纖維自密實混凝土早期拉壓強度的試驗研究

張鴻朋 馬芹永

摘 要：通過自密實性能試驗和早期拉壓強度試驗，研究不同體積摻量的玄武巖纖維、聚丙烯腈纖維以及玄武巖-聚丙烯腈混雜纖維對自密實混凝土的流動性、間隙通過性以及7d劈裂抗拉強度和立方體抗壓強度的影響。試驗結果表明，隨著纖維摻量的增加，自密實混凝土的流動性和間隙通過性會逐漸降低;混雜纖維對自密實混凝土抗拉強度的提升效果較抗壓強度更為顯著，當玄武巖纖維和聚丙烯腈纖維的摻量分別為0.20%和0.12%時，劈裂抗拉強度的增幅最大，較素自密實混凝土提高了87.5%。

關鍵詞：玄武巖纖維;聚丙烯腈纖維;自密實性能試驗;劈裂抗拉強度;抗壓強度

Abstract：The effects of basalt fiber， polyacrylonitrile fiber and basalt-polyacrylonitrile hybrid fiber with different volume contents on the fluidity， permeability， 7d splitting tensile strength and cubic compressive strength of self-compacting concrete were studied through the self-compacting performance test and early tension-compression strength test. The results show that the fluidity and clearance passability of self-compacting concrete will decrease with the increase of fiber content. When the contents of basalt fiber and polyacrylonitrile fiber are respectively 0.20% and 0.12%， the splitting tensile strength of self-compacting concrete increases the most， 87.5% higher than that of plain self-compacting concrete.

Key words：basalt fiber; polyacrylonitrile fiber; self-compacting performance test; splitting tensile strength; compressive strength

隨著我國建設單位對工程進度、質量及成本的要求不斷提高，人們也對周圍的生活環境有了更高的追求，因此實際工程中自密實混凝土成為了更好的選擇[1-3]。然而在自密實混凝土制備過程中膠凝材料和水的用量大，極易出現早期收縮開裂，裂縫的產生會影響結構的承載力[4-6]，而纖維的摻入可以增強與混凝土之間的粘結力，從而提高結構的強度。但是自密實混凝土的流動性會隨著纖維摻量的增加而下降。因此，在自密實混凝土中摻纖維并找到纖維摻量的合理配比區間就顯得尤為重要[7-8]359。

文獻[9]在普通混凝土試件中摻入不同摻量的玄武巖-聚丙烯腈混雜纖維，發現纖維的摻入可以大幅提升混凝土的劈裂抗拉強度，但在一定程度上降低了混凝土的抗壓強度。文獻[10]發現當玄武巖纖維摻量為0.10%時，自密實混凝土的抗壓強度達到峰值;而且纖維會影響混凝土的工作性能，纖維摻量越多，工作性能越差。文獻[11]19通過試驗研究不同含量、不同長度的單絲聚丙烯腈纖維對混凝土抗壓強度的影響，結果表明摻入6mm和12mm的聚丙烯腈纖維對混凝土抗壓強度的提升效果較19mm的而言更為明顯。文獻[12]研究了玄武巖纖維、玻璃纖維以及玄武巖-玻璃混雜纖維對自密實混凝土力學性能的影響。研究表明混雜纖維對改善自密實混凝土的力學性能起著重要的作用。文獻[13]向輕骨料混凝土中摻入一定的玄武巖纖維、聚丙烯腈纖維以及玻璃纖維，發現混雜纖維可以改善混凝土的力學性能，而摻入過多則對力學性能有不利影響。

通過文獻[7]361可知，當玄武巖纖維摻量為0.1%時，其抗壓強度增長最大，摻入過多會導致強度的下降，因此設定0.20%為上限;而對聚丙烯腈纖維自密實混凝土力學性能的研究很少，且大多以纖維長度為變量來進行試驗，例如文獻[11]50，長度12mm的聚丙烯腈纖維混凝土強度是隨摻量的增長呈現較為平緩的先增長后下降的規律，因此以0.12%作為上限。

基于混凝土的強度隨齡期的增長而不斷發展，最初養護的7d內強度增長最快，14d以后強度增長的比較緩慢，而且，現階段，對混雜纖維普通混凝土和單摻纖維自密實混凝土的研究較多，對混雜纖維自密實混凝土的研究與分析較少。因此，本文通過對養護7d、不同摻量的玄武巖纖維、聚丙烯腈纖維及兩種纖維混摻的自密實混凝土進行自密實性能和力學性能的分析，為該混凝土材料在工程中的應用提供了依據。

