基于不同水膠比摻入多種纖維的復合混凝土3種性能測試研究

劉 巍

(濟南市工程質量與安全中心，山東 濟南 250102)

眾多學者通過試配、計算和模擬等方法來制備高性能混凝土，研究了石灰石粉作摻合料對混凝土工作性能的影響，并與粉煤灰的效果相對比[1]；通過試驗得出相比于干陶粒和預濕陶粒，經過憎水處理的陶粒配制的混凝土在比較低的用水量的情況下，有比較高的坍落度和經時坍落度保留值[2]；分析了粉煤灰摻量和硅灰摻量等對自密實輕骨料混凝土拌合物工作性的影響[3]；通過設計不同的強度配合比、橡膠摻量等試驗變量，研究了廢舊橡膠混凝土拌合物的工作性能[4]；礦物摻合料和減水劑等對高強輕集料混凝土工作性能的影響[5]；基于不同配合比進行了混凝土流動性的對比試驗測試[6]；粗細集料體積比、細集料與水泥漿體體積比等體積參數(shù)對道路混凝土工作性能的影響[7]；采用礁石粉取代部分水泥時，對比研究了礁石粉對超高強混凝土流變性能、流動度和強度的影響[8]；通過實驗得出通過水灰比以及纖維素醚摻量等參數(shù)的優(yōu)化，可以制備工作性好的EPS輕骨料混凝土[9]；預吸水和表面裹漿法2種輕骨料預處理工藝對自密實輕骨料混凝土拌合物工作性能的影響[10]；通過研究干燥狀態(tài)再生細骨料和飽和面干再生細骨料在再生混凝土中的摻量變化對再生混凝土工作性的影響[11]；膠凝材料用量和礦物摻合料對大流動性的高強輕集料混凝土工作性能的影響[12]；進行了粉煤灰、硅灰、礦粉的單摻和復摻輕骨料混凝土工作性能對比試驗[13]；自密實輕骨料混凝土工作性能和力學性能的影響因素[14]；通過工作性能試驗，分析了硅灰對塑性混凝土工作性能和強度的影響[15]；分析了玻化微珠性能和摻和料用量對玻化微珠承重保溫混凝土工作性能的影響[16]；低膠材聚羧酸混凝土工作性能的影響規(guī)律[17]；雙摻礦物摻合料條件下的纖維摻量對聚丙烯纖維混凝土的坍落度的影響[18]。

上述學者以提升混凝土的工作性能為目的，通過摻入不同礦物摻合料來配制高性能混凝土。本文采取相同的方法，選擇目前活性較好的2種纖維材料：玄武巖纖維和聚乙烯纖維作為摻合料，分別摻入不同的摻量來分析纖維種類、纖維摻量對混凝土工作性能的影響。在配制混凝土試塊的過程中，調試不同的水膠比來分析混凝土工作性能與水膠比的關系。通過試驗得到3個變量的最優(yōu)解，為高性能混凝土的研發(fā)提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 原材料

(1)水泥：天津市北辰區(qū)興寶建材銷售中心生產的P·O42.5水泥，其主要化學組成如表1所示；

(2)砂：江西柏立松科技環(huán)保設備制造有限公司生產，粒級約為0～15 mm；

(3)石：江西柏立松科技環(huán)保設備制造有限公司生產，粒級約為15～30 mm；

(4)玄武巖纖維：由常州路必思新材料科技有限公司提供，直徑約14 μm；

(5)聚乙烯纖維：由常州路必思新材料科技有限公司提供，直徑約9 μm；

(6)水：自來水；

(7)根據上述基本原材料，對混凝土進行配制，其配合比如表2所示。

表1 水泥化學組成Tab.1 Chemical composition of cement

表2 混凝土配合比Tab.2 Concrete mix proportion

1.2 試驗方法

根據國家標準制備標準立方體混凝土試塊，并對混凝土試件進行標準養(yǎng)護：溫度20 ℃，相對濕度在95%以上。在混凝土中摻入不同含量的玄武巖纖維和聚乙烯纖維并配制不同水膠比的混凝土試塊。通過北京天連和諧儀器儀表有限公司生產的坍落度測試儀測量纖維混凝土的坍落度變化；通過含水率計算公式計算混凝土的吸水率，即可得出混凝土的開孔孔隙比；在二氧化碳濃度為20±0.05%的環(huán)境下，由南京安奈試驗設備有限公司生產的碳化箱對纖維混凝土進行碳化，分析纖維混凝土的碳化深度的變化。

2 坍落度的影響

在混凝土中摻入不同質量分數(shù)的玄武巖纖維和聚乙烯纖維，分析混凝土坍落度隨纖維摻量及水灰比的演變關系，結果如圖1所示。

(a)玄武巖纖維

由圖1可知，隨著2種纖維摻量的逐漸增加，混凝土的總體坍落度值逐漸下降。在低水灰比下，2種纖維對混凝土的坍落度損失卻不太相同。玄武巖纖維混凝土的坍落度下降率隨著摻量的增加，而逐漸增加；聚乙烯纖維混凝土的坍落度下降率隨著摻量的增加，而先增加后減小，臨界點為2%。對于同一摻量下，聚乙烯纖維對混凝土的作用要略優(yōu)于玄武巖纖維，如當水灰比為0.55，纖維摻量為2%時，玄武巖纖維混凝土的坍落度為41.2 mm，聚乙烯纖維混凝土的坍落度為40.9 mm。這是因為2種纖維類材料的直徑比都很小，能夠填充至混凝土的內部孔隙中，從而密實混凝土，降低混凝土的坍落度；另一方面，玄武巖纖維的直徑比聚乙烯纖維要略大，因此在相同的纖維摻量下，聚乙烯纖維能夠更好的填充混凝土內部的孔隙，提升混凝土的性能。

