玄武巖-聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土力學(xué)性能、滲透性能和孔結(jié)構(gòu)研究

黃大觀，牛荻濤2，劉云賀，蘇 麗3，夏 倩

(1.西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，西安 710048； 2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，西安 710055；3.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，蘭州 730050)

1 研究背景

混凝土因制備簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、功能多樣以及與鋼材結(jié)合可制成各種承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于土木建筑工程領(lǐng)域[1]。近年來(lái)，人們把混凝土的性能提升作為研究的主要目標(biāo)[2]，把纖維增強(qiáng)材料放入混凝土中，使纖維混凝土的力學(xué)性能和耐久性能相比于普通混凝土得到不同程度的提高[3-5]。纖維可以單一或者混合摻入到混凝土中，如果采用單一纖維，作用提升效果十分有限，而混雜纖維的摻入可以發(fā)揮不同纖維的各自優(yōu)勢(shì)，效果提升明顯[6-9]。

目前學(xué)者對(duì)混雜纖維混凝土已經(jīng)進(jìn)行了不少的研究。楊成蛟等[9]研究了摻有鋼纖維和改性聚丙烯纖維混凝土的力學(xué)性能和抗?jié)B性能，結(jié)果表明混雜纖維可以有效增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度，當(dāng)鋼纖維和改性聚丙烯纖維的摻量分別為0.7%和0.3%時(shí)，抗折強(qiáng)度最大，但是混雜纖維降低了混凝土的滲透性能。丁一寧等[10]通過滲透試驗(yàn)，研究了鋼纖維、聚丙烯粗纖維和聚丙烯細(xì)纖維對(duì)開裂后混凝土的滲透系數(shù)的影響，結(jié)果表明，鋼纖維和聚丙烯粗纖維具有較好的正混雜效應(yīng)。高丹盈等[11]進(jìn)行了聚丙烯-鋼纖維增強(qiáng)高性能混凝土的高溫試驗(yàn)，研究表明混雜纖維提高了混凝土高溫后強(qiáng)度，有效抑制混凝土的高溫爆裂。Lawer等[12]對(duì)鋼纖維-PVA混雜纖維混凝土的彎曲韌性、抗?jié)B試驗(yàn)進(jìn)行了分析，研究發(fā)現(xiàn)，混雜纖維混凝土在小撓度范圍內(nèi)的韌性優(yōu)于單摻鋼纖維。Machine等[13]研究了混雜兩種不同類型的聚丙烯纖維混凝土的力學(xué)性能，結(jié)果表明，短纖維分散性好，可以抑制早期裂紋，單絲纖維具有很高的彈性模量，二者工作性能互補(bǔ)，有效提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度。Eethar等[14]研究表明鋼纖維、棕櫚纖維和合成纖維的摻量分別為1.5%、0.25%、0.25%時(shí)，混凝土的抗彎強(qiáng)度和彎曲韌性改善效果最好。

玄武巖纖維是一種新型綠色環(huán)保纖維，具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，抗拉強(qiáng)度高、彈性模量大、耐磨性好[15]，在混凝土基體中復(fù)摻玄武巖纖維和聚丙烯纖維可以形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提升混凝土的性能，而且玄武巖纖維可以代替鋼纖維，改善鋼-聚丙烯混凝纖維混凝土中鋼纖維易腐蝕的缺陷。目前關(guān)于玄武巖-聚丙烯混雜纖維混凝土的研究還不充分，玄武巖纖維和聚丙烯纖維摻量與混凝土不同性能指標(biāo)之間的定量關(guān)系尚不清楚。因此本文旨在量化討論玄武巖-聚丙烯混雜纖維對(duì)混凝土的力學(xué)性能、抗氯離子滲透性能和孔結(jié)構(gòu)的影響。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

