單摻與混摻纖維增強自密實輕骨料混凝土力學性能試驗研究

董健苗 王留陽 曹嘉威 余浪 王慧敏

摘要：為了研究纖維對自密實輕骨料混凝土力學性能的影響，將不同種類（耐堿玻璃纖維、劍麻纖維和1：1耐堿玻璃一劍麻混雜纖維）及摻量的纖維加入自密實輕骨料混凝土中，并測定其7d、28d抗壓強度與劈裂抗拉強度。試驗結果表明：隨著纖維摻量的增加，3種纖維對自密實輕骨料混凝土抗壓強度的作用效果無明顯提高;劈裂抗拉強度呈先增大后減小的規律，且最大提升40.2%，混雜纖維、耐堿玻璃纖維、劍麻纖維最優摻量分別為1kg/m³、1kg/m³、2kg/m³;相同摻量下，耐堿玻璃纖維、劍麻纖維、混雜纖維試塊的抗劈裂性能較對照組都有提高，摻耐堿一劍麻混雜纖維協同效果對自密實輕骨料混凝土劈裂抗拉性能指標提高作用最佳，其次是耐堿玻璃纖維，提高幅度最小為劍麻纖維。

關鍵詞：自密實輕骨料混凝土;耐堿玻璃纖維;劍麻纖維;混雜纖維;力學性能

中圖分類號：TU528.572DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2020.01.006

0引言

自密實輕骨料混凝土（SCLC）是用輕骨料代替一般自密實混凝土中普通骨料配制成的新型高性能混凝土，其表觀密度通常小于1950kg/m³，具有高流動度、不離析、良好的均勻性和穩定性，澆筑時依靠其自重流動，無需振搗而達到密實。自密實輕骨料混凝土相比普通混凝土而言具有自重較小、施工時無需要振搗等優點，但其也存在韌性和抗裂性能差等通病。研究表明混凝土中加入纖維能有效阻止裂縫的產生與開展，因而改善其抗裂性。目前國內外對纖維增強混凝土力學性能研究有很多，鋼纖維對混凝土抗拉強度和斷裂韌性提高效果較為明顯，但其耐堿性差、易生銹且價格較高;聚丙烯纖維能很好的調節混凝土基體內部應力分配，減小裂縫開展速率，從而提高抗開裂能力，但聚丙烯纖維存在耐熱性較差、易老化問題。目前國內外研究中，利用劍麻纖維、耐堿玻璃纖維、耐堿玻璃一劍麻纖維增強自密實輕骨料混凝土的科學研究鮮有涉及。耐堿玻璃纖維具有較高的拉伸強度、彈性模量，較好的剛性、耐化學性且資源豐富，生產成本較低，劍麻纖維有復雜的微觀結構，還具有密度小、拉伸強度高、物理特性及加工工藝好、來源廣泛、價格低等優點。因此，劍麻纖維與耐堿玻璃纖維及兩者混雜纖維是代替鋼纖維與聚丙烯纖維較為理想的材料之一。

本文主要通過在強度等級為SCLC40自密實輕骨料混凝土中摻入劍麻纖維、耐堿玻璃纖維以及耐堿玻璃一劍麻混雜纖維，探索纖維種類以及摻量對纖維自密實輕骨料混凝土力學性能指標的影響規律，并確定了耐堿玻璃纖維、劍麻纖維、混雜纖維的最佳體積摻量。

1試驗原材料

水泥：廣西柳州魚峰集團有限公司生產P·C42.5復合硅酸鹽水泥，相關參數見表1;細骨料：柳州當地生產的河沙，為中砂，堆積密度為1657kg/m³，表觀密度為2600kg/m³，細度模數為2.6，級配合格;粗骨料：湖北宜昌寶珠陶粒有限公司生產的900級頁巖圓球形陶粒，簡壓強度技術指標見表2;粉煤灰：其成分見表3;減水劑：蘇州弗克技術股份有限公司生產的聚羧酸高效減水劑，減水率為30%;纖維：廣西劍麻集團生產的劍麻纖維和長沙建材有限公司生產的短切耐堿玻璃纖維，相關參數見表4.

