纖維單摻和混摻對(duì)高強(qiáng)混凝土抗壓和抗折強(qiáng)度影響★

閆淏軒，李可娜，劉靖陽(yáng)，張錦峰，馬俊騰，耿聞澤

(北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144)

高強(qiáng)混凝土是指在C60以上C100以下強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，其擁有出色的抗壓強(qiáng)度、抗變形能力等，但高強(qiáng)混凝土的韌性較差，容易使構(gòu)筑物發(fā)生脆性破壞，因此通過(guò)往其中加入纖維等材料來(lái)增強(qiáng)混凝土的韌性，纖維混凝土便應(yīng)運(yùn)而生。纖維混凝土是以水泥漿、砂漿或混凝土為基體，加入纖維組成的復(fù)合混凝土材料。而混雜纖維混凝土是指在混凝土中加入兩種或兩種以上不同纖維或不同幾何特性的同一品種纖維組成的纖維混凝土[1]。

玄武巖纖維作為一種新型無(wú)機(jī)纖維材料，因其具有良好的力學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，并且兼具高性?xún)r(jià)比等優(yōu)點(diǎn)，已成為國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)[2-4]。而單摻一定量的纖維對(duì)混凝土的阻裂、增韌性能有一定提高，但往往只能夠提高混凝土的某一種性能，具有一定的局限性，不能全方位、多角度改善混凝土的整體性能[5-6]。

因此，本文進(jìn)一步探究纖維的體積摻量對(duì)高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的增強(qiáng)效果，通過(guò)改變玄武巖纖維在混凝土中的體積摻量以及不同體積摻量的鋼纖維、玄武巖纖維相互混雜配制混凝土，研究纖維摻量對(duì)混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度的影響，選取其中的最佳體積摻量，并對(duì)比分析在同樣混凝土中，單摻和混摻對(duì)高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響因素。

1 試驗(yàn)

1.1 材料及配合比

實(shí)驗(yàn)材料包括：水泥、礦粉、粉煤灰、砂、石子、減水劑、玄武巖纖維和鋼纖維。混摻纖維是鋼纖維與玄武巖纖維混摻；鋼纖維是由贛州大業(yè)金屬纖維有限公司生產(chǎn)的；玄武巖纖維是由山東興茂工程材料有限公司生產(chǎn)的；纖維具體參數(shù)見(jiàn)表1,表2。該實(shí)驗(yàn)配比如表3,表4所示。

表1 鋼纖維具體參數(shù)

表2 玄武巖纖維具體參數(shù)

表3 玄武巖纖維混凝土配合比

表4 混摻纖維混凝土配合比

1.2 實(shí)驗(yàn)方法及內(nèi)容

混摻纖維混凝土必須通過(guò)充足的攪拌時(shí)間使纖維分布均勻，首先將水泥、砂、石子、礦粉、粉煤灰、減水劑干拌60 s，分別加入鋼纖維與玄武巖纖維，各攪拌60 s，最后加入合適的水量攪拌90 s。不同配比制備各制備3組，待試塊維護(hù)28 d后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?？箟涸噳K尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，抗折試塊尺寸為150 mm×150 mm×450 mm，以3組測(cè)定的平均值為測(cè)定值。

2 纖維單摻、混摻抗壓強(qiáng)度結(jié)果與分析

試塊采用的是C70高強(qiáng)混凝土配比，由圖1可知，基準(zhǔn)7 d抗壓強(qiáng)度為54.72 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為72.13 MPa，隨著玄武巖纖維的摻量不斷升高，抗壓強(qiáng)度普遍呈現(xiàn)出先增后降的趨勢(shì)。

如圖1所示，從7 d單摻玄武巖纖維抗壓強(qiáng)度的角度來(lái)看，在玄武巖纖維摻量為0.1%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最高為64.37 MPa，與同時(shí)期的基準(zhǔn)混凝土的抗壓強(qiáng)度相比提升約17.64%，7 d纖維混凝土抗壓強(qiáng)度的提升率普遍在0以上，說(shuō)明玄武巖纖維對(duì)混凝土早期強(qiáng)度有積極影響，效果也更加顯著。

