混雜纖維增強高強混凝土性能研究

趙雅明，張明飛，張 振，羅要飛

(1.中鐵建設集團有限公司，北京 100040；2.鄭州航空工業管理學院土木建筑學院，鄭州 450046； 3.長安大學公路學院，西安 710064)

0 引 言

目前我國機場跑道道面普遍采用水泥混凝土材料，該道面具有優異的抗壓強度、抗沖擊性和摩擦熱穩定性，能承受飛機輪載的強大沖擊力[1]。然而，水泥混凝土道面材料脆性較大，在服役過程中易出現開裂、斷板等問題，需對道面頻繁加鋪升級，且難以達到設計年限[2]。為適應當前機場混凝土道面的發展需求，需挖掘當代先進混凝土性能調控及優化技術，以提高混凝土道面的抗折性能、抗裂性能及其耐久性能。

纖維作為水泥混凝土常用增韌材料，它的加入可明顯提高混凝土的抗拉、抗折和抗沖擊性能，同時兼具阻裂、抗滲作用[3-4]。混凝土成型時，纖維與多相材料一同被攪拌，無序的纖維均勻分散在多相材料中形成硬化的混凝土。纖維與基體之間的摩擦和滑動可顯著減少混凝土裂縫的形成和擴展，從而抑制服役期間產生的損傷累積和發展，能夠有效地緩解裂紋尖端的應力集中，從而提高混凝土的力學強度[5]。通常，常用的纖維主要可分成柔性和剛性兩類，由于每一種纖維材料的固有性質不同，單獨摻加某一種纖維對混凝土性能增強效果較為片面。兩種不同類型的纖維混雜在基體內形成二次加筋體系，可在不同時期和結構層次上發揮優勢互補的作用，從而改善混凝土的性能。在混凝土中摻加鋼纖維，可提高混凝土的抗壓強度、抗沖擊性能和韌性[6-8]，但由于鋼纖維密度大，混凝土的自重顯著增加，同時在復雜服役環境下容易被鹽分侵蝕；合成纖維自重輕，且具有良好的抗堿性，若單獨摻加聚乙烯醇纖維，不僅可以降低混凝土的自重，也可提高混凝土的抗滲性，但也會造成混凝土抗壓強度有所下降[9]。綜合鋼纖維和聚乙烯醇纖維的優缺點，將兩者通過混雜設計摻入高強混凝土中，在一定程度上可彌補兩者產生的缺陷，充分展現自身的尺寸效應和性能優勢，既可保證質輕也可改善基體的各項性能，同時也具有較好的經濟效益[10-12]。

因此，本文選擇兩種典型的剛性、柔性纖維材料——鋼纖維和聚乙烯醇纖維，研究纖維混雜對高強混凝土性能指標的影響規律。重點對鋼纖維與聚乙烯醇纖維在不同摻量下進行混雜設計，研究其對混凝土工作性、力學強度、收縮性、抗裂性及耐久性的影響規律，為鋼-聚乙烯醇纖維增強高強混凝土在工程中的制備提供可靠的參考依據。

1 實 驗

1.1 原材料

原材料包括水泥、粉煤灰、河砂、粗骨料、減水劑、鋼纖維、聚乙烯醇纖維和水。水泥為冀東P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，密度為3.02 g/cm3；粉煤灰為河南省某電廠粉煤灰公司提供的一級粉煤灰；細骨料選用細度模數為2.68的河砂，表觀密度為2.631 g/cm3；粗骨料為4.75～13.6 mm的連續級配的石灰巖碎石，表觀密度為2.718 g/cm3；減水劑為廣州市中萬新材料有限公司生產的聚羧酸減水劑，減水率為10%～20%，比表面積約為400 m2/kg；鍍銅鋼纖維，長度為12 mm，直徑為300 μm，密度為7.5 g/cm3，彈性模量為200 GPa；聚乙烯醇纖維，長度為12 mm，直徑為40 μm，密度為1.3 g/cm3，彈性模量為292.98 GPa。兩種纖維的形貌如圖1所示。

