不同纖維對(duì)深部隧道混凝土強(qiáng)度和耐磨性能的影響研究

劉有建

一、引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力日益提升，尤其是隧道工程的迅速發(fā)展，我國(guó)城市地下隧道的數(shù)量日益增多。而混凝土作為當(dāng)今世界運(yùn)用最廣的建筑材料，已經(jīng)大量應(yīng)用在地下隧道工程中，不同的地下隧道環(huán)境對(duì)混凝土材料提出了不一樣的需求。尤其是近年來(lái)惡劣氣候環(huán)境頻現(xiàn)，特大暴雨使得我國(guó)多座城市經(jīng)歷澇災(zāi)，已嚴(yán)重威脅城市發(fā)展，“海綿城市”概念應(yīng)運(yùn)而生，即采用地下深部排水隧道進(jìn)行雨、洪水調(diào)蓄。當(dāng)雨季來(lái)臨時(shí)，洪水對(duì)隧道內(nèi)混凝土管道、內(nèi)壁等處的沖刷、磨損嚴(yán)重影響了其使用壽命，加大了混凝土在隧道工程中的應(yīng)用難度。因此有必要將深部隧道混凝土的強(qiáng)度和耐磨性能作為研究對(duì)象，探究出一種高耐磨、高性能的混凝土材料。

目前，關(guān)于水泥基材料耐磨性能的研究已有很多。王雨利等采用石灰石粉等質(zhì)量取代河砂和機(jī)制砂，研究了石灰石粉摻量對(duì)砂漿耐磨性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著石灰石粉摻量增大，砂漿耐磨系數(shù)先減小，后增大，且河砂砂漿的最佳石粉摻量為15%，機(jī)制砂砂漿的最佳石粉摻量為10%。RKumar等人研究使用兩種不同的水灰比，分別為0.44 和0.38。該研究表明，RCA 對(duì)混凝土的耐磨性有明顯的降低，但在路面混凝土中可以有效地應(yīng)用。彭松梟等研究了粉煤灰和礦渣的摻量對(duì)不同齡期再生混凝土耐磨性能的影響程度，研究發(fā)現(xiàn)，粉煤灰與礦渣摻入后對(duì)混凝土7d齡期的耐磨性能不會(huì)造成很大影響，但是對(duì)再生混凝土后期（60 d）耐磨性能具有很大的影響，再生混凝土早期耐磨性能與粉煤灰與礦渣摻量呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。

現(xiàn)有研究大都集中在對(duì)礦物摻合料、集料、水膠比等配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)上，并且研究路面材料的耐磨性能居多。纖維作為混凝土性能改善劑已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種混凝土中，而在纖維改善地下隧道混凝土耐磨性能方面的研究尚少。本文研究鋼纖維、玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維對(duì)混凝土耐磨性能的影響，其中木質(zhì)素纖維作為一種優(yōu)良的穩(wěn)定劑，已經(jīng)在瀝青材料中廣泛應(yīng)用，但關(guān)于木質(zhì)素纖維在混凝土方面的研究很少。選擇絮狀木質(zhì)素纖維、剪切波浪型鋼纖維以及玄武巖纖維分別單摻入C50混凝土中，研究其對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度以及耐磨性能的影響。

二、試驗(yàn)原材料及試驗(yàn)方法

1.試驗(yàn)原材料與配合比

本試驗(yàn)采用江南小野田水泥有限公司生產(chǎn)的P·II 52.5硅酸鹽水泥，其表面積為367m2/kg，初凝與終凝時(shí)間分別為135min和190min，燒失量為2.7%；粗骨料采用粒徑為5～20 mm連續(xù)級(jí)配的碎石；細(xì)骨料為蕪湖中慶實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司產(chǎn)的中砂（河砂），細(xì)度模數(shù)為2.6，含泥量為0.8%，泥塊含量0.3%；減水劑采用上海三瑞高分子材料股份有限公司產(chǎn)的聚羧酸減水劑，減水率為25%，固含量為21%。本試驗(yàn)采用兩種礦物摻合料，粉煤灰是寶田新型建材有限公司產(chǎn)的II級(jí)F類粉煤灰，礦粉是寶田新型建材有限公司產(chǎn)的S95礦粉；實(shí)驗(yàn)所用鋼纖維（SF）是宜興華源金屬纖維有限公司生產(chǎn)的剪切波浪型鋼纖維，外觀見(jiàn)圖1（a），其性能指標(biāo)見(jiàn)表1；實(shí)驗(yàn)所用玄武巖纖維（BF）是貴州石鑫玄武巖科技有限公司生產(chǎn)的長(zhǎng)度為15mm的玄武巖纖維，外觀見(jiàn)圖1（b），其性能指標(biāo)見(jiàn)表2；實(shí)驗(yàn)所用木質(zhì)素纖維（LF）是淄博金力王工貿(mào)有限公司生產(chǎn)的木質(zhì)素纖維，外觀見(jiàn)圖1（c），其吸油率不小于纖維自身質(zhì)量的5倍；含水率：＜5%；耐熱能力：230℃（短時(shí)間可達(dá)280℃）；PH值7.0±0.5。

