纖維混凝土的性能試驗研究

王維紅，孟云芳

(1.寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏銀川750021;2.銀川能源學院，寧夏永寧750105)

纖維混凝土的性能試驗研究

王維紅1,2，孟云芳1，2

(1.寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏銀川750021;2.銀川能源學院，寧夏永寧750105)

以復合生態(tài)纖維混凝土、聚丙烯纖維混凝土和鋼纖維混凝土的耐久性能為主要研究對象，研究了不同種類纖維對混凝土力學性能、抗凍性能及抗沖磨性能的影響，并與基準混凝土進行了對比。研究結果表明：纖維與礦物摻和料的疊加效應能進一步改善混凝土的力學性能特別是混凝土的劈拉強度，纖維的摻入對抵抗水流的沖磨能力和抗凍融能力具有明顯提高作用，其中摻量為0.6 kg/m3的復合生態(tài)纖維混凝土的性能提高效果最好。

混凝土；復合生態(tài)纖維；聚丙烯纖維；鋼纖維；力學性能；抗凍性能；抗沖磨性能

高速含砂石水流對水工建筑物的沖蝕破壞屢見不鮮，我國近70%的大型水工建筑物由于高速水流的沖磨、氣蝕而產生破壞[1]。這種破壞常發(fā)生在水工建筑物的溢洪道、消力池、泄水閘底板、輸水廊道以及排沙孔等部位，大多數(shù)破壞幾乎都是不可修復的。故對這種被高速含沙水流沖蝕的建筑物而言，混凝土的抗沖磨能力、抗裂性等均有較高要求[2]。

近年來，針對水工建筑物的抗沖磨損問題，國內外研究人員已經做了較多的工作，并取得了一些研究成果[3- 11]。但對多種纖維混凝土的抗沖磨性能對比研究報道較少，本文以復合生態(tài)纖維混凝土、聚丙烯纖維混凝土和鋼纖維混凝土的耐久性為主要研究對象，通過對比試驗，研究了復合生態(tài)纖維混凝土、聚丙烯纖維混凝和鋼纖維混凝土的力學性能、抗凍性能和抗沖磨性能，選出最優(yōu)的抗沖磨方案。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

(1)水泥。寧夏賽馬牌PO42.5R級水泥。

(2)粉煤灰。采用寧夏銀川熱電廠生產的Ⅰ級粉煤灰。

(3)粗骨料。碎石、大石(5～25 mm)、中石(9.5～20 mm)、小石(4.75～16 mm)，大、中、小石比例為8∶4∶1。摻配后得到的石子的物理力學性能指標見表1。

表1 粗骨料物理力學性能

最大粒徑/mm表觀密度/kg·m-3堆積密度/kg·m-3空隙率/%含泥量/%壓碎指標/%針片顆粒含量/%202684147045.20.127.810.3

(4)細集料。采用寧夏鎮(zhèn)北堡產的人工水洗山砂，中砂，細度模數(shù)為2.78，表觀密度為2 735 kg/m3，含水率為1.96%。

(5)橡膠集料。60目橡膠粉，橡膠粉的堆積密度為0.375 g/cm3。

(6)減水劑。NF型萘系減水劑。

(7)纖維。①鋼纖維。采用天津資利金屬線材廠生產的波浪剪切型鋼纖維，長35 mm，長徑比為50，抗拉強度為650 MPa。②聚丙烯纖。維采用山東泰安同伴工程塑料有限公司生產的束狀單絲狀聚丙烯纖維，長19 mm，纖維直徑33 μm，抗拉強度530 MPa。③復合生態(tài)纖維。采用上海羅洋新材料科技有限公司產品博凱超纖維(UltraFiber 500)，主要性能指標見表2。

表2 博凱超纖維(UltraFiber 500)性能指標

長度/mm旦尼爾/g·9000m-1纖維直徑/μm密度/kg·m-3比表面積/cm2·g-1彈性模量/MPa抗拉強度/MPa1.9～2.32.0～3.014～171.1250008500600～900

