玻璃纖維摻量對混凝土流動性及力學性能的影響

樂東釗， 姜久紅， 文 韜， 王云飛

(湖北工業大學土木建筑與環境學院， 湖北 武漢 430068)

中國交通運輸部在2015年發布的《交通運輸行業發展統計公報》，我國境內的公路總里程達到了457.7公里，公路總密度提高到 47.68 公里/百平方公里，已經遠遠超過了世界上大多數的國家。由于水泥混凝土與瀝青混凝土相比擁有較高的承載力、較長的使用時間等優點[1]，常常被運用于道路橋梁工程中。但普通水泥混凝土抗彎以及抗裂性能較差，且養護與修復難度極大，所以許多國內外學者嘗試在水泥混凝土中添加纖維材料來改善水泥混凝土的各方面性能。鄧宗才[2]等研究發現當混凝土中加入玻璃纖維后能夠明顯增強其抗彎沖擊性能，提高混凝土的耐久性；李永靖[3]等經過大量試驗發現，加入一定量的玻璃纖維后，水泥混凝土的抗折以及劈拉強度顯著提升，但對抗壓強度的提升并不十分明顯；沈武[4]等經研究發現，耐堿玻璃纖維對水泥混凝土的抗折以及劈拉強度有很明顯的提高，同時提高了混凝土的韌性；劉亞飛[5]等通過研究發現玻璃纖維能在一定程度上增強混凝土的抗壓強度，但是會減小混凝土的彈性模量；Alireza Dehghan[6]等經過大量試驗發現，從回收的玻璃纖維和原始E玻璃纖維中回收的纖維會對混凝土的抗壓強度產生不良影響，但有助于提高其劈拉強度。Faiz A Mirza[7]等研究發現，玻璃纖維可以抑制混凝土裂紋的擴展，同時還能提升混凝土的彎曲韌性。

本試驗探究在不同摻量下，普通玻璃纖維、耐堿玻璃纖維對混凝土流動性與力學性能的影響，分析影響玻璃纖維混凝土流動性與力學性能的因素，為配制更好的纖維混凝土材料提供參考。

1 試驗方案

1.1 原材料

選用湖北京蘭P.O 42.5級水泥，S95級礦粉；細骨料為細度模數2.5的江砂，細度模數2.6的機砂；粗骨料為粒徑5-25 mm的普通碎石；外加劑采用聚羧酸減水劑，減水率為31%；玻璃纖維為直徑為12 μm，密度為2.68 g/cm3的普通玻璃纖維(GF)，直徑為20 μm，密度為2.72 g/cm3的耐堿玻璃纖維(AR)。

1.2 配合比

混凝土的配合比通過《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ 55-2011)[8]來制定，強度為C30。膠凝材料采用水泥與礦粉，水膠比為0.35，減水劑摻量為膠凝材料的2.4%，并在此條件下分別添加0 kg/m3、3 kg/m3、6 kg/m3、9 kg/m3、12 kg/m3的玻璃纖維。配合比如表1所示。

1.3 試件制備與方法

混凝土采用HJS-60型雙臥軸混凝土試驗用攪拌機攪拌，為了避免玻璃纖維在混凝土中分布不均勻，適當地延長攪拌時間。玻璃纖維的摻量每增加3 kg/m3，攪拌時間相應地延長2 min。待攪拌完成后，先使用坍落度測定儀來測定拌和物的坍落度，隨后將拌合物澆筑于模具中，在振動臺振動成型，在試塊成型24 h后脫模，放入有標準條件的養護室里養護28 d，取出后清除試塊表面附著的污垢，待試塊上的水分消失。

表1 混凝土配合比

根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081-2002)[9]和《纖維混凝土試驗方法標準》(CECS：13-2009)[10]對玻璃纖維混凝土進行抗壓與抗折試驗。在YAW-3000型微機控制電液伺服壓力試驗機上對27個150 mm×150 mm×150 mm的標準立方體試塊進行抗壓試驗，加載速率為0.5 MPa/s。在CBT1105-D微機控制電子壓力試驗機上對27個150 mm×150 mm×550 mm的棱柱體試塊進行抗折試驗，加載速率為0.05 MPa/s，抗折試驗采取四點彎曲的方法。