表1 剪切波浪型鋼纖維性能指標(biāo)

表2 玄武巖纖維性能指標(biāo)

圖1 纖維外觀圖

在大量的C50混凝土的試驗(yàn)基礎(chǔ)上，試驗(yàn)研究采用的混凝土配合比見(jiàn)表3，其中鋼纖維、玄武巖纖維和木質(zhì)素纖維的摻量均為混凝土的體積摻量。

2.試驗(yàn)方法

采用外摻法將鋼纖維、玄武巖纖維和木質(zhì)素纖維摻入混凝土中，為了保證纖維分散均勻，先將纖維摻入膠凝材料、集料中干拌2min，然后再加入水和減水劑攪拌。根據(jù)大量文獻(xiàn)，鋼纖維的體積摻量選為0%、0.5%、1.0%、1.5%，玄武巖纖維的體積摻量選為0%、0.2%、0.3%、0.4%，木質(zhì)素纖維的體積摻量選為0%、0.3%、0.6%、0.9%，研究比較三種纖維對(duì)混凝土強(qiáng)度和耐磨性能的影響。

表3 混凝土基準(zhǔn)配合比

立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試件尺寸為100mm×100mm×100mm，測(cè)試混凝土單位面積磨損量試件尺寸為150mm×150mm×150mm的立方體試件。力學(xué)性能測(cè)試方法依照標(biāo)準(zhǔn)GB/T50081-2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，耐磨性能測(cè)試方法依照標(biāo)準(zhǔn)JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》。

三、試驗(yàn)結(jié)果與分析

1.纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，圖2、圖3以及圖4給出了各種不同纖維摻量對(duì)混凝土3d、7d、28d、56d抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的影響曲線。

圖2 鋼纖維摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

如圖2（a）所示，隨著鋼纖維體積摻量的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)鋼纖維摻量較大時(shí)，鋼纖維摻量越大，混凝土抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速度減緩。如當(dāng)鋼纖維體積摻量從0%增加至0.5%時(shí)，混凝土28d抗壓強(qiáng)度從68.5MPa增加至76.1MPa，抗壓強(qiáng)度增大了11.1%；但當(dāng)鋼纖維體積摻量從1.0%增加至1.5%時(shí)，混凝土28d抗壓強(qiáng)度從77.2MPa增加至78.6MPa，抗壓強(qiáng)度增大了1.8%，增長(zhǎng)速率明顯降低。如圖2（b）所示，鋼纖維對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律與其對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律基本一致，隨著鋼纖維體積摻量的增大，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度也逐漸增大。同樣，鋼纖摻量越大，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)速度也減緩，當(dāng)鋼纖維體積摻量從0%增加至0.5%、1.0%、1.5%時(shí)，混凝土56d劈裂抗拉強(qiáng)度從5.06MPa分別增加至5.71MPa、5.88MPa、5.99MPa，劈裂抗拉強(qiáng)度分別增大了12.8%、3.0%、1.9%，強(qiáng)度增長(zhǎng)速率明顯降低了。原因在于當(dāng)混凝土中少量摻入鋼纖維時(shí)，由于鋼纖維在混凝土中均勻分散，鋼纖維自身彈性模量較高，抗壓性能較好，能阻止裂縫產(chǎn)生，因而能很大程度上提升混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，但當(dāng)鋼纖維摻量繼續(xù)增大時(shí)，鋼纖維在混凝土中不能完全分散，混凝土和易性變差，缺陷增多，導(dǎo)致混凝土力學(xué)性能變差。

如圖3（a）所示，抗壓強(qiáng)度曲線趨于平緩，說(shuō)明玄武巖纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響不大，當(dāng)玄武巖纖維體積摻量為0.2%時(shí)，混凝土28d抗壓強(qiáng)度最大，僅比未摻纖維的混凝土抗壓強(qiáng)度提升0.3%，幾乎沒(méi)有增長(zhǎng)；當(dāng)玄武巖纖維體積摻量為0.3%時(shí)，混凝土56d抗壓強(qiáng)度最大，也僅比未摻纖維的混凝土抗壓強(qiáng)度提升4.5%。當(dāng)繼續(xù)增大玄武巖纖維摻量至0.4%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度反而減小。

