聚丙烯纖維自密實混凝土工作性及強度性能研究

何小兵，卓 儀，2

(1.重慶交通大學(xué)交通土建工程材料國家地方聯(lián)合工程實驗室，重慶400074;2.北京特希達科技發(fā)展有限公司，北京100011)

0 引言

自密實混凝土［1-3］(Self-Consolidate Concrete 或Self-Compacting Concrete，簡稱 SCC)是指在較低的水膠比下僅依靠自身重力作用填充模筑混凝土的鋼筋空隙而達到密實的混凝土，具有免振搗、抗離析和自密實性良好等特點。它解決了傳統(tǒng)混凝土澆注過程中存在的過振和狹窄工作面難以振搗到位的問題，施工快速、噪音少、成型質(zhì)量高，被廣泛應(yīng)用于混凝土預(yù)制構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的補強加固中，是一種環(huán)境友好型高性能水泥混凝土。然而，自密實混凝土水膠比低、漿體的體積較大、砂率較大，自身的收縮比普通混凝土通常要大，易開裂。研究表明［4-8］，纖維在水泥基復(fù)合材料中具有阻裂、增強作用，可以有效提高混凝土材料的韌性、抗裂性能、抗沖擊性能等物理力學(xué)性能，可以有效提高水泥基復(fù)合材料的耐久性。纖維自密實混凝土成為高性能自密實混凝土發(fā)展的趨勢之一。

纖維自密實混凝土研究通常分為高模量纖維自密實混凝土(如鋼纖維自密實混凝土、碳纖維自密實混凝土等，纖維的模量通常與混凝土的模量在同一個數(shù)量級或更高，又可稱之為剛性纖維自密實混凝土)和低模量纖維自密實混凝土(聚丙烯纖維自密實混凝土、聚乙烯晴自密實混凝土等，纖維的模量通常約為混凝土模量的1/10，又可稱之為柔性纖維自密實混凝土)。由于對柔性纖維阻裂、增強機理認(rèn)識的不足，目前國外纖維自密實混凝土的增強研究主要側(cè)重于高模量纖維自密實混凝，對于柔性纖維自密實混凝土的研究還相對較少［9-10］。國內(nèi)近年來也對纖維自密實混凝土開展了一些研究，但總的來說柔性纖維自密實混凝土的研究才剛起步。

與普通纖維混凝土配合比基于抗裂、增強的設(shè)計思想有所不同，纖維自密實混凝土配合比設(shè)計首先是要保證工作性。筆者研究了不同聚丙烯纖維體積摻量對自密實混凝土工作性及力學(xué)性能的影響。

1 原材料及配合比

1.1 原材料

試驗采用普通硅酸鹽水泥。粉煤灰滿足GB/T 1596—2005和 CECS 203:2006技術(shù)規(guī)程中I級要求。粗骨料選用5～20 mm的石灰石碎石，細集料選用細度模數(shù)為2.71的河砂。纖維采用混凝土用聚丙烯單絲纖維。高效減水劑選用固含量為27%聚羧酸系高效減水劑。具體技術(shù)指標(biāo)見表1～表4。

表1 水泥技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical parameters of cement

表2 粉煤灰技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical parameters of fly-ash

表3 集料技術(shù)指標(biāo)Table 3 Technical parameters of aggregates

表4 聚丙烯纖維技術(shù)指標(biāo)Table 4 Technical parameters of polypropylene(PP)fiber

1.2 自密實混凝土配合比

普通自密實混凝土的基準(zhǔn)配合比為:水膠比0.3，膠凝材料用量 550 kg/m3，粗集料用量 834 kg/m3，粉煤灰占膠凝材料的30%，砂率為50%，減水劑占膠凝材料的1%。纖維自密實混凝土配合比采取在基準(zhǔn)配合比中直接摻入長度12 mm聚丙烯單絲纖維，體積摻量分別為0.0%，0.05%，0.1%，0.15%和0.2%。如果纖維自密實混凝土不滿足工作性的要求，可以采用增加減水劑用量，增大砂率、膠凝材料用量以及水膠比(保持膠凝膠材料的用量，增加水的用量)等單因素變化方式改善其工作性，最終確定滿足要求的聚丙烯纖維自密實混凝土配合比，然后進行相應(yīng)力學(xué)試驗試件的制備。

