纖維對超高性能混凝土力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)影響研究

曾旺 顧連勝 陳松靖 梁炯豐

摘 要：將玄武巖纖維、玻璃纖維和聚丙烯纖維按照不同摻量（0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%）分別摻入水膠比為0.18的超高性能混凝土（ultra high performance concrete，UHPC）中，研究不同纖維和摻量對UHPC抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響。優(yōu)選出單摻玄武巖纖維、玻璃纖維以及聚丙烯纖維力學(xué)性能最佳的摻量；測定玄武巖纖維、玻璃纖維以及聚丙烯纖維最佳摻量下UHPC孔隙結(jié)構(gòu)，并通過SEM表征其微觀結(jié)構(gòu)，探究不同種類纖維對UHPC力學(xué)性能影響的機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明，玄武巖纖維和玻璃纖維摻量為0.4%，聚丙烯纖維摻量為0.2%時，UHPC基本力學(xué)性能達(dá)到最優(yōu)。壓汞試驗(yàn)結(jié)果表明，纖維的摻入能夠有效降低孔隙及裂縫的數(shù)量，提高無害孔和少害孔的數(shù)量，并細(xì)化大孔徑促使有害孔和多害孔往少害孔和無害孔轉(zhuǎn)變。SEM試驗(yàn)結(jié)果顯示：纖維的加入能夠減少裂縫和細(xì)化孔徑，使試件內(nèi)部更加致密；同時均勻分布的纖維在試件內(nèi)部構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)承受荷載時，纖維對荷載進(jìn)行分散，使得裂縫發(fā)展需要消耗更多的能量。

關(guān)鍵詞：超高性能混凝土（UHPC）；纖維；玄武巖機(jī)制砂；力學(xué)性能；孔隙；微觀結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TU528.58 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2023.01.004

0 引言

隨著社會的發(fā)展以及人們對于節(jié)能環(huán)保觀念的愈加重視，對于耗能巨大的建筑行業(yè)要想實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，關(guān)鍵是尋找一種更具有節(jié)能環(huán)保和可持續(xù)性的新型材料，而超高性能混凝土（ultra high performance concrete，UHPC）是目前混凝土發(fā)展中較為先進(jìn)的水泥基材料之一，其具有優(yōu)異的力學(xué)性能（如抗壓強(qiáng)度、抗折和抗沖擊性能等）和耐久性能，使其成為最有希望替代傳統(tǒng)普通混凝土的材料之一[1-6]。通常UHPC配合比設(shè)計中水灰比很低，需配合高效減水劑，同時采用級配良好的石英砂作為細(xì)骨料，摻入纖維形成骨架結(jié)構(gòu)，制備出內(nèi)部致密的結(jié)構(gòu)，在有條件的情況下進(jìn)行熱養(yǎng)護(hù)使得混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為密實(shí)，縮短養(yǎng)護(hù)時間，提高UHPC的力學(xué)性能[7-9]。

纖維摻入混凝土基材中能夠形成三維網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠阻礙裂縫擴(kuò)展[10]。根據(jù)纖維間距理論，纖維平均中心間距越小對裂縫阻礙效果越好[11]。因此，對于不同種類纖維和不同尺寸規(guī)格的纖維增強(qiáng)混凝土基體的研究，成為了許多研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。Al-Osta等[12]對直線型鋼纖維和端勾型鋼纖維進(jìn)行混摻后加入UHPC中，結(jié)果表明端勾型鋼纖維能夠有效提升彈性模量和折壓強(qiáng)度。吉云鵬等[13]將鋼纖維摻入再生混凝土中研究損傷演化的機(jī)理，結(jié)果表明鋼纖維能夠有效控制裂縫的形成。Zhang等[14]研究聚乙烯纖維的不同體積摻入率與纖維長度對抗沖擊性能，研究結(jié)果表明減少聚乙烯纖維摻量或纖維長度會削弱抗沖擊性能。

