高韌性纖維混凝土材料及應(yīng)用性能研究*

段丹丹，井瑋罡

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710018）

混凝土是一種常見的建筑材料，近年來，隨著混凝土材料強度的提高，其抗變形能力差、抗?jié)B透性差等缺點限制了混凝土的使用。因此，關(guān)于高韌性纖維混凝土材料（UHTCC）的研究成為現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的一個焦點。對此，許多學(xué)者進行了研究。例如，段小芳等[1]通過摻入不同體積摻量的碳纖維對混凝土進行改性，并研究強度變化規(guī)律。實驗結(jié)果表明，在材料中摻入一定量的碳纖維，可以使28d 齡期試件韌性得到提升，特別是摻入0.6%體積率碳纖維時，材料的強度到達峰值。鄧宗才等[2]則通過優(yōu)化纖維混凝土的攪拌工藝，制備了一種聚乙烯醇（PVA）纖維混凝土，并研究其力學(xué)性能以及彎曲韌性。實驗結(jié)果表明，當PVA 纖維摻量為4.5kg·m-3和7.5kg·m-3時，纖維分散性較好，材料性能良好。除了傳統(tǒng)的鋼纖維、碳纖維以及PVA 纖維之外，賈靜恩等[3]則采用玄武巖纖維改性混凝土孔隙結(jié)構(gòu)，并通過劈裂拉伸等實驗對其性能進行研究。實驗結(jié)果表明，通過在混凝土中摻入玄武巖纖維對材料進行改性，可以增強材料基體間的黏結(jié)作用，提高材料韌性。以上學(xué)者的研究為纖維改性混凝土提供了參考，然而，在提高材料韌性、降低成本等方面還有研究空間?；诖?，考慮到聚丙烯（PP）纖維具備高強度、高韌性且更低成本的特點，本實驗制備了一種PP-UHTCC 材料，在優(yōu)化其材料配比參數(shù)的同時，通過抗壓抗折強度測試、微觀分析以及電通量法研究其性能。

1 實驗部分

1.1 材料與設(shè)備

PP 纖維（AR 泰安市隆通土工材料，長度6、8、12mm，直徑20、30、45μm）；P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥（安徽徽麗化工）、粉煤灰（石家莊安百礦業(yè)）、細骨料河砂（石家莊金仁礦產(chǎn)品，粒徑0.3~0.6mm），均為工業(yè)純；聚羧酸減水劑（湖南中巖建材）、無水NaCl（鄭州利準化工）、無水NaOH（滄州昊信化工），均為分析純。

BMB224 型電子天平（佛山市中淮衡器）；DYE-300B 型水泥試驗機（河北樹仁儀器設(shè)備）；JW350 型水泥攪拌機（滎陽市達凱建筑機械廠）；NLD-3 型流動度測定儀（滄州精銳達試驗儀器）；0～300mm 量程游標卡尺（重慶愛測易檢測技術(shù)）；ST-H3000MD 型三維數(shù)字顯微鏡（深圳市盛天儀器）。

1.2 實驗方法

1.2.1 配合比設(shè)計 本實驗主要探究以PP 纖維為主的高韌性纖維混凝土材料，表1 為材料的初步配合比方案[4，5]。以表1 的初步配比為基礎(chǔ)，在其他因素不變的情況下，分別改變纖維直徑、長度、摻量、河砂粒徑和粉煤灰摻量，研究各因素對材料性能的影響。

1.2.2 高韌性纖維混凝土（UHTCC）的制備

（1）在攪拌機中加入適量水、普通硅酸鹽水泥以及粉煤灰，保證此時水膠比為0.25，攪拌2min 至黏稠狀態(tài)。

（2）在攪拌機中再次加入適量水，然后加入適量減水劑，設(shè)置攪拌時間為3min，然后在攪拌過程中緩慢加入適量的PP 纖維，充分混合均勻。

（3）再加入稱量好的細骨料河砂以及剩余的水和減水劑，繼續(xù)攪拌3min，獲得高韌性纖維混凝土砂漿。

（4）將獲得的混凝土砂漿倒入模具中，然后振實排出混凝土砂石漿內(nèi)部的氣泡。

（5）用抹灰刀抹平試件表面多余的漿料，然后用保鮮膜封口，在恒溫恒濕的養(yǎng)護室放置2d。

（6）脫模，然后在室溫環(huán)境下繼續(xù)養(yǎng)護20d，最后貯存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 性能測試