制備玄武巖-聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土使用的材料包括P.O42.5R普通硅酸鹽水泥(OPC)、硅灰(SF)、粉煤灰(FA)和礦渣(BFS)，水泥主要技術(shù)指標(biāo)見表1，試驗(yàn)材料化學(xué)組成見表2。減水劑(PBS)：江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑，減水率為30%；玄武巖纖維(BF)：四川航天拓鑫玄武巖實(shí)業(yè)有限公司，長(zhǎng)度18 mm；聚丙烯纖維(PF)，江蘇蘇博特新材料股份有限公司，長(zhǎng)度19 mm，纖維的物理力學(xué)性能見表3；粗骨料(CA)：5～20 mm涇陽(yáng)山碎石；細(xì)集料(S)：灞河中砂，連續(xù)級(jí)配，細(xì)度模數(shù)為2.8；拌合水(W)為西安本地自來(lái)水。

表1 水泥的主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indexes of cement

表2 膠凝材料的化學(xué)成分分析Table 2 Chemical composition of cementitious materials

表3 纖維的物理力學(xué)性能Table 3 Physical and mechanical properties of fiber

2.2 混凝土配合比

試驗(yàn)混凝土的配合比如表4所示，本研究主要考慮混凝土中纖維體積摻量的變化，水膠比均為0.44。BF和PF分別表示玄武巖纖維和聚丙烯纖維，0、5、10、15分別代表纖維的體積摻量為0、0.05%、0.10%和0.15%。玄武巖-聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土的攪拌流程如圖1所示。

2.3 試驗(yàn)方法

混凝土試件在溫度為(20±2)℃、相對(duì)濕度為95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)齡期?；炷恋目箟簭?qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50081—2002)[16]規(guī)定的方法進(jìn)行。立方體混凝土試件邊長(zhǎng)為100 mm，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d齡期時(shí)進(jìn)行測(cè)試。

滲透性能采用電通量法測(cè)試，按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)[17]規(guī)定的方法進(jìn)行?；炷猎嚰捎弥睆?100±1)mm，高度為(50±2)mm的圓柱體試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d齡期時(shí)進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)在(20～25)℃的室內(nèi)進(jìn)行，電通量測(cè)試示意圖如圖2所示。

孔結(jié)構(gòu)采用RapidAir 457孔結(jié)構(gòu)分析儀進(jìn)行測(cè)試，試件制作過程參照《RapidAir 457用戶手冊(cè)》。混凝土試件為邊長(zhǎng)100 mm立方體，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d。試驗(yàn)前首先將試件切割成10～20 mm厚的薄片，表面無(wú)明顯鋸痕，然后將觀測(cè)面分別用600#、800#和1200#的碳化硅研磨液各研磨15 min，拋光后表面平整光滑。把研磨好的觀測(cè)面涂黑，然后把鋅糊和試件預(yù)熱至80 ℃，鋅糊具有足夠流動(dòng)性后均勻涂抹在試件表面，待鋅糊略顯凝固，將試件表面多余鋅糊刮去，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試樣就制作完成，孔結(jié)構(gòu)測(cè)試儀器如圖3。

表4 混凝土配合比Table 4 Mix proportion of concrete

圖1 混凝土攪拌示意圖Fig.1 Flowchart of concrete mixing

圖2 電通量測(cè)試示意圖Fig.2 Schematic diagram of electric flux test

圖3 孔結(jié)構(gòu)測(cè)試儀器Fig.3 Test instrument for pore structure

3 結(jié)果與討論

3.1 力學(xué)性能

混雜纖維混凝土抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度如圖4所示。

圖4 混凝土抗壓強(qiáng)度與劈拉強(qiáng)度Fig.4 Compressive strength and splitting tensilestrength of concrete

