纖維對機制砂混凝土性能的影響研究

柴松華

（運城職業技術大學建筑工程學院，山西 運城 044000）

在目前的建筑業中，混凝土用量逐年增加。在混凝土材料制備過程中，細骨料有兩種類型，即天然砂和機制砂。其中，天然砂是巖石風化后自然條件作用形成的；機制砂是以天然巖石為主要原料，經人工生產而成，石粉含量較高。機制砂廣泛用于交通、水利等多個行業。在機制砂中添加纖維成分，可提高材料的抗壓、抗拉強度，改善其結構性能，具有重要的研究意義。

1 機制砂概述

混凝土材料具有成本低廉、生產工藝簡易、工程適用范圍廣等優點，是目前工程用量較大的建材。混凝土制備過程中融合多種材料，包括粗細兩種骨料、水泥、礦物摻合料、外加劑等。機制砂是經天然巖石破碎、篩除等工藝生產出粒徑不超過4.75mm 的細小材料，其生產工藝比較完善，能夠達到工程材料的使用要求。石粉是不大于75μm 的細小顆粒，它是機制砂的關鍵成分，石粉的添加量會直接影響混凝土工程的質量。石粉能夠自主補充材料空隙，提高材料密實性。石粉用量應予以控制，以發揮其填補材料縫隙的作用。而摻雜各類纖維可有效改善混凝土性能，各類纖維的融合應參照具體材料配比方案，從多組摻雜方案中選出最佳的摻雜比例，以保證混凝土的性能和質量。研究中可選擇未添加纖維的方案作為對照參考，真實反饋纖維改性效果。現有研究中選擇多個石粉含量、多個養護周期、多組鋼纖維長度等，逐一進行機制砂改性研究，獲取參考性較高的實踐結果。為驗證纖維的改性效果，選擇鋼纖維、硫酸鈣晶須（c 類纖維）、聚丙烯纖維（p類纖維），設計多組纖維摻雜方案，選出最佳的纖維摻雜比例，以提高機制砂的改性質量。

2 鍍銅鋼纖維改性分析

2.1 試驗準備

（1）材料準備見表1。

表1 鍍銅鋼纖維改性試驗材料準備詳情

使用花崗巖進行機制砂制備，機制砂生產過程中的石粉粒徑不超過75μm，本試驗采用的機制砂中石粉比表面積為325m2/kg。

鍍銅鋼纖維共選擇3 種規格，纖維抗拉強度均大于2 850MPa。鍍銅鋼纖維的3 種規格見表2。

表2 鍍銅鋼纖維的試驗規格

（2）材料配比方案。鋼纖維添加量為2%、材料水膠比參數為0.18，共給出5 個配比方案：A 方案是8mm 鋼纖維、B 方案是13mm 鋼纖維、C 方案是20mm 鋼纖維、D 方案是“8mm+13mm”纖維各添加1%的量、E 方案是“13mm+20mm”纖維各添加1%的量。配比方案見表3。

表3 5 組鋼纖維添加的配比方案（單位：kg/m3）

其中，A、B、C 方案中添加的每種鋼纖維量為156kg/m3，D、E 方案中每種鋼纖維添加量均為78kg/m3。

2.2 試驗方法

（1）材料拌和。各種原材料、水按規定稱取質量后進行材料拌和處理。運行攪拌機處理硬質材料，攪拌至少1min。干拌處理完成后添加濕料，如水、減水劑等，濕拌5min。濕拌完成后添加鋼纖維，混拌2min，使鋼纖維與材料充分混合。

（2）材料性能試驗。制作多種規格的試件，長、寬均取值100mm，高度取值有3 種，分別為100mm、300mm 和400mm。試件制作完成后進行覆膜鎖溫，溫度環境設計為20℃，冷卻靜置24h拆除表面薄膜。去膜試件進行養護，環境溫度為20℃，養護時間為1 周和4 周。養護結束檢測試件性能。檢測過程參照《活性粉末混凝土》（GB/T 31387-2015）規范內容，準確測得試件性能。抗壓、抗折、彈性模量性能檢測期間，加載速率按照規范進行試驗。

