纖維自密實(shí)混凝土的壓拉性能及混雜效應(yīng)

馬芹永，張鴻朋，李龍鈺，張 發(fā)

(安徽理工大學(xué)a.礦山地下工程教育部工程研究中心；b.土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

自密實(shí)混凝土(self-compacting concrete，SCC)是充分利用自身重力無(wú)需振搗即可實(shí)現(xiàn)填充的混凝土，因其具有質(zhì)地密實(shí)、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)而被廣泛用于工程建設(shè)[1-2]。在SCC 配制過(guò)程中，摻加適量的纖維可提高混凝土結(jié)構(gòu)的承載力，增強(qiáng)其與水泥基材料的黏結(jié)力，從而提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[3-4]。但纖維的摻入會(huì)降低SCC 的流動(dòng)性，導(dǎo)致其工作性能下降。為獲得性能優(yōu)異的纖維SCC，需探討合適的纖維種類(lèi)與摻量[5]。李林香等[6]試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，單摻1.5，3.0 kg/m3的玄武巖纖維(basalt fiber，BF)及1.0 kg/m3的聚丙烯腈纖維(polyacrylonitrile fiber，PAN)對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響不明顯；賀晶晶等[7]研究表明，混摻BF和PAN 時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度的增強(qiáng)系數(shù)無(wú)明顯的正相關(guān)性，但劈裂抗拉強(qiáng)度的增強(qiáng)優(yōu)于抗壓強(qiáng)度；Zhou 等[8]研究發(fā)現(xiàn)，BF 的摻入可顯著提高混凝土的抗裂性能，且混凝土抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效果低于抗拉強(qiáng)度；Lin 等[9]研究表明，摻入體積分?jǐn)?shù)為0.1%的耐堿BF，混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別提高了2.5%和12.1%，且BF 的摻入可改善混凝土的內(nèi)部孔隙狀況，增強(qiáng)其與混凝土基體之間的黏結(jié)力。

綜上可看出，目前研究較多集中于單摻纖維對(duì)SCC性能的影響，較少關(guān)注混摻纖維對(duì)SCC性能的影響。鑒于此，通過(guò)單摻和混摻的方式制備纖維SCC試件，研究混摻纖維對(duì)SCC壓拉性能的影響，并對(duì)其進(jìn)行微觀形貌和混雜效應(yīng)進(jìn)行分析，以期為實(shí)際工程應(yīng)用提供有效依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

普通硅酸鹽水泥(P·O42.5)，淮南市八公山水泥廠；粉煤灰，Ⅱ級(jí)，燒失量4.5%，具體化學(xué)成分見(jiàn)表1；細(xì)骨料，淮河中砂，細(xì)度模數(shù)2.7；粗骨料，碎石，粒徑不超過(guò)20 mm；試驗(yàn)用水為淮南市普通自來(lái)水；聚羧酸高效粉狀減水劑，上海鍇源華工科技有限公司；玄武巖纖維(BF)，上海臣啟化工有限公司，長(zhǎng)18 mm、直徑17.4 μm；聚丙烯腈纖維(PAN)，萊蕪興泰工程材料有限公司，長(zhǎng)12 mm、直徑10～15 μm。

表1 粉煤灰化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of fly ash

1.2 試件配合比

以本課題組[11]制備的SCC 為基準(zhǔn)配比試件，其原料配合比見(jiàn)表2，各項(xiàng)工作性能指標(biāo)均符合JGJT 283—2012《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[10]，具體如表3。在此基礎(chǔ)上單摻、混摻不同含量的BF 和PAN 兩種纖維，其組合配合比如表4。

表2 SCC基準(zhǔn)配合比Tab.2 Base mix radio of SCC

表4 纖維組合方式Tab.4 Fiber combination

1.3 試件制備

充分潤(rùn)濕混凝土攪拌機(jī)(HJW-60型)，按表2所示配合比先將中砂和碎石加入攪拌機(jī)中攪拌60 s，再加入纖維、水泥以及粉煤灰干攪90 s；然后倒入配比要求的50%的水和減水劑濕攪60 s，再將剩余的水和減水劑倒入攪拌60 s。攪拌完成，將新拌混凝土倒入100 mm×100 mm×100 mm 的三聯(lián)模具，再將其移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)1 d后脫模，將脫模試件放置室溫為(20±2)℃的環(huán)境養(yǎng)護(hù)28 d，得到纖維自密實(shí)混凝土試件。

1.4 性能測(cè)試

1.4.1 力學(xué)性能

按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[12]，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 的纖維自密實(shí)混凝土試件開(kāi)展強(qiáng)度試驗(yàn)，采用混凝土壓力試驗(yàn)機(jī)(WAW-1000，上海三思縱橫機(jī)械制造有限公司)測(cè)試試件的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度。

