玄武巖纖維和聚乙烯醇纖維對河砂活性粉末混凝土性能的影響

姚宇飛

（武漢源錦商品混凝土有限公司，湖北 武漢 430000）

0 前言

活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，RPC）是 20世紀90年代由法國Bouygues公司成功研發(fā)的一種超高強、低脆性、耐久性優(yōu)異并具有廣闊應用前景的新型超高性能混凝土。傳統(tǒng)的RPC主要是由水泥、硅灰、石英砂、鋼纖維和高效減水劑等充分混合攪拌后，經高溫養(yǎng)護而制成，但其高昂的生產成本和復雜的制備工藝，制約RPC的發(fā)展和應用[1-3]。傳統(tǒng)RPC中的鋼纖維成本較高，且在鹽澤地、海洋等環(huán)境中存在銹蝕的風險，影響RPC結構的外觀美感、力學性能和耐久性。

玄武巖纖維（Basalt Fiber，BF）是一種硅酸鹽纖維，具有耐酸堿、耐高溫和耐沖擊等優(yōu)良性能。其密度小、成本較低、生產工藝綠色環(huán)保，可以更均勻地分散到混凝土基體中，可以替代鋼纖維用在腐蝕環(huán)境中[4]。鞠彥忠等[5]、何曉雁等[6]對玄武巖纖維活性粉末混凝土的基本性能進行了研究，認為12mm長BF合適的體積摻量為0.1%～0.2%。鄭遵暢[7]認為，12 mm長BF合適的體積摻量為1.5%。賈方方等[8]對比不同纖維活性粉末混凝土的基本性能，認為13 mm長BF合適的體積摻量為0.75%。在不同的試驗材料、配合比和養(yǎng)護制度等情況下，不同學者得到的BF最優(yōu)摻量不盡相同。

目前關于在RPC中纖維混雜效應的研究多集中于鋼纖維與一種或多種其它類型纖維的混雜[9-10]。李慧[4]研究了RPC中玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混雜效應，認為混摻纖維能夠提升RPC的抗壓、抗折強度，優(yōu)于單摻一種纖維。在RPC中鮮有關于玄武巖纖維和聚乙烯醇纖維（Polyvinyl Alcohol Fiber，PVAF）混雜效應的研究報道。

本文通過研究BF摻量對河砂RPC的工作性能和力學性能的影響，優(yōu)化BF的摻量；在此基礎上，探究BF和PVAF的混雜效應對河砂RPC性能的影響。希望為RPC的工程化應用提供一些參考。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：海螺P·O42.5水泥，比表面積380 m2/kg，28 d抗壓強度51.2MPa。粉煤灰：粉煤灰1（FA1），青電Ⅰ級，細度7.7%，燒失量1.85%；粉煤灰2（FA2），青電Ⅰ級，細度10.7%，燒失量1.43%。礦粉：武鋼新型建材S95級，比表面積422 m2/kg，28 d活性指數(shù)104%。硅灰：灰黑色，武漢陽邏產，硅灰1和硅灰2的比表面積（BET）分別為18 000、18 500 m2/kg。膠凝材料的表觀密度見表1。

表1 膠凝材料的表觀密度

減水劑：武漢源錦科技公司專配RPC用聚羧酸系高性能減水劑（PCE），密度1.03 g/cm3，PCE1和PCE2的含固量分別為19.0%、18.9%。

纖維：玄武巖纖維（2個批次，分別為BF1、BF2）和聚乙烯醇纖維，主要性能指標見表2。

表2 纖維的主要性能指標

河砂：武漢地區(qū)天然河砂，清洗烘干后，篩分成0.15～0.3 mm、0.3～0.6 mm、0.6～1.18 mm 和 1.18～2.36 mm 四個粒級。按照文獻[11]中試驗方法，試驗確定 0.15～0.3 mm、0.3～0.6 mm、0.6～1.18 mm和1.18～2.36 mm四個粒級河砂復配質量比為：0.16∶0.21∶0.27∶0.36 時，河砂達到最緊密堆積狀態(tài)。先后使用 2批次河砂，河砂1：表觀密度2630 kg/m3，最緊密堆積密度1720 kg/m3，最緊密堆積空隙率34.6%。河砂2：表觀密度2630kg/m3，最緊密堆積密度1745 kg/m3，最緊密堆積空隙率33.7%。

