混雜劍麻-玄武巖纖維混凝土力學性能研究*

何 翔，崔玉奇，朱兆悅，姜景山，章 媛，李澤霖，姜志煒

（南京工程學院建筑工程學院，江蘇 南京 211167）

單一的纖維摻入混凝土中往往會導致混凝土的某一性能降低，而混雜纖維混凝土有了很大改善，是一種新型的復合材料[1-3]。 針對混雜纖維對混凝土性能的影響，國外學者開展了相關研究。 Luo D 等[4]研究聚丙烯纖維體積摻量和鋼纖維體積摻量對上述指標的影響，結果表明聚丙烯纖維質(zhì)量損失率有一定程度上的降低。 Ammari M S 等[5]研究了摻入木質(zhì)纖維和鋼纖維后混凝土耐久性的變化，結果表明木質(zhì)纖維對于混凝土耐久性幾乎沒有影響，而鋼纖維的摻入降低了混凝土碳化后的質(zhì)量增益。 A1shaikh I等[6]進行了普通混凝土和橡膠混凝土摻入聚丙烯纖維和鋼纖維后的沖擊對比試驗，結果表明橡膠混凝土的沖擊功與普通混凝土相比提高約10 倍，沖擊延性指數(shù)與普通混凝土相比提高約2 倍。 Ganta J K等[7]研究了玻璃纖維和鋼纖維摻入自密實混凝土后對其硬化和耐久性產(chǎn)生的影響。 我國學者也對纖維混凝土做了較多研究[8-11]。岳健廣等[12]對36 個鋼纖維混凝土帶缺口梁進行三點彎曲試驗，揭示了試件開裂過程的能量耗散演化規(guī)律，并建立了鋼纖維混凝土的單軸受拉損傷彈塑性本構模型。羅素蓉等[13]進行了13 組鋼-PVA 纖維高強再生混凝土試件的三點彎曲梁試驗，結果表明鋼纖維和PVA 纖維的摻入可以有效延緩高強再生混凝土的斷裂破壞。

1 主要試驗材料

1.1 膠凝材料

水泥為P.O42.5 普通硅酸鹽水泥。 根據(jù)GB 175-2007 《通用硅酸鹽水泥》 對水泥的物理和力學性能測定結果見表1。

表1 水泥物理和力學性能測定結果

1.2 纖維

采用廣西劍麻集團生產(chǎn)的劍麻成品，裁剪成長度為15 mm 的短劍麻 （見圖1-a）； 采用海寧安捷復合材料有限責任公司生產(chǎn)的玄武巖纖維，長度為12 mm （見圖1-b）。 劍麻纖維和玄武巖纖維的主要性能指標見第118 頁表2。

表2 劍麻纖維和玄武巖纖維的性能指標

圖1 劍麻纖維和玄武巖纖維

2 試驗設計方案

2.1 試驗配合比

素混凝土的強度等級為C30，按照膠凝材料用量的1.75%摻入減水劑，經(jīng)過試拌后得到的配合比見表3。

表3 試驗配合比

2.2 試件制備與養(yǎng)護

混雜纖維混凝土抗壓強度試驗和劈裂抗拉強度試驗各進行13 組，每組各有3 個試件，共計78 個試件。 混凝土拌合好后在振搗臺上振搗成型，成型24 h 后進行脫模。 標準養(yǎng)護28 d 后進行測試。

劍麻纖維和玄武巖纖維出廠時一般進行過表面處理，因此使用前只需對其進行改性處理。 使用前將玄武巖纖維在10%的CH3COOH 溶液中浸泡6 h完成改性處理； 將劍麻纖維在1%的NaOH 溶液中浸泡30 min 后自然晾干完成改性處理。 使用干拌法將纖維摻入混凝土中，試件具體制作步驟如下。