1.2 試驗方法

本試驗混凝土設計強度等級為C60，通過正交試驗測定的結果，得出復合生態(tài)纖維混凝土、聚丙烯纖維混凝土和鋼纖維混凝土的最優(yōu)配合比[8]，最優(yōu)配比為水膠比為0.32，粉煤灰為膠凝材料總質量20%，橡膠粉為膠凝材料總質量2%，復合生態(tài)纖維為0.6 kg/m3，聚丙烯纖維為0.9 kg/m3，鋼纖維為70 kg/m3。安排一組基準配合比的混凝土，一組配比與優(yōu)選組相同但不外摻纖維的高性能混凝土，總共5組試件進行強度對比，配合比如表3所示。

表3 試驗配合比

試驗編號混凝土類型水膠比粉煤灰/%橡膠粉/%纖維/kg·m-3J基準混凝土F不加纖維的高性能混凝土T復合生態(tài)纖維混凝土X聚丙烯纖維混凝土G鋼纖維混凝0.3200020202020.62020.920270

抗壓強度和劈裂抗拉強度試驗。采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，依據GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行試驗。

抗凍性能試驗。采用GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中推薦的混凝土抗凍性試驗(快凍法)的標準進行凍融循環(huán)試驗；以混凝土試件凍融循環(huán)后的質量損失率或相對動彈性模量作為評定指標。

混凝土抗沖磨試驗。按照 SL352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》采用混凝土抗沖磨試驗(水下鋼球法)進行試驗?；炷量箾_磨指標以抗沖磨強度或磨損率表示。

試驗設備主要部件有：能夾固攪拌槳并使其以1 200 r/min 速度旋轉攪動鋼球的電磁調速電機；內徑為302 mm，高430 mm 的鋼筒；內徑為299 mm，高100 mm 的金屬圓環(huán)試模；研磨料為70個研磨鋼球(包括10個φ25.4 mm，35個φ19.1 mm，25個φ12.7 mm)。

2 試驗結果與分析

2.1 混凝土力學性能

根據上述配合比及試驗方法制作試件，并將試件分別標準養(yǎng)護7、28、56 d，測得混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度，測定結果如表4所示。

表4 混凝土強度對比試驗結果 MPa

(1)抗壓強度。與J組相比，F(xiàn)組7、28、56 d的混凝土抗壓強度分別降低了8.1%、10.9%、8.9%。與F組相比，T、X、G組7d混凝土抗壓強度分別降低了10.4%、14.4%、2.3%，28 d混凝土抗壓強度分別降低了4.8%、7.2%和增加了3.2%，56 d混凝土抗壓強度分別降低了9.6%、13.1%、2.2%。

(2)抗拉強度。與J組相比，F(xiàn)組7、28、56 d的混凝土劈拉強度分別降低了4.3%、5.8%、3.5%。與F組相比，T、X、G組7 d劈拉強度分別提高了9.4%、8.4%、6.4%，28 d劈拉強度分別提高了17.6%、16.8%、12.2%，56 d劈拉強度分別提高了11.1%、8.6%、5.6%。這說明纖維對混凝土劈拉強度有顯著提高作用，而且28 d劈拉強度增長幅度最大，說明復合生態(tài)纖維對混凝土劈拉強度影響最大。

2.2 混凝土抗凍試驗

按照規(guī)范要求，每隔25次循環(huán)測量混凝土試件的質量和動彈模量。試驗結果分別見表5、表6。

表5 混凝土抗凍性能質量試驗結果

凍融循環(huán)次數(shù)質量/kg質量損失率/%JFTXGJFTXG09.6929.649.7309.5949.862—————259.6979.6479.7389.6009.868-0.052-0.076-0.084-0.063-0.059509.7009.6539.7449.6049.871-0.083-0.136-0.144-0.106-0.095759.7099.6559.7549.6129.873-0.174-0.157-0.248-0.186-0.1091009.7139.6609.7679.6159.879-0.213-0.207-0.38-0.22-0.1721259.6789.6659.7749.6309.8860.149-0.258-0.452-0.375-0.2411509.6649.6709.7819.6389.8920.294-0.315-0.524-0.457-0.306

表6 混凝土相對動彈性模量試驗結果

凍融循環(huán)次數(shù)橫向基頻/Hz相對動彈性模量/%JFTXGJFTXG022672269226222592270—————252246223822542244226198.1697.2999.2998.6899.21502215219822522239225895.4793.8499.1298.2498.95752183216822492227225392.7391.398.8597.1998.511002097213122402214223885.5688.2198.0696.0697.201252055212522282192221882.1787.7197.0294.1695.471502015210222252167219179.0085.8296.7692.0293.16

