玄武巖-粗聚丙烯纖維干硬性混凝土拉壓性能試驗研究

梁寧慧，毛金旺，劉新榮，許益華，周 侃

(1.重慶大學土木工程學院，重慶 400045；2.庫區環境地質災害防治國家地方聯合工程研究中心，重慶 400045)

0 引 言

干硬性混凝土(roller compacted concrete， RCC)具有節省水泥、快硬早強、節約成本、縮短施工周期等特點而被廣泛應用于大壩、路面、飛機場道面等無筋混凝土工程中[1-2]，但其存在易拉斷、韌性低、受載易開裂等缺陷，影響其工作性能和使用年限，如何增強RCC基體的韌性，從而提升其抗拉性能是混凝土領域亟待解決的問題。

近年來，纖維增強混凝土技術得到了廣泛應用，纖維與混凝土基體間的粘結作用可以增強混凝土的抗拉性能，限制基體中裂縫的萌生和拓展，從而增強混凝土的韌性[3-4]。該技術也逐漸應用于RCC中，一些研究人員[5-7]通過試驗研究發現，在RCC中按合理摻量摻入鋼纖維能顯著增強RCC抗壓強度和劈拉強度，且對劈拉強度的提升更為明顯。還有一些研究人員[8-10]發現將合成粗纖維或鋼纖維摻入混凝土中能明顯提高其抗壓強度、劈拉強度、斷裂性能、殘余強度等，鋼纖維可以抑制微裂紋向中等裂紋和宏觀裂紋的擴展。宋英杰等[11]和許飛等[12]發現將耐堿玻璃纖維、聚丙烯纖維摻入RCC中，也能增強其劈裂抗拉強度和變形能力?？梢?，國內外學者針對干硬性纖維混凝土(fiber reinforced roller compacted concrete， FRRCC)已經做了大量研究，取得了豐碩的研究成果，當前研究中使用的纖維多為鋼纖維，但是鋼纖維具有自重大、易腐蝕等缺點。研究發現，玄武巖纖維(basalt fiber， BF)耐腐蝕，耐高溫，與鋼纖維一樣具有高彈性模量，并且長徑比較大的BF對于混凝土早期微裂縫的萌生與擴展具有較好的抑制作用。對于宏觀裂縫，長徑比較小且單根承載力較高的粗聚丙烯纖維(coarse polypropylene fiber， CPF)具有更好的抑制作用。然而，目前針對玄武巖-粗聚丙烯纖維干硬性混凝土抗壓強度和劈拉強度等力學性能的研究相對較少，還有待進一步探索。

對于混凝土抗壓強度與劈裂抗拉強度兩者之間的換算關系，張學元等[13]研究了普通混凝土拉壓強度間的關系，發現使用冪函數來估計混凝土劈裂抗拉強度與抗壓強度間的關系較為合適，且效果較好；陳萌等[14]則研究了預拌混凝土拉壓強度間的關系，使用回歸公式求得的數據與試驗數據接近，可以為預拌混凝土早期裂縫控制提供幫助。得到混凝土的劈裂抗拉強度預測模型，一方面可以節省試件，減少試驗周期，另一方面可以提供早期裂縫控制的依據，具有一定的工程實際意義。然而當前混凝土的劈裂抗拉強度預測模型沒有考慮養護溫度的影響，在溫度較為極端的環境條件下適用性較差。

綜上，本文將BF與CPF單摻或按一定比例混合摻入RCC中，通過不同養護齡期下各組RCC試件的抗壓試驗和劈裂抗拉試驗，研究纖維的摻入對RCC的韌性及拉壓性能的影響，分析纖維混雜增強效應，并基于成熟度理論優化玄武巖-粗聚丙烯纖維干硬性混凝土劈裂抗拉強度預測模型，為玄武巖-粗聚丙烯纖維干硬性混凝土在實際工程中的應用提供一定的理論支撐。