1.4.2 微觀形貌

壓拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)束，在混凝土碎塊中選取尺寸為8 mm×8 mm×4 mm的水泥-骨料界面以及纖維-基質(zhì)界面試樣。將試樣放入酒精中浸泡24 h，而后放入烘箱中烘干后密封保存。將試樣用導(dǎo)電膠黏在試件盤(pán)上對(duì)其表面進(jìn)行噴金，采用掃描電鏡(Flex1000型)觀測(cè)噴金后試樣的微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 壓拉性能

2.1.1 抗壓強(qiáng)度

單摻纖維對(duì)SCC抗壓強(qiáng)度的影響如圖1。

圖1 單摻纖維摻量與SCC抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.1 Relationship between the single fiber content and the compressive strength of SCC

從圖1 可看出：PAN 摻量(體積分?jǐn)?shù)，下同)在0～0.12%范圍，纖維SCC 的抗壓強(qiáng)度均隨PAN 摻量的增加而增大，PAN 摻量為0.12%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大，為44.33 MPa，增幅10.22%；BF 摻量(體積分?jǐn)?shù)，下同)在0～0.20%范圍，纖維SCC 的抗壓強(qiáng)度隨BF 摻量的增加呈先增后減的趨勢(shì)，BF 摻量為0.10%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大，為42.12 MPa，增幅4.72%。這是因?yàn)锽F 是一種耐堿硅酸鹽材料，少量摻入可均勻分散在SCC 中，過(guò)量摻入在混凝土基質(zhì)中會(huì)出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。

混摻纖維對(duì)SCC 抗壓強(qiáng)度的影響如圖2。從圖2 可看出：BF 摻量為0.05%時(shí)，PAN 摻量在0～0.12%范圍，隨PAN 摻量的增大SCC 抗壓強(qiáng)度呈先減后增的趨勢(shì)，PAN 摻量為0.12%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大，為42.35 MPa，增幅為5.30%；BF 摻量分別為0.10%，0.20%時(shí)，SCC 抗壓強(qiáng)度均隨PAN 的增加呈先增后減的趨勢(shì)，在PAN 摻量為0.09%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大，分別為42.94，41.88 MPa，增幅分別為6.76%，4.13%。

圖2 混摻纖維摻量與SCC抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.2 Relationship between the content of mixed fiber and the compressive strength of SCC

對(duì)比圖1，2可知，單摻纖維對(duì)SCC抗壓強(qiáng)度的提升效果較混摻纖維顯著。這是由于隨纖維摻量的增加，纖維在混凝土中無(wú)法均勻分散，纖維表面與混凝土之間相互吸附，導(dǎo)致SCC 內(nèi)部出現(xiàn)受壓薄弱面，抗壓強(qiáng)度下降，兩種纖維混摻呈“負(fù)混雜效應(yīng)”。對(duì)于抗壓強(qiáng)度，混雜纖維最優(yōu)摻量組為BF 摻量0.10%、PAN 摻量0.09%，此時(shí)試件抗壓強(qiáng)度為42.94 MPa。

2.1.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

單摻纖維對(duì)SCC 劈裂抗拉強(qiáng)度的影響如圖3。從圖3可看出：PAN，BF摻量分別在0～0.12%，0～0.20%范圍時(shí)，SCC 劈裂抗拉強(qiáng)度隨單摻纖維摻量的增加而增大；PAN 摻量為0.12%時(shí)，抗拉強(qiáng)度最大，為5.06 MPa，增幅29.41%；BF 摻量為0.20%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大，為4.48 MPa，增幅14.58%。由此可見(jiàn)，BF 和PAN 均可較好地提升混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度。

圖3 單摻纖維摻量與SCC劈裂抗拉強(qiáng)度的關(guān)系Fig.3 Relationship between the single fiber content and the splitting tensile strengthof SCC

混摻纖維對(duì)SCC 劈裂抗拉強(qiáng)度的影響如圖4。從圖4 可看出：當(dāng)BF 摻量分別為0.05%，0.10%，0.20%時(shí)，PAN 摻量在0～0.12%范圍，SCC 劈裂抗拉強(qiáng)度均隨PAN 摻量的增大呈持續(xù)增大趨勢(shì)；PAN 摻量為0.12%時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度最大，相應(yīng)為6.19，6.86，6.72 MPa，增 幅 分 別 為58.31%，75.45%，71.87%。

圖4 混摻纖維摻量與SCC劈裂抗拉強(qiáng)度的關(guān)系Fig.4 Relationship between the content of mixed fiber and the splitting tensile strength of SCC

對(duì)比圖3，4 可知，混摻纖維對(duì)SCC 劈裂抗拉強(qiáng)度的提升效果優(yōu)于單摻纖維，且隨纖維摻量的增加其劈裂抗拉強(qiáng)度線性增大。這是由于兩種纖維在SCC 基體的水泥砂漿中形成縱橫交錯(cuò)的纖維網(wǎng)，與水泥砂漿之間產(chǎn)生較大的黏結(jié)力，對(duì)裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展起到抑制作用，兩種纖維混摻呈“正混雜效應(yīng)”。對(duì)于劈裂抗拉強(qiáng)度，混雜纖維最優(yōu)摻量組為BF 摻量0.10%，PAN摻量0.12%。