從表5可以看出：①J組凍融循環(huán)的前期質量增加，到125次循環(huán)后質量開始減少。這是因為試件吸水質量增加，在凍融初期混凝土的粘結力較強，試件表面漿體剝落的質量極小，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土內部的粘結力越來越小，凍壞的混凝土浮渣較多，試件質量減小。②整個凍融循環(huán)過程中，其他4組試件的質量一直在增加。這是由于礦物摻和料和纖維改善了混凝土的內部結構，使混凝土更加密實，整體結構性好，混凝土表面幾乎無漿體剝落現(xiàn)象，加上混凝土的吸水作用，使試件質量持續(xù)增加。因此，不能用質量損失率來作為混凝土凍融破壞的評定指標，要用混凝土相對動彈性模量評價混凝土凍融破壞程度。

從表6可知，隨著凍融循環(huán)的進行，5組混凝土的相對動彈性模量均呈下降趨勢。在150次凍融循環(huán)結束時，與J組相比，F(xiàn)、T、X、G組的混凝土相對動彈性模量分別提高了8.63%、22.47%、16.48%、17.92%；與F組相比，T、X、G組的混凝土相對動彈性模量分別提高了12.74%、7.22%、8.55%。這是由于，纖維在混凝土中是亂向分布的，纖維阻止了混凝土內原有孔道的連通，減弱了混凝土內的毛細現(xiàn)象，減小了混凝土內部的滲透從而提高了混凝土的抗凍融性能。復合生態(tài)纖維具有天然親水性和獨特的空腔結構，可以吸收一部分的自由水和未凍結的水，并且相比聚丙烯纖維和鋼纖維，復合生態(tài)纖維具有直徑小、單位重量纖維數(shù)量大、纖維間距小的優(yōu)點，這樣增加了混凝土凍融損傷過程中的能量損耗，進一步提高了混凝土的抗凍脹開裂能力。試驗結果表明混凝土中摻入纖維可以顯著提高其抗凍性，復合生態(tài)纖維效果最好。

2.3 混凝土抗沖磨試驗

經過抗沖磨試驗后，通過試件表觀觀察可知：J組試件表面漿體脫落，粗骨料外露，表面形成凹坑；摻橡膠粉的F組試件表面凹坑比J組小；摻纖維的T、X、G組試件表面漿體被沖磨后依然平整，沒有形成明顯凹坑。

混凝土的抗沖磨試驗結果見表7?？芍孩倥cJ組相比，F(xiàn)組抗沖磨強度提高了23.7%，磨損率降低19.8%，說明橡膠粉有很好的韌性，可以很好的吸收含砂水流對混凝土撞擊所釋放的能量，使水泥石粘結破壞的歷程得以顯著延長，因而表現(xiàn)出較高的抗沖磨強度。②摻纖維混凝土的抗沖磨強度明顯提高，其中摻復合生態(tài)纖維T組的效果最為顯著。與J組相比，T組的抗沖磨強度提高59.5%，磨損率降低36.0%；X組的抗沖磨強度提高49.6%，磨損率降低35.1%；G組的抗沖磨強度提高34.8%，磨損率降低31.5%。與F組相比，T、X、G組的抗沖磨強度分別提高29.0%、21.0%、9.0%，磨損率分別降低20.2%、19.1%、14.6%。這是因為纖維牽制了水泥石分子與母體分離，使得水泥石與母體分離需要消耗更多的能量，從而提高了混凝土的抗沖磨能力。由于復合生態(tài)纖維的直徑更小，纖維數(shù)量更大，纖維之間交叉更密切，三維亂向分布于混凝土中，可以更有效地控制微裂縫的擴展，進一步提高混凝土的抗沖磨性能。故5種方案的抗沖磨效果從優(yōu)到劣的順序依次為T>X>G>F>J。

表7 混凝土抗沖磨性能對比試驗

試驗編號初始質量/kg沖刷后質量/kg沖刷損失質量/kg抗沖磨強度/h·(kg·m2)-1磨損率/%J17.36416.9780.38613.182.22F17.49617.1840.31216.301.78T17.06916.8270.24221.021.42X17.89117.6330.25819.721.44G17.78517.5140.27117.771.52

