纖維增強自密實輕質(zhì)混凝土墻板配合比設(shè)計及力學(xué)性能研究

張利 雷波

摘要：研究不同纖維類型改良自密實混凝土的工程性能以及最佳配合比，對鋼纖維（SF）、聚丙烯纖維（PPF）、玄武巖纖維（BF）改良自密實混凝土開展了坍落度、干密度、立方體抗壓強度以及劈裂抗拉試驗。結(jié)果表明，摻入纖維后，自密實混凝土試樣的坍落度均隨著纖維摻量的增加而逐漸變小；SF 材料能夠提高混凝土試樣的抗壓強度；摻入PPF 材料和BF 材料后混凝土試樣的抗壓強度明顯降低；摻入纖維后混凝土試樣的劈裂抗拉性能明顯增強。自密實混凝土（SCLC）試樣的整體表面較為光滑，加入SF 材料后界面變得粗糙，其斷裂界面較PPFRC 以及BFRC 混凝土試樣要更為完整，PPF 材料和BF 材料改良的混凝土內(nèi)部存在很多細(xì)小空隙。

關(guān)鍵詞：纖維增強；自密實混凝土；配合比設(shè)計；流動性；力學(xué)試驗

中圖分類號：TU528.72；TQ342+.62文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2023）05-0095-04

Studyonmixdesignandmechanicalpropertiesof fiberreinforcedself-compactinglightweightconcretewallboard

ZHANG Li，LEI Bo

（GuangAn Vocational and Technical College，SiChanGuangAn，China，638000）

Abstract： The engineering properties and optimal mixing ratio of improved self-compacting concrete of different fi? ber types were studied，and the slump，dry density，cubic compressive strength and splitting tensile tests of steel fi? ber（SF），polypropylene fiber（PPF）and basalt fiber（BF）improved self-compacting concrete were carried out. The test results showed that the slump of self-compacting concrete samples gradually decreased with the increase of fiber content after fiber incorporation. SF material could improve the compressive strength of cubic concrete sam? ples，but the compressive strength of concrete samples significantly decreased after adding PPF and BF materials. After the fiber was incorporated，the splitting tensile properties of concrete samples were significantly enhanced. The overall surface of the SCLC sample was relatively smooth，and the interface become rough after adding SF ma? terial. However，the fracture interface of the SCLC sample was more complete than that of the PPFRC and BFRC concrete samples. There were many small voids inside the concrete modified with PPF and BF materials.

Keywords： fiber reinforced；self-compacting concrete；mix design；fluidity；mechanical test

自密實輕質(zhì)混凝土墻板是一種新型的建筑材料，具有輕質(zhì)、高強度、高剛性、韌性好等特點[1-3]。在過去的幾十年中，隨著建筑工業(yè)的不斷發(fā)展，對于輕質(zhì)高強高剛材料的需求不斷增加，纖維增強自密實混凝土逐漸變得重要[4-6]。因此，纖維增強自密實輕質(zhì)混凝土墻板成為了當(dāng)前研究的重點。

研究表明，在纖維增強自密實輕質(zhì)混凝土墻板中加入纖維可以顯著提高其力學(xué)性能。在配合比設(shè)計中，纖維種類、配合比、加工工藝等因素均有很大的影響[7-10]。因此，對于纖維增強自密實輕質(zhì)混凝土墻板配合比設(shè)計的研究是非常必要的。近年來，有許多研究機構(gòu)和學(xué)者開展了對纖維增強自密實輕質(zhì)混凝土墻板配合比設(shè)計和力學(xué)性能的研究，他們通過試驗和數(shù)學(xué)模擬等方法，取得了一些重要的結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn)加入適量的纖維可以提高纖維增強自密實輕質(zhì)混凝土墻板的抗壓強度和抗折強度[11-13]。同時，配合比的不同也會影響纖維增強自密實輕質(zhì)混凝土墻板的力學(xué)性能，因此必須科學(xué)地選擇合適的配合比[14-15]。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，不同的纖維種類和纖維長度對纖維增強自密實輕質(zhì)混凝土墻板的力學(xué)性能有很大的影響。短纖維可以提高纖維增強自密實輕質(zhì)混凝土墻板的抗壓強度，長纖維可以提高其剛度。因此，纖維種類和纖維長度也是影響纖維增強自密實輕質(zhì)混凝土墻板性能的重要因素[16-18]。