1 實 驗

1.1 原材料與配合比

試驗對象為強度等級C50的干硬性混凝土，試驗采用的水泥為海螺牌P·O 52.5型普通硅酸鹽水泥。細骨料采用天然河砂，細度模數2.89。粗骨料選用粒徑分別為5～10 mm和10～20 mm的碎石，其表觀密度分別為2 670 kg/m3和2 700 kg/m3，連續級配。減水劑選用聚羧酸高性能減水劑，減水率28%。試驗選用北京同申復合材料有限公司制作的玄武巖纖維及寧波大成新材料有限公司制作的粗聚丙烯纖維，BF與CPF的性能參數見表1，外觀形狀如圖1所示。

表1 玄武巖纖維與粗聚丙烯纖維物理力學指標Table 1 Physical and mechanical indexes of basalt fiber and coarse polypropylene fiber

參考有關文獻及本課題組前期試驗數據[15-17]，單獨摻入BF的最優摻量為3 kg·m-3，單獨摻入CPF的最優摻量為6 kg·m-3。為保證各組試件之間具有可比性，混凝土基體的配合比保持不變，僅改變纖維摻量且A0組為基準混凝土。各組混凝土試件的配合比如表2所示。

圖1 BF與CPF外觀形狀Fig.1 Appearance of BF and CPF

表2 玄武巖-粗聚丙烯纖維干硬性混凝土配合比Table 2 Mix proportion of basalt-coarse polypropylene fiber roller compacted concrete

1.2 試件制作與試驗方法

1.2.1 試件制作

根據《纖維混凝土試驗方法標準》(CECS 13—2009)中相關規定，進行試件的拌制與制作，以保證纖維在混凝土基體中均勻分布，試件澆筑過程中，采用HCY-1型維勃稠度儀測量拌合物的維勃稠度，測量結果如表3所示。立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度試驗均采用邊長為100 mm的立方體試件，測試齡期包括3 d、7 d、14 d和28 d，每個齡期1組試件，共計64組試件。澆筑完成后自然養護24 h，然后將試件移入溫度為(20±2) ℃，濕度大于95%的標準養護室中進行養護。

表3 各組RCC試件拌合物維勃稠度值Table 3 Vebe consistency consistency of RCC specimen mixtures in each group

1.2.2 立方體抗壓與劈裂抗拉試驗

玄武巖-粗聚丙烯纖維干硬性混凝土抗壓試驗和劈裂抗拉試驗依照《普通混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)進行，加載設備采用YAW-1000型壓力試驗機，立方體抗壓強度尺寸換算系數為0.95。

2 結果與討論

2.1 抗壓試驗

2.1.1 破壞形態

同一養護齡期下，不同組試件的受壓破壞形態存在一定差異，RCC試件立方體抗壓破壞形態如圖2所示?；鶞驶炷罙0組試件在受載后，表面出現大量裂縫并相互連接貫通，使得試件迅速破壞，表現出脆性破壞特征，最終呈四角錐形的破壞狀態，如圖2(a)所示；單摻CPF的A1組試件受壓破壞時可以聽見裂縫斷面處CPF被拔出或拉斷而發出的清脆“噼啪”聲，破壞后有部分混凝土碎片脫落，如圖2(b)所示；單摻BF的A2組試件受壓破壞后破壞形態與A0組類似，呈現脆性破壞特征，但其受壓破壞后剩余體積大于A0組試件，如圖2(c)所示；混摻BF與CPF的A3～A7組試件受壓破壞后破壞形態均較為相似，且與A1組類似，試件表面會出現較寬的裂縫，但裂而未脫，以A4組為例，其破壞形態如圖2(d)所示。隨著養護齡期增長，A0與A2組試件受壓破壞后剩余體積明顯變大，A1、A4～A7組試件受壓破壞后裂縫寬度明顯減小，仍具有較好的完整性，如圖2(e)～(h)所示。可以看出纖維(尤其是BF與CPF混合)摻入RCC中能顯著增強混凝土基體的韌性，改善其脆性破壞特征。