從圖4(a)可以看出，BF5PF5組混凝土抗壓強(qiáng)度最大，相比于基準(zhǔn)混凝土BF0PF0提高了9.2%，當(dāng)玄武巖纖維摻量固定，隨著聚丙烯纖維摻量增加，混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸減小，BF5PF15組混凝土抗壓強(qiáng)度相比于基準(zhǔn)混凝土下降了15.7%；當(dāng)聚丙烯纖維摻量固定，隨著玄武巖纖維摻量增加，混凝土抗壓強(qiáng)度變化不大，但是混雜纖維均提高了抗壓強(qiáng)度。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是混凝土是一種非均質(zhì)材料，內(nèi)部有尺寸不同的微裂縫、孔隙和缺陷，纖維加入混凝土中，可以協(xié)同基體一起受力，當(dāng)應(yīng)力自基體傳遞給纖維時(shí)，纖維因變形而消耗能量，使抗壓強(qiáng)度提高。此外，聚丙烯纖維具有不親水性，而玄武巖纖維有親水性，因此，玄武巖纖維與混凝土基體的粘結(jié)性能好，二者之間握裹力較大，對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)的效果優(yōu)于聚丙烯纖維。纖維摻量過高會(huì)導(dǎo)致纖維在基體中的平均間距減小，當(dāng)減小到一定程度時(shí)，纖維出現(xiàn)搭接的現(xiàn)象，使得纖維與混凝土的粘結(jié)效果變差；另外，纖維摻量過高在混凝土內(nèi)分散不均勻會(huì)產(chǎn)生很多薄弱界面，導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度降低。

從圖4(b)可看出，混凝土中加入纖維均提高了其劈拉強(qiáng)度，BF10PF5組混凝土劈拉強(qiáng)度最大，為3.62 MPa，與基準(zhǔn)混凝土相比提高了25.2%，提升幅度很大。當(dāng)混雜纖維總體積摻量相同時(shí)，BF10PF5組混凝土的劈拉強(qiáng)度大于BF5PF10，BF15PF5組混凝土的劈拉強(qiáng)度大于BF5PF15，說(shuō)明玄武巖纖維對(duì)混凝土的劈拉強(qiáng)度提高效應(yīng)大于聚丙烯纖維。這是由于玄武巖纖維與聚丙烯纖維混雜在混凝土基體中，或均勻分散或相互纏繞，形成三維的亂向支撐網(wǎng)[18]。當(dāng)承受拉力時(shí)，跨越裂縫的纖維將荷載傳遞給裂縫的上下表面，使裂縫處仍能繼續(xù)承受荷載，而且纖維也能分擔(dān)一部分截面上的拉力，降低混凝土內(nèi)部微裂紋處的應(yīng)力集中系數(shù)，從而提高了混凝土的極限拉伸應(yīng)變，起到阻止裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的作用。另外，玄武巖纖維的彈性模量和抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于聚丙烯纖維，當(dāng)微裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大時(shí)，聚丙烯纖維被拉斷或拔出，此時(shí)拉應(yīng)力主要由玄武巖纖維承擔(dān)，因此在裂縫發(fā)展的中后期，玄武巖纖維起主要增強(qiáng)作用。

3.2 滲透性能

混雜纖維混凝土的電通量試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 混凝土電通量Fig.5 Electric flux of concrete

根據(jù)圖5的結(jié)果進(jìn)一步計(jì)算可知：

混雜纖維對(duì)混凝土的抗?jié)B性能改善效果并不明顯，除BF5PF5組混凝土的抗?jié)B性提高了15.77%，其余各組混雜纖維混凝土的抗?jié)B性均降低，尤其BF5PF15組混凝土抗?jié)B性降低了64.37%。這說(shuō)明纖維總體積摻量為0.1%時(shí)混凝土抗?jié)B性能提高效果明顯，纖維總體積摻量>0.1%時(shí)，抗?jié)B性能降低。

此外，當(dāng)纖維總體積摻量相同時(shí)，BF10PF5的電通量小于BF5PF10，BF15PF5的電通量小于BF5PF15，說(shuō)明在纖維體積摻量過剩時(shí)，聚丙烯纖維對(duì)抗?jié)B性能的削弱作用大于玄武巖纖維。這是由于適量的纖維加入混凝土中，纖維在混凝土內(nèi)均勻分散且與混凝土的粘結(jié)性良好，在混凝土振動(dòng)密實(shí)的過程中增加混凝土內(nèi)部的束縛力，從而減少混凝土在成型過程中縫隙的產(chǎn)生；而且，纖維還可抑制其早期干縮裂紋以及連通裂縫的產(chǎn)生；分布在混凝土中的纖維彼此相連降低了混凝土表面析水，使混凝土孔隙率降低，從而在一定程度上提高了抗?jié)B能力。