本次研究室內(nèi)對 SF材料、PPF 材料、BF 材料改良SCLC 開展了坍落度試驗、干密度試驗、立方體抗壓強度試驗以及劈裂抗拉試驗，綜合研究了不同纖維類型改良自密實混凝土的工程性能以及最佳配合比設(shè)計，研究成果為建筑工程自密實混凝土的研究與應(yīng)用提供了借鑒。

1 試驗

1.1 原材料

本次研究擬對不同纖維加強的混凝土開展試驗，主要原材料有：（1）水泥。采購（P·O42.5級普通硅酸鹽水泥，表觀密度3.11 g/cm3，養(yǎng)護28 d 抗折強度為8.5 MPa，抗壓強度為49.4 MPa。（2）粉煤灰和礦渣。粉煤灰和礦渣采購自河北石家莊，粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰，密度為2.07 g/cm3；礦渣粉采用 S95磨細(xì)礦渣粉，密度為2.78 g/cm3，比表面積418 m2/kg。（3）骨料。采用粉煤灰陶粒作為粗骨料，顆粒直徑5～12 mm；采用頁巖陶砂作為細(xì)骨料，顆粒直徑在3 mm 以下，細(xì)度模數(shù)為2.35。（4）纖維。纖維材料選用購自江蘇省某公司產(chǎn)的SF、PPF、BF，不同種類纖維具體參數(shù)如表1所示。

1.2 配合比設(shè)計

本文研究了自密實混凝土（SCLC）的配合比設(shè)計問題，在設(shè)計過程中，根據(jù)《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，最終確定SCLC 的配合比為水泥∶粉煤灰∶礦粉∶粉煤灰陶?！庙搸r陶砂∶水聚羧酸減水劑=400∶86∶86∶645∶355∶188∶5.72。對于本次試驗所用的纖維改良自密實混凝土，不同纖維的摻量如表2所示。

1.3 試樣制備

為了充分發(fā)揮粉煤灰陶粒和頁巖陶砂的性能，本試驗采用24 h 預(yù)濕處理的方法。使用強制式混凝土攪拌機，先將預(yù)濕處理后的粉煤灰陶粒和頁巖陶砂充分混合，加入膠凝材料后再次均勻攪拌，然后加入60%的拌合水?dāng)嚢?，最后加入剩余水和減水劑攪拌。為了使纖維均勻分布，采用人工撒入的方式，并在自密實輕質(zhì)混凝土攪拌的基礎(chǔ)上適當(dāng)延長時間。攪拌完成后，迅速將拌合物倒入模具。由于纖維增強自密實輕質(zhì)混凝土具有自密實性，因此在模具中可以自行找平，但是收光面可能會不平整，需要進行抹光處理以確保其表面平整。為防止纖維增強自密實輕質(zhì)混凝土水分蒸發(fā)，產(chǎn)生收縮裂縫，抹光處理之后立即覆蓋保鮮膜，并進行編號。待試件成型24～48 h 后拆模，將試件放入混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱中，保持溫度在（20±2）℃、相對濕度大于95%的條件下，養(yǎng)護28 d；然后進行力學(xué)性能及干縮性能試驗。