如圖1所示，從28 d單摻玄武巖纖維抗壓強(qiáng)度的角度來(lái)看，混凝土抗壓強(qiáng)度整體趨勢(shì)為先增后降，在玄武巖纖維摻量為0.1%時(shí)達(dá)到最高點(diǎn)，抗壓強(qiáng)度為80.51 MPa，與基準(zhǔn)混凝土相比抗壓強(qiáng)度提高約11.6%，在玄武巖纖維摻量為0.2%時(shí)，抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度接近，而在玄武巖纖維摻量大于0.2%時(shí)，抗壓強(qiáng)度小于基準(zhǔn)強(qiáng)度，同時(shí)也小于C70混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，說(shuō)明在混凝土中添加過(guò)量的玄武巖纖維會(huì)導(dǎo)致混凝土的抗壓強(qiáng)度降低。

由圖1,圖2可見(jiàn)，當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.2%、鋼纖維摻量為1.0%時(shí)，試塊的抗壓強(qiáng)度最大為77.15 MPa，為抗壓強(qiáng)度下的最佳體積摻量，與基準(zhǔn)混凝土相比抗壓強(qiáng)度提高約6.95%。隨著玄武巖纖維摻量的不斷增加，試塊抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì)，在玄武巖纖維摻量為0.2%時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，相比摻量在0.1%,0.3%,0.4%的情況，強(qiáng)度分別提升約1.01%,16.80%,25.88%。而隨著鋼纖維摻量的不斷增加，試塊抗壓強(qiáng)度同樣呈現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì)，在鋼纖維摻量為1.0%的時(shí)候抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，對(duì)比之下，分別比摻量為0.8%,1.2%的情況提升約2.91%,7.07%。

在鋼纖維摻量為1.0%和玄武巖纖維摻量為0.2%之后，試塊的抗壓強(qiáng)度普遍有較大的降幅，尤其是C,D兩組，隨著玄武巖纖維摻量的增加，抗壓強(qiáng)度甚至比基準(zhǔn)混凝土的抗壓強(qiáng)度最多下降了22.89%，與此同時(shí)抗壓強(qiáng)度也隨著鋼纖維摻量的增加不斷下降。因此混摻纖維體積摻量過(guò)大時(shí)，會(huì)對(duì)抗壓強(qiáng)度有較大幅度的降低，特別是玄武巖纖維體積摻量的影響更大[7-8]。

如圖3所示，未添加纖維的高強(qiáng)混凝土在100 s時(shí)發(fā)生巨響并突然破壞，儀器所顯示的承載力出現(xiàn)驟降并迅速歸零的情況，發(fā)生脆性破壞，導(dǎo)致人民群眾的安全難以得到保證；在高強(qiáng)混凝土中加入纖維后，在承載力到達(dá)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)發(fā)出巨響，承載力則出現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)并伴隨著混凝土不斷崩裂的聲響，說(shuō)明在高強(qiáng)混凝土中加入纖維可以有效提升其的韌性，使其發(fā)生延性破壞，給人們反應(yīng)和逃生時(shí)間，使人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)更加安全。

3 纖維單摻、混摻抗折強(qiáng)度結(jié)果與分析

如圖4所示，抗折強(qiáng)度隨著玄武巖纖維摻量的增多而增大，整體抗折強(qiáng)度有了一定幅度的提升，單摻在玄武巖纖維摻量為0.4%時(shí)抗折強(qiáng)度達(dá)到了最大值為6.01 MPa，增幅達(dá)到了8.29%；在增大到摻量為0.1%之后，增速逐漸放緩，摻量為0.4%時(shí)的抗折強(qiáng)度比摻量為0.1%時(shí)的抗折強(qiáng)度僅增大0.1 MPa，增幅約1.7%。

