混凝土配合比表（kg/m3）

2.1.3 試件制作與養(yǎng)護(hù)

1）配置。本試驗(yàn)用攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，先將纖維和石子混合干拌60 s，再將沙料和水泥加入干拌60 s，然后將纖維均勻的分散在混凝土中，攪拌90 s，最后將水加入進(jìn)行攪拌90 s。

2）裝模。將攪拌好的混凝土裝入迅速模具，進(jìn)行振搗，然后抹面。

3）養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)時(shí)，在試塊表面上蒙上塑料膜,在20℃~30℃中靜置一夜，然后編號(hào)拆模，最后放入養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)室濕度≥95%，溫度18℃~22℃，養(yǎng)護(hù)28 d。

2.2 試驗(yàn)方法

文章試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)法，用正交表安排和分析多因素進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2.1 試驗(yàn)方案

文章選用A、B、C分別表示試驗(yàn)三種因素玄武巖纖維體積率、聚丙烯纖維體積率、混凝土強(qiáng)度，用1、2、3表示試驗(yàn)三種水平（見表4）。根據(jù)以上列出試驗(yàn)正交表（見表5），為便于分析某單一因素的影響及進(jìn)行對(duì)照，另外設(shè)置了幾組試件和一組普通混凝土試件。

表4 試驗(yàn)水平和變量

表5 試驗(yàn)匯總表

2.2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

1）坍落度試驗(yàn)。先將坍落度桶潤(rùn)濕后固定在鋼板上，將漏斗放在桶上。然后將混凝土分三次裝入桶內(nèi)，用搗棒由邊緣至中心插搗。插振后，用刮刀刮去多余混凝土，并進(jìn)行抹平，最后將桶平穩(wěn)提起，測(cè)量桶高與混凝土最高點(diǎn)的高度差，即為混凝土坍落度值。

2）立方體抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)分別采用液壓式萬用試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2002）的相關(guān)要求[4]，采用的尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊，進(jìn)行連續(xù)均勻的加載，速率為均0.5~0.8 MPa/s。并按式（1）計(jì)算抗壓強(qiáng)度，式（2）計(jì)算抗拉強(qiáng)度:

其中:fcu為混凝土立方體試塊的抗壓強(qiáng)度（MPa），fts為立方體試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度（MPa），F(xiàn)為混凝土破壞時(shí)最大荷載（N），A1為試塊承壓面積（mm2），A2為劈裂試驗(yàn)試塊劈裂面積（mm2）。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)表6結(jié)果分析可知:

表6 極差正交分析匯總計(jì)算表

1）坍落度極差最大的是因素B（聚丙烯纖維體積率），最小的是因素C（混凝土強(qiáng)度），故對(duì)因素B混凝土坍落度影響最大，因素C對(duì)坍落度影響最小。因素A、B在纖維體積率為0.05%時(shí)，最大，在混凝土強(qiáng)度為C30時(shí)，性能最優(yōu)，故坍落度最優(yōu)試件為A1。

2）因素A極差最大，故因素A對(duì)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度影響最大，因素A、B在纖維體積率為0.10%時(shí)，最大，故立方體抗壓強(qiáng)度最優(yōu)試件為A5。

3）劈裂抗拉強(qiáng)度極差最大的是因素C，最小的是因素B。因素A、B在纖維體積率為0.15%時(shí)，Kjm最大，因素C在混凝土強(qiáng)度為C50時(shí)，性能最優(yōu)。

3.1 坍落度試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表5得混雜纖維混凝土中因素A、B、C與坍落度的關(guān)系（如圖1、圖2所示）。

圖1 混雜纖維混凝土中因素A、B與坍落度的關(guān)

圖2 混雜纖維混凝土中因素C與坍落度的關(guān)系

從圖1、2可知:坍落度隨著玄武巖纖維摻量和聚丙烯纖維摻量增大而減小，對(duì)于HFRC，玄武巖纖維摻量和聚丙烯纖維摻量從0%~0.15%時(shí)，HFRC的坍落度降低分別約50%、33%，而單摻玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混凝土，當(dāng)摻量從0%~0.15%時(shí)，玄武巖纖維混凝土和聚丙烯纖維混凝土的坍落度降低分別約為27%、56%。而HFRC坍落度的下降速度比單摻纖維的混凝土更快，這也就說明，HFRC土比單摻纖維的混凝土對(duì)坍落度的影響更大。HFRC的強(qiáng)度也對(duì)坍落度有一定影響，隨著HFRC的增加，坍落度的曲線下降先快后慢。