目前，UHPC纖維的研究主要集中在纖維種類、形狀和混雜纖維多變量下配合比的設(shè)計、基本力學(xué)性能和耐久性能等方面，但纖維對UHPC微觀結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度影響分析方面的研究不夠深入。本文采用玄武巖纖維、玻璃纖維和聚丙烯纖維摻入UHPC中，其中纖維體積摻入率為0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%，細(xì)集料采用玄武巖機(jī)制砂，通過MIP和SEM結(jié)合基本力學(xué)性能來探究UHPC微觀結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度之間的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥：來自諸城市楊春水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 52.5級硅酸鹽水泥，主要的技術(shù)指標(biāo)和化學(xué)成分分別見表1和表2。

礦物摻合料：礦物摻合料分別為Ⅱ級粉煤灰（粒徑為20.3 μm）和水淬高爐石粉（S105），均來自鞏義市龍澤凈水材料有限公司，其主要化學(xué)成分組成見表3。

細(xì)集料：選用來自石家莊德澤礦產(chǎn)品有限公司生產(chǎn)的水洗玄武巖機(jī)制砂，物理指標(biāo)見表4。

纖維：玄武巖纖維、玻璃纖維和聚丙烯纖維均購自長沙正德建材科技有限公司，各纖維物理參數(shù)見表5。

減水劑：采用德國巴斯夫聚羧酸減水劑2651F（聚羧酸減水劑）。

水：普通自來水。

1.2 配合比設(shè)計

本文所制備的UHPC由水泥、礦物摻合料、細(xì)集料、纖維、減水劑和水?dāng)嚢瓒桑渲胁话止橇稀８鶕?jù)文獻(xiàn)[15-18]中的UHPC配合比設(shè)計，在已確定粉煤灰和水淬高爐石粉等比例雙摻占膠凝材料總量的30%的配合比下，再按此比例分別單摻入不同纖維對照。所選取纖維分別為玄武巖纖維、玻璃纖維和聚丙烯纖維，纖維摻入體積率為0.2%、0.4%、0.6%和0.8%，該UHPC配合比見表6。

1.3 試件制備及養(yǎng)護(hù)

UHPC試件制備采用臥式砂漿攪拌機(jī)（45 rad/min）單軸攪拌進(jìn)行配制。為了使得各纖維能夠充分分布于UHPC基體中，故采取UHPC拌合的順序?yàn)椋簩⒎Q取好的膠凝材料干拌120 s，加入稱量的3/4水和減水劑，攪拌240 s，然后用手將纖維進(jìn)行分散均勻加入，最后將剩余1/4的水加入，并攪拌540 s。

將攪拌好的UHPC在400 mm×400 mm×160 mm試模中進(jìn)行一次澆筑，再放入振動臺振搗10 s。當(dāng)試件振搗密實(shí)完成后，用塑料膜進(jìn)行覆蓋，室溫下放置24 h后進(jìn)行拆模，然后將其移至水中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)至56 d后進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，并將試件破碎，取破碎塊進(jìn)行MIP和SEM試驗(yàn)。

1.4 試驗(yàn)方法

按照我國《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》（GB/T 17671—1999）[19]測定試件基本力學(xué)強(qiáng)度，綜合評價其力學(xué)性能。

在UHCP試件制備的過程中，將混合料裝載進(jìn)10 mm×10 mm×10 mm的試模中，待到規(guī)定齡期進(jìn)行壓汞試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中將汞壓入試件的孔隙中，根據(jù)進(jìn)汞量和退汞量，測定出試件內(nèi)部孔徑的范圍分布。

當(dāng)UHPC試件達(dá)到齡期時，將試件破碎，取長度為5 ～ 8 mm的碎塊，采用蔡司Sigma300掃描電鏡觀察水化產(chǎn)物的形態(tài)和界面過渡區(qū)。從而從微觀角度上解釋UHPC的高度致密特性來反映UHPC優(yōu)異的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 纖維對基本力學(xué)性能影響