1） 根據(jù)試驗配合比稱量出一次所需的材料。

2） 準備好試驗所需模具，在模具內(nèi)壁涂油。

3） 加入水泥，攪拌30 s，再勻速且均勻地摻入劍麻纖維和玄武巖纖維，同時進行攪拌，使纖維均勻地分散在膠凝材料中，攪拌時間為60 s。

4） 加入細骨料和再生粗骨料，攪拌30 s。

5） 加入水和減水劑，攪拌150 s。

6） 將拌合物分3 次澆筑到模具中，邊澆筑邊進行振搗，振搗完成的試件見圖2。

圖2 振搗完成后的試件

7） 振搗完成后貼上相應的編號，靜置24 h 后進行脫模。 脫模后搬入養(yǎng)護室進行養(yǎng)護，見圖3。

圖3 試件養(yǎng)護

3 試驗結果與分析

3.1 混雜劍麻-玄武巖纖維混凝土破壞形態(tài)

素混凝土和混雜劍麻-玄武巖纖維混凝土抗壓強度試驗破壞形態(tài)見圖4。 由圖4 可知，混雜劍麻-玄武巖纖維混凝土立方體試件受壓進入失穩(wěn)階段后，初期的短裂縫會在試件內(nèi)部逐步蔓延，并形成數(shù)條貫通試件的長裂縫，但纖維發(fā)揮了橋接與應力傳遞作用，混凝土最終不會壓潰，這與素混凝土受壓破壞后側面大面積破碎并剝落不同。 當劍麻纖維和玄武巖纖維在混凝土中的總體積率大于0.3%時，將其稱為高纖維體積率混凝土[14]。可以看出，纖維的體積率越高，混雜劍麻-玄武巖纖維混凝土受壓破壞后的殘余體越完整，試件表面剝落越少。

圖4 素混凝土和混雜劍麻-玄武巖纖維混凝土抗壓強度試驗破壞形態(tài)

素混凝土和混雜劍麻-玄武巖纖維混凝土劈裂抗拉強度試驗破壞形態(tài)見圖5。 由圖5 可知，素混凝土試件在劈裂作用下斷面完整性較好，斷裂面以“Ⅰ” 型為主。 混雜劍麻-玄武巖纖維混凝土試件劈裂破壞形態(tài)則有所不同，纖維體積率低時，試件的斷面完整性一般，斷裂面產(chǎn)生了主裂縫和支裂縫兩條裂縫； 隨著纖維體積率的提高，混雜劍麻-玄武巖纖維混凝土試件斷面完整性不斷降低，因而纖維的摻入使得混凝土的劈裂抗拉破壞形態(tài)發(fā)生明顯的變化。

圖5 素混凝土和混雜劍麻-玄武巖纖維混凝土劈裂抗拉強度試驗破壞形態(tài)

3.2 混雜劍麻-玄武巖纖維混凝土力學性能試驗結果

本次試驗研究劍麻纖維 （15 mm） 和玄武巖纖維（12 mm） 摻入混凝土的狀態(tài)下，對混雜劍麻-玄武巖纖維混凝土試件進行了立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度等試驗數(shù)據(jù)的量測，以此來探究劍麻纖維體積率、 玄武巖纖維體積率兩個因素對坍落度和力學強度的影響規(guī)律，具體試驗結果和水平趨勢分析如下。

3.2.1 混雜劍麻-玄武巖纖維混凝土坍落度

素混凝土和混雜劍麻-玄武巖纖維混凝土的坍落度試驗結果見表4。 由表4 可知，試驗共進行了13 組對混凝土坍落度試驗數(shù)據(jù)的量測，每組各有3 個100 mm×100 mm×100 mm 的試件，共計78 個試件。結果表明混雜劍麻-玄武巖纖維混凝土的坍落度值均低于素混凝土的坍落度值，且每組的坍落度都在50～90 mm 之間，均屬于T2 級別的塑性混凝土。

表4 素混凝土和混雜劍麻-玄武巖纖維混凝土坍落度試驗結果

3.2.2 混雜劍麻-玄武巖纖維混凝土立方體抗壓強度

混雜劍麻-玄武巖纖維混凝土抗壓強度見圖6。由圖6 可知，劍麻纖維和玄武巖纖維的摻入使混凝土抗壓強度得到顯著提高。 具體規(guī)律如下： 當劍麻纖維體積率為1%且玄武巖纖維體積率從0.1%提高至0.2%時，體積率的升高導致抗壓強度隨之提高23%； 當玄武巖纖維體積率從0.2%提高至0.4%時，抗壓強度會隨著體積率的升高而降低。 當劍麻纖維體積率為2%且玄武巖纖維體積率從0.1%提高至0.2%時，體積率的升高導致抗壓強度隨之提高13%； 當玄武巖纖維體積率從0.2%提高至0.4%時，抗壓強度會隨著體積率的升高而降低。 當劍麻纖維體積率為3%且玄武巖纖維體積率從0.1%提高至0.2%時，體積率的升高導致抗壓強度隨之提高11%； 當玄武巖纖維體積率從0.2%提高至0.4%時，抗壓強度會隨著體積率的升高而降低。