1.2 試驗方案和測試方法

按照文獻[12]中配合比設計方法設計河砂RPC的配合比。根據(jù)前期試驗確定[12]，在漿體富余系數(shù)n=1.4時，水膠比0.18的膠凝材料比例（質量比）為水泥45%、粉煤灰25%、礦粉15%、硅灰15%；水膠比0.16的膠凝材料比例（質量比）為水泥45%、粉煤灰30%、礦粉10%、硅灰15%。

試驗探究BF摻量和BF與PVAF混雜摻量（均為體積摻量）對河砂RPC的流動度、抗折強度和抗壓強度的影響。在此基礎上，制備RPC標準尺寸試件，進一步驗證和優(yōu)化河砂RPC的配合比。

攪拌方式：將纖維放入水中浸泡10 min，并適當攪拌，使其充分浸水；將水、纖維和膠材倒入攪拌鍋內先進行攪拌，待纖維分散均勻后，加砂再攪拌。根據(jù)纖維摻量的不同，攪拌時間為 10～20 min。

養(yǎng)護制度：帶模標養(yǎng)2 d，拆模后在20℃水中養(yǎng)護3 d，90℃熱水養(yǎng)護3 d，養(yǎng)護結束后隨環(huán)境自然冷卻至室溫，然后進行力學性能試驗。

BF摻量試驗和BF與PVAF混雜試驗測試RPC的流動度、抗折強度和抗壓強度，成型試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。標準尺寸試驗按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》測試RPC的坍落度和擴展度，按照GB/T 31387—2015測試RPC的力學性能，成型試件尺寸分別為100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm。

2 試驗結果與討論

2.1 BF摻量對河砂RPC性能的影響

在不同水膠比（W/B）情況下，研究BF摻量對河砂RPC性能的影響，試驗配合比見表3，測試結果分別見圖1、圖2，不同BF摻量的河砂RPC試件斷面形態(tài)見圖3。

表3 BF單摻試驗RPC的配合比（n=1.4）

圖1 BF摻量對RPC流動度的影響

圖2 BF摻量對RPC力學性能的影響

圖3 不同BF摻量的RPC試件斷面形態(tài)

從圖1可以看出，隨著BF摻量的增加，不同水膠比的RPC的流動度均呈指數(shù)式下降，且水膠比越低，流動度越小。當BF摻量超過0.5%后，RPC的流動度急劇下降。BF在RPC中本質上也是一種“骨料”，長徑比越大，比表面積越大，需要大量的漿體包裹，這樣用來保證RPC流動性的漿體量就減少。隨著BF摻量的增加，RPC的流動度下降越大。如圖1所示，PCE摻量的提高，對改善RPC的流動性效果不明顯。PCE摻量的提高，雖然改善了漿體的流動性，但這種改善效果弱于BF纖維摻量增加所帶來的BF對漿體束縛增強的負面效果。

從圖2可以看出，BF摻量對河砂RPC的抗折和抗壓強度的影響不是很大。BF是一種硅酸鹽纖維，是脆性材料，斷裂伸長率小[4]，與RPC基體結合也較緊密，所以單摻BF的RPC力學性能受基體本身的影響較大?；w的水膠比是一致的，所以RPC的抗折和抗壓強度變化不大。如圖3所示，河砂RPC的試件出現(xiàn)明顯的脆性破壞特征，斷面比較整齊。纖維的摻入及纖維摻量的增加，漿體黏度增大，內部氣泡排除困難，RPC的缺陷（如氣孔）逐漸增多、增大，而RPC的力學性能卻無明顯劣化。這說明BF對河砂RPC的韌性有一定的改善作用。