2 試驗方法

與普通纖維自密實混凝土設(shè)計思想不同，聚丙烯纖維自密實混凝土配合比設(shè)計首先是要保證工作性，其次是強度指標(biāo)［11-13］。但是，必須明確的是不能以保證工作性而造成自密實混凝土的強度損傷。自密實混凝土的工作性通常包括填充性檢測、間隙通過性檢測以及抗離析性檢測。試驗采用塌落擴展度(圖1)檢測纖維自密實混凝土的填充性，采用自制U型儀(圖2)檢測間隙通過性和抗離析性。

圖1 塌落擴展度測試方法Fig.1 Test method of slump flow

圖2 塌落擴展度測試方法Fig.2 Test method of U-channel

塌落擴展度采用標(biāo)準(zhǔn)塌落度筒和一塊2 mm厚1 000 mm×1 000 mm鋼板進行測試，測試過程中須保證鋼板潤濕和平整。

檢測間隙通過性和抗離析性采用自制的U型儀，中間分割板厚2 cm，障礙物為在隔板下部安裝2根φ10@60 mm的光圓鋼筋，試驗過程中保證中間隔板的穩(wěn)定性。試驗過程如下:

1)將集料、膠凝材料倒入攪拌機干拌1～2 min，加入纖維在干拌1～2 min，接著加入高效減水劑和80%左右的水拌和1 min左右，再加入剩下的水拌和1 min左右，然后停止攪拌并觀察是否有離析、纖維成團等狀況，1～2 min內(nèi)進行工作性檢測。如果出現(xiàn)離析、纖維成團現(xiàn)狀，在繼續(xù)攪拌1 min左右后立即進行工作性檢測，按照 CECS 203:2006［12］和CCES 02—2004［13］中工作性的要求，結(jié)合英國、德國以及日本相關(guān)規(guī)范中的要求，當(dāng)塌落擴展度SF≥550 mm和U型儀高度差Δh≤30 mm同時達到時，即工作性滿足要求。

2)如果工作性檢測合格，按照混凝土試驗規(guī)程成型100 mm×100 mm×100 mm立方體試件，進行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護后測試其28d強度值。

3)如果工作性不和格，采用增加減水劑用量、膠凝材料用量以及水膠比(鑒于基準(zhǔn)配合比中砂率較高，增大砂率沒有進行考慮)改善工作性，并進行混合料的試配和工作性測試，直至合格。同時進行調(diào)整配合比后的100 mm×100 mm×100 mm立方體試件成型，進行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護后測試其28 d強度值。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 纖維自密實混凝土工作性測試結(jié)果

表5 為體積摻量分別為 0.0%，0.05%，0.1%，0.15%和0.2%聚丙烯單絲纖維摻入到自密實混凝土中后工作性能的測試結(jié)果。

表5 聚丙烯纖維自密實混凝土工作性能Table 5 Workability of fresh FRSCC

由表5可知，隨著纖維摻量的增加，盡管塌落度經(jīng)時損失變化不大，但塌落度、和塌落擴展度逐漸降低，Δh逐步增大，聚丙烯纖維自密實混凝土工作性逐步降低。當(dāng)纖維體積摻量達到0.15%時，纖維自密實混凝土的工作性已達不到規(guī)程相關(guān)要求。

需要強調(diào)的是FS15*組與文獻［9］的數(shù)據(jù)規(guī)律一致，但數(shù)據(jù)結(jié)果偏好。初步分析為，當(dāng)纖維摻量超過0.10%后，拌和過程、PP纖維分散性等方面因素產(chǎn)生的上述差異。