如圖4,圖5所示，抗折強(qiáng)度隨著鋼纖維摻量的增加而增大，當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.4%、鋼纖維摻量為1.2%時(shí)，混凝土的抗折強(qiáng)度最大為6.31 MPa，增幅達(dá)到了13.69%。隨纖維摻量增多混凝土抗壓強(qiáng)度整體呈現(xiàn)向上趨勢(shì)，說(shuō)明增加混凝土中纖維摻量是可以不斷增大混凝土的抗折強(qiáng)度的。

根據(jù)計(jì)算可得隨著玄武巖纖維摻量的增加，抗折強(qiáng)度的增速不斷平緩，在玄武巖纖維摻量為0.1%時(shí)增幅最大為7.09%；在本實(shí)驗(yàn)配比下，平均每增加0.1%的玄武巖纖維體積摻量，抗折強(qiáng)度增大約為0.17 MPa。隨著鋼纖維摻量的增加，抗折強(qiáng)度的增速也在不斷平緩，在鋼纖維摻量為0.8%時(shí)平均增幅最大為7.70%；在本實(shí)驗(yàn)配比下，從鋼纖維摻量為0.8%開(kāi)始，平均每增加0.1%的鋼纖維體積摻量，抗折強(qiáng)度增大約為0.06 MPa。因此，對(duì)比來(lái)看在混摻中，玄武巖纖維比鋼纖維對(duì)高強(qiáng)混凝土抗折強(qiáng)度的影響更明顯。

4 纖維混凝土單摻、混摻分析對(duì)比

對(duì)比單摻玄武巖纖維和混摻鋼、玄武巖纖維的抗壓強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)單摻的最大抗壓強(qiáng)度比混摻的最大抗壓強(qiáng)度增大3.36 MPa，增幅約為4.36%。分析發(fā)現(xiàn)在高強(qiáng)混凝土中摻入過(guò)量的纖維會(huì)使其抗壓強(qiáng)度不升反降，查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知單摻鋼纖維的最佳體積摻量在0.5%～2%之間[9-10]，發(fā)現(xiàn)在抗壓強(qiáng)度方面混摻的最佳體積摻量與幾種單摻的最佳體積摻量較為接近；而混摻抗壓強(qiáng)度的下降驗(yàn)證纖維體積摻量增大到一定程度后會(huì)使抗壓強(qiáng)度不斷降低，且不同的實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)環(huán)境、儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)方法等都可能會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因此在本實(shí)驗(yàn)中從抗壓角度來(lái)說(shuō)單摻優(yōu)于混摻。

分析抗壓強(qiáng)度的提升，試塊承受液壓機(jī)豎直向下的作用力，隨著應(yīng)變的不斷增大，而整體的體積不變，會(huì)使試塊向水平方向形變，適量的纖維可以幫助試塊抵抗部分水平變形，從而使整體的抗壓強(qiáng)度有所提升；而當(dāng)纖維摻量繼續(xù)增加，可能會(huì)出現(xiàn)攪拌機(jī)無(wú)法攪拌均勻的情況，導(dǎo)致部分纖維聚集成團(tuán)，內(nèi)部產(chǎn)生空隙使強(qiáng)度降低；另外對(duì)于表3配合比的高強(qiáng)混凝土來(lái)說(shuō)，材料成分中含有大量的粗骨料，細(xì)骨料較少，當(dāng)長(zhǎng)度為6 mm的玄武巖纖維或是13 mm的鋼纖維混雜在其中時(shí)，由于纖維長(zhǎng)度較短，粗骨料相對(duì)較多，無(wú)法和混凝土充分結(jié)合，提升效果十分有限。對(duì)比資料發(fā)現(xiàn)[11-12]，當(dāng)玄武巖纖維長(zhǎng)度達(dá)到15 mm～20 mm之間時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大；通過(guò)查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)[13]，細(xì)骨料較多的混凝土，玄武巖纖維和鋼纖維對(duì)其提升更加顯著，可能是由于纖維與細(xì)骨料結(jié)合基本上不會(huì)產(chǎn)生大的空隙，結(jié)合效果更好，使纖維混凝土的整體性更加出色。