由圖1和圖2分析可得，當漿體富余系數(shù)n=1.4時，對于水膠比為0.18和0.16，合適的玄武巖纖維體積摻量為0.75%～1.00%。

2.2 BF與PVAF混雜對河砂RPC性能的影響

在BF摻量優(yōu)化的基礎上，當W/B=0.16，n=1.4時，選取不同摻量的PVAF分別與0.75%BF和1.00%BF進行混雜試驗，探究混雜效應對河砂RPC性能的影響，混雜試驗方案及配合比見表4，性能測試結果分別見圖4、圖5。

表4 BF與PVAF混雜試驗RPC的配合比

圖4 BF與PVAF纖維混雜對RPC流動度的影響

圖5 BF與PVAF纖維混雜對RPC力學性能的影響

由圖4可以看出，當PVAF摻量≤0.8%時，BF摻量越高，流動度越小；當PVAF摻量≥0.8%時，流動度繼續(xù)下降，此時BF摻量的變化對流動性影響不大。PCE摻量的提高，對新拌RPC的流動性改善效果不大。對比圖1和圖4，在纖維體積摻量（PVAF摻量≤0.8%）和PCE摻量相近的情況下，混雜纖維RPC的流動度大于單摻BF的RPC。PVAF是一種親水性材料，柔韌性好，對漿體的束縛力較小，且本試驗使用的PVAF的長度為9 mm，短于12 mm的BF，形成級配效應，所以混雜纖維的流動性好于單摻BF的。隨著PVAF摻量進一步增大（＞0.8%），混雜纖維對漿體的束縛力進一步增大，RPC的流動度急劇下降。

由圖5可見，BF與PVAF混雜RPC的力學性能優(yōu)于單摻BF的RPC。當BF摻量為0.75%時，隨著PVAF摻量的增加，河砂RPC的抗壓強度先提高后趨于平緩，抗折強度先提高后降低。此時合適的PVAF摻量為0.8%。當BF摻量為1.00%時，隨著PVAF摻量的增加，河砂RPC的抗壓和抗折強度先略降低后逐漸提高。當PVAF摻量超過0.8%后，抗折和抗壓強度變化平緩，此時RPC的流動性差，試件成型困難，內部缺陷增大、增多，不利于實際生產應用。此時合適的PVAF摻量也為0.8%。

2.3 標準尺寸試驗

在前期試驗基礎上，選取部分上述試驗優(yōu)化的配合比，按照GB/T 31387—2015成型標準尺寸試件。研究標準尺寸下纖維摻量和混雜對河砂RPC性能的影響，試驗配合比及性能測試結果見表5。1#、2#、3#標準尺寸試件的破壞形態(tài)見圖6。

表5 標準尺寸條件下河砂RPC的配合比及性能測試結果（n=1.4）

由表5可見：

（1）隨著水膠比的降低，RPC的坍落度和擴展度逐漸變?。粏螕紹F隨其摻量增加時，RPC的坍落度和擴展度也逐漸變小；BF與PVAF的混雜使得纖維對漿體束縛增強，導致RPC的工作性驟降，擴展度無法測試，幾乎沒有流動性。

（2）摻入纖維后，河砂RPC的抗折和抗壓強度符合GB/T 31387—2015中RPC120和RPC140的要求，且混雜纖維的力學性能優(yōu)于單摻纖維的。對比纖維摻量試驗和纖維混雜效應試驗等小尺寸試驗，標準尺寸試驗有明顯的“尺寸效應”。試件的尺寸增大，內部的薄弱點增大、增多，隨著纖維的摻入及摻量增加，標準尺寸試件的抗折強度逐漸提高。對于標準尺寸試件而言，纖維在薄弱區(qū)增韌和阻裂作用更加明顯，韌性改善效果較小尺寸試件更明顯。