對試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析可知，Ref組因未摻入纖維，基體破壞呈現(xiàn)脆性現(xiàn)象，當(dāng)基體開裂后，裂縫之間快速連接和貫通。然而，加入適當(dāng)摻量纖維后，纖維與基體之間相互膠結(jié)在一起共同承受荷載，使得UHPC基體開裂后仍有部分纖維連接開裂界面承擔(dān)荷載。圖1為纖維種類和摻量對UHPC基本力學(xué)性能影響圖。由圖1可知，玄武巖纖維、玻璃纖維和聚丙烯纖維均隨著摻量的不斷增大，力學(xué)性能呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，玄武巖纖維和玻璃纖維在摻量為0.4%時力學(xué)性能最優(yōu)，而聚丙烯纖維在摻量為0.2%時力學(xué)性能最優(yōu)。從各纖維摻量上看，纖維摻量為0.2% ～ 0.6%，抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度較Ref組均有所提高，但當(dāng)纖維摻量達(dá)到0.8%時，由于玄武巖纖維、玻璃纖維和聚丙烯纖維特性的不同，對抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的影響情況又有所差異。

從不同纖維摻量的結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，在適當(dāng)摻量下，纖維均勻分布，在混凝土中形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并降低了因混凝土早期塑性干縮所產(chǎn)生微裂縫的數(shù)量，進(jìn)而提高混凝土的力學(xué)性能。但當(dāng)過多纖維摻入試件中，纖維的比表面積增大，水泥基材不能夠很好地將纖維包裹住。過量纖維摻入導(dǎo)致纖維上載有大量空氣帶入水泥基材中，使得試件內(nèi)部孔隙含量增多，此外還存在纖維結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，使得試件致密程度又進(jìn)一步下降。玄武巖纖維、玻璃纖維和聚丙烯纖維在摻量過量的情況下，因自身特性對抗壓、抗折性能表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)：玄武巖纖維因混凝土水化內(nèi)部的堿性環(huán)境，易造成纖維產(chǎn)生斷裂損傷，以致降低纖維的圍束效果，出現(xiàn)BF0.8抗折強(qiáng)度低于Ref組的情況，但過多玄武巖纖維摻入表面會吸附更多水分，提高試件的水化反應(yīng)程度，抗壓強(qiáng)度高；玻璃纖維因長度過長在混凝土攪拌過程中易彎折結(jié)團(tuán)，導(dǎo)致孔隙率增大，抗壓強(qiáng)度降低，但耐堿的玻璃纖維仍能保持較好的嵌固能力，抗折強(qiáng)度大于Ref組；聚丙烯纖維分散性較好，結(jié)團(tuán)程度不高，但聚丙烯纖維具有憎水性的特點(diǎn)，使得聚丙烯纖維與水泥基材結(jié)合處孔隙多，聚丙烯纖維摻量增多，孔隙率增大，造成PF0.8抗壓強(qiáng)度低于Ref組。

2.2 纖維對孔隙結(jié)構(gòu)影響

選取了BF0.4、GF0.4、PF0.2以及Ref（對照組）4組試件進(jìn)行壓汞試驗(yàn)，通過微觀結(jié)構(gòu)來分析各組最優(yōu)纖維摻量下孔隙分布情況和數(shù)量對力學(xué)性能的影響。

摻入纖維后UHPC孔徑分布見圖2，孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)見表7。

圖2（a）為BF0.4、GF0.4、PF0.2和Ref的孔徑分布積分曲線圖，最左側(cè)的起始點(diǎn)表示該試件的總孔隙體積。由圖2（a）可知，當(dāng)纖維摻入水泥基材中，總體孔隙降低，各纖維之間的孔隙率大小依次為：GF0.4＞PF0.2＞BF0.4。由表7和圖2（b）可知，4組混凝土試件的最可幾孔徑尺寸均＜50 nm，隨著纖維摻入，最可幾孔徑均向左偏移，有害孔和多害孔數(shù)量減少，并轉(zhuǎn)化為無害孔和少害孔，該現(xiàn)象表明纖維的摻入對混凝土內(nèi)部孔隙有細(xì)化的作用，有效地限制有害孔的生成，并降低有害孔向多害孔轉(zhuǎn)化。以Ref為基點(diǎn)，BF0.4孔隙率降低了36.52%，有害孔和多害孔比例分別降低了56.05%和23.51%；GF0.4孔隙率降低了15.29%，有害孔和多害孔比例分別降低了42.22%和1.72%；PF0.2孔隙率降低了27.43%，有害孔和多害孔比例分別降低了51.99%和12.20%。