2.1.3 纖維SCC微觀結(jié)構(gòu)及機(jī)理分析

SCC在骨料-基質(zhì)界面和纖維SCC(BF10PAN12)在纖維-基質(zhì)界面的微觀形貌如圖5。

圖5 SCC微觀形貌Fig.5 Micro morphology of SCC

從圖5 可看出：SCC 內(nèi)部的水泥與骨料之間存在明顯裂縫，結(jié)構(gòu)較疏松，微裂縫的存在會(huì)使混凝土受力時(shí)形成宏觀裂縫，從而導(dǎo)致破壞；BF 和PAN 橫跨水泥基質(zhì)的內(nèi)部裂縫，阻止了裂縫的發(fā)展，這是由于兩種纖維與SCC的“橋接效應(yīng)”，在混凝土內(nèi)部形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，致使混凝土試件的劈裂抗拉強(qiáng)度得到明顯提升。

2.2 混雜效應(yīng)

選取混雜系數(shù)表征纖維混凝土的混雜效應(yīng)，纖維混凝土強(qiáng)度的混雜系數(shù)[13-16]計(jì)算公式為

式中：f為纖維SCC的強(qiáng)度；fm為SCC的強(qiáng)度；αA-B為混摻PAN與BF的纖維SCC混雜系數(shù)，αA-B≥1時(shí)為正混雜效應(yīng)，αA-B＜1 時(shí)為負(fù)混雜效應(yīng)；βA-B為混摻PAN 與BF 的纖維SCC 強(qiáng)度相較于SCC 的增強(qiáng)系數(shù)；βA為單摻PAN的纖維SCC強(qiáng)度相較于SCC的增強(qiáng)系數(shù)；βB為單摻BF的纖維SCC強(qiáng)度相較于SCC的增強(qiáng)系數(shù)。

由式(1)計(jì)算表4 所示纖維SCC 試件的混雜系數(shù)，結(jié)果如表5。從表5 可看出：受壓時(shí)，所有混摻PAN-BF 的纖維SCC 試件的αA-B＜1，PAN 混雜纖維SCC 呈負(fù)混雜效應(yīng)；受拉時(shí)除BF05PAN06 試件的αA-B為0.890 外，其他試件的αA-B＞1，其他組合的SCC 呈正混雜效應(yīng)；混摻BF 摻量為0.20%，PAN 摻量為0.06%時(shí)，即BF20PAN06 試件抗壓強(qiáng)度的混雜系數(shù)最大，為0.962，此時(shí)試件的抗壓強(qiáng)度增幅最大(6.76%)，這與試件抗壓強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致；混摻BF 摻 量 為0.20%，PAN 摻 量 為0.09% 時(shí)，即BF20PAN09試件劈裂抗拉強(qiáng)度的混雜系數(shù)最大，為1.444，此時(shí)試件的劈裂抗拉強(qiáng)度增幅最大(75.45%)，這與試件劈裂抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。由此可見(jiàn)：混摻PAN 與BF對(duì)SCC劈裂抗拉強(qiáng)度的提升效果明顯；抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度之間的混雜效應(yīng)不具明顯的正相關(guān)性。

表5 纖維SCC混雜系數(shù)Tab.5 Hybridity coefficient of fiber SCC

3 結(jié) 論

1) 混摻PAN 與BF 較單摻對(duì)SCC 抗壓強(qiáng)度的提升效果差，但較SCC 均有提升；單摻PAN 較單摻BF 對(duì)SCC 抗壓強(qiáng)度的提升效果顯著，單摻PAN，BF 的摻量分別為0.12%，0.10%時(shí)，SCC 試件抗壓強(qiáng)度均達(dá)到峰值，分別為44.33，42.12 MPa，較SCC 分別分別提升10.22%，4.72%；混摻BF 摻量為0.10%，PAN 摻量為0.09%時(shí)，SCC抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值(42.94 MPa)，較SCC提升6.76%。

2)混摻PAN 與BF較單摻對(duì)SCC 劈裂抗拉強(qiáng)度的提升效果好，混摻BF摻量為0.10%，PAN 摻量為0.12%時(shí)，SCC抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值(6.86 MPa)，較SCC提升75.45%。

3)SCC 內(nèi)部的骨料-基質(zhì)結(jié)構(gòu)較疏松，混摻PAN 與BF 后，其和SCC 之間的“橋接效應(yīng)”有利于提升SCC的劈裂抗拉強(qiáng)度。

4) 混摻PAN 與BF 時(shí)，對(duì)于SCC 抗壓強(qiáng)度呈負(fù)混雜效應(yīng)，對(duì)于劈裂抗拉強(qiáng)度呈正混雜效應(yīng)，混摻纖維SCC抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的混雜系數(shù)不具明顯的正相關(guān)性。