3.2 立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表6的混雜纖維混凝土中因素A、B與立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系（如圖3所示）。

圖3 混雜纖維混凝土中因素A、B與立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

從圖3可知:玄武巖纖維混凝土和聚丙烯纖維混凝土中纖維體積率為0.05%、0.10%和0.15%時(shí)，抗壓強(qiáng)度分別較普通混凝土試件均在降低。對(duì)于HFRC，混雜纖維比單摻纖維對(duì)基體立方體抗壓強(qiáng)度的影響更大?？傊?，單摻纖維和加入混雜纖維相比與普通混凝土試塊（A20），立方體抗壓強(qiáng)度均在降低。

3.2.2 試驗(yàn)破壞形式分析

（1）為普通混凝土試塊,玄武巖纖維體積率為0.15%時(shí)，聚丙烯纖維摻量為0.05%（2）、0.10%（3）、0.15%（4）的試塊的破壞形式如圖4所示。

圖4 不同摻量的試塊破壞形式

由此可見普通混凝土（1）破壞后，混凝土發(fā)生嚴(yán)重破壞。而加混雜纖維的（2）、（3）、（4）組試塊破壞后，裂縫分散有些碎片掉落，但仍能保持初始形態(tài)，所以混雜纖維混凝土不會(huì)像普通混凝土一樣突然破壞，其破壞進(jìn)程緩慢。

3.3 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表6得混雜纖維混凝土中因素A、B與立方體劈裂抗拉的關(guān)系（如圖5所示）。

圖5 混雜纖維混凝土中因素A、B與劈裂抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

圖6 混雜纖維混凝土因素C與劈拉強(qiáng)度的關(guān)系

由圖5可知:玄武巖纖維混凝土和聚丙烯纖維混凝土與普通混凝土相比，其纖維摻量越大，劈拉強(qiáng)度則越大。且單摻聚丙烯纖維基體的劈拉強(qiáng)大于單摻玄武巖纖維基體的劈拉強(qiáng)度。而對(duì)于混雜纖維混凝土，當(dāng)其中一個(gè)纖維摻量固定而另一纖維摻量不斷增加時(shí)，混凝土的劈拉強(qiáng)度與普通混凝土劈拉強(qiáng)度相比不斷增加?？傊?，單摻纖維和混雜纖維的加入都能提高混凝土基體劈裂抗拉強(qiáng)度，且混雜纖維提高更明顯。

3.3.2 試驗(yàn)破壞形式分析

圖7中（1）是普通混凝土的破壞狀態(tài)，試驗(yàn)時(shí)隨著荷載的逐漸加大，試塊在中軸線處發(fā)生脆性斷裂，斷裂成兩半。（2）是試件A11，可以看出試塊發(fā)生破壞后，試塊沒有完全斷成兩半。這是因?yàn)槔w維對(duì)混凝土的裂縫有阻礙作用，故混雜纖維混凝土試件成一定程度上的延性破壞[5]。

圖7 混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的破壞形式

3 結(jié)論

文章通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比和分析，得出以下結(jié)論:

1）對(duì)坍落度影響因素由強(qiáng)到弱分別為:聚丙烯纖維體積率、玄武巖纖維體積率、混凝土強(qiáng)度。且纖維體積率越大，混凝土坍落度越小，混雜纖維比單摻纖維對(duì)基體坍落度的影響更大。

2）對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度影響因素由強(qiáng)到弱分別為:玄武巖纖維體積率、聚丙烯纖維體積率，在混凝土中加入纖維后，對(duì)混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)能力不大，反而有所降低，但纖維的加入可改善試塊的開裂程度，提高其完整性，對(duì)實(shí)際工程仍具有重要意義。

3）對(duì)立方體劈裂抗拉強(qiáng)度影響因素由強(qiáng)到弱分別為:混凝土強(qiáng)度、玄武巖纖維體積率、聚丙烯纖維體積率。隨著纖維體積率的增大，立方體劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸增大，且混雜纖維比單摻纖維對(duì)于混凝土劈拉強(qiáng)度的增強(qiáng)效果更好。