2 試驗結果與分析

2.1 流動性

良好的流動性是保證澆筑成型的混凝土試塊質量的重要因素，試驗在保證混凝土的粘聚性能和保水性能良好的情況下，測定不同玻璃纖維混凝土的坍落度(表2)。

表2 玻璃纖維混凝土的坍落度

從表2可以看出：隨著玻璃纖維摻量的增加，玻璃纖維混凝土的坍落度逐漸降低，當玻璃纖維摻量從0增加到12 kg/m3，普通玻璃纖維混凝土的坍落度從210 mm降低到142 mm，普通玻璃纖維混凝土的坍落度從210 mm降低到156 mm。究其原因，玻璃纖維作為拌合物之一，同樣需要水泥砂漿的包裹，這導致包裹砂石等材料的水泥砂漿相對減少，混凝土原先的整體平衡被打破，流動性自然會受到影響。另一方面，玻璃纖維具有很強的吸附性，其吸水率在正常情況下能夠達到10%～20%。隨著玻璃纖維摻量的增加，其吸收的水分會越來越多，導致混凝土的流動性越來越差。

2.2 抗壓強度

試塊的抗壓破壞形態如圖1所示。隨著荷載的不斷增加，普通混凝土試塊表面的裂紋越來越明顯，且擴展迅速。當達到極限荷載后，試件在無任何征兆的情況下突然崩裂破壞，并伴隨著劇烈聲響，同時試件表面嚴重剝落。相較于普通混凝土，玻璃纖維混凝土試塊破壞的時候并沒有劇烈聲響，裂紋相對于普通混凝土來說更細小，擴展速度比普通混凝土慢，破壞時整體性較好。當玻璃纖維摻量越多，破壞時整體性越好。這是由于分布在混凝土中的玻璃纖維起到了關鍵的橋接作用，阻礙了裂縫的產生與擴展。

圖 1 混凝土抗壓破壞形態

混凝土的抗壓強度公式為

其中fcc為立方體的抗壓強度，MPa；F為混凝土試塊的極限荷載，N；A為試塊的受壓面積,mm2。

玻璃纖維摻量對混凝土抗壓強度的影響如圖2所示。

圖 2 玻璃纖維摻量對混凝土抗壓強度的影響

從圖2可以看出，在普通混凝土中摻入3 kg/m3、6 kg/m3、9 kg/m3、12 kg/m3的兩種不同玻璃纖維，普通玻璃纖維混凝土的抗壓強度較普通混凝土提高了3.3%～14.9%，當普通玻璃纖維的摻量為6 kg/m3時增長幅度最大。耐堿玻璃纖維混凝土的抗壓強度較普通混凝土提高了7.1%～23.5%，當耐堿玻璃纖維的摻量為9 kg/m3時增長幅度最大。這是因為在混凝土內部呈空間均勻分布的玻璃纖維與水泥砂漿有效粘結，減緩了混凝土中裂縫的擴展速度，防止新裂縫的出現，在改善混凝土變形性能的同時，提升了混凝土的抗壓強度。耐堿玻璃纖維對混凝土抗壓性能改善效果明顯好于普通玻璃纖維，這是因為耐堿玻璃纖維能更好地與水泥砂漿粘結在一起，同時普通玻璃纖維的耐腐蝕性差，容易被混凝土中的高堿物質所侵蝕，而減弱了對混凝土力學性能的改善效果。當普通玻璃纖維的摻量超過6 kg/m3，耐堿玻璃纖維的摻量超過9 kg/m3后，兩種玻璃纖維混凝土的抗壓強度不升反降，這是由于摻量過多，玻璃纖維在攪拌時容易“結團”，“結團”現象使混凝土內部受力不均，并且會使玻璃纖維之間難以形成有效的纖維網絡，所以，混凝土的抗壓強度降低。