圖2 RCC試件立方體抗壓破壞形態Fig.2 Cube compressive failure patterns of RCC specimens

2.1.2 抗壓強度

圖3 各齡期RCC試件的立方體抗壓強度Fig.3 Cube compressive strength of RCC specimens at different curing ages

不同養護齡期下各組RCC試件的立方體抗壓強度如圖3所示。由試驗結果可知，RCC試件早齡期抗壓強度增長速度較快，養護3 d后，RCC試件抗壓強度值均已經達到了養護28 d時抗壓強度值的66.4%～71.6%，養護7 d后便已達到了養護28 d時抗壓強度值的80.6%～84.2%，體現出了干硬性混凝土快硬早強的特點，并且表明纖維的摻入不會影響RCC早齡期強度的增長。養護齡期為3 d時，單摻CPF的A1組試件與單摻BF的A2組試件的抗壓強度較A0組分別提升了3.9%和6.9%，養護28 d后，基準混凝土A0組的抗壓強度為59.2 MPa，A1、A2組較A0組分別提升了3.8%和6.9%，可見摻入高彈性模量的BF對RCC抗壓性能的改善更為明顯。養護齡期為3 d時，混摻BF與CPF的A3～A7組試件抗壓強度值為42.4～46.2 MPa，相比A0組提升了8.0%～17.6%，養護28 d后，抗壓強度值較A0組提升了7.9%～14.0%，且BF和CPF混摻配比為1 ∶2的A4組RCC試件的抗壓強度值最大，表明各養護齡期下，各組RCC試件的抗壓強度值均大于基準混凝土A0組，且表現出玄武巖-粗聚丙烯纖維混摻>單摻玄武巖纖維、單摻粗聚丙烯纖維>基準混凝土的趨勢。這是因為適量纖維均勻分布在混凝土基體中時，纖維會在混凝土基體中形成空間網狀結構，不僅能夠傳遞和消散應力，將混凝土基體連接成一個整體，而且纖維的橋接作用會抑制裂縫的擴展。其中，高彈性模量的BF限制微裂縫擴展的性能較好，從而有利于提升混凝土的抗壓強度，而單根承載力較高的CPF對于宏觀裂縫形成和擴展的抑制作用更為明顯，能夠顯著改善混凝土的脆性破壞特征。二者按合理比例混摻后能夠在不同層次上發揮各自的作用，相互協同、相互支撐，從而展示出良好的纖維混雜正效應，其中BF與CPF的混摻配比為1 ∶2 時表現出最佳的混雜正效應，顯著提高了RCC的強度和變形能力。

2.2 劈裂抗拉試驗

2.2.1 破壞形態

劈裂抗拉試驗中，各組試件劈裂受拉破壞過程的持續時間隨著養護齡期的增長而逐漸增加，但組內各試件的最終破壞形態差別不大。以養護齡期為3 d的試件為例，基準混凝土A0組、單摻CPF的A1組試件、單摻BF的A2組試件與混摻BF與CPF的A4組試件的劈裂受拉破壞形態如圖4所示。A0組受載后試件中部先出現豎向微裂紋，隨著荷載的增大，裂紋向試件兩端延伸，發展成豎向裂縫，最終豎向裂縫貫穿試件整體，將其劈開為兩半，如圖4(a)所示，整個過程發生時間較短，表現出明顯的脆性破壞特征。A1組劈裂受拉破壞過程中，裂縫貫穿試件后試件沒有被馬上劈開成兩半，斷面處可見CPF將混凝土基體拉結在一起，兩斷面間距約10 mm，如圖4(b)所示，纖維的橋接作用使得試件破壞后依然保持一定的完整性，并持有一定的剩余承載力。A2組劈裂受拉過程中表現出較明顯的脆性破壞特征，破壞后試件被劈開成兩半，與A0組的破壞模式類似，如圖4(c)所示，但試件劈拉破壞時間較A0組長，且張拉裂縫出現較A0組晚，裂縫擴展速度也較A0組慢。混摻BF與CPF的A3～A7組試件劈裂受拉破壞模式與A1組類似，如圖4(d)所示，但裂縫寬度僅1 mm左右、且裂縫擴展速度明顯小于A0、A1、A2組試件，顯著改善了混凝土的脆性破壞特征，其中，BF和CPF混摻配比為1 ∶2的A4組試件中部豎向張拉裂縫寬度最小。