2 試驗結(jié)果分析

2.1坍落度

圖1展示了不同纖維增強自密實混凝土的坍落度試驗結(jié)果。

從圖1可以看出，對于不摻纖維的自密實混凝土試樣，其坍落度為820 mm；而在摻入SF、PPF、BF 后，自密實混凝土試樣的坍落度均產(chǎn)生了下降，對應(yīng)最大坍落度分別為675、760和720 mm，且分別較自密實混凝土試樣下降17.68%、7.32%和12.20%。進一步可觀察到，不管對于何種纖維，纖維改良自密實混凝土的坍落度均隨著纖維摻量的增加而逐漸變小，以 SF 材料改良自密實混凝土試驗組為例，當(dāng)SF材料摻量分別為0.6%、0.9%和1.2%時，混凝土試樣的坍落度分別為675、654和620 mm。由此可見，試樣中的纖維摻量弱化了混凝土拌合物的流動性。此外，還可以發(fā)現(xiàn)纖維摻量越大，混凝土的坍落度下降越快。究其原因，這可能是由于在自密實混凝土拌合物中加入纖維后，纖維對混凝土拌合物的粘附力較強，使得拌合物的內(nèi)聚力增強，增加混凝土拌合物的粘稠性和粘性，從而阻礙了拌合物中顆粒之間的滑動和流動。因此混凝土拌合物的流動性變差。

2.2 干表觀密度

表3展示了不同纖維改良自密實混凝土試樣的干表觀密度結(jié)果。

由表3可知，SCLC試樣的干表觀密度為1.59 g/cm3，不同類型的纖維對SCLC 的干表觀密度和烘干前表觀密度均產(chǎn)生不同程度的影響。添加低摻量SF材料和BF材料后，干表觀密度有所增加；但加入密度較小的PPF材料則會導(dǎo)致干表觀密度降低。分析認(rèn)為，當(dāng)往混凝土中摻入纖維后，由于SF材料本身密度較大，而PPF 和BF材料密度小。因此，SF 材料能夠提升混凝土干密度；而BF和PPF材料會導(dǎo)致其密度降低。

2.3力學(xué)性質(zhì)

圖2展示了不同纖維改良混凝土試樣的立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度試驗結(jié)果。

從圖2可以看出，不同纖維類型對混凝土立方體抗壓強度有不同的影響。

SF 材料能夠在一定程度上提高立方體混凝土試樣的抗壓強度；而摻入PPF材料和BF 材料后混凝土試樣的抗壓強度明顯降低。分析認(rèn)為，SF 材料摻入混凝土中可以有效提升試樣的抗拉能力和韌性，進而提高混凝土的抗裂性能。當(dāng)混凝土承受外力時，SF 材料可以起到橋梁的作用，承擔(dān)一部分載荷，防止混凝土的裂縫擴展和破壞，從而提高混凝土的抗壓強度。而PPF材料和BF 材料作為柔性纖維，加入后會使混凝土的流動性增加，從而降低混凝土的致密性，導(dǎo)致混凝土中氣孔數(shù)量增加，且分布不均勻，這會導(dǎo)致混凝土的抗壓強度降低。

此外，從圖2還可知，摻入纖維后混凝土試樣的劈裂抗拉強度均增大，且SF材料的提升效果更好。分析認(rèn)為，這是由于纖維在混凝土基體中跨越裂縫，起到了橋接作用，可以防止裂縫擴展，并提高劈裂抗拉強度。剛性纖維比柔性纖維具有更強的裂縫橋接能力，可以更好地防止裂縫擴展，提高混凝土的劈裂抗拉強度。

3 微觀特征

圖3展示了不同混凝土試樣斷裂面微觀電鏡掃描結(jié)果。

從圖3可以看出，SCLC 試樣的整體表面較為光滑，加入SF材料后界面變得粗糙；但是其斷裂界面較 PPFRC 以及BFRC 混凝土試樣要更為完整。PPF 材料和BF材料改良的混凝土內(nèi)部存在很多細(xì)小空隙，這也是其導(dǎo)致自密實混凝土試樣立方體抗壓強度降低的原因。BF 材料具有較好的親水性，攪拌混合后BF 表面被密實的水泥漿體覆蓋，二者之間膠結(jié)較好。然而，由于PPF材料具有疏水性，其與水泥漿體之間的粘接較差，混凝土內(nèi)部容易產(chǎn)生更多的孔隙，試樣破壞后水泥基也發(fā)生破壞。

4 結(jié)語

（1）摻入SF、PPF、BF后，自密實混凝土試樣的坍落度均產(chǎn)生了下降，對應(yīng)最大坍落度分別為675、760和720 mm，分別較自密實混凝土試樣下降17.68%、7.32%和12.20%。不管對于何種纖維，纖維改良自密實混凝土的坍落度均隨著纖維摻量的增加而逐漸變?。?/p>

