混雜纖維對輕骨料混凝土強度和抗凍性能的影響★

梁家瑋 劉勝兵* 王 豪 周揚揚

(武漢工程大學土木工程與建筑學院，湖北武漢 430073)

0 引言

輕骨料混凝土作為一種自重輕、保溫性能好、抗震性能強的新型建筑材料，近些年來被廣泛使用［1］。混凝土的耐久性問題一直是學術界的研究熱點，實際工程中的混凝土耐久性問題是一個在荷載與環境雙重和多重破壞因素作用下的混凝土損傷劣化過程［2］。在混凝土中摻入一定量的纖維，使得混凝土基體的性能在某一層次起到一定的改善作用，國內外有研究表明［3，4］:在混凝土中摻入聚丙烯纖維能夠抑制混凝土的早期塑性開裂，有效控制裂縫的擴展，最終改善混凝土的力學性能和耐久性能。混雜纖維混凝土則將不同品種的纖維或不同作用的纖維按一定比例混雜摻入混凝土中，從而使混凝土性能在多層次上得到改善。大量試驗表明［5-9］，混雜纖維混凝土能有效提高混凝土的抗裂和阻裂能力，比單一纖維效果更好。作者將鋼—聚丙烯混雜纖維摻入輕骨料混凝土，試圖通過“正混雜效應”來提高輕骨料混凝土的抗壓強度，改善輕骨料混凝土的耐久性能，為我國在實際工程中推廣應用混雜纖維增強輕骨料混凝土提供更多的理論參考和試驗基礎。

關于混雜纖維輕骨料混凝土，姜猛等［10］進行了塑鋼—聚丙烯混雜纖維輕骨料混凝土沖擊壓縮試驗，得出在低壓沖擊下，塑鋼—聚丙烯混雜纖維輕骨料混凝土具備多次承受沖擊的能力;蔣思晨等［11］進行了CF-PF混雜纖維輕骨料混凝土抗凍性能試驗，結果表明:碳纖維與聚丙烯纖維相互混雜可以產生互補效應，對輕骨料混凝土的抗凍性能有一定的提高作用;董喜平等［12］進行了玻璃纖維和聚丙烯纖維單一摻入和混合摻入對輕骨料混凝土力學性能的影響，混雜纖維輕骨料混凝土較基準混凝土抗壓強度有所提高;藍紹衡［13］對玄武巖纖維和聚丙烯纖維混雜纖維輕骨料混凝土進行了抗壓試驗和凍融循環破壞試驗，適量的混雜纖維對基體的力學性能和抗凍耐久性能有一定提升。本文旨在通過全面試驗，分析鋼—聚丙烯混雜纖維對輕骨料混凝土立方體抗壓強度和耐久性能的影響，得到混雜纖維較優摻量，同時對纖維的混雜效應進行分析。

1 試驗

采用全面試驗法，試驗中選取聚丙烯纖維和鋼纖維的不同體積率作為影響因素。參照國家試驗方法的標準，按照不同的纖維體積率設計了9組鋼—聚丙烯混雜纖維輕骨料混凝土，3組聚丙烯纖維輕骨料混凝土，3組鋼纖維輕骨料混凝土和1組普通輕骨料混凝土對比試件，各組纖維輕骨料混凝土均采用相同的混凝土基準配合比，盡量避免由于原材料性能的差異使試驗結果產生離散性。

1.1 材料選用和技術性能

1)水泥:本試驗選用武漢華新水泥廠生產的P.O32.5級普通硅酸鹽水泥。

2)粗骨料:寶珠陶粒開發有限公司生產的高強頁巖陶粒，碎石型，粒徑不大于20 mm。

3)細骨料:武漢天然河砂，中砂，沙子細度模數2.54，含泥量1.9%，粒徑不大于5 mm。

4)水:本試驗所用水為武漢市自來水，用水符合《混凝土用水標準》。

5)鋼纖維:為武漢新途工程纖維制造有限公司生產的波紋型鋼纖維，其基本性能見表1。

6)聚丙烯纖維:為廊坊德凱保溫材料有限公司提供的聚丙烯纖維，其基本性能見表2。

表1 鋼纖維基本性能參數指標

表2 聚丙烯纖維基本性能參數指標

1.2 配合比

試驗設計輕骨料混凝土的強度等級為LC30，采用松散體積法［14，15］進行輕骨料混凝土的配合比計算，并根據《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》［16］和《輕骨料混凝土技術及應用》［17］初步設計出輕骨料混凝土的配合比，最后的基準混凝土配合比見表3。

表3 輕骨料混凝土配合比設計

1.3 試驗方法

表4 立方體混凝土抗壓強度試驗結果

試驗采用立方體試件(100 mm×100 mm×100 mm)，每一組均采用3個試件。攪拌方式為先干拌后濕拌，經28 d養護齡期后在200 t壓力試驗機上進行立方體抗壓強度試驗以及在凍融機上進行抗凍融耐久性試驗。