玄武巖纖維和玻璃纖維為親水性材料，將這兩種纖維摻入混凝土中，提高了玄武巖纖維和玻璃纖維周圍的水膠比。因此，玄武巖纖維和玻璃纖維與水泥基材結(jié)合能力強(qiáng)，但玻璃纖維較長，在攪拌過程中易造成纖維結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，對孔隙率的降低有限。聚丙烯纖維為疏水性材料，當(dāng)該纖維摻入水泥基材中排斥水分，并且該纖維外表光滑，降低了水化產(chǎn)物依附于纖維之上形成較大的黏結(jié)強(qiáng)度的可能性。綜上所述，BF0.4、GF0.4、PF0.2的總孔隙率和孔徑分布情況均優(yōu)于Ref，這說明了玄武巖纖維、玻璃纖維和聚丙烯纖維在適當(dāng)?shù)膿搅肯绿嵘嗽嚰?nèi)部致密性，并在不同程度上抑制了混凝土裂縫和減少混凝土基體中大孔徑的含量。

2.3 SEM電鏡掃描結(jié)構(gòu)分析

隨著纖維摻入UHPC中，UHPC力學(xué)性能得到了提升，而纖維通過自身材料特性改善了UHPC基材內(nèi)部結(jié)構(gòu)及荷載傳導(dǎo)機(jī)制，僅從MIP壓汞試驗(yàn)角度分析仍不充分，因此采用掃描電子顯微鏡（SEM）對混凝土基體的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。該試驗(yàn)所選取的試件為BF0.4、GF0.4、PF0.2以及Ref 4組，待齡期達(dá)到56 d，將試件取出，并破碎取樣。從SEM掃描可發(fā)現(xiàn)，主要的水化產(chǎn)物為水化硅酸鈣凝膠（C—S—H）與氫氧化鈣晶體（CH），水化產(chǎn)物越多反應(yīng)越充分，說明混凝土與各種材料結(jié)合更加密實(shí)。

圖3為Ref、BF0.4、GF0.4和PF0.2微觀形貌圖。圖3中，通過對比10 000倍與1 000倍下SEM掃描情況來反映各組間微觀形貌圖。由圖3（a）和圖3（b）可見，Ref整體性較好，結(jié)構(gòu)致密，無明顯孔洞，但出現(xiàn)寬度較大且長度較長的裂縫，如虛線所示。由圖3（c）和圖3（d）可見，玄武巖纖維與UHPC基體結(jié)合處無明顯裂縫和孔洞，結(jié)構(gòu)致密。由圖3（e）和圖3（f）可見，玻璃纖維與UHPC基體結(jié)合處存在較大裂縫，在1 000倍下可觀測到裂縫數(shù)量增多，無明顯孔隙。圖3（g）中，聚丙烯纖維與UHPC基體結(jié)合處有較大的裂縫，表面無附著的水化產(chǎn)物。圖3（h）中PF0.2在放大倍數(shù)為1 000倍時無明顯孔洞，但存在裂縫，裂縫寬度比GF0.4更小。