3 結 論

(1) 與基準混凝土相比，復合生態(tài)纖維混凝土、聚丙烯纖維混凝土、鋼纖維混凝土的56 d劈拉強度分別提高了11.1%、8.6%、5.6%，說明復合生態(tài)纖維對混凝土劈拉強度提高效果最好

(2)在受凍初期，J、F、T、X、G組混凝土的相對動彈性模量下降較低，纖維對改善混凝土的抗凍性不明顯，到150次凍融循環(huán)結束時，T、X、G三種纖維混凝土較J組混凝土的相對動彈模分別提高了22.47%、16.48%、17.92%，較F組混凝土分別提高了12.74%、7.22%、8.55%，說明纖維改善混凝土的抗凍融效果很明顯。

(3)基準混凝土、粉煤灰橡膠粉混凝土、復合生態(tài)纖維混凝土、聚丙烯纖維混凝土和鋼纖維混凝土的抗沖磨強度分別為 13.18、16.30、21.02、19.72、17.77 h/kg/m2。與粉煤灰、橡膠粉混凝土相比，三種混凝土的抗沖磨強度分別提高了29.0%、21.0%、9.0%，摻入纖維可顯著提高混凝土的抗沖磨性能，其中復合生態(tài)纖維混凝土的抗沖磨強度最高，提高幅度最大。

[1]韓素芳. 混凝土工程病害與修補加固[M]北京： 海洋出版社， 1996．

[2]楊春光. 水工混凝土抗沖磨機理及特性研究[D] . 西安： 西北農林科技大學， 2006．

[3]張彬， 范偉麗等. 基于水下鋼球法的混凝土抗沖磨試驗研究[J]. 水力發(fā)電， 2014， 40(8)： 126- 128．

[4]王東， 祝燁然， 黃國鴻， 等. HLC-GMS特種抗沖磨聚合物鋼纖維砂漿的性能研究[J]. 混凝土， 2012(5)： 111- 113．

[5]黃春霞， 張艷， 凌飛. 粉煤灰摻量對混凝土抗沖磨想能的影響[J]. 混凝土， 2013(3)： 90- 95．

[6]凌賢宗， 陳建國. HF抗沖磨混凝土配合比設計試驗研究[J]. 中國農村水利水電， 2011(9)： 92- 94

[7]劉尚坤， 杜應吉， 安亞強. HF抗沖磨混凝土配合比設計試驗研究[J]. 中國農村水利水電， 2014(5)： 94- 97．

[8]王維紅， 孟云芳. 纖維混凝土的最優(yōu)配合比選擇[J]. 建筑工程技術與設計， 2014(4)： 306- 307．

[9]陳國新， 唐修生， 祝燁然， 等. 幾種抗沖磨混凝土性能試驗研究[J]. 混凝土， 2008(3)： 72- 74

[10]朱育岷， 金雙全， 李雙艷. 三板溪水電站摻纖維抗沖耐磨混凝土研究[J]. 水力發(fā)電， 2010， 36(8)： 62- 64．

[11]郝國平， 郭弘勛. 延長水工抗沖磨混凝土結構壽命的新措施[J]. 水力發(fā)電， 2009， 35(1)： 52- 54．

(責任編輯王 琪)

Experimental Study on the Performances of Fiber Concrete

WANG Weihong1,2, MENG Yunfang1,2

(1. School of Civil Engineering and Water Conservation, Ningxia University, Yinchuan 750021, Ningxia, China;2. Yinchuan Energy Institute, Yongning 750105, Ningxia, China)

Taking the durability of compound ecological fiber concrete, polypropylene fiber concrete and steel fiber concrete as research subjects, the influences of different fibers on concrete’s mechanical properties, frost resistance and abrasion resistance are experimentally studied and compared with basic concrete. The results show that the fiber and mineral admixture can improve concrete’s mechanical properties, especially the tensile strength, and the adding of fiber may significantly improve the frost resistance and abrasion resistance of concrete. It’s indicated that the effect of adding compound ecological fiber with volume content of 0.6 kg/m3is the best．

concrete; compound ecological fiber; polypropylene fiber; steel fiber; mechanical properties; frost resistance; abrasion resistance

2015- 04- 13

王維紅(1989—)，女(滿族)，黑龍江綏化人，博士研究生，主要從事水工結構材料研究;孟云芳(通訊作者)．

TV431.3；TU528.58

A

0559- 9342(2015)12- 0112- 04