玄武巖—聚丙烯混雜纖維混凝土基本性能研究

郭靳時 趙 崢 云佳琪

吉林建筑大學（130118）

0 引言

在我國乃至世界，混凝土是用量最大、用途最廣的建筑材料，而混凝土技術不斷發展，人們不滿足于混凝土現有性能，纖維混凝土是一種新型的水泥復合材料，其的出現無疑推動了混凝土技術的發展，許多研究者為了發揮纖維在混凝土中的優勢，選擇多種纖維按一定的纖維體積率混雜，使纖維發揮各自優勢，而玄武巖-聚丙烯纖維混凝土作為一個新型建筑材料處在一個探索期，對其性能需要進行更詳細研究。

1 纖維混凝土

纖維混凝土[1]以混凝土（水泥漿、砂漿）為基體，加入纖維組成的復合材料。研究表明，纖維的加入可以改善混凝土基體性能，若加入混雜纖維效果更好[2-3]。

2 試驗

2.1 試驗材料及配合比

2.1.1 原材料

1）水泥:42.5普通硅酸鹽水泥，其性能見表1。

表1 水泥物理性能

2）細骨料:選用細度模數為2.7中砂。

3）粗骨料:選用粒徑最大20 mm碎石，表觀密度為2 710 kg/m3。

4）水:自來水。

5）纖維:主要參數見表2。

表2 纖維主要參數

2.1.2 配合比

依據《普通混凝配合比設計規程》JGJ 55—2011確定混凝土配合比（見表3）。

表3 混凝土配合比表（kg/m3）

2.1.3 試件制作與養護

1）配置。本試驗用攪拌機進行攪拌，先將纖維和石子混合干拌60 s，再將沙料和水泥加入干拌60 s，然后將纖維均勻的分散在混凝土中，攪拌90 s，最后將水加入進行攪拌90 s。

2）裝模。將攪拌好的混凝土裝入迅速模具，進行振搗，然后抹面。

3）養護。養護時，在試塊表面上蒙上塑料膜,在20℃~30℃中靜置一夜，然后編號拆模，最后放入養護室養護，養護室濕度≥95%，溫度18℃~22℃，養護28 d。

2.2 試驗方法

文章試驗采用正交試驗法，用正交表安排和分析多因素進行試驗。

2.2.1 試驗方案

文章選用A、B、C分別表示試驗三種因素玄武巖纖維體積率、聚丙烯纖維體積率、混凝土強度，用1、2、3表示試驗三種水平（見表4）。根據以上列出試驗正交表（見表5），為便于分析某單一因素的影響及進行對照，另外設置了幾組試件和一組普通混凝土試件。

表4 試驗水平和變量

表5 試驗匯總表

2.2.2 試驗內容

1）坍落度試驗。先將坍落度桶潤濕后固定在鋼板上，將漏斗放在桶上。然后將混凝土分三次裝入桶內，用搗棒由邊緣至中心插搗。插振后，用刮刀刮去多余混凝土，并進行抹平，最后將桶平穩提起，測量桶高與混凝土最高點的高度差，即為混凝土坍落度值。

2）立方體抗壓和劈裂抗拉強度試驗。試驗分別采用液壓式萬用試驗機進行加載，根據《普通混凝土力學性能試驗標準》（GB/T 50081—2002）的相關要求[4]，采用的尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊，進行連續均勻的加載，速率為均0.5~0.8 MPa/s。并按式（1）計算抗壓強度，式（2）計算抗拉強度:

其中:fcu為混凝土立方體試塊的抗壓強度（MPa），fts為立方體試塊的劈裂抗拉強度（MPa），F為混凝土破壞時最大荷載（N），A1為試塊承壓面積（mm2），A2為劈裂試驗試塊劈裂面積（mm2）。

3 試驗結果與分析

根據表6結果分析可知:

表6 極差正交分析匯總計算表

1）坍落度極差最大的是因素B（聚丙烯纖維體積率），最小的是因素C（混凝土強度），故對因素B混凝土坍落度影響最大，因素C對坍落度影響最小。因素A、B在纖維體積率為0.05%時，最大，在混凝土強度為C30時，性能最優，故坍落度最優試件為A1。