由于玄武巖纖維與水泥基材有很好的相容性，能夠在混凝土基體中均勻分布，形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)架，阻止因收縮所產(chǎn)生的細(xì)微裂縫生成和貫通裂縫的發(fā)展。玻璃纖維具有親水性，在攪拌制備試件的過程中吸收水分，使得周圍水化產(chǎn)物豐富，但由于長度比其他2種纖維長，玻璃纖維的分散性沒有玄武巖纖維和聚丙烯纖維的好，對細(xì)微孔隙和裂縫的降低有限。聚丙烯纖維存在憎水性和表面光滑的特點(diǎn)，該纖維與水泥漿體的握裹性差，在界面交界處黏結(jié)薄弱，但聚丙烯纖維尺寸小，分散性要優(yōu)于玄武巖纖維和玻璃纖維。

3 結(jié)論

1）各纖維彈性模量、纖維尺寸以及纖維間距等不同，對抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度影響也不同。玄武巖纖維和玻璃纖維單摻摻量為0.4%、聚丙烯纖維單摻摻量為0.2%時，對UHPC力學(xué)性能增強(qiáng)效果最為明顯。玄武巖纖維具有親水性和高彈性模量的特點(diǎn)，在均勻分布的條件下能夠較好地改善試件內(nèi)部孔隙，使得抗壓強(qiáng)度提升較為明顯；玻璃纖維有著與玄武巖纖維相似的特點(diǎn)，但玻璃纖維長度較長且分散性較差，使得抗壓強(qiáng)度提升不大，但抗折強(qiáng)度提升較為明顯；聚丙烯纖維具有較好的分散性，纖維間距小，抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度均有提高。

2）單摻摻量為0.4%的玄武巖纖維、玻璃纖維以及單摻摻量為0.2%的聚丙烯纖維摻入UHPC中，各纖維能夠分布均勻并形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，降低界面過渡區(qū)的水膠比，并提高界面過渡區(qū)的穩(wěn)定性，彌補(bǔ)了混凝土的缺陷，降低孔隙率。

3）微觀結(jié)構(gòu)物象也印證了MIP結(jié)果：適當(dāng)摻量的纖維摻入UHPC中，能夠均勻分布在UHPC基體中，從而改善UHPC微觀結(jié)構(gòu)，降低孔洞數(shù)量和裂縫寬度。不同纖維對微觀結(jié)構(gòu)改善能力不同，因聚丙烯纖維具有疏水性，使得聚丙烯纖維與水泥基材結(jié)合程度不高。

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Effect of fiber on mechanical properties and microstructure of

ultra high performance concrete

ZENG Wang， GU Liansheng， CHEN Songjing*， LIANG Jiongfeng

（School of Civil Engineering and Architecture， East China University of Technology， Nanchang 330013， China）

Abstract： Basalt fiber， glass fiber and polypropylene fiber were individually blended into ultra high performance concrete（UHPC）with water-cement ratio of 0.18 at different blending rates（0， 0.2%， 0.4%， 0.6% and 0.8%）. The effects of different fibers and blending rates on the compressive and flexural strength of UHPC were studied. The optimal dosage of single basalt fiber， glass fiber and polypropylene fiber for mechanical properties was selected， and the pore structure of UHPC was determined under the optimum dosage of basalt fiber， glass fiber and polypropylene fiber， and the microstructure of UHPC was characterized by SEM to investigate the mechanism of the effect of different types of fibers on the mechanical properties of UHPC. The test results showed that the basic mechanical properties of UHPC were optimized at 0.4% of basalt and glass fibers and 0.2% of polypropylene fibers. The results of the mercury intrusion test showed that the addition of fiber could effectively reduce pores and cracks， increase the number of harmless pores and less harmful pores， and refine the large pore size to promote the transformation of harmful pores and more harmful pores to less harmful pores and harmless pores. The SEM test results showed that the addition of fibers could reduce the cracks and refine the pore size to make the specimen more compact， and the uniformly distributed fibers form a mesh structure inside the specimen， which made the fibers disperse the load when it was loaded. The fibers dispersed the load， making the crack development require more energy consumption.

Key words： ultra high performance concrete （UHPC）; fiber;basaltic manufactured sand; mechanical properties; pore space; microstructure

（責(zé)任編輯：羅小芬）