2.3 試驗結果

（1）抗壓強度。按照表3 中5 個配比方案進行機制砂生產，配制混凝土，制成試件后進行1周和4 周兩個時段的抗壓強度檢測。檢測結果見表4。

表4 5 個鋼纖維添加機制砂中的試件抗壓檢測結果（單位：MPa）

由表4 抗壓檢測結果可知：A 方案的8mm 鋼纖維材料改性作用相對較小；B 方案、C 方案的檢測結果相近；E 方案各配了13mm、20mm 的1%鋼纖維量，抗壓效果最高。E 方案表現出較強的抗壓性能，原因在于兩種鋼纖維組合后，不規律分散至材料成分中，當試件有形變情況時，兩種鋼纖維均會產生一定的拉結約束效應，由此增強了試件抗壓性能。

（2）抗折強度。5 個鋼纖維配比方案的抗折檢測結果見表5。

表5 5 個鋼纖維添加機制砂中的試件抗折檢測結果（單位：MPa）

由表5 試件抗折性檢測結果可知：在機制砂中添加8mm 鋼纖維，對材料改性作用不大，與抗壓檢測結果相近；B、C 方案的試驗結果相差不大，D 方案中有8mm 鋼纖維，檢測結果相比B、C 方案略低；13mm、20mm 各1%的E 方案，試驗獲得的試件抗折能力最強。13mm 鋼纖維的混合使用使構件能夠減少細小裂縫的形成數量。如果裂縫寬度較大，13mm 鋼纖維的改性作用會變弱，此時20mm 鋼纖維表現出較強的錨固、橋接能力，可積極遏制較大裂縫的形成。為此，13mm與20mm 各取1%的配比方案能夠切實改變試件抗裂能力，表現出較強的抗折性能。

（3）彈性模量。假設彈性模量為e，各組鋼纖維配比方案的彈性模量試驗結果為：Ae=39.7GPa、Be=43.4GPa、Ce=44.1GPa、De=41.7GPa、Ee=46.5GPa。由彈性模量檢測結果發現：5 組檢測結果的變化趨勢與抗壓、抗拉結果相近；8mm 鋼纖維用于改變試件彈性模量的作用不大，A 組、D 組方案的檢測結果略低；13mm、20mm 兩種鋼纖維用于提高試件彈性模量的作用相近；13mm 與20mm 兩種鋼纖維各取1%的E 方案表現出較強的試件彈性模量改性效果，使彈性模量檢測結果達到46.5GPa。由此說明：E 方案中使用兩種較長鋼纖維的組合能夠增強試件受力的轉移能力，具有加筋補強的改性效果，切實降低了試件發生形變的可能性。

3 石粉纖維改性分析

3.1 材料準備

各項材料配比方案與鋼纖維試驗一致，具體參考表3。重配機制砂的加工方案共選擇3 組機制砂類型：石粉含量f 為10%、f=15%和f=20%。石粉就地取材，材料堆積密度為1 380kg/m3、表觀密度為2 560kg/m3。

摻入的硫酸鈣晶須纖維性能參數見表6。

表6 硫酸鈣晶須纖維性能參數

摻入的聚丙烯纖維性能參數見表7。

表7 聚丙烯纖維性能參數

3.2 試驗方法

（1）纖維摻雜方案。共測6 組試件，每組養護周期為1 周和4 周。試件各邊長均為70.7mm。機制砂中的石粉含量有3 種類型：10%、15%和20%，分別添加2 種纖維，每種纖維有2 種摻量。假設硫酸鈣晶須纖維為c 類纖維、聚丙烯纖維為p 類纖維，共有12 組纖維摻雜方案，見表8。

表8 12 組纖維摻雜方案

（2）抗壓試驗。參照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》（JGJ/T 70-2009）的要求進行試件制備與后期養護，在試件表層使用黃油，將拌和完成的砂漿裝入試件。待水干去除表層砂漿，表面整平。將處理完成的試件放在溫度為20℃的實驗室中靜待24h。靜置完成，設計養護室濕度不小于90%，進行試件養護。試驗檢測時，清除試件表層雜物，在試驗機內放置試件，使試件受力面、成型頂面處于相互垂直狀態。向試件施加荷載作用，應保持作用持續、荷載增加均勻，增加荷載量介于每秒0.25～1.5kN 之間。如果試件出現形變、裂縫等問題時，記錄試件破壞時的荷載值。