1.3.1 強度測試 通過混凝土強度試驗機對試件進行測試，實驗中，試件的尺寸為40×40×160mm，在抗壓、抗折強度測試時，設(shè)置加載速率分別為100、50N·s-1，加載頻率為60 次·s-1。

1.3.2 流動度測試 通過水泥膠砂流動度測定儀和游標卡尺對水泥砂漿進行實驗，設(shè)置跳臺跳動指數(shù)為25。

1.3.3 微觀形貌分析 通過三維數(shù)字顯微鏡對抗折實驗中的試樣斷裂截面形貌進行微觀分析。

1.3.4 耐久性分析 將尺寸為50×100mm 的圓柱形試件放在實驗容器中，其中，以0.3mol·L-1的NaOH溶液作為陽極溶液，以10%的NaCl 溶液作為陰極溶液，然后在60V 的直流電場環(huán)境下通電7h，最后，通過比較試件的電通量情況分析材料的耐久性[6]。

攻城的鬼子是真瘋了，在天上飛機，地上大炮配合下，冒著大雨，從衢州火車站方向，對南門陣地接二連三發(fā)動了聯(lián)隊級別的攻勢。一千多米的扇面陣地上，血水染紅了整個表體，上千具日軍的尸體倒臥在泥漿地里。

2 結(jié)果與討論

2.1 試件材料優(yōu)化

2.1.1 纖維直徑優(yōu)化 根據(jù)1.2.1 中表1 的初步配合比方案，在其他條件不變的情況下，改變PP 纖維直徑分別為20、30 和45μm，并通過1.3.1 以及1.3.2中的方法對養(yǎng)護7d 的試件進行測試，結(jié)果見表2。

表2 纖維直徑優(yōu)化實驗結(jié)果Tab.2 Test results of fiber diameter optimization

由表2 可見，當試件中的PP 纖維直徑從20μm增加到45μm 時，材料各強度呈現(xiàn)先增加后減小的現(xiàn)象。當在材料中摻入直徑30μm 的PP 纖維時，其抗壓強度以及抗折強度最大，分別為35.9MPa、6.9MPa；然而，對于不同纖維直徑的試件，其抗壓、抗折強度數(shù)據(jù)均波動較小，這表明PP 纖維直徑的大小對混凝土試件抗壓、抗折強度的影響較小，這種現(xiàn)象的主要原因是，纖維直徑的大小變化是以μm 為變化單位，因此纖維直徑變化較小，對材料強度的影響較小。在水泥砂漿流動性方面，當PP 纖維直徑為20 和30μm 時，流動度分別為230 和225mm，變化幅度不大；但當PP 纖維直徑為45μm 時，流動度下降至170mm，下降幅度較大。這表明在纖維體積摻量一定時，混凝土砂漿的流動性會隨著纖維直徑的增大而降低，這種現(xiàn)象主要與纖維成團交纏在一起有關(guān)。所以，當在材料中摻入的PP 纖維直徑過大時，會降低UHTCC 的流動性。綜合來看，選擇合適的PP 纖維直徑為30μm[7，8]。

2.1.2 纖維長度優(yōu)化 根據(jù)1.2.1 中表1 的初步配合比方案，在其他條件不變的情況下，改變PP 纖維長度分別為6、8 和12mm，并通過1.3.1 以及1.3.2中的方法對養(yǎng)護7d 的試件進行測試，結(jié)果見表3。

表3 纖維長度優(yōu)化實驗結(jié)果Tab.3 Test results of fiber length optimization

由表3 可見，當材料中摻入的PP 纖維長度從6mm 升到12mm 時，試件的各強度性能出現(xiàn)先增后減的變化，而流動度呈下降趨勢，這表明過長的PP纖維摻入混凝土，會降低UHTCC 的流動性。當PP纖維長度為8mm 時，抗壓強度和抗折強度達到峰值，分別為35.8MPa 和6.2MPa，此時，水泥砂漿的流動性也較好，為210mm。因此，選擇合適的PP 纖維長度為8mm。