當(dāng)纖維摻量過剩時(shí)，纖維的總表面積增大，需要更多的水泥砂漿來(lái)包裹、粘結(jié)纖維，這就會(huì)影響砂漿和骨料的粘結(jié)效果，粘結(jié)不良的地方會(huì)形成新的物質(zhì)滲透通道，從而降低混凝土的抗?jié)B性能。而且，在混雜纖維總體積摻量相同時(shí)，聚丙烯纖維占比越大，纖維的總表面積越大，不僅需要更多的水泥砂漿來(lái)包裹、粘結(jié)纖維，而且還會(huì)增加混凝土內(nèi)界面，這樣對(duì)混凝土抗?jié)B性能影響也就越大。

3.3 孔結(jié)構(gòu)

通過RapidAir 457孔結(jié)構(gòu)分析儀對(duì)混凝土孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，孔隙結(jié)構(gòu)和分析結(jié)果分別如圖6、圖7所示。

圖6 混凝土表面孔結(jié)構(gòu)Fig.6 Pore structure of concrete surface

圖7 混凝土孔結(jié)構(gòu)分析結(jié)果Fig.7 Analysis results of pore structure of concrete

從圖6看到基準(zhǔn)混凝土中零星分布著一些較大的孔隙，加入纖維后，這些孔隙的大小和數(shù)量都在增加，這是由于摻入纖維后在振動(dòng)成型過程中空氣不易溢出而殘留在混凝土內(nèi)。

從圖7(a)可以看出，整體趨勢(shì)上中孔隙[19](孔徑0.05～0.1 mm)占比變化不大，當(dāng)聚丙烯纖維摻量逐漸增大時(shí)，混凝土的小孔隙(孔徑0～0.05 mm)占比先減小后增加，而大孔隙和超大孔隙占比先增大后減小，而且以BF5PF10組混凝土的小孔隙占比最小，大孔隙(孔徑0.1～0.5 mm)和超大孔隙(孔徑>0.5 mm)占比較大。從圖7 (b)還可以看出，在纖維總體積摻量相同的情況下，聚丙烯纖維占比越多，孔隙間距系數(shù)越大。基準(zhǔn)混凝土相比于BF5PF5組混凝土，小孔隙占比多，大孔隙和超大孔隙占比少，且孔隙間距系數(shù)基準(zhǔn)混凝土比BF5PF5組混凝土低70.73%，所以基準(zhǔn)混凝土的小孔隙更容易通過微裂縫形成連通孔，這樣就對(duì)抗?jié)B性造成不利影響，而孔隙間距系數(shù)較大，小孔隙較少的混凝土形成連通孔的概率相對(duì)較低。但是，當(dāng)大孔隙和超大孔隙占比達(dá)到臨界值后，即使孔隙間距系數(shù)較大，一旦通過微裂縫形成連通孔，混凝土的抗?jié)B性能會(huì)大幅降低。

混凝土的孔結(jié)構(gòu)是混凝土微觀結(jié)構(gòu)的重要組成，根據(jù)孔結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)值，基于光學(xué)法分形模型，可以計(jì)算出混凝土的分形維數(shù)，分形維數(shù)可以反映混凝土孔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。張金喜等[20]在計(jì)算過程中使用盒維數(shù)定義，引入“換算氣孔數(shù)”的概念，準(zhǔn)確計(jì)算出混凝土的分形維數(shù)，可靠性高。根據(jù)張金喜的分形模型計(jì)算了BF5PF5組混凝土分形維數(shù)，結(jié)果如圖8所示。圖8中Nc為孔數(shù)、d為孔徑。從圖8可知，計(jì)算的決定系數(shù)R2為0.978，表明計(jì)算精度較高。