圖6 混雜劍麻-玄武巖纖維混凝土抗壓強度

由此可得，當劍麻纖維體積率升高超過某一限值時，抗壓強度會隨著體積率的升高而降低，且當玄武巖纖維的體積率大于0.3%時，抗壓強度下降得尤為明顯。 本研究中的混雜纖維混凝土試件的抗壓強度都呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢，這表明纖維體積率與抗壓強度之間并不是簡單的線性關系，適當?shù)睦w維體積率對抗壓強度起到提高的作用，超過一定的體積率抗壓強度反而會呈現(xiàn)降低的趨勢，稱為負混雜效應。 上述規(guī)律的體現(xiàn)或許是以下因素導致： 適量纖維能夠在混凝土中分散得比較均勻并且和砂漿間產(chǎn)生較強的粘結力，達到防止裂縫產(chǎn)生的效果，此外纖維會對混凝土產(chǎn)生一定的支撐作用，即分擔混凝土所受到的荷載作用，實現(xiàn)抗壓強度的提高。 然而當纖維的量過多時會產(chǎn)生團狀纖維，發(fā)生應力集中現(xiàn)象而浪費纖維，導致混凝土立方體抗壓強度不升反降。

若只以立方體的抗壓強度為指標，最佳的組合是第A-2 組試驗 （劍麻纖維體積率為1%，玄武巖纖維體積率為0.2%）。

素混凝土和混雜劍麻-玄武巖纖維混凝土抗壓強度試驗結果見表5。 根據(jù)表5 的數(shù)據(jù)結果分析可知： 劍麻纖維對提高混凝土立方體的抗壓強度起到高顯著作用，玄武巖纖維起到非顯著作用。

表5 素混凝土和混雜劍麻-玄武巖纖維混凝土抗壓強度試驗結果

3.2.3 混雜劍麻-玄武巖纖維混凝土劈裂抗拉強度

混雜劍麻-玄武巖纖維混凝土的抗拉強度見第120 頁圖7。 由圖7 可知，劍麻纖維對劈裂抗拉強度幾乎沒有起到提高的作用，玄武巖纖維對劈裂抗拉強度起到了提高的作用。 玄武巖纖維體積率的提高對抗拉強度的提高效果好，表明纖維的摻入對抗拉強度的提高有促進作用。 若只以劈裂抗拉強度為指標，玄武巖纖維最優(yōu)體積率為0.4%，劍麻纖維體積率為2%。

圖7 混雜劍麻-玄武巖纖維混凝土抗拉強度

素混凝土和混雜劍麻-玄武巖纖維混凝土劈裂抗拉強度試驗結果見表6。 根據(jù)表6 中的分析結果可知，玄武巖纖維是混雜劍麻-玄武巖纖維混凝土劈裂抗拉強度的高顯著因素； 劍麻纖維是混雜劍麻-玄武巖纖維混凝土劈裂抗拉強度的非顯著因素。

表6 素混凝土和混雜劍麻-玄武巖纖維混凝土劈裂抗拉強度試驗結果

4 結論

通過試驗得到的主要結論如下。

1） 對于混雜劍麻-玄武巖纖維混凝土立方體抗壓強度來說，劍麻纖維是顯著因素，玄武巖纖維幾乎不影響立方體抗壓強度。 若想要使混雜劍麻-玄武巖纖維混凝土獲得最高的立方體抗壓強度，應選取劍麻纖維體積率為1%，玄武巖纖維體積率為0.2%。

2） 玄武巖纖維是混雜劍麻-玄武巖纖維混凝土劈裂抗拉強度的高顯著因素； 劍麻纖維是混雜劍麻-玄武巖纖維混凝土劈裂抗拉強度的非顯著因素。但過多的摻入玄武巖纖維反而會降低混雜纖維混凝土的抗拉強度。