（3）隨著水膠比的降低，基體的脆性增大，RPC的劈裂抗拉強度逐漸降低。單摻BF對RPC的抗拉強度有提升作用，但隨著水膠比降低及纖維摻量的增加，提升的效果減弱。BF與PVAF的混雜對RPC的劈裂抗拉強度有明顯的提升作用，且受水膠比的影響較小。9#試樣的工作性能太差，試件成型困難，缺陷較多，劣化了其力學性能。

圖 6 1#、2#、3#標準尺寸試件的破壞形態(tài)

由圖6可見，單摻BF雖然提升了河砂RPC的力學性能，對RPC的韌性有一定的改善作用，由于BF是一種脆性材料，所以2#試件的破壞形態(tài)與1#試件的一樣：明顯的脆性破壞，試件破壞后劇烈崩裂。3#試件在破型后，試塊完整性較好，PVAF粘連小碎屑，出現(xiàn)“碎而不散”的現(xiàn)象，說明BF與PVAF混雜后對河砂RPC的韌性有較明顯的改善作用。因此，當遇到地震、爆炸和強沖擊等極端情況時，BF與PVAF混雜的RPC在防止結構突然破壞、避免碎物傷人、延緩結構倒塌時間、減少人員傷亡和財物損失等方面，具有明顯的優(yōu)勢。

抗壓、抗折和劈裂抗拉強度本質上反映的是河砂RPC在單軸荷載情況下抵抗由豎向壓應力引發(fā)的橫向拉應力的能力。橫向拉應力引起混凝土內部微裂縫的萌生、擴展、連通，繼而導致結構的破壞[13]。

BF摻入RPC中能夠延緩微裂縫的萌生、擴展、連通，換言之，摻入纖維后，微裂縫的產生、擴展，乃至結構的破壞需要更多的能量。在宏觀上的表現(xiàn)即是摻入纖維后，河砂RPC的抗壓、抗折和劈裂抗拉強度均有不同程度的提高。然而BF是一種脆性材料，斷裂伸長率小[4]，且與RPC的基體結合也較緊密，受基體脆性的影響較大，所以BF-RPC的破壞多呈現(xiàn)脆性破壞特征。

由于PVAF較細且表面有親水羥基，斷裂伸長率較BF高，與基體黏結良好，纖維拔出過程會消耗較多的能量。BF與PVAF之間的混雜，具有良好的協(xié)同效應，在不同層次發(fā)揮增強、增韌和阻裂作用，在宏觀上表現(xiàn)為混雜纖維RPC的力學性能優(yōu)于單摻BF的RPC的性能。此外，由于PVAF極細，與BF混雜之后，在攪拌過程中形成“纖維連鎖”機制，使RPC裂縫間的纖維更難拔出，進一步起到增強增韌的作用[9]。

3 結論

（1）摻入BF能提升河砂RPC的力學性能，但RPC脆性破壞明顯，BF增韌效果有限。隨著BF摻量的增加，RPC的流動度呈指數(shù)式下降，PCE摻量的增加對改善RPC工作性作用不大。在漿體富余系數(shù)n=1.4時，水膠比為0.18和0.16的合適BF體積摻量均為0.75%。

（2）BF與PVAF具有良好的混雜協(xié)同效應，在不同層次發(fā)揮增強、增韌和阻裂作用，在宏觀上表現(xiàn)為混雜纖維RPC的力學性能優(yōu)于單摻BF的RPC。在W/B=0.16，n=1.4時，BF與PVAF混雜的合適的PVAF體積摻量為0.8%。

（3）在標準尺寸試驗情況下，摻入纖維后，當W/B=0.18時，河砂RPC的抗折強度和抗壓強度符合GB/T 31387—2015中RPC120的要求。當W/B=0.16時，河砂RPC的抗折強度和抗壓強度符合GB/T 31387—2015中RPC140的要求，且混雜纖維RPC的力學性能更優(yōu)異。