為了改善FS15和FS20的工作性，采用提高水膠比、增加減水劑用量和提高膠凝材料用量方式改善纖維自密實混凝土的工作性。鑒于前面的研究結(jié)果表明，隨著纖維體積增加，自密實混凝土經(jīng)時塌落度變化不大。因此，調(diào)整后的配合比主要進行了塌落擴展度和U型儀通過試驗，試驗結(jié)果見表6。

表6 調(diào)整配合比后的自密實混凝土工作性能Table 6 Workability of fresh SCC with adjustment of mix proportion

由表6得到，提高水膠比、增加減水劑用量和提高膠凝材料用量方式都可以顯著提高纖維自密實混凝土的工作性。但試驗過程中也發(fā)現(xiàn):

1)采用提高水膠比改善工作性時發(fā)現(xiàn)(保持膠凝膠材料的用量，增加水的用量)，盡管塌落擴展度和U型儀測試結(jié)果較好，但拌和過程中有離析現(xiàn)象發(fā)生，特別是當(dāng)水膠比增加到0.34時，離析現(xiàn)象較嚴(yán)重。

2)減水劑能顯著改善纖維自密實混凝土工作性明顯，但隨著減水劑的增加，增量效應(yīng)不明顯，且易出現(xiàn)泌水離析現(xiàn)象。因此，高效減水劑的摻量不宜超過膠凝材料的1.5%。

3)增加膠凝材料也能改善工作性，但膠凝材料增加會造成成本增加和開裂風(fēng)險的增加。因此，實際工程采用此方法時，對于普通自密實混凝土而言應(yīng)該著重考慮混凝土材料的抗裂性能;對于纖維自密實混凝土，由于纖維的阻裂、增強作用，在不考慮成本增加的情況下，該方式也是可取的。

3.2 聚丙烯纖維自密實混凝土強度試結(jié)果

3.2.1 纖維摻量對自密實混凝土強度影響

圖3、圖4分別為在基礎(chǔ)配合比下(FS0)，不同纖維摻量對抗壓強度和劈裂強度影響。

圖3 自密實混凝土抗壓強度隨纖維摻量變化關(guān)系Fig.3 Relationship between compressive strength and PP fiber volume fraction

圖4 自密實混凝土劈裂強度隨纖維摻量變化關(guān)系Fig.4 Relationship between splitting strength and PP fiber volume fraction

根據(jù)圖3、圖4，結(jié)合表5、表6的工作性測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn):

1)當(dāng)纖維摻量控制在0.15%內(nèi)時，纖維對自密實混凝土抗壓強度的影響可以忽略，劈裂強度隨纖維摻量增加而增大，相對于FS0組最大提高幅度達24%;當(dāng)纖維摻量達到0.20%時，抗壓強度和劈裂強度都有不同程度的降低，其中劈裂強度相對于FS0組還降低5%。

2)在保證自密實混凝土工作性的前提下，且強度不損失的情況下，自密實混凝土中聚丙烯纖維的最大摻量不宜超過0.10%。

3.2.2 不同配合比調(diào)整方式對纖維自密實混凝土強度影響

對FS15和FS20進行了配合比調(diào)整(表6)，F(xiàn)S15和FS20抗壓強度測試結(jié)果見圖5。

圖5 不同配合比調(diào)整因素對抗壓強度的影響Fig.5 Relationship between compressive strength and different adjustment factors of mix proportion

根據(jù)圖5，結(jié)合表6工作性測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn):

1)提高水膠比可以改善纖維自密實混凝土的工作性，但強度相對于基準(zhǔn)自密實混凝土FS0組抗壓強度降低較大。

2)增加高效減水劑和提高膠凝材料的用量不僅對工作性的改善明顯，而且纖維自密實混凝土的抗壓強度明顯提高(與沒有調(diào)整減水劑和提高膠凝材料進行對比)，提高幅度為12% ～17%，但纖維摻量由0.15%增加到0.20%，抗壓強度基本上沒有增量效應(yīng)。因此，聚丙烯纖維自密實混凝土的纖維摻量不宜超過0.15%。