1 試驗原材料及方案

（1）試驗原材料

試驗選取淮南市八公山水泥廠的P·O42.5級普通硅酸鹽水泥;粉煤灰采用鞏義市某材料有限公司的Ⅱ級粉煤灰，密度為2 300kg/m3;粗骨料采用粒徑為5～20mm的連續級配碎石;細骨料選用淮河中砂，細度模數為2.7;潔凈的淮南市自來水;減水劑選取上海某公司生產的聚羧酸高效粉狀減水劑;玄武巖纖維采用上海某公司生產的長度為18mm的短切玄武巖纖維，聚丙烯腈纖維選用山東濟南某公司生產的聚丙烯腈纖維。

（2）試驗配合比設計

根據《自密實混凝土應用技術規程》[14]（JGJT283-2012）中的規范進行配合比設計，基準配合比設計如表1所示。對不同摻量的玄武巖纖維和聚丙烯腈纖維進行單摻與混摻，具體纖維摻和方式如表2所示。

（3）攪拌工藝

首先將攪拌機潤濕，隨后將碎石和砂子投入攪拌機中干攪60s，接著將膠凝材料和纖維放入攪拌機中攪拌90s，然后倒入一半水和減水劑濕攪60s，最后將剩余一半水和減水劑投入攪拌機攪拌60s。

（4）試驗方法

自密實性能試驗根據歐洲規范EFNARC[15]進行坍落擴展度試驗和J環試驗。

試件養護7d后，根據《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T50081-2019）的規范，對100mm×100mm×100mm的立方體試塊進行立方體抗壓強度及劈裂抗拉強度試驗。試驗選用的加載速率分別為3mm/min和1mm/mim，每組有3個混凝土平行試件，結果取平均值。

2 試驗結果與分析

（1）自密實性能試驗結果與分析

不同摻量的纖維自密實混凝土的自密實性能試驗結果如表3所示。由表3可看出，16組纖維自密實混凝土的坍落擴展度基本都維持在650～750mm之間，具有較好的流動性。隨著纖維摻量的增加，自密實性能降低的越明顯。

從工作性能試驗的結果可以看出，坍落擴展度和J環坍落擴展度的差值均不超過50mm，J環內外高度差也都在20mm以內，滿足間隙通過性能的要求。單摻玄武巖纖維要大于單摻聚丙烯腈纖維對自密實混凝土間隙通過性的影響，當玄武巖纖維的摻量為0.2%時，J環內外高度差要大于10mm，由此可知，玄武巖纖維的摻入會大大降低混凝土的間隙通過性，而聚丙烯腈纖維對間隙通過性的影響較小。

在新拌自密實混凝土中，混雜纖維自密實混凝土的自密實性能較單摻纖維的坍落擴展度下降的更為顯著，這是由于纖維的橋接作用，與粗骨料之間存在耦合作用，嚴重影響了混凝土的流動性，并且隨著纖維摻量的增加，影響越明顯，由此降低了自密實混凝土的自密實性能。

（2）早期劈裂抗拉強度試驗結果與分析

由圖1可知，單摻纖維時，纖維自密實混凝土的劈裂抗拉強度均呈現逐漸增大的趨勢，素自密實混凝土的抗拉強度為2.57MPa。由圖2可知，當單摻玄武巖纖維和單摻聚丙烯腈纖維的摻量分別為0.20%和0.12%時，達到峰值抗拉強度，分別為3.09MPa和3.13MPa，較素自密實混凝土分別提高了12.4%和13.8%。這是由于在混凝土中摻入纖維材料可以控制基體混凝土裂縫的進一步發展，從而增加混凝土的抗裂性。對于抗拉強度來說，單摻聚丙烯腈纖維的最優摻量為BF00PAN12，單摻玄武巖纖維的最優摻量為BF20PAN00。

從圖2中可以看出，混摻纖維時，當玄武巖纖維的摻量為0.05%、0.10%和0.20%時，纖維自密實混凝土的抗拉強度均隨著聚丙烯腈纖維摻量的增加而增大，在聚丙烯腈纖維摻量為0.12%時，抗拉強度分別達到峰值4.48MPa、3.82MPa和4.82MPa，較素自密實混凝土分別提高了74.3%、48.6%和87.5%。由此可知，混摻纖維對自密實混凝土抗拉強度的提升效果要明顯優于單摻纖維。 這是因為纖維混凝土在荷載作用下，即使混凝土發生開裂，由于纖維與混凝土之間的“橋接效應”，還可以繼續承受拉應力，隨著纖維摻量的增加，纖維的增強效果越明顯，玄武巖纖維和聚丙烯腈纖維混摻呈現“正混雜效應”。對于抗拉強度來說，玄武巖-聚丙烯腈混雜纖維的最優摻量為BF20PAN12。