圖1 鋼纖維和聚乙烯醇纖維的形貌Fig.1 Morphology of steel fiber and polyvinyl alcohol fiber

1.2 混凝土基準配合比

依據JGJ/T 281—2012《高強混凝土應用技術規程》中高強混凝土配合比設計要求，在保證高強混凝土良好工作性的前提下，并結合前期嘗試性試驗確定C60基準配合比,如表1所示。減水劑摻量為總膠凝材料質量的1%，具有良好的工作性，便于成型振搗，獲得較好的密實性，根據前期試驗確定出本研究用的混凝土基準配比，如表1所示。

表1 C60混凝土基準配合比Table 1 Reference mix ratio of C60 concrete

1.3 試驗方案設計

為研究纖維不同混雜比例對高強混凝土的影響，將鋼纖維與聚乙烯醇纖維進行混雜，確定纖維的總體積摻量為1.50%。通過改變不同纖維的摻量，從而對試驗進行設計。設置纖維摻量約束條件，見式(1)。

X+Y≤1.5,0

(1)

式中：X為鋼纖維占纖維總體積摻量的比率；Y為聚乙烯醇纖維占纖維總體積摻量的比率。鋼纖維與聚乙烯醇纖維混雜的試驗配比如表2所示。

表2 混雜纖維配比Table 2 Ratio of hybrid fiber

1.4 試件成型工藝

按照配合比稱好原材料，先將粗骨料和砂充分攪拌，然后將鋼纖維和聚乙烯醇纖維分若干次放入攪拌機攪拌均勻，再將水泥、粉煤灰與硅灰投入攪拌機繼續攪拌均勻，最后將水與減水劑的混合物緩慢加入攪拌機，繼續攪拌4～5 min即可出料。按照JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》的振搗方式成型，養護至規定齡期測試其性能。

1.5 試驗方法

1.5.1 流動性試驗

根據JGJ/T 281—2012《高強混凝土應用技術規程》的規定，將攪拌好的拌合物進行坍落度試驗。

1.5.2 力學強度試驗

根據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》規定，制成尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的抗壓強度試件和尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的抗折強度試件，按規范采用輕型壓力試驗機測試其抗壓強度和抗折強度，每組試驗設置三個平行試件。

1.5.3 收縮試驗

收縮試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，以三個試件為一組，采用測長儀進行試驗。試件基準長度測量時間是試件成型加水72 h時，隨后按照收縮率計算公式計算各齡期下的試件干燥收縮率。

1.5.4 開裂試驗

采用平板法測試混凝土的早期抗裂性能，選用600 mm×600 mm×63 mm的試驗模具制作試件。試驗方法參考CECS 13—2009《纖維混凝土試驗方法標準》進行。其裂縫面積通過對試件表面進行拍照后，使用采用Origin J進行計算。

1.5.5 氯離子侵蝕試驗

高強混凝土的氯離子侵蝕試驗參考GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能與耐久性能試驗方法》，采用快速氯離子遷移系數法(rapid chloride method)對高強混凝土的滲透性進行研究。

1.5.6 微觀試驗

本試驗采用德國卡爾蔡司公司生產的型號為sigma-300的場發射掃描電子顯微鏡，該型號儀器的二次電子分辨率小于1.2 nm，加速電壓范圍為0.02～30 kV，束流強度為12 pA～20 nA,放大倍率為10～1 000 000。放大倍數自動校準，工作距離為1～50 mm。選用的混凝土試樣樣品厚度為1～2 mm，邊長約為5～10 mm。試驗步驟：將樣品先烘干，然后固定在試件盤中并做好標記，再對試樣進行噴金處理，最后在掃描電鏡室中進行觀測。