圖3 玄武巖纖維對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

如圖3（b）所示，玄武巖纖維的摻入對(duì)混凝土早期劈裂抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)影響，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，纖維逐漸起到增強(qiáng)效果，當(dāng)玄武巖纖維體積摻量為0.3%，混凝土56d劈裂抗拉強(qiáng)度最大，繼續(xù)增加玄武巖纖維摻量至0.4%時(shí)，混凝土56d劈裂抗拉強(qiáng)度發(fā)生降低。究其原因，還可能是由于本試驗(yàn)用的15mm玄武巖纖維長(zhǎng)度極大影響了混凝土的和易性，導(dǎo)致影響了混凝土內(nèi)部反應(yīng)，致抗壓強(qiáng)度提升不明顯或者出現(xiàn)下降，因此初步判斷玄武巖纖維最佳長(zhǎng)度應(yīng)小于15mm。而玄武巖纖維由于其有較大的抗拉強(qiáng)度，因此摻入玄武巖纖維后對(duì)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度改善效果更明顯，但總體改善效果不及鋼纖維。

圖4 木質(zhì)素纖維對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

如圖4（a）所示，與玄武巖纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響規(guī)律相一致，木質(zhì)素纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的改善效果不明顯，但從圖中還是可以看出，隨著木質(zhì)素纖維摻量的增大，混凝土抗壓強(qiáng)度呈增大的趨勢(shì)，并且當(dāng)木質(zhì)素纖維體積摻量為0.9%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度最大。這是因?yàn)槟举|(zhì)素纖維是由天然木材、竹材及棉麻等采取一定的化學(xué)技術(shù)措施加工得到的一種絮狀白色或者灰白色的有機(jī)纖維，使得木質(zhì)素纖維具有一定的保水性，能夠?yàn)槟z凝材料水化提供充足的水分，使混凝土抗壓強(qiáng)度增加，但因?yàn)槟举|(zhì)素纖維自身強(qiáng)度低，剛度小，對(duì)混凝土的貢獻(xiàn)受到了一定程度的限制。如圖4（b）所示，木質(zhì)素纖維的摻入能夠提升混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，但提升效果一般，當(dāng)木質(zhì)素纖維體積摻量為0.6%時(shí)，混凝土56d劈裂抗拉強(qiáng)度最大，相較于未摻纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度增大了10.5%。原因是木質(zhì)素纖維在混凝土中分散比較均勻，能形成一個(gè)空間網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)，使得其具有良好的增強(qiáng)功能，所以混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度有所增加，但同樣由于其強(qiáng)度、剛度較小，因而限制了其對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的提升。

2.纖維對(duì)混凝土耐磨性能的影響

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，圖5、圖6以及圖7給出了各種不同纖維摻量對(duì)混凝土耐磨性能的影響曲線。

圖5反應(yīng)了鋼纖維按體積分?jǐn)?shù)摻入混凝土后對(duì)其耐磨性能的影響規(guī)律。由圖可知，未摻入鋼纖維時(shí)，混凝土單位面積磨損量最大，達(dá)到2.08kg/m2，隨著摻入鋼纖維體積分?jǐn)?shù)逐漸增加，混凝土的耐磨性能得到改善，但并非鋼纖維摻量越大，混凝土耐磨性能越優(yōu)，當(dāng)鋼纖維摻量過(guò)大時(shí)，混凝土耐磨性能改善效果變差。鋼纖維摻量為0.5%時(shí)，混凝土單位面積磨損量為1.52kg/m2，相較于未摻鋼纖維混凝土，單位面積磨損量降低了26.9%，改善效果很明顯；當(dāng)繼續(xù)增加鋼纖維體積摻量至1.0%和1.5%時(shí)，混凝土單位面積磨損量分別為1.68kg/m2和1.76kg/m2，相較于未摻鋼纖維的混凝土，單位面積磨損量分別降低了19.2%和15.4%，但相較于摻量為0.5%時(shí)，單位面積磨損量不降反升。因此，并不是鋼纖維摻量越大，混凝土耐磨性能越優(yōu)，本試驗(yàn)條件下，當(dāng)鋼纖維摻量為0.5%時(shí)，混凝土單位面積磨損量達(dá)到最佳值，其耐磨性能最優(yōu)。

