不同纖維對深部隧道混凝土強度和耐磨性能的影響研究

劉有建

一、引言

隨著我國經(jīng)濟實力日益提升，尤其是隧道工程的迅速發(fā)展，我國城市地下隧道的數(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)境對混凝土材料提出了不一樣的需求。尤其是近年來惡劣氣候環(huán)境頻現(xiàn)，特大暴雨使得我國多座城市經(jīng)歷澇災(zāi)，已嚴(yán)重威脅城市發(fā)展，“海綿城市”概念應(yīng)運而生，即采用地下深部排水隧道進行雨、洪水調(diào)蓄。當(dāng)雨季來臨時，洪水對隧道內(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度和耐磨性能作為研究對象，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)量取代河砂和機制砂，研究了石灰石粉摻量對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混凝土7d齡期的耐磨性能不會造成很大影響，但是對再生混凝土后期（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礦物摻合料、集料、水膠比等配合比優(yōu)化設(shè)計上，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，研究其對混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度以及耐磨性能的影響。

二、試驗原材料及試驗方法

1.試驗原材料與配合比

本試驗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)級配的碎石；細(xì)骨料為蕪湖中慶實業(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；實驗所用鋼纖維（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，外觀見圖1（a），其性能指標(biāo)見表1；實驗所用玄武巖纖維（BF）是貴州石鑫玄武巖科技有限公司生產(chǎn)的長度為15mm的玄武巖纖維，外觀見圖1（b），其性能指標(biāo)見表2；實驗所用木質(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℃（短時間可達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混凝土的試驗基礎(chǔ)上，試驗研究采用的混凝土配合比見表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，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混凝土強度和耐磨性能的影響。

表3 混凝土基準(zhǔn)配合比

立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度試件尺寸為100mm×100mm×100mm，測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)性能測試方法依照標(biāo)準(zhǔn)GB/T50081-2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，耐磨性能測試方法依照標(biāo)準(zhǔn)JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》。

三、試驗結(jié)果與分析

1.纖維對混凝土力學(xué)性能的影響

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

圖2 鋼纖維摻量對混凝土強度的影響

如圖2（a）所示，隨著鋼纖維體積摻量的增加，混凝土抗壓強度逐漸增大，當(dāng)鋼纖維摻量較大時，鋼纖維摻量越大，混凝土抗壓強度增長速度減緩。如當(dāng)鋼纖維體積摻量從0%增加至0.5%時，混凝土28d抗壓強度從68.5MPa增加至76.1MPa，抗壓強度增大了11.1%；但當(dāng)鋼纖維體積摻量從1.0%增加至1.5%時，混凝土28d抗壓強度從77.2MPa增加至78.6MPa，抗壓強度增大了1.8%，增長速率明顯降低。如圖2（b）所示，鋼纖維對混凝土劈裂抗拉強度的影響規(guī)律與其對抗壓強度的影響規(guī)律基本一致，隨著鋼纖維體積摻量的增大，混凝土劈裂抗拉強度也逐漸增大。同樣，鋼纖摻量越大，混凝土劈裂抗拉強度增長速度也減緩，當(dāng)鋼纖維體積摻量從0%增加至0.5%、1.0%、1.5%時，混凝土56d劈裂抗拉強度從5.06MPa分別增加至5.71MPa、5.88MPa、5.99MPa，劈裂抗拉強度分別增大了12.8%、3.0%、1.9%，強度增長速率明顯降低了。原因在于當(dāng)混凝土中少量摻入鋼纖維時，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度和劈裂抗拉強度，但當(dāng)鋼纖維摻量繼續(xù)增大時，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，抗壓強度曲線趨于平緩，說明玄武巖纖維對混凝土抗壓強度的影響不大，當(dāng)玄武巖纖維體積摻量為0.2%時，混凝土28d抗壓強度最大，僅比未摻纖維的混凝土抗壓強度提升0.3%，幾乎沒有增長；當(dāng)玄武巖纖維體積摻量為0.3%時，混凝土56d抗壓強度最大，也僅比未摻纖維的混凝土抗壓強度提升4.5%。當(dāng)繼續(xù)增大玄武巖纖維摻量至0.4%時，混凝土抗壓強度反而減小。