2力學性能試驗及結果分析

2.1試驗配合比

根據《纖維混凝土應用技術規程》（JGJ/T221-2010）和《自密實混凝土應用技術規程》（JGJ/T 283-2012）的要求配制強度等級為SCLC40的自密實混凝土，每立方米自密實混凝土材料的具體用量為：陶粒627kg/m³，河沙655kg/m³，水泥375kg/m³，粉煤灰125kg/m³，減水劑5.2kg/m³，其水膠比為0.36.選用耐堿玻璃纖維（以下簡稱GF）和劍麻纖維（以下簡稱F），纖維分別以0kg/m³、0.5kg/m³、1.0kg/m³、1.5kg/m³、2.0kg/m³、2.5kg/m³為摻加量，以劍麻纖維、耐堿玻璃纖維及耐堿玻璃一劍麻纖維1：1混雜纖維（以下簡稱HF）摻入強度為C40的自密實輕骨料混凝土基體中，配制纖維混凝土。

2.2試驗方法

根據GB/T 50081《普通混凝土力學性能試驗方法標準》中相關要求澆筑試件，立方體抗壓強度因模具數量原因采用規范中允許的非標準試件，尺寸為100mm×100mm×100mm，數據為實測抗壓強度值乘以尺寸換算系數0.95，劈裂抗拉強度試件尺寸為150mm×150mm×150mm，并且依照規定在標準養護室內養護，養護7d、28d后測試立方體抗壓強度與劈裂抗拉強度。

2.3試驗結果與分析

根據以上配合比制備18組試塊，測纖維種類及摻量對自密實輕骨料混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度的影響，分析計算得到結果如表5所示，抗壓強度試驗及劈裂抗拉強度結果如圖1所示。

1）抗壓強度試驗結果分析

纖維自密實混凝土試塊抗壓強度與纖維種類及摻量關系如圖1（a）所示。

由圖1（a）可知：耐堿玻璃纖維、劍麻纖維與1：1混雜纖維的摻入對SCLC的7d、28d的抗壓力學性能指標影響規律相同，隨著纖維摻量從0增加到2.5kg/m³，自密實輕骨料混凝土的7d抗壓強度呈現小幅下降、上升再下降的變化規律，28d抗壓強度與摻量呈負相關的規律，3種纖維自密實混凝土的7d、28d抗壓強度相對于普通自密實輕骨料混凝土（空白樣）的都有不同程度下降。主要原因在于：纖維摻量在0～1kg/m³范圍內，纖維的摻入會使得自密實輕骨料混凝土機體內部結構發生變化，纖維摻量增加使得其與水泥基體間界面數增多，使得機體內部薄弱環節增多，從而降低混凝土的7d、28d抗壓強度;纖維摻量在1～1.5kg/m³范圍內，纖維的摻入能使纖維與混凝土內部的粘結性能增強，對自密實輕骨料混凝土受壓時產生的橫向膨脹變形有較好的約束效果，此約束作用大于纖維摻入帶來的負面效果，從而使混凝土7d、28d抗壓強度得到了一定程度提高;隨著纖維摻量的繼續增大，纖維之間會發生團聚，且過多纖維導致薄弱界面增多，當薄弱界面作用優于纖維的增強作用時，表現為自密實混凝土強度的降低。

從圖1（a）可以看出：相同纖維摻量時，對自密實輕骨料混凝土7d、28d抗壓強度產生的負效應最小的摻入方式為單摻1：1耐堿玻璃一劍麻混雜纖維，其次是單摻耐堿玻璃纖維，降低幅度最大的是單摻劍麻纖維。主要原因在于：劍麻纖維單絲直徑較大，在混雜纖維中充當骨架作用，耐堿玻璃纖維較細，數量較多，能有效填充劍麻纖維的空隙，使得混雜纖維形成較好的空間上的整體性，這種空間上的網狀結構對自密實混凝土抗壓強度的提高效果優于單摻耐堿玻璃纖維與劍麻纖維。耐堿玻璃纖維單絲直徑小于劍麻纖維單絲直徑，相同摻量下耐堿玻璃纖維與自密實混凝土基體有更大的接觸面積，因此耐堿玻璃纖維的比表面積較劍麻纖維的大的多，有更大的表面能，使得與自密實輕骨料混凝土之間的粘結作用較大，粘結強度大制約受壓時混凝土的橫向膨脹;耐堿玻璃纖維具有較好的耐腐蝕性，在混凝土基體中能穩定存在。另外，耐堿玻璃纖維線性膨脹系數與自密實輕骨料混凝土的接近，能與混凝土更好地協同工作，因此，相同摻量情況下耐堿玻璃纖維對自密實輕骨料混凝土7d、28d抗壓強度作用效果較劍麻纖維好。