在同一纖維摻量下，混凝土的坍落度隨著水灰比的增加而逐漸增加；混凝土的坍落度增長率也隨著水灰比的增加而逐漸增加。這是因為混凝土的水灰比越大，即水分含量也就越大，混凝土的流動性也就越大，坍落度也就越大。因此，在配制混凝土時，不宜使用過量的水灰比。

3 吸水率的變化

在混凝土中摻入不同質量分數(shù)的玄武巖纖維和聚乙烯纖維，分析混凝土吸水率隨纖維摻量及水灰比的演變關系，具體如圖2所示。

(a)玄武巖纖維

由圖2可知，隨著2種纖維摻量的逐漸增加，混凝土的總體吸水率值逐漸下降。在同一摻量下，聚乙烯纖維對混凝土的作用要略優(yōu)于玄武巖纖維，如當水灰比為0.55，纖維摻量為2%時，玄武巖纖維混凝土的吸水率為22.4%，聚乙烯纖維混凝土的吸水率為22.1%。可見，適量的纖維摻量能夠降低混凝土吸水率，即孔隙率；而過高的纖維雖然也能夠降低混凝土的吸水率，但吸水率的減少速率下降，性價比不高。因此建議在混凝土中摻入的玄武巖纖維和聚乙烯纖維的最佳摻量為2%。這主要是因為玄武巖纖維和聚乙烯纖維屬于纖維類材料，能夠與水泥中的化學成分發(fā)生反應，從而加快火山灰反應，降低混凝土的孔隙率；另一方面，聚乙烯纖維的直徑比玄武巖纖維要小，因此在相同的纖維摻量下，聚乙烯纖維能夠更好的填充混凝土內部的孔隙，提升混凝土的性能。

在同一纖維摻量下，混凝土的吸水率隨著水灰比的增加而逐漸增加；混凝土的吸水率增長率也隨著水灰比的增加而逐漸增加。這是因為混凝土的水灰比越大，即水分含量也就越大，相對來說水泥的含量越少，混凝土的孔隙比也就越大。

4 碳化深度的變化

在混凝土中摻入不同含量的玄武巖纖維和聚乙烯纖維，分析混凝土碳化深度隨纖維摻量及水灰比的演變關系，結果如圖3所示。

(a)玄武巖纖維

由圖3可知，隨著2種纖維摻量的逐漸增加，混凝土的總體碳化深度值逐漸下降。隨著2種纖維摻量的增加，混凝土的碳化深度的下降率先逐漸增加而后下降。從圖3還可以看出，在摻量為2%時，混凝土的碳化深度變化率達到最大。在同一摻量下，聚乙烯纖維對混凝土的作用要略優(yōu)于玄武巖纖維，如當水灰比為0.55，纖維摻量為2%時，玄武巖纖維混凝土的碳化深度為16 mm，聚乙烯纖維混凝土的碳化深度為14 mm；因此，建議在混凝土中摻入2%聚乙烯纖維。出現(xiàn)這一變化規(guī)律主要是因為玄武巖纖維和聚乙烯纖維屬于活性材料，能夠與水泥中的化學成分發(fā)生反應，加快火山灰反應，提高混凝土的自密實性能；另一方面，當混凝土的孔隙已經被填滿時，過量的纖維摻入便不能夠完全發(fā)揮作用，纖維對混凝土的碳化深度不會產生明顯的改變。

在同一纖維摻量下，混凝土的碳化深度隨著水灰比的增加而逐漸增加；混凝土的碳化深度增長率也隨著水灰比的增加而逐漸增加。這是因為混凝土的水灰比越大，即水分含量也就越大，相對來說水泥的含量越少，混凝土的孔隙比也就越大，越容易受到碳化作用的影響。

5 結語

本文通過在混凝土中摻入不同質量分數(shù)的玄武巖纖維和聚乙烯纖維、調試不同水膠比來分析這3種因素對混凝土的坍落度、吸水率和抗碳化能力的影響。

(1)在低水灰比的情況下，玄武巖纖維對混凝土坍落度的影響規(guī)律與聚乙烯纖維不同；

(2)2種纖維均能夠提高混凝土的工作性能，但過高的纖維對混凝土的影響不大；

(3)過高的水灰比使得混凝土的工作性能下降；而過低的水灰比則會使混凝土的流動性越差，不宜施工。

因此得出2種纖維的最佳摻量均為2%，混凝土的最佳水膠比為0.55。當水灰比為0.55、纖維摻量為2%時，玄武巖纖維混凝土的坍落度為41.2 mm、吸水率為22.4%、碳化深度為16 mm；聚乙烯纖維混凝土的坍落度為40.9 mm、吸水率為22.1%、碳化深度為14 mm。