2.1.3 纖維摻量優(yōu)化 根據(jù)1.2.1 中表1 的初步配合比方案，保持其他條件不變，改變PP 纖維摻量分別為0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%和3%，然后測試各試件的抗壓、抗折強度以及水泥砂漿的流動性，其中，當PP 纖維摻量為3%時，由于無法成型，故無法測得相應(yīng)數(shù)據(jù)，其他試件實驗結(jié)果見圖1。

圖1 纖維摻量優(yōu)化實驗結(jié)果Fig.1 Test results of fiber content optimization

由圖1 可見，當材料中的PP 纖維摻量從0.5%增加到2.5%時，試件的抗折強度先增大然后逐漸趨于平穩(wěn)，而在抗壓強度方面，則出現(xiàn)先增后減的變化；當PP 纖維摻量為2%時，試件抗折強度達到上升拐點，為6.5MPa，此后上升幅度較平緩，而此時的抗壓強度曲線則達到最大值，為33.8MPa，此后抗壓強度出現(xiàn)大幅度下降；當PP 纖維摻量增加時，水泥砂漿的流動性在最初時出現(xiàn)緩慢下降的趨勢，其中，當PP 纖維摻量為2%時，流動度為196mm，此后，流動性迅速下降至163mm，下降幅度為16.8%。出現(xiàn)這些現(xiàn)象的原因是，當在混凝土材料受到外部應(yīng)力時，材料基體中的PP 纖維可以起到承載作用，分散消耗能量，因此，摻入適量的PP 纖維可以增加材料的抗壓、抗折強度。但是，PP 纖維的摻入會降低水泥砂漿的流動性能，并且當其摻量過高時，混凝土會出現(xiàn)無法攪動成型的情況，纖維會團聚打結(jié)現(xiàn)象也會隨著纖維摻量的增加而增多，從而導(dǎo)致材料的力學(xué)性能和流動性能降低[9，10]。因此，最佳PP 纖維摻量為2%。

2.1.4 砂膠比優(yōu)化 根據(jù)1.2.1 中表1 的初步配合比方案，選擇0.3%、0.5%、0.7%和0.9% 4 種砂膠比進行實驗，然后根據(jù)各試件的強度實驗分析材料折壓比情況，結(jié)果見圖2。

圖2 砂膠比對折壓比的影響Fig.2 Influence of sand-binder ratio on compression ratio

由圖2 可見，當砂膠比從0.3%逐漸增大到0.9%時，折壓比先平穩(wěn)然后下降再趨于平穩(wěn)，其下降拐點的砂膠比為0.5%。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，試件中砂的含量會在一定程度上降低材料的韌性，并且當砂含量過高時，材料內(nèi)部易產(chǎn)生氣泡等缺陷，降低材料性能，同時，也會降低水泥砂漿的流動性能，因此，當材料中的砂膠比大于0.5%時，試件韌性出現(xiàn)降低的現(xiàn)象[11，12]。因此，本實驗選擇合適的砂膠比為0.5%左右。

2.1.5 粉煤灰摻量優(yōu)化 根據(jù)1.2.1 中表1 的初步配合比方案，在其它條件不變的情況下，選擇25%、45%、65%和85% 4 種粉煤灰摻量進行實驗，結(jié)果見表4。