2 試驗結果及分析

2.1 立方體抗壓強度試驗結果分析

立方體抗壓強度試驗結果如表4所示。

立方體抗壓試驗結果柱狀圖如圖1所示。纖維體積率與立方體抗壓強度的關系如圖2所示。

圖1 立方體抗壓試驗結果柱狀圖

圖2 纖維體積率與立方體抗壓強度的關系

由圖1可以看出，C30基體強度下纖維混凝土的抗壓強度受混雜方式和纖維總摻量影響較大，并且隨著聚丙烯纖維和鋼纖維總摻量的提高，混凝土的抗壓強度有增長的趨勢。輕骨料混凝土的纖維體積率在一定范圍內可以提高混凝土立方體的抗壓強度，而超過該范圍抗壓強度則會降低，說明摻入纖維的體積率在合適的范圍內會對抗壓強度有提高作用。摻入一定量聚丙烯纖維和鋼纖維的輕骨料混凝土可能會出現抗壓強度提高和降低兩種情況，說明高彈模的鋼纖維和低彈模的聚丙烯纖維存在正負兩種混雜效應。

表5 50次凍融循環次數下混凝土的強度損失數據

由圖2結果得出，單摻聚丙烯纖維均不同程度地提高了混凝土立方體抗壓強度，其中單摻聚丙烯纖維體積率為0.06%時效果最好;單摻鋼纖維與混雜纖維系列大部分都對混凝土立方體抗壓強度有所增強。PPSC1對混凝土的增強作用最有效，與普通混凝土相比，抗壓強度提高了11%，PPSC4和PPSC7兩種混雜方式也產生了明顯的正混雜效應。PC1和SC3的抗壓強度相比普通混凝土分別降低了3.58%和1.53%，在試驗誤差范圍內。可以看出，在相同鋼纖維體積率下，隨著聚丙烯體積率的提高會導致抗壓強度下降，原因是不同的纖維體積率會產生正負兩種不同的混雜效應。

2.2 立方體抗凍融循環試驗結果分析

50次凍融循環次數下混凝土的強度損失試驗結果如表5所示。

立方體抗凍融循環試驗結果柱狀圖見圖3，纖維體積率與立方體強度損失率的關系如圖4所示。

圖3 立方體抗凍融循環試驗結果柱狀圖

圖4 纖維體積率與立方體強度損失率的關系

本實驗采用慢凍法。結合圖3，圖4可以看出，除了體積率為0.18%的聚丙烯纖維PPC3外，其余各組混凝土基體的強度損失率與普通混凝土相比均有不同程度降低，混雜纖維對混凝土基體的強度損失率均有不同程度影響，其中PPSC3降低強度損失率的效果尤為明顯，與普通混凝土相比降低了77.13%，可見在混凝土基體中摻入混雜纖維可以有效降低混凝土基體的強度損失率。

由試驗結果可知，摻入纖維的混凝土經過50次凍融循環后的強度損失率均有不同程度的改善。混凝土的50次抗凍融循環試驗后的強度損失率越小，說明混凝土抗凍性能越好。由圖4可知，鋼纖維體積率為0.6%時均比其他各組的強度損失率要低，鋼纖維體積率為0和1.8%的各組強度損失率較高，說明添加適量的鋼纖維會改善輕骨料混凝土的抗凍性能。由圖3可知，隨著單摻聚丙烯纖維和鋼纖維的體積率增大，混凝土的強度損失率均有上升趨勢，其中PC1和SC1表現較好，混凝土損失率較普通混凝土分別降低了48.09%和54.83%。在混雜纖維中，表現最出色的是PPSC1～PPSC3，此時鋼纖維體積率為0.6%，聚丙烯纖維體積率為0.06% ～0.18%，表現較差的是纖維體積率較高的PPSC7和PPSC8。可以看出當混雜纖維體積率繼續增加時，混凝土強度損失率幅度減少，說明纖維體積率有合適的范圍，超過一定范圍會產生負混雜效應，使混凝土抗凍融能力減弱，從而降低其耐久性。

3 結語

1)鋼纖維體積率在0.6% ～1.8%之間，聚丙烯纖維體積率在0.06%時，混雜纖維對輕骨料混凝土立方體抗壓強度影響最大。

2)鋼纖維體積率在0.6% ～1.2%之間，聚丙烯纖維體積率在0.06% ～0.18%之間，混雜纖維輕骨料立方體抗凍融循環能力最強。

3)加入體積率為0.6%的鋼纖維和體積率為0.06%聚丙烯纖維混雜時，對輕骨料混凝土抗壓強度和耐久性能增強效果最顯著。

4)鋼纖維和聚丙烯纖維的摻入對輕骨料混凝土的力學性能和耐久性能均有一定影響，適量的混雜纖維可以發揮“正混雜效應”改善輕骨料混凝土的性能。