2 結果與討論

2.1 工作性

不同混雜纖維混凝土工作性試驗結果如圖2所示。由圖2可知，高強混凝土的坍落度隨著鋼纖維和聚乙烯醇纖維的摻入產生明顯變化，且隨著纖維摻量的增加坍落度逐漸減小。從圖上可以看出，鋼纖維的摻入對混凝土坍落度的影響程度不及聚乙烯醇纖維對其影響程度。在單摻情況下，當鋼纖維摻量為1.50%時，拌合物坍落度為180 mm，當聚乙烯醇纖維為0.75%時，其坍落度下降至80 mm；在混雜后，混凝土的拌合物下降更為明顯，當混雜摻量為1.50%時，其坍落度只有50 mm。這是由于纖維的摻入阻礙了拌合物的下沉，同時聚乙烯醇纖維具有吸水性，相當于減少了拌合物用水，降低了水灰比，使混凝土拌合物的工作性降低。

圖2 混雜纖維混凝土拌合物的坍落度Fig.2 Slump of hybrid fiber concrete mixture

2.2 抗壓強度

不同纖維混雜比例下的混凝土抗壓強度試驗結果如圖3所示。由組合SP0～SP6結果知，隨著單摻鋼纖維或者單摻聚乙烯醇纖維摻量的增加，高強混凝土的7 d和28 d抗壓強度均呈增長趨勢。基準組與SP0相比，在最大摻量下，鋼纖維可使得高強混凝土28 d抗壓強度增加23.7%，而聚乙烯醇纖維使得28 d抗壓強度增加8.1%，即鋼纖維增強效果較為明顯。結合組合SP7～SP13抗壓強度結果可知，鋼纖維與聚乙烯醇纖維混雜后的高強混凝土7 d和28 d強度均明顯高于基準組SP0和聚乙烯醇纖維混凝土(SP4～SP6)，但均低于鋼纖維混凝土(SP1～SP3)，這也間接說明聚乙烯醇纖維對混凝土增強效果不及鋼纖維。聚乙烯醇纖維團聚性強，在混凝土中不易分散，使得纖維與基體、纖維與纖維間的界面效應增加，導致混凝土內部結構缺陷增多，因此對混凝土強度增長效果較差[13]。此外，通過對SP7～SP13結果分析可知，在纖維總量一定的條件下，隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土7 d和28 d抗壓強度均有上漲趨勢，當鋼纖維摻量從0.25%增加到0.50%、0.75%時，混雜纖維混凝土抗壓強度最多分別提高了7.8%、16.0%，說明隨著鋼纖維摻量的增加，抗壓強度增幅逐漸增大。綜合考慮混凝土7 d、28 d抗壓強度后，纖維最優配比為1.00%鋼纖維+0.50%聚乙烯醇纖維。

圖3 混雜纖維混凝土的抗壓強度Fig.3 Compressive strength of hybrid fiber concrete

2.3 抗折強度

不同纖維混雜摻量下的混凝土抗折強度試驗結果如圖4所示。由SP1～SP6可知，隨著兩種纖維摻量的增加，高強混凝土的抗折強度出現增大趨勢。與SP0相比，鋼纖維摻量為1.50%時，7 d、28 d抗折強度分別提高了26.8%、41.5%，而摻量為0.75%聚乙醇纖維混凝土，7 d、28 d抗折強度分別僅提高了12.5%、17.7%。因此可以看出鋼纖維的增強效果更為明顯。當兩種纖維按不同比例(SP7～SP13)混雜后，混凝土的抗折強度隨著鋼纖維摻量的增加，聚乙烯醇纖維摻量的減小而逐漸增大，這表明影響混雜纖維混凝土抗折強度的主要因素仍然是鋼纖維。當鋼纖維為0.75%，聚乙烯醇纖維為0.25%，混凝土的抗折強度最大，與SP0相比，7 d、28 d抗折強度分別增加了45.7%、40.9%。這主要是因為聚乙烯醇纖維的幾何尺寸較小，分布在基體中可以抑制或延緩微裂紋的發展；隨著裂縫的增長，鋼纖維在內部的橋接作用可以抑制裂縫的擴展，從而改善了混凝土的抗折性能。而當纖維總摻量達到1.50%時，混凝土的抗折強度有所下降，這可能是由于纖維摻量過多，導致內部的結構缺陷增加，其界面效應影響大于纖維對混凝土起到的抑制裂縫作用，從而使其強度有所下降[14-15]。