圖5 鋼纖維摻量對(duì)混凝土耐磨性能的影響

在鋼纖維混凝土磨損試驗(yàn)過(guò)程中，由于鋼纖維摻入混凝土中后，可以降低毛細(xì)孔失水收縮形成的毛細(xì)孔張力，減少混凝土原始裂紋的產(chǎn)生；摻入鋼纖維后，增強(qiáng)了混凝土的強(qiáng)度和韌性，水泥漿體在硬化后能較好地包裹住鋼纖維，使其成為一個(gè)不易被破壞的整體；同時(shí)由于鋼纖維針狀結(jié)構(gòu)，在混凝土中起到阻裂作用，并且在磨損過(guò)程中，混凝土表面原材料逐漸被磨耗，露出鋼纖維出來(lái)，在與花輪刀片接觸過(guò)程中能有效緩解花輪刀片對(duì)混凝土的磨損作用，減緩了混凝土磨耗過(guò)程，從而有效提高了混凝土的耐磨性。但當(dāng)鋼纖維摻量過(guò)大時(shí)，混凝土密實(shí)度降低，孔隙率增大，使混凝土耐磨性能降低。

圖6 玄武巖纖維摻量對(duì)混凝土耐磨性能的影響

如圖6所示，可見(jiàn)玄武巖纖維摻入混凝土中能大大改善混凝土耐磨性能。隨著聚丙烯纖維摻量的增加，混凝土單位面積磨損量呈先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)摻入體積分?jǐn)?shù)0.2%的玄武巖纖維到混凝土中時(shí)，混凝土單位面積磨損量為0.48kg/m2，相較于未摻入纖維混凝土的單位面積磨損量降低了76.9%，說(shuō)明在本試驗(yàn)條件下，玄武巖纖維摻入混凝土中對(duì)混凝土耐磨性能的最佳改善效果要優(yōu)于鋼纖維和聚丙烯素纖維。當(dāng)繼續(xù)增加玄武巖纖維摻量時(shí)，其影響規(guī)律與鋼纖維、聚丙烯纖維一致，過(guò)量玄武巖纖維的摻入會(huì)對(duì)混凝土耐磨性能產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)，改善效果減弱。

圖7 木質(zhì)素纖維摻量對(duì)混凝土耐磨性能的影響

如圖7所示，木質(zhì)素纖維的摻入可以明顯改善混凝土的耐磨性能。從混凝土中未摻入木質(zhì)素纖維，到摻入體積分?jǐn)?shù)0.3%、0.6%、0.9%的木質(zhì)素纖維，混凝土單位面積磨損量從2.08kg/m2分別減少至0.36kg/m2、0.6kg/m2、0.52kg/m2，分別減少了82.7%、71.2%、75%。由此可見(jiàn)，木質(zhì)素纖維能大大改善混凝土耐磨性能，并且在本試驗(yàn)條件下，當(dāng)木質(zhì)素纖維摻量為0.3%時(shí)，相較于未摻纖維混凝土，混凝土單位面積磨損量能減少82.7%，此時(shí)改善效果最佳。

綜上三種纖維單摻入混凝土中對(duì)混凝土耐磨性能的影響規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)，纖維的摻入能很大程度上改善混凝土的耐磨性能，并且這三種纖維中，木質(zhì)素纖維對(duì)混凝土耐磨性能改善效果最好，其次是玄武巖纖維，鋼纖維對(duì)混凝土耐磨性能改善效果最差。

四、結(jié)語(yǔ)

1.在C50混凝土中分別摻入體積摻量為0%、0.5%、1.0%、1.5%的鋼纖維，能明顯改善混凝土的力學(xué)性能，而對(duì)混凝土耐磨性能提升效果一般。隨著鋼纖維摻量的增大，混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度增逐漸增大，但增長(zhǎng)速率逐漸減緩；混凝土單位面積磨損量隨鋼纖維摻量的增加呈先減小后增大的趨勢(shì)，并且當(dāng)鋼纖維體積摻量為0.5%時(shí)，混凝土耐磨性能最好。

2.玄武巖纖維和木質(zhì)素纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律基本一致，其對(duì)混凝土力學(xué)性能改善效果不明顯，但可以明顯改善混凝土的耐磨性能。當(dāng)混凝土中分別摻入體積摻量為0%、0.2%、0.3%、0.4%的玄武巖纖維和0%、0.3%、0.6%、0.9%的木質(zhì)素纖維時(shí)，隨著纖維摻量的增加，混凝土單位面積磨損量均呈先減小后增大的趨勢(shì)，且當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.2%、木質(zhì)素纖維摻量為0.3%時(shí)，混凝土耐磨性能最好。

3.鋼纖維、玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維均能改善混凝土的強(qiáng)度和耐磨性能。其中鋼纖維對(duì)力學(xué)性能提升效果最好，玄武巖纖維和木質(zhì)素纖維對(duì)力學(xué)性能的改善效果基本一致；三種纖維對(duì)混凝土耐磨性能的改善效果優(yōu)劣依次是木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維、鋼纖維。