圖4 RCC試件劈裂受拉破壞形態Fig.4 Splitting tensile failure patterns of RCC specimens

2.2.2 劈拉強度

不同養護齡期下各組RCC試件的劈裂抗拉強度如圖5所示。由試驗結果可知，養護齡期為3 d時，各纖維混凝土組試件的劈拉強度均高于基準混凝土。A2組試件養護3 d后的劈拉強度值為3.4 MPa，比A0組和A1組分別高25.1%和5.0%，養護齡期為7 d時，A1組的劈拉強度值為3.6 MPa，較A0組和A2組分別高19.0%和3.5%，養護14 d與28 d后，A1組的劈拉強度值也均高于A2組，表明BF對RCC養護初期混凝土基體抗拉性能的改善作用優于CPF，但隨著養護齡期的增長，CPF的改善效果逐漸體現，且在養護齡期達到7 d后，CPF對RCC抗拉性能的增強程度高于BF。由混摻BF與CPF的A3～A7組試件的試驗結果可知，纖維混摻比例對RCC基體抗拉性能的影響較為顯著，養護28 d后，BF和CPF混摻配比為1 ∶2的A4組試件的劈拉強度值達到4.0 MPa，為各組最高，較A0組提升了24.1%，表現出了最優的纖維混雜正效應。在RCC試件劈拉破壞過程中，初期荷載較小時，主要由長徑比較大、彈性模量較高的BF承擔微裂縫中傳遞的拉應力，阻礙微裂縫的萌生與擴展，荷載作用下裂縫繼續張開，垂直分布在裂縫斷面處的BF逐漸被拉斷或拔出，RCC表現出一定的延性，隨著荷載繼續增大，逐漸生成宏觀裂縫，此時CPF開始發揮作用，CPF的橋接作用顯著抑制宏觀裂縫的擴展，使得RCC具有更好的抗拉性能。

2.3 拉壓比

混凝土的拉壓比為劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度之比，是衡量混凝土脆性的主要指標[18]，混凝土拉壓比越小，脆性越大，韌性越小。圖6為不同養護齡期下各組RCC的拉壓比較基準混凝土A0組拉壓比的增長率。由圖可知，除混摻BF與CPF的A5～A7組試件拉壓比的增長比例較A0組不明顯，甚至出現負增長，其余各纖維配比下RCC的拉壓比增長較明顯。單摻BF的A2組試件養護齡期為3 d時，拉壓比的增長率最高，達到17.0%，單摻CPF的A1組試件養護7 d后，其拉壓比的增長率均為同養護齡期下各組最高。一定程度上，這也從拉壓比的角度說明BF對RCC養護初期抗拉性能的增強作用更為顯著，而隨著養護齡期的增長，CPF對RCC抗拉性能的增強作用更明顯，與劈裂抗拉試驗的結果相一致。除養護齡期為3 d時，混摻BF與CPF的A3、A4組試件拉壓比的增長率均達到10%左右，能夠有效改善RCC的脆性破壞特征。總的來說，BF與CPF單摻或按合理比例混合摻入RCC中，不僅能提高RCC基體的抗壓與劈拉性能，還能顯著改善RCC脆性大、韌性小的缺點。

圖5 各齡期RCC試件的劈裂抗拉強度Fig.5 Splitting tensile strength of RCC specimens at different curing ages

圖6 不同養護齡期下RCC試件拉壓比的增長率Fig.6 Growth ratio of tension-compression ratio of RCC specimens at different curing ages