2.3 抗折強度

普通混凝土發生抗折破壞時表現為明顯的脆性破壞，荷載達到極限值后瞬間降低，在破壞時發生劇烈聲響。而玻璃纖維混凝土在荷載達到極限值后緩緩降低，且破壞時僅有很低沉的聲響。

混凝土的抗折強度公式為

其中:ff為棱柱體的抗壓強度，MPa；F為混凝土試塊的極限荷載，N；l為支座間距,mm；b為試塊的截面寬度，mm；h為試塊的截面高度,mm。

玻璃纖維摻量對混凝土抗折強度的影響如圖3所示。

圖 3 玻璃纖維摻量對混凝土抗折強度的影響

從圖3可以看出，混凝土的抗折強度同樣呈現出先增大后減小的趨勢，但抗折強度增長的幅度要優于抗壓強度。

當普通混凝土中分別添加3 kg/m3、6 kg/m3、9 kg/m3、12 kg/m3的兩種不同玻璃纖維后，混凝土的抗折強度得到了不同程度的提升。普通玻璃纖維混凝土的抗折強度較普通混凝土提高了7.7%～32.6%，耐堿玻璃纖維混凝土的抗折強度較普通混凝土提高了15.8%～43.9%，這是因為當試塊受到應力作用后，分布在混凝土內部的玻璃纖維可以橋接與傳遞應力，減緩了裂縫的產生與發展，從而提升了混凝土的抗折強度。當普通玻璃纖維的摻量為9 kg/m3時改善效果最佳，耐堿玻璃纖維的摻量為6 kg/m3時改善效果最佳。摻量繼續增加后，兩種玻璃纖維混凝土的抗折強度不升反降，這是因為當摻量過多時，玻璃纖維無法有效地與水泥砂漿粘結在一起。因此，在探究玻璃纖維對混凝土抗折強度的影響時，需要同時考慮玻璃纖維的改善效果，與水泥砂漿粘結不良引起的強度降低這兩方面因素。

2.4 折壓比

混凝土的折壓比為混凝土的抗折強度與抗壓強度之比，它是衡量混凝土力學性能與脆性性能的一個重要指標，折壓比越大，混凝土的韌性則越強，反之則越弱。表3為不同類型混凝土的折壓比。

表3 混凝土折壓比

由表3可知，相較普通混凝土，當摻入玻璃纖維后，混凝土的折壓比有著不同程度的提高，當普通玻璃纖維的摻量為9 kg/m3時，折壓比達到最大，較普通混凝土提高了21.3%。當耐堿玻璃纖維的摻量為6 kg/m3時，折壓比達到最大，較普通混凝土提高了23.8%。

玻璃纖維摻量對混凝土折壓比的影響如圖4所示。

圖 4 玻璃纖維摻量對混凝土折壓比的影響

從圖4可以看出，當混凝土中摻入兩種玻璃纖維后，其折壓比呈現出先增大后減小的趨勢，但從整體上來說，折壓比均得到不同程度的提升。這表明玻璃纖維能夠改善混凝土的脆性性能，提高混凝土的韌性。

3 結論

1)玻璃纖維混凝土的流動性隨著玻璃纖維摻量的增加而逐漸降低。

2)玻璃纖維的摻入改善了混凝土的抗壓與抗折破壞形態，提升了混凝土的抗壓強度與抗折強度，耐堿玻璃纖維對混凝土力學性能的改善效果要優于普通玻璃纖維。當耐堿玻璃纖維的摻量為9 kg/m3時，對混凝土抗壓強度改善最佳，其抗壓強度提高了23.5%。當耐堿玻璃纖維的摻量為6 kg/m3時，對混凝土抗折強度改善最佳，其抗折強度提高了43.9%。

3)玻璃纖維的摻入整體上提高了混凝土的折壓比，改善了混凝土的脆性性能，增強了混凝土的韌性。