（2）SCLC 試樣的干表觀密度為1.59 g/cm3，不同類型的纖維對SCLC 的干表觀密度和烘干前表觀密度均產(chǎn)生不同程度的影響。添加低摻量SF材料和BF 材料后，干表觀密度有所增加。但加入密度較小的 PPF 材料則會導(dǎo)致干表觀密度降低；

（3）對于試樣的抗壓性能，SF 材料能夠在一定程度上提高立方體混凝土試樣的抗壓強度，摻入PPF和 BF 后混凝土試樣的抗壓強度明顯降低。對于試樣的抗拉性能，摻入纖維后混凝土試樣的劈裂抗拉強度均增大，且SF材料的提升效果更好；

（4）SCLC 試樣的整體表面較為光滑，加入SF材料后界面變得粗糙；但其斷裂界面較PPFRC 及BFRC 混凝土試樣要更為完整。PPF 材料和BF 材料改良的混凝土內(nèi)部存在很多細(xì)小空隙，這也是其導(dǎo)致自密實混凝土試樣立方體抗壓強度降低的原因。

【參考文獻】

[1] 祖慶賀，劉先國，孫琳，等.輕質(zhì)高強自密實混凝土的制備研究[J].江西建材，2019（1）：16-19.

[2] 趙文輝.高速鐵路泡沫輕質(zhì)混凝土路基結(jié)構(gòu)性能及施工技術(shù)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2018.

[3] 呂晶.自密實輕質(zhì)彈性混凝土性能與應(yīng)用研究[D].西安：長安大學(xué)，2017.

[4] 羅映.纖維增強自密實輕骨料混凝土的制備及基本力學(xué)性能研究[D].包頭：內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2021.

[5] 董健苗，莊佳橋，王亞東，等.纖維增強自密實輕骨料混凝土抗凍性能試驗研究[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報，2021，32（2）：7-12.

[6] 董健苗，曹嘉威，王留陽，等.纖維增強自密實輕骨料混凝土早期抗裂性能試驗[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報，2020，31（2）：32-38.

[7] 丁傳海. BF 材料含量對混凝土強度及破壞規(guī)律影響研究[J].施工技術(shù)（中英文），2022，51（24）：141-144.

[8] 鄭文博.混雜纖維增強鐵尾礦砂混凝土碳化性能試驗研究[D].西安：西京學(xué)院，2022.

[9] 潘曉鳳. SF 材料混凝土臨界破壞現(xiàn)象與信息識別[D].西安：西京學(xué)院，2022.

[10] 陳貴安，楊建軍，黃進輝，等.纖維種類和摻量對纖維混凝土力學(xué)性能的影響[J].福建交通科技，2022（11）：30-32.

[11] 曹巍巍，劉源東，雷濤等. PVA纖維對超高韌性纖維水泥基改性復(fù)合材料力學(xué)性能試驗[J].粘接，2022，49（12）：59-62.

[12] 侯經(jīng)文，秦亞梅.粉煤灰摻量對纖維混凝土壓縮強度的影響[J].粘接，2021，46（4）：120-122.

[13] 朱政委，張春紅，譚元超，等.不同種類纖維再生混凝土的力學(xué)性能試驗研究[J].高科技纖維與應(yīng)用，2022，47（5）：55-60.

[14] 林桂武，劉凱格，陳宇良，等.纖維再生混凝土劈裂抗拉力學(xué)性能試驗研究[J].實驗力學(xué)，2022，37（5）：711-721.

[15] 關(guān)曉迪，馬迪，魏歡歡，等.纖維再生混凝土材料力學(xué)性能試驗研究[J].人民珠江，2022，43（9）：113-118.

[16] 李子成，張愛菊，袁昊然.纖維混凝土抗?jié)B性研究進展[J].石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2022，21（3）：1-5.

[17] 王苗苗. SF 材料混凝土技術(shù)在橋梁施工的應(yīng)用[J].交通世界，2022（24）：159-161.

[18] 李衫元.纖維增強自密實輕質(zhì)混凝土性能研究及應(yīng)用分析[D].鄭州：河南大學(xué)，2022.