2.4 混雜增強效應系數

纖維混雜增強效應系數是衡量不同幾何特征或不同種類的纖維按不同比例混合摻入混凝土后對混凝土基體力學性能增強效果的指標[19]。由玄武巖-粗聚丙烯纖維干硬性混凝土抗壓與劈拉試驗結果及拉壓比的增長率可知，將BF與CPF按不同比例混合摻入混凝土中，會產生不同的纖維混雜效應，若產生“1+1>2”的混雜效果，稱為正混雜效應，反之，則稱為負混雜效應。為定量分析纖維的混雜作用效果，將纖維的混雜增強效應系數定義如下[19]：

(1)

式中：H為混雜效應增強系數；B為混雜纖維混凝土的性能指標；Bi為單摻i纖維(最優摻量)時混凝土的性能指標；mi為混凝土中摻入i纖維的質量,kg/m3；m為混凝土中摻入混雜纖維的總質量,kg/m3；Pi為mi與m的比值，表示每方混凝土中i纖維的質量占混雜纖維總質量的比例。

除28 d強度外，干硬性混凝土的早期強度也是重要指標，根據混雜纖維混凝土A3～A7組的纖維配比及抗壓與劈拉試驗結果，代入式(1)中計算得到BF與CPF不同混摻比例下RCC標養7 d及28 d后抗壓強度與劈拉強度的混雜增強效應系數，計算結果如圖7所示。

圖7 玄武巖-粗聚丙烯纖維混雜增強效應系數Fig.7 Hybrid reinforcing effect coefficient of basalt-coarse polypropylene fiber

由圖7可知，BF與CPF在不同混摻比例下，其混雜增強效應系數存在較大差異。標養7 d及28 d后，A3～A7組抗壓性能的纖維混雜增強效應系數均為正數，表現出正混雜效應，而A5～A7組試件劈裂受拉性能的纖維混雜增強效應系數為負數，表現出負混雜效應。BF與CPF混摻配比為1 ∶2的A4組試件標養7 d、28 d后，其抗壓與劈裂受拉性能的混雜增強效應系數均最大，表現出最優的正混雜效應，表明BF與CPF在該混摻配比下，對RCC早期及后期抗壓性能與劈裂受拉性能的增強作用最為顯著。

3 玄武巖-粗聚丙烯纖維干硬性混凝土劈裂抗拉強度預測模型

RCC強度的增長對于養護溫度和養護齡期具有很強的敏感性，尤其是抗壓強度，其早期強度增長很快，較低的養護溫度和較短的養護齡期的變化對RCC抗壓強度的影響較為明顯，而劈拉強度的增長主要是纖維的粘結作用[3]。為準確把握養護溫度及養護齡期對RCC抗壓強度的影響，使得最終得到的玄武巖-粗聚丙烯纖維干硬性混凝土劈裂抗拉強度預測模型更為準確可靠，并具有較廣的適用范圍，現基于Freiesleben Hansen和Pedersen[20]根據Arrhenius 函數提出的F-P等效齡期成熟度函數，如式(2)所示，將養護溫度及養護齡期進行歸一化處理，計算不同養護條件下混凝土的等效齡期。

(2)

式中：Tr為參考溫度，℃，歐洲標準中取20 ℃，北美標準中取23 ℃，本文取20 ℃；te為參考溫度下的等效齡期，h；t為齡期，h；Δt為時間間隔，h；T為時間間隔Δt內的平均溫度，℃；E為活化能，J/mol，當T≥20 ℃時取33.5 kJ/mol，當T≤20 ℃時為[33.5+1.47(20-T)] kJ/mol；R為氣體常數，取為8.314 J/mol。

試件澆筑時處于重慶市11月份，自然養護前12 h內平均溫度為12 ℃，后12 h平均溫度為17 ℃，根據式(2)計算等效齡期te，結果如表4所示。

表4 各組RCC試件等效齡期計算結果Table 4 Calculating results of equivalent curing age for each group of RCC specimens