2）因素A極差最大，故因素A對混凝土立方體抗壓強度影響最大，因素A、B在纖維體積率為0.10%時，最大，故立方體抗壓強度最優試件為A5。

3）劈裂抗拉強度極差最大的是因素C，最小的是因素B。因素A、B在纖維體積率為0.15%時，Kjm最大，因素C在混凝土強度為C50時，性能最優。

3.1 坍落度試驗結果分析

根據試驗數據匯總表5得混雜纖維混凝土中因素A、B、C與坍落度的關系（如圖1、圖2所示）。

圖1 混雜纖維混凝土中因素A、B與坍落度的關

圖2 混雜纖維混凝土中因素C與坍落度的關系

從圖1、2可知:坍落度隨著玄武巖纖維摻量和聚丙烯纖維摻量增大而減小，對于HFRC，玄武巖纖維摻量和聚丙烯纖維摻量從0%~0.15%時，HFRC的坍落度降低分別約50%、33%，而單摻玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混凝土，當摻量從0%~0.15%時，玄武巖纖維混凝土和聚丙烯纖維混凝土的坍落度降低分別約為27%、56%。而HFRC坍落度的下降速度比單摻纖維的混凝土更快，這也就說明，HFRC土比單摻纖維的混凝土對坍落度的影響更大。HFRC的強度也對坍落度有一定影響，隨著HFRC的增加，坍落度的曲線下降先快后慢。

3.2 立方體抗壓強度試驗結果分析

3.2.1 試驗數據分析

根據試驗數據匯總表6的混雜纖維混凝土中因素A、B與立方體抗壓強度的關系（如圖3所示）。

圖3 混雜纖維混凝土中因素A、B與立方體抗壓強度的關系

從圖3可知:玄武巖纖維混凝土和聚丙烯纖維混凝土中纖維體積率為0.05%、0.10%和0.15%時，抗壓強度分別較普通混凝土試件均在降低。對于HFRC，混雜纖維比單摻纖維對基體立方體抗壓強度的影響更大。總之，單摻纖維和加入混雜纖維相比與普通混凝土試塊（A20），立方體抗壓強度均在降低。

3.2.2 試驗破壞形式分析

（1）為普通混凝土試塊,玄武巖纖維體積率為0.15%時，聚丙烯纖維摻量為0.05%（2）、0.10%（3）、0.15%（4）的試塊的破壞形式如圖4所示。

圖4 不同摻量的試塊破壞形式

由此可見普通混凝土（1）破壞后，混凝土發生嚴重破壞。而加混雜纖維的（2）、（3）、（4）組試塊破壞后，裂縫分散有些碎片掉落，但仍能保持初始形態，所以混雜纖維混凝土不會像普通混凝土一樣突然破壞，其破壞進程緩慢。

3.3 劈裂抗拉強度試驗結果分析

3.3.1 試驗數據分析

根據試驗數據匯總表6得混雜纖維混凝土中因素A、B與立方體劈裂抗拉的關系（如圖5所示）。

圖5 混雜纖維混凝土中因素A、B與劈裂抗拉強度的關系

圖6 混雜纖維混凝土因素C與劈拉強度的關系

由圖5可知:玄武巖纖維混凝土和聚丙烯纖維混凝土與普通混凝土相比，其纖維摻量越大，劈拉強度則越大。且單摻聚丙烯纖維基體的劈拉強大于單摻玄武巖纖維基體的劈拉強度。而對于混雜纖維混凝土，當其中一個纖維摻量固定而另一纖維摻量不斷增加時，混凝土的劈拉強度與普通混凝土劈拉強度相比不斷增加。總之，單摻纖維和混雜纖維的加入都能提高混凝土基體劈裂抗拉強度，且混雜纖維提高更明顯。

3.3.2 試驗破壞形式分析

圖7中（1）是普通混凝土的破壞狀態，試驗時隨著荷載的逐漸加大，試塊在中軸線處發生脆性斷裂，斷裂成兩半。（2）是試件A11，可以看出試塊發生破壞后，試塊沒有完全斷成兩半。這是因為纖維對混凝土的裂縫有阻礙作用，故混雜纖維混凝土試件成一定程度上的延性破壞[5]。

圖7 混凝土劈裂抗拉強度的破壞形式

3 結論

文章通過試驗數據對比和分析，得出以下結論:

1）對坍落度影響因素由強到弱分別為:聚丙烯纖維體積率、玄武巖纖維體積率、混凝土強度。且纖維體積率越大，混凝土坍落度越小，混雜纖維比單摻纖維對基體坍落度的影響更大。

2）對立方體抗壓強度影響因素由強到弱分別為:玄武巖纖維體積率、聚丙烯纖維體積率，在混凝土中加入纖維后，對混凝土的立方體抗壓強度增強能力不大，反而有所降低，但纖維的加入可改善試塊的開裂程度，提高其完整性，對實際工程仍具有重要意義。

3）對立方體劈裂抗拉強度影響因素由強到弱分別為:混凝土強度、玄武巖纖維體積率、聚丙烯纖維體積率。隨著纖維體積率的增大，立方體劈裂抗拉強度逐漸增大，且混雜纖維比單摻纖維對于混凝土劈拉強度的增強效果更好。