2）劈裂抗拉強度試驗結果分析

纖維自密實輕骨料混凝試塊的劈裂抗拉強度與纖維種類及摻量的關系如圖l（b）所示。

由圖1（b）可知：3種纖維隨著纖維摻量從0增加到2.5kg/m³，自密實混凝土抗拉強度先呈現正相關后呈現負相關，但整體效果好于未摻纖維的普通自密實輕骨料混凝土;其中混雜纖維與耐堿玻璃纖維摻量為1kg/m³時對抗拉強度提高效果最好，相對空白組分別提高了34%、40%;劍麻纖維摻量為2.0kg/m³時對抗拉強度提高作用最大，相對空白組提高15%。

主要原因在于：纖維在自密實輕骨料混凝土中與基體之間形成粘結力與咬合力，因而纖維加入自密實輕骨料混凝土中能有效抑制初期裂縫的產生與發展、減小空隙，改善基體內部的缺陷，使混凝土基體密實度增加;在自密實輕骨料混凝土受荷載初期時基體產生裂縫，混凝土在裂縫處容易形成應力集中，摻入纖維能使混凝土基體內部開裂應力分布更加均勻，有效阻止裂縫擴展，也可迫使裂縫改變方向間接消耗裂縫開展的能量，從而提高了材料的韌性;隨著受力增加，混凝土基體與纖維之間粘結強度與橋連作用不足以抵抗荷載變化，此時纖維斷裂與拔出吸收了較大的能量，因此在一定范圍內，隨著纖維摻量增加，自密實輕骨料混凝土劈裂抗拉強度逐漸提高。纖維摻量過大，纖維之間容易發生團聚，不均勻，容易使自密實混凝土和易性降低，且纖維摻量的增加增大了纖維的比表面積導致需要更多的水泥對纖維進行握裹，纖維摻量增加使得纖維與自密實輕骨料混凝土基體之間薄弱界面增多，導致劈裂抗拉強度降低。

由圖1（b）可以看出，在相同纖維摻量下，混雜纖維試驗組對自密實輕骨料混凝土劈裂抗拉強度，此力學指標呈正相關，效果最好，其次為單摻耐堿玻璃纖維，最后是單摻劍麻纖維。主要原因在于：耐堿玻璃纖維有較高拉伸彈性模量、較大的斷裂伸長率，在混凝土破壞過程中，當基體開裂時能吸收更多的能量，因而承受更高的拉力。同時，由于相同摻量下，耐堿玻璃纖維的實際數量遠遠大于劍麻纖維，使得耐堿玻璃纖維混凝土性能優于劍麻纖維自密實混凝土;劍麻纖維屬于柔性材料，在混凝土水化初期減少原生微裂縫的效果不如耐堿玻璃纖維，但其良好的延性能提高混凝土基體的韌性;混合纖維混凝土性能優于其他兩種的原因是能充分利用耐堿玻璃纖維與劍麻纖維的優勢，混合纖維也進一步完善了纖維支撐網絡結構。

3 結論

通過試塊抗壓抗折強度試驗研究了耐堿玻璃纖維和劍麻纖維摻入方式及摻量對自密實輕骨料混凝土力學性能的影響規律，并分析了增強機理，得到以下結論：

1）在強度為SCLC40自密實混凝土基體中摻入耐堿玻璃纖維、劍麻纖維及混雜纖維，未能達到提高自密實輕骨料混凝土7d、28d抗壓性能指標的效果;隨著纖維摻量增加，對自密實輕骨料混凝土的7d抗壓性能的影響呈現先削弱、促進再削弱的變化規律，28d抗壓強度與摻量呈負相關規律-3種纖維的摻入對自密實輕骨料混凝土抗壓強度提高效果不明顯，主要原因在于纖維與基體間薄弱界面效應優于增強作用。

2）隨著纖維摻量的增加，自密實混凝土抗拉強度先呈現正相關，后表現為負相關，整體效果好于未摻纖維的普通自密實輕骨料混凝土。其中混雜纖維與耐堿玻璃纖維的最優摻量為1kg/m³，強度提高百分比分別為40.2%、33.4%，劍麻纖維最優摻量為2kg/m³，強度提高15.2%。3種纖維斷裂時的吸收能量作用及纖維形成的網絡支撐結構導致自密實混凝土劈裂抗拉強度提高效果明顯。

3）在相同纖維摻量下，混雜纖維試驗組對自密實輕骨料混凝土劈裂抗拉強度的力學指標呈正相關，效果最好，其次為單摻耐堿玻璃纖維，最后是單摻劍麻纖維。混雜纖維充分發揮兩種纖維的正混雜效應，而耐堿玻璃纖維有較高的彈性模量及斷裂伸長率，因此對基體增強效果優于劍麻纖維。