圖8 換算孔數(shù)與孔徑的雙對(duì)數(shù)散點(diǎn)圖及擬合線Fig.8 Double logarithmic scatter plot and fitted curveof conversion number versus pore diameter

圖9 混凝土的分形維數(shù)Fig.9 Fractal dimension ofconcrete

因此，根據(jù)張金喜的分形模型計(jì)算出各組混凝土的分形維數(shù)如圖9所示。從圖9中可以看出，當(dāng)玄武巖纖維和聚丙烯纖維加入混凝土后，可以改變混凝土的孔結(jié)構(gòu)，從而影響混凝土孔結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)。當(dāng)玄武巖纖維摻量不變時(shí)，分形維數(shù)隨著聚丙烯纖維摻量的增加逐漸減小，BF5PF5組混凝土的分形維數(shù)最大，比基準(zhǔn)混凝土大7.73%。當(dāng)聚丙烯纖維摻量不變時(shí)，隨著玄武巖纖維摻量增加，分形維數(shù)變化的幅度很小。

圖10 分形維數(shù)與混凝土性能參數(shù)的相關(guān)性分析Fig.10 Correlation analysis between fractal dimensionand concrete’s performance parameters

混凝土的強(qiáng)度是混凝土重要的宏觀性能指標(biāo)之一，通常與混凝土的孔結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)。分形維數(shù)通?？梢员碚骰炷恋奈⒂^孔結(jié)構(gòu)特征，因此二者之間應(yīng)該有密切的關(guān)系[21]。圖10(a)和圖10(b)分別為抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度與分形維數(shù)的相關(guān)性分析。從圖10(a)可以看出，混凝土抗壓強(qiáng)度與孔結(jié)構(gòu)分形維數(shù)之間存在很好的相關(guān)性，即隨著分形維數(shù)增加，混凝土抗壓強(qiáng)度提高。分形維數(shù)越大，表明混凝土孔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度增加，孔結(jié)構(gòu)占有空間的能力較強(qiáng)，因此在受力過程中，內(nèi)部應(yīng)力得到均勻分布，避免了應(yīng)力集中，提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度。從圖10(b)可以看出，整體趨勢(shì)上隨著分形維數(shù)增加，劈拉強(qiáng)度呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，但是二者之間的相關(guān)性相對(duì)較差。圖10(c)為混凝土電通量與分形維數(shù)的關(guān)系，可以看出，隨著分形維數(shù)增加，電通量呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，二者之間的相關(guān)性較好。當(dāng)玄武巖纖維和聚丙烯纖維加入混凝土后，可以改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)，孔結(jié)構(gòu)得到了細(xì)化和優(yōu)化，表現(xiàn)為分形維數(shù)的增加?？捉Y(jié)構(gòu)優(yōu)化后，混凝土的滲透性相應(yīng)降低，因此分形維數(shù)增加，電通量表現(xiàn)為減小的趨勢(shì)。

4 結(jié) 論

(1)玄武巖纖維、聚丙烯纖維的體積摻量均為0.05%時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度最大，相比于基準(zhǔn)混凝土提高了9.2%。當(dāng)繼續(xù)增加聚丙烯纖維摻量，抗壓強(qiáng)度降低，而繼續(xù)增加玄武巖纖維摻量，抗壓強(qiáng)度變化幅度很小。

(2)混凝土中加入玄武巖-聚丙烯混雜纖維后劈拉強(qiáng)度均得到提高，玄武巖纖維和聚丙烯纖維摻量分別為0.1%和0.05%時(shí)劈拉強(qiáng)度最大，為3.62 MPa。

(3)纖維總體積摻量為0.1%時(shí)混凝土抗?jié)B性能提高效果明顯，纖維總體積摻量>0.1%時(shí)，抗?jié)B性能降低，而且聚丙烯纖維對(duì)抗?jié)B性能的削弱作用大于玄武巖纖維。

(4)玄武巖-聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土具有明顯的分形特征。隨著分形維數(shù)增大，抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度逐漸增大，而電通量逐漸減小。分形維數(shù)與抗壓強(qiáng)度和電通量具有很好的相關(guān)性。