（3）早期抗壓強度試驗結果與分析

由圖4可知，單摻纖維后，自密實混凝土的7d抗壓強度較素自密實混凝土均有所上升，但波動范圍不大。素自密實混凝土的抗壓強度為27.61MPa。通過圖4（a）可知，當單摻聚丙烯腈纖維時，抗壓強度隨著聚丙烯腈纖維摻量的增加而增大，當摻量為0.12%時，達到峰值抗壓強度31.07MPa，較素自密實混凝土提升了12.5%。由圖4（b）可得，當單摻玄武巖纖維時，抗壓強度呈現先增后減的趨勢，當摻量為0.10%時，達到峰值抗壓強度28.85MPa，較素自密實混凝土提升了4.5%，當單摻玄武巖纖維超過0.10%時，抗壓強度逐漸降低。這是由于玄武巖纖維是一種耐堿硅酸鹽材料，少量的摻入可以均勻地在攪拌機中分散開來，過量的摻入會出現結團現象，從而導致抗壓強度的降低。對于抗壓強度來說，單摻聚丙烯腈纖維的最優摻量為BF00PAN12，單摻玄武巖纖維的最優摻量為BF10PAN00。

由圖5看出，對于混雜纖維，當玄武巖纖維的摻量為0.05%、0.10%和0.20%時，隨著聚丙烯腈纖維摻量的增加，纖維自密實混凝土的抗壓強度均呈現先增后減的趨勢，在聚丙烯腈纖維摻量為0.09%時，其抗壓強度增長最大，分別為29.11MPa、29.69MPa和28.49MPa，較素自密實混凝土分別提高了5.4%、7.5%和3.2%。由此可知，當聚丙烯腈纖維摻量超過0.09%時，混雜纖維自密實混凝土的抗壓強度會下降，且混雜纖維較單摻纖維對混凝土抗壓強度的提升并不顯著，造成這一現象的原因是，隨著纖維摻量的增加，在進行混凝土攪拌時纖維無法均勻地分散開來，容易結團，造成試件內部出現很多薄弱面，且纖維表面與混凝土之間相互吸附，從而導致抗壓強度的下降，兩種纖維呈現“負混雜效應”。對于抗壓強度來說，玄武巖-聚丙烯腈混雜纖維的最優摻量為BF10PAN09。

圖6為未摻纖維、單摻纖維以及混摻纖維自密實混凝土抗壓強度的破壞形態。由圖6（a）可知，未摻加纖維的混凝土破壞后，試件四周外表層大量剝落，最終試件破壞呈倒角錐形。從圖6（b）和圖6（c）可知，單摻纖維的混凝土破壞時表面出現很多細小的裂縫，頂部有少量碎屑剝落，由于纖維的摻入，試件破壞后相對完整。產生這種現象的原因是由于纖維的摻入限制了在外力作用下試件裂縫的發展，當承受外力時，水泥基質與纖維共同承受，基質開裂后，纖維成為了外力的主要承受者。

3 結論

（1）隨著纖維的增加，自密實混凝土的自密實性能會逐漸降低，聚丙烯腈纖維較玄武巖纖維對自密實性能的影響更明顯。

（2）單摻聚丙烯腈纖維均可很好的提升自密實混凝土的抗壓強度和抗拉強度，而單摻玄武巖纖維可以很好的提升自密實混凝土的抗拉強度，對抗壓強度的提升不明顯;綜合考慮兩種纖維單摻對自密實混凝土的工作性能以及早期拉壓強度的影響，確定聚丙烯腈纖維和玄武巖纖維的單摻最優摻量分別為0.20%和0.12%。

（3）混雜纖維對自密實混凝土抗拉強度的提升效果較單摻更加顯著，而對抗壓強度的提升效果不如單摻明顯;綜合考慮混雜纖維自密實混凝土的工作性能以及早期拉壓強度，確定兩種纖維的混雜最優摻量分別為0.10%和0.12%;且由于纖維的摻入，混凝土的破壞形態明顯改善，由脆性破壞轉成塑性破壞，提高了混凝土的工程質量。

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（責任編輯：丁 寒，吳曉紅）