表4 粉煤灰摻量優(yōu)化實驗結(jié)果Tab.4 Test results of optimization of fly ash content

由表4 可見，在一定程度上，水泥砂漿的流動度與粉煤灰摻量呈正相關(guān)關(guān)系，然而，當水泥砂漿中的粉煤灰摻量大于65%時，材料的流動性能反而下降；另外，試件的抗壓強度基本上與粉煤灰的摻量呈負相關(guān)關(guān)系，但是，當粉煤灰摻量為85%時，抗壓強度反而出現(xiàn)上升的現(xiàn)象；除此之外，當試件中粉煤灰摻量增加，抗折強度出現(xiàn)先增大后減小的變化，當粉煤灰摻量為45%時，抗折強度達到峰值6.7MPa，此后，隨著粉煤灰摻量繼續(xù)增大，抗折強度出現(xiàn)小幅度下降。發(fā)生這些變化主要與粉煤灰在材料中呈現(xiàn)的3 種作用有關(guān)，分別是“形態(tài)作用”、“活性作用”以及“微集料作用”。所以，當混凝土中摻入適量粉煤灰時，可以促進混凝土的水化反應(yīng)，增強水泥砂漿的流動性能，使PP 纖維在混凝土內(nèi)部均勻分布。同時，粉煤灰的“火山灰效應(yīng)”使其與混凝土材料中的堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，增強了材料活性。另外，這些反應(yīng)產(chǎn)物以及細小的粉煤灰會填補材料內(nèi)部缺陷，增加材料的致密性，強化混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此，試件的強度性能提高。但是，當粉煤灰摻量過高時，會產(chǎn)生大量團聚效應(yīng)，從而使材料內(nèi)部產(chǎn)生缺陷，降低材料性能。綜合分析可得，混凝土中粉煤灰的摻量應(yīng)小于65%[13]。

2.2 微觀斷裂截面分析

在1.2.1 中表1 的初步配合比方案基礎(chǔ)上，對參數(shù)優(yōu)化后的混凝土試件進行微觀分析，其中，試件中的PP 纖維直徑和長度分別為30μm、8mm，砂膠比為0.5%，PP 纖維摻量為2%，粉煤灰摻量為45%。由圖3 可見，當混凝土中含有2%PP 纖維時，可以觀察到PP 纖維在混凝土材料中均勻分布，而PP 纖維摻量為2.5%時，可以明顯看到纖維分布比較雜亂，出現(xiàn)團聚打結(jié)的現(xiàn)象，并且有的部分沒有纖維分布。這些現(xiàn)象表明，適量PP 纖維的摻入，能夠在材料內(nèi)部均勻分布，從而提高材料的綜合性能[14]。

圖3 斷裂截面切片的微觀形貌Fig.3 Micromorphology of fracture section slice

2.3 耐久性分析

根據(jù)1.3.4 中的測試方法，對優(yōu)化的混凝土試件進行測試，其中，選擇的試件PP 纖維摻量分別為1%、2%和2.5%。

由圖4 可見，當PP 纖維摻量為1%時，試件的電通量最高，而摻量為2%、2.5%時，電通量降低，對比摻量為1%時的降幅分別為11.2%和15.1%。這種下降現(xiàn)象的原理是，當適量的PP 纖維摻入混凝土，可以阻礙Cl-在材料中的遷移效果，從而使得混凝土電通量降低；同時，PP 纖維分布在混凝土中，可以粘結(jié)材料基體結(jié)構(gòu)，并在一定程度上填充材料內(nèi)部的空隙等，抑制材料中裂紋的擴展，因而提高了材料內(nèi)部密實度，阻斷Cl-的遷移通道[15]。因此，本實驗制備的2%PP 纖維UHTCC 具備良好的抗Cl-滲透性能，材料耐久性良好。

圖4 電通量測試結(jié)果Fig.4 Test results of electric flux

3 結(jié)論

本實驗對含PP 纖維UHTCC 進行材料參數(shù)優(yōu)化，并對其微觀形貌和耐久性進行分析，現(xiàn)將具體結(jié)論總結(jié)如下：

（1）在PP 纖維參數(shù)方面，PP 纖維直徑增加會降低水泥砂漿流動性；PP 纖維長度增加，也會使水泥砂漿流動性下降，材料抗壓、抗折強度先升后降；適量PP 纖維可以使混凝土電通量降低。

（2）過高的砂含量會降低試件韌性。適量的粉煤灰摻入能提高水泥砂漿的流動性，但其含量過高會使材料強度降低。

（3）實驗確定最佳PP 纖維直徑為30μm，最佳PP 纖維長度為8mm，最佳PP 纖維摻量為2%，最佳砂膠比為0.5%，最佳粉煤灰摻量應(yīng)小于65%，此時，材料膠砂流動性較好，強度、韌性以及耐久性良好。