3.3 試驗結果

表8 中石粉含量為10%的4 組纖維摻雜方案檢測結果：1 周時，4 組方案的強度檢測結果處于35.10～39.12MPa 之間，其中強度最佳的是方案一；4 周時，4 組方案的檢測結果介于50.01～54.78MPa之間，強度最高的是方案一組試件。經檢測發現：養護4 周后，c 纖維5kg/m3摻雜方案的試件抗壓能力最強；未添加纖維的A、B、C 組方案的抗壓性能均小于12 組纖維摻雜的試件。當添加纖維后，混凝土材料內部構建出纖維體系，能夠與骨料相互支撐，創建試件內部的力量支撐體系，提高材料之間的粘結效果，使水泥與骨料處于高強度結合狀態。

15% 石粉含量的試件性能分析：養護1 周后，方案五至方案八的試件抗壓能力介于32.03～36.55MPa，其中性能最高的是方案五；養護4 周后，4 組方案試件抗壓能力處于52.21～55.13MPa 之間，性能表現最優的是方案五。由此發現：c 類與p 類兩種纖維添加在機制砂中形成的改性作用具有差異性，c 類纖維對15%石粉含量的砂漿具有較強的改性能力；養護4 周后，c 類纖維5kg/m3摻雜量的試件性能最佳，說明石粉含量的增加使砂漿組成發生變化，但c 類纖維的改性效果依然明顯。

20%石粉含量的纖維摻雜試件性能分析：養護1 周時，方案九至方案十二的各組試件抗壓能力介于37.41～39.48MPa 之間，其中性能最佳的是方案十二；養護4 周時，4 組試件抗壓表現處于46.42～52.03MPa 之間，其中性能最佳的是方案九。由此發現：養護1 周內，p 類纖維的改性作用略高于c 類纖維；養護4 周時，c 類纖維表現出較強的改性效果，而p 類纖維在試件養護4 周后改性效果不如c 類。由此說明：c 類纖維可改善石粉20%含量的砂漿性能，p 類纖維用于石粉20%含量的砂漿中，僅能在早期使用有改性效果，達到4 周養護時間后，p 纖維的改性效果不理想。產生此種改性結果的主要原因是石粉含量增加至20%后，砂漿內部的流動性有所減弱。p 類纖維添加后無法與水相互融合，間接增加了惰性材料的使用范圍，降低了新拌砂漿的活躍性，削弱了材料拌和效果，此時，砂漿內部強度凝聚質量欠佳，無法保證砂漿強度。c 類纖維在石粉含量20%的情況下，表現出較強的改性功能，此試驗結果與石粉摻量10%、15%時的方案檢測結果一致，證實了c 類纖維用于石粉改性的積極作用。

整理12 組方案的性能均值，綜合對比各組纖維的摻雜效果，試驗數據見表9。

表9 各組纖維的摻雜效果（單位：MPa）

由表9 整理數據可知：假設抗壓性為Q，未摻雜纖維時，石粉含量的性能表現是Q15%＞Q10%＞Q20%。機制砂生產期間，石粉是比較關鍵的材料，有助于優化骨料級配，具有材料填充功能。然而，石粉使用量較大時，會相應增加骨料面積，使更多水泥漿體處于包覆狀態，如果水泥漿體數量不充足，會降低砂漿強度。較高的石粉含量會減慢砂漿流動性，使其形成黏滯效應，無法保證漿體拌和的均勻性，難以保證砂漿性能。

試驗發現：相比p 類纖維，c 類纖維添加在石粉中更具改性作用。此種改性結果說明：c 類纖維具有較高的強度，添加在石粉中可改善砂漿整體性能；添加量5kg/m3相比10kg/m3的改性作用更強，說明使用c 類纖維時需選擇最佳摻量。如果c 類纖維摻雜量較高，會相應增加砂漿內部的惰性材料范圍，由此形成較大的水泥漿體需求。

試驗結果顯示：c 類纖維改性的各組抗壓參數均大于未添加纖維的性能數據，說明在石粉中添加c 類纖維可有效增強機制砂性能。參照試驗結果，合理給出石粉含量的最大值15%，相應設定c 類纖維添加量的最佳值為5kg/m3，以此完善機制砂的生產體系。

4 結語

綜上所述，經過各組鋼纖維、c 類與p 類兩種纖維用于石粉改性的試驗，能夠證實纖維具有增強機制砂性能的作用。在實踐中需進行多組對比試驗，針對各類纖維材料選出最佳的摻雜方案，以提高機制砂的改性效果。試驗中，鋼纖維的最佳摻雜方案是：13mm、20mm 各取1%；石粉改性的最佳方案是：石粉含量最大值應不超過15%，選擇c 類纖維，添加量為5kg/m3。