圖3 玄武巖纖維對混凝土強度的影響

如圖3（b）所示，玄武巖纖維的摻入對混凝土早期劈裂抗拉強度產(chǎn)生負(fù)影響，隨著養(yǎng)護齡期的增長，纖維逐漸起到增強效果，當(dāng)玄武巖纖維體積摻量為0.3%，混凝土56d劈裂抗拉強度最大，繼續(xù)增加玄武巖纖維摻量至0.4%時，混凝土56d劈裂抗拉強度發(fā)生降低。究其原因，還可能是由于本試驗用的15mm玄武巖纖維長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度應(yīng)小于15mm。而玄武巖纖維由于其有較大的抗拉強度，因此摻入玄武巖纖維后對混凝土的劈裂抗拉強度改善效果更明顯，但總體改善效果不及鋼纖維。

圖4 木質(zhì)素纖維對混凝土強度的影響

如圖4（a）所示，與玄武巖纖維對混凝土抗壓強度影響規(guī)律相一致，木質(zhì)素纖維對混凝土抗壓強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，混凝土抗壓強度呈增大的趨勢，并且當(dāng)木質(zhì)素纖維體積摻量為0.9%時，混凝土抗壓強度最大。這是因為木質(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纖維，使得木質(zhì)素纖維具有一定的保水性，能夠為膠凝材料水化提供充足的水分，使混凝土抗壓強度增加，但因為木質(zhì)素纖維自身強度低，剛度小，對混凝土的貢獻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度，但提升效果一般，當(dāng)木質(zhì)素纖維體積摻量為0.6%時，混凝土56d劈裂抗拉強度最大，相較于未摻纖維混凝土劈裂抗拉強度增大了10.5%。原因是木質(zhì)素纖維在混凝土中分散比較均勻，能形成一個空間網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)，使得其具有良好的增強功能，所以混凝土劈裂抗拉強度有所增加，但同樣由于其強度、剛度較小，因而限制了其對混凝土劈裂抗拉強度的提升。

2.纖維對混凝土耐磨性能的影響

根據(jù)試驗結(jié)果，圖5、圖6以及圖7給出了各種不同纖維摻量對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)摻入混凝土后對其耐磨性能的影響規(guī)律。由圖可知，未摻入鋼纖維時，混凝土單位面積磨損量最大，達到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)鋼纖維摻量過大時，混凝土耐磨性能改善效果變差。鋼纖維摻量為0.5%時，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，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，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)，本試驗條件下，當(dāng)鋼纖維摻量為0.5%時，混凝土單位面積磨損量達到最佳值，其耐磨性能最優(yōu)。

圖5 鋼纖維摻量對混凝土耐磨性能的影響

在鋼纖維混凝土磨損試驗過程中，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，增強了混凝土的強度和韌性，水泥漿體在硬化后能較好地包裹住鋼纖維，使其成為一個不易被破壞的整體；同時由于鋼纖維針狀結(jié)構(gòu)，在混凝土中起到阻裂作用，并且在磨損過程中，混凝土表面原材料逐漸被磨耗，露出鋼纖維出來，在與花輪刀片接觸過程中能有效緩解花輪刀片對混凝土的磨損作用，減緩了混凝土磨耗過程，從而有效提高了混凝土的耐磨性。但當(dāng)鋼纖維摻量過大時，混凝土密實度降低，孔隙率增大，使混凝土耐磨性能降低。

圖6 玄武巖纖維摻量對混凝土耐磨性能的影響

如圖6所示，可見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。當(dāng)摻入體積分?jǐn)?shù)0.2%的玄武巖纖維到混凝土中時，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%，說明在本試驗條件下，玄武巖纖維摻入混凝土中對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，其影響規(guī)律與鋼纖維、聚丙烯纖維一致，過量玄武巖纖維的摻入會對混凝土耐磨性能產(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，木質(zhì)素纖維能大大改善混凝土耐磨性能，并且在本試驗條件下，當(dāng)木質(zhì)素纖維摻量為0.3%時，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%，此時改善效果最佳。

綜上三種纖維單摻入混凝土中對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，鋼纖維對混凝土耐磨性能改善效果最差。

四、結(jié)語

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，混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度增逐漸增大，但增長速率逐漸減緩；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，并且當(dāng)鋼纖維體積摻量為0.5%時，混凝土耐磨性能最好。

2.玄武巖纖維和木質(zhì)素纖維對混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律基本一致，其對混凝土力學(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，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，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，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度和耐磨性能。其中鋼纖維對力學(xué)性能提升效果最好，玄武巖纖維和木質(zhì)素纖維對力學(xué)性能的改善效果基本一致；三種纖維對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。