由抗壓與劈裂抗拉試驗結果可知，RCC標準養護14 d后，其抗壓強度與標養28 d后相差較小，表明RCC澆筑完成后前14 d內強度增長較快，之后便基本不再增長，可近似認為標準養護14 d后RCC的強度便不再隨養護齡期的增長而增加。本文將RCC養護3 d、7 d、14 d后的抗壓強度值及等效齡期帶入式(3)擬合得到RCC抗壓強度-成熟度關系式。

S=alnM+b

(3)

式中：M為成熟度，h或℃·h；S為成熟度M時的混凝土抗壓強度，MPa；a、b為常數。將等效齡期te作為影響混凝土抗壓強度S的自變量，即：

M=te

(4)

養護齡期修正后，各組RCC試件等效齡期-抗壓強度關系擬合結果如表5所示：

表5 RCC等效齡期-抗壓強度關系擬合結果Table 5 Fitting results of curing age-compressive strength of RCC

圖8 A4組試件抗壓強度與劈裂受拉強度的關系Fig.8 Relationship between compressive strength and splitting tensile strength of A4

可見，各組RCC試件等效齡期與抗壓強度具有較好的對數函數關系，擬合系數均在0.9以上，擬合效果較好。現使用該關系式計算RCC等效齡期為3 d、7 d及14 d時的抗壓強度，并基于冪函數擬合玄武巖-粗聚丙烯纖維干硬性混凝土抗壓強度與劈拉強度的關系，得到玄武巖-粗聚丙烯纖維干硬性混凝土的劈裂抗拉強度預測模型，以纖維增強增韌效果最為顯著的A4組試件為例，擬合結果如圖8所示。

由擬合結果可知，混摻玄武巖-粗聚丙烯纖維干硬性混凝土A4組試件的抗壓強度與劈裂抗拉強度具有較好的相關性，并且使用等效齡期-抗壓強度關系式計算得到RCC的抗壓強度后，其與劈裂抗拉強度具有更好的擬合關系，相關系數提升了0.017，修正效果較為有限，這與本次試驗過程中的養護條件有關。而在實際工程中，RCC澆筑完成后無法進行室內標準養護，需在自然環境下養護成型，極端環境溫度時常存在，不難預見，若不根據養護溫度對養護齡期加以修正，可能會存在錯誤判斷RCC性能的狀況，嚴重時會帶來施工安全問題。該預測模型將不同養護溫度下混凝土的養護齡期統一換算為標準養護條件下的等效齡期，考慮了養護溫度對RCC早期抗壓強度的影響，能夠更為準確地根據修正后的抗壓強度計算得到RCC的劈裂抗拉強度。

4 結 論

(1)由RCC抗壓和劈裂抗拉試驗結果可知，各組試件養護齡期為3 d時抗壓強度值便達到了28 d時的66.4%～71.6%。將BF和CPF單摻或按一定比例混合摻入混凝土中，一定程度上增強了RCC抗壓、劈裂抗拉性能，而且纖維的橋接作用顯著改善了RCC的脆性破壞特征，其中BF與CPF混摻配比為1 ∶2時最為顯著。

(2)BF能夠較好地抑制RCC初期微裂縫的萌生與擴展，CPF對于宏觀裂縫的抑制作用更為明顯，BF與CPF混摻配比為1 ∶2的A4組試件抗壓與劈裂受拉性能的混雜增強效應系數均為同齡期下最大，表現出最優的纖維混雜正效應。

(3)基于成熟度理論修正養護溫度對養護齡期的影響后，用等效齡期-抗壓強度關系式計算得到的RCC的抗壓強度與其劈拉強度具有更好的擬合關系，該劈裂抗拉強度預測模型將不同養護溫度下RCC的養護齡期統一為等效齡期，便于更準確地掌握混凝土材料的性能，具有一定的工程實際意義。