圖4 混雜纖維混凝土的抗折強度Fig.4 Flexural strength of hybrid fiber concrete

2.4 收縮率

圖5 混雜纖維混凝土的收縮率Fig.5 Shrinkage of hybrid fiber concrete

不同纖維混雜摻量下的混凝土收縮試驗結果如圖5所示。從SP0可以得出素混凝土收縮率在3 d以內處于快速增長階段，硬化3 d后的收縮率增長速度逐漸變緩，28 d收縮率為592.28×10-6。從SP0～SP6可知，摻入兩種纖維后可有效降低素混凝土的收縮，且鋼纖維對混凝土收縮抑制率比聚乙烯醇纖維好。當兩種纖維混雜后(SP7～SP13),隨著纖維總摻量的增加，混凝土的抑制效果更為明顯。在固定總摻量時，隨著鋼纖維摻量的增加，聚乙烯醇纖維的減少，混凝土28 d的收縮越小，且當鋼纖維為0.75%，聚乙烯醇纖維為0.25%時，其收縮率最小，與素混凝土相比，28 d收縮率減小了34.7%。與單摻纖維混凝土相比，28 d收縮率降低了27.7%。一方面，這是因為兩種纖維的物理混合改善了混凝土的孔結構，不同彈性模量的纖維更好地分散了混凝土內部的毛細管收縮應力；另一方面，聚乙烯醇纖維的比表面積大，使整個纖維基體具有更大的比表面積，混凝土內部受到了更多的牽引力，改善了混凝土內部的缺陷[16]，從而在一定程度上抑制了收縮的產生和發展。而當混雜摻量為1.50%，混凝土收縮呈現增大趨勢，這是由于過多的聚乙烯醇纖維增加了界面的數量和內部水分散失的通道，導致混凝土本身濕度降低，從而減弱了其抑制收縮的效果，如果能和具有保水性的材料協同作用[17]，可能能夠彌補這一缺陷。

2.5 抗裂性能

不同纖維混雜摻量下的混凝土早期開裂面積試驗結果如圖6所示，從SP0～SP6可知，摻入鋼纖維和聚乙烯醇纖維能緩解混凝土的開裂，且隨著纖維摻量的增加，混凝土的抗裂性能增加。同時也可看出聚乙烯醇纖維對抑制混凝土早期開裂具有更好的效果，當聚乙烯醇纖維摻量為0.75%時，其裂縫面積降低了45.2%。當纖維混雜后(SP7～SP13)，混凝土抗裂性能與力學強度表現出不同趨勢，混雜纖維比單摻纖維對抑制混凝土開裂的效果更為顯著。當鋼纖維摻量為0.75%，聚乙烯醇纖維為0.25%時，混凝土的裂縫面積最小，與SP0相比，開裂面積減小了95.8%，其抗裂效果最為顯著。這是由于在混凝土的拌和過程中，得到較好分散程度的纖維，使其與混凝土基體緊密結合，有效防止了裂縫的形成和擴展。而且，不同彈性模量的纖維混雜作用能夠在裂縫發展的不同階段和不同尺度上起到抵抗約束收縮裂縫的作用[18]，尤其是柔性纖維的摻入，大量的纖維橋接在混凝土基體各個界面處，從而延緩其應力集中發生，減少裂縫的萌發，并抑制其形成貫穿裂縫[19]。