3)提高膠凝材料用量和減水劑對抗壓強度提高程度相當(dāng)，且增量效應(yīng)也不明顯。在保證纖維自密實混凝土工作性、強度不損失的情況下和防范混凝土開裂等因素綜合考慮次啊，建議采用提高高效減水劑提高纖維自密實混凝土的工作性，但不宜超過膠凝材料的1.5%。

4 工作性及強度變化機理分析

聚丙烯纖維對自密實混凝土工作性的影響可以根據(jù)賓漢姆塑性流體(Binham Plastic Fluid)流變方程τ=τ0+η0˙r進行分析。纖維摻量達到一定程度，賓漢姆黏度η0增加，自密實混凝土的工作性逐步喪失;通過采用提高膠凝材料和高效減水劑的用量，使新拌混凝土屈服剪切應(yīng)力τ0降低，重新獲得高流動性，從而可以提高纖維的摻量。但膠凝材料和高效減水劑的用量過大會造成τ0，η0過小，進而造成新拌混凝土的離析。因此，必須通過工作性檢驗，確定纖維合理的體積摻量。

聚丙烯纖維對自密實混凝土強度特性的影響可從斷裂力學(xué)的角度來分析。根據(jù)線彈性斷裂力學(xué)的應(yīng)力強度因子疊加原理［14-15］，當(dāng)某一纖維跨過裂縫時將會產(chǎn)生一個反向的應(yīng)力強度因子阻止裂紋擴展，此時裂紋尖端的應(yīng)力強度因子K=Kc－Kf，其中Kf為纖維產(chǎn)生的反向應(yīng)力強度因子，Kc為自密實混凝土裂紋尖端的應(yīng)力強度因子。當(dāng)裂紋穿過一系列亂向分布的纖維后，其裂紋尖端的應(yīng)力強度因子更小。因此，隨著纖維體積摻量的增加，纖維數(shù)量增加，材料的劈拉強度的會逐步提高。但是當(dāng)摻量超過一定的體積摻量后，纖維分散性受到影響，對裂縫的阻裂作用降低，劈拉強度反而會降低。

聚丙烯纖維自密實混凝土的抗壓強度主要由水泥石、骨料以及水泥石和骨料的界面強度決定。聚丙烯纖維會改善水泥石的微觀結(jié)構(gòu)，但同時又會產(chǎn)生纖維與混凝土的弱黏結(jié)界面，這兩因素的復(fù)合作用導(dǎo)致對抗壓強度的影響有限。

5 結(jié)論

通過對聚丙烯纖維體積摻量對自密實混凝土工作性和強度影響的研究，可以得出如下結(jié)論:

1)纖維的摻入將在影響自密實混凝土工作性的同時，對自密實混凝土具有增強作用。

2)在不改變自密實混凝土基準(zhǔn)比的情況下，直接在密實混凝土摻入纖維的最大體積摻量為0.10%。

3)通過提高水膠比、膠凝材料用量以及高效減水劑用量可以改善纖維自密實混凝土的工作性，能將纖維的最大摻量提高到0.15%。

4)在0% ～0.10%的纖維體積摻量下，纖維自密實抗壓強度受纖維摻量的影響很小，劈拉強度隨纖維摻量的增加而增加。

5)通過提高膠凝材料、高效減水劑用量方式改善柔性纖維自密實混凝土工作性的同時，纖維最大摻量提高到1.5%，材料強度也顯著改善。綜合考慮工作性、強度、成本以及增量邊際效應(yīng)，提高高效減水劑用量是改善纖維自密實混凝土工作性的最直接方式(但要注意減水劑的選擇，防止沁水離析現(xiàn)象)，且用量不宜超過膠凝材料用量的1.5%，此時抗壓強度相對于普通自密實混凝土提高9%，劈裂強度相對于普通自密實混凝土提高24%。

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