對(duì)比單摻玄武巖纖維和混摻鋼、玄武巖纖維的抗折強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)混摻的最大抗折強(qiáng)度比單摻的最大抗折強(qiáng)度增大0.3 MPa，增幅約為4.99%。纖維體積的不斷增大會(huì)使混凝土抗折強(qiáng)度不斷增大，但增幅會(huì)不斷放緩，整體纖維體積摻量較小時(shí)，混凝土抗折強(qiáng)度的提升較大；而通過(guò)大量增加纖維體積摻量從而增加抗折強(qiáng)度的方式性?xún)r(jià)比較低，在本實(shí)驗(yàn)中從抗折角度來(lái)說(shuō)混摻優(yōu)于單摻。

單摻玄武巖纖維從抗折強(qiáng)度來(lái)看，玄武巖纖維摻量為0.4%時(shí)的抗折強(qiáng)度比摻量為0.1%時(shí)的抗折強(qiáng)度僅增大0.1 MPa，增幅約1.7%；但從抗壓強(qiáng)度來(lái)看，玄武巖纖維摻量為0.4%時(shí)的抗折強(qiáng)度比摻量為0.1%時(shí)的抗折強(qiáng)度降低15.26 MPa，降幅約23.39%，因此綜合抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，本實(shí)驗(yàn)中單摻玄武巖纖維的最佳摻量為0.1%。

混摻鋼-玄武巖纖維從抗折角度來(lái)看，摻量為玄0.4%、鋼1.2%時(shí)比摻量為玄0.2%、鋼1%時(shí)的抗折強(qiáng)度增大0.17 MPa，增幅約2.77%；但從抗壓強(qiáng)度來(lái)看，摻量為玄0.4%、鋼1.2%時(shí)比摻量為玄0.2%、鋼1%時(shí)的抗壓強(qiáng)度降低21.52 MPa，降幅約38.87%，因此綜合抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，本實(shí)驗(yàn)中混摻鋼-玄武巖纖維的最佳摻量為玄0.2%、鋼1%。

5 結(jié)論

1)本實(shí)驗(yàn)在高強(qiáng)混凝土摻入玄武巖纖維發(fā)現(xiàn)，在摻量為0.1%時(shí)抗壓強(qiáng)度最大為80.51 MPa，最大增幅為11.62%；在摻量為0.4%時(shí)抗折強(qiáng)度最大為6.01 MPa，最大增幅為8.29%，綜合來(lái)看最佳體積摻量為0.1%的玄武巖纖維，而摻入過(guò)多玄武巖纖維會(huì)導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度大幅度下降。2)本實(shí)驗(yàn)在高強(qiáng)混凝土中混摻鋼纖維和玄武巖纖維發(fā)現(xiàn)，在鋼1.0%、玄0.2%時(shí)抗壓強(qiáng)度最大為77.14 MPa，最大增幅為6.95%；在鋼1.2%、玄0.4%時(shí)，抗折強(qiáng)度最大為6.31 MPa，最大增幅為13.69%，綜合來(lái)看最佳體積摻量為1.0%的鋼纖維和0.2%的玄武巖纖維。3)在高強(qiáng)混凝土中摻入過(guò)量纖維會(huì)導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度大幅度下降；抗折強(qiáng)度在纖維摻量增大時(shí)會(huì)不斷增大，但增速不斷放緩接近臨界值；本實(shí)驗(yàn)中單摻的最大抗壓強(qiáng)度大于混摻的最大抗壓強(qiáng)度，增幅約為4.36%，混摻的最大抗折強(qiáng)度大于單摻的最大抗折強(qiáng)度，增幅約為4.99%。