圖6 混雜纖維混凝土早期開裂面積Fig.6 Early cracking area of hybrid fiber concrete

2.6 抗氯離子侵蝕性能

不同纖維混雜摻量下的混凝土抗氯離子侵蝕性能試驗結果如圖7所示，與素混凝土(SP0)相比，兩種纖維在單摻時可降低混凝土的滲透性，相同體積摻量(0.50%)下的鋼纖維、聚乙烯醇纖維使混凝土氯離子滲透系數分別降低了7.7%、11.4%；對于混雜纖維混凝土，0.75%鋼纖維+0.25%聚乙烯醇纖維形成的混凝土的抗氯離子侵蝕效果最好，其氯離子滲透系數較素混凝土降低了66.5%。在混雜配比中，隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土氯離子滲透系數逐漸下降，且比單摻情況下效果更好，這是由于不同類型的纖維對混凝土內部的改善效果不同[20]。鋼纖維的彈性模量相對高于凝結初期混凝土的彈性模量，提高了基體的抗拉強度，從而可以抑制早期裂縫的產生，降低內部的孔隙率，可降低因鹽分侵蝕帶來的混凝土損傷問題[21]。聚乙烯醇纖維單位體積下分布多，且柔韌性最好，對混凝土的“承托”效果最好[22]，基體內部的裂縫寬度變窄，水分散失速度減緩，從而提高了混凝土的抗滲能力。當在兩種纖維混雜后，不同尺寸和不同性質的纖維在基體內部形成復雜的空間網狀結構，減小纖維間距，抑制孔洞的出現和延展，提高了基體的抗滲性。

圖7 混雜纖維混凝土的氯離子滲透系數Fig.7 Chloride ion diffusion coefficient of hybrid fiber concrete

2.7 微觀結構分析

將破壞后的0.75%鋼纖維+0.25%聚乙烯醇纖維混凝土試樣放入掃描電鏡(SEM)中觀察拍照，鋼纖維和聚乙烯醇纖維在基體內部的分布情況如圖8所示。從圖8(a)、(b)可知鋼纖維和聚乙烯醇纖維亂象分布在混凝土內部，且大量聚乙烯醇纖維分布于鋼纖維周圍。混凝土在破壞后，鋼纖維被拔出，在拔出的過程中消耗大量的能量，鋼纖維通過對宏觀裂縫的橋接對基體起到增強作用。從圖8(c)可知，混凝土破壞后，聚乙烯醇纖維被拉斷，且表面有劃痕。在裂縫發展早期，聚乙烯醇纖維承擔力大于鋼纖維，在拔出的過程中消耗能量，延緩裂縫的產生和擴展。從圖8(d)可知，聚乙烯醇纖維表面布有水化產物，證明聚乙烯醇纖維與基體之間有良好的粘結作用。從微觀角度分析，纖維表面的水化產物可增強與基體之間的化學粘結力和靜摩擦力，提高基體密實度，改善水泥石的微觀結構。兩種纖維混雜后在基體內部形成骨架，可在不同結構層次上抑制裂縫的出現和擴展。通過對掃描電鏡結果進行分析，混雜纖維在高強混凝土內部的結構證明了纖維對基體宏觀性能的改善。

圖8 混雜纖維混凝土斷裂面的SEM照片Fig.8 SEM images of fracture surface of hybrid fiber concrete

3 結 論

(1)在纖維總摻量一定時，纖維對高強混凝土工作性的影響程度為：聚乙烯醇纖維>鋼-聚乙烯醇混雜纖維>鋼纖維。混雜纖維配比下的混凝土能夠改善素混凝土的抗壓強度和抗折強度，強度主要來源于鋼纖維，但均低于鋼纖維混凝土，高于聚乙烯醇纖維混凝土。

(2)混雜纖維對高強混凝土收縮、早期開裂、氯離子滲透具有良好的抑制效果。與素混凝土相比，在混雜0.75%鋼纖維+0.25%聚乙烯醇纖維情況下，混凝土收縮率減小了34.7%，開裂面積降低了95.8%，且氯離子滲透系數降低了66.5%。

(3)混雜纖維對高強混凝土內部的改善情況與混凝土的宏觀力學性能相對應。

(4)鋼-聚乙烯醇纖維混雜后，不僅對高強混凝土的各項性能起到改善作用，同時降低了混凝土的自重及施工成本，最終推薦高強混凝土的混雜配比為0.75%的鋼纖維和0.25%的聚乙烯醇纖維。