纤维及膨胀剂对混凝土性能的影响

王惠玲（甘肃土木工程科学研究院，甘肃 兰州730020）

1 绪论

作为建筑工程用结构材料，混凝土走过了从石灰-火山灰材料到波特兰水泥混凝土再到现代高性能混凝土的历程，国内外学者预言，在未来的100~200年，混凝土将一直是最主要的建筑材料，在土木工程建设所用材料中占据着绝对的主导地位。

混凝土是一种多孔的、在各尺度上多相的非均质复杂体系，其相组成随时间而变化并受环境影响。此外，由于水泥石和集料的弹性模量不同，当温度、湿度变化时，水泥石与集料的变形不一致，致使在界面处形成细微裂缝。由于混凝土的上述特点，使其在具有较高的抗压强度的同时也具有较低的抗拉强度，且其韧性差，断裂能低，抗冲击性能也相应的较低。近年来，因混凝土结构开裂和混凝土材质劣化造成的混凝土结构失效以至破坏的事故在国内外都屡见不鲜，并有愈演愈烈的趋势。作为结构工程用重要材料，混凝土的耐久性已经成为工程界普遍关心的问题。

本论文研究的主要目的，通过在混凝土中加入纤维和膨胀剂以提高混凝土韧性和抗裂性，降低混凝土的变形以提高混凝土体积稳定性，从而减少混凝土结构的早期开裂，提高混凝土结构耐久性。

2 原材料选择及质量控制

2.1 水泥

用于本论文研究的水泥采用52.5普通硅酸盐水泥，其技术性能满足《硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥》（GB175-2007）要求。水泥水化放热1d：189kJ/kg，3d：249kJ/kg，7d：286kJ/kg。水泥矿物组成和性能见表1、表2。

表1 52.5水泥熟料全分析

2.2 矿物细掺料

2.2.1 磨细矿渣粉

本课题研究采用S95磨细矿渣粉，质量达到GB/T18046-2000《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》规定要求。矿渣粉化学分析见表3。

2.2.2 硅灰

用于高性能混凝土的硅灰要求其SiO2含量高于90%。研究采用西北铁合金有限公司产品。

2.3 膨胀剂

膨胀剂采用广西云燕特种水泥建材有限公司生产的GNA抗裂防水膨胀剂。混凝土膨胀剂的作用是补偿混凝土收缩及减少由此产生的结构开裂。

表2 水泥性能

表3 矿渣粉化学分析报告

2.4 纤维

用于混凝土的纤维材料，其品质要求：高耐碱性、高自分散性、安全无害、抗拉强度高、变形能力好、粘结强度高、粗细适度。本研究采用美国杜拉纤维。

2.5 混凝土泵送剂

用于本研究的混凝土泵送剂质量应满足JC473-2001规定一等品要求

2.6 粗集料

产地：兰州银山工贸，常规技术性能见表4、表5。

表4 10~25碎石技术性能测试结果

表5 5~10碎石技术性能测试结果

2.7 细集料

产地：兰州银山工贸，常规技术性能见表6、表7。

表6 机制砂技术性能测试结果

3 纤维和膨胀剂对混凝土性能影响试验研究

3.1 普通硅酸盐水泥+磨细矿渣粉+硅灰体系(C+BFS+SF体系)

表10表明：

在普通硅酸盐水泥—磨细矿渣粉—硅灰中加入纤维，受混凝土拌和物工作性的影响，水用量增加，胶凝材料总用量增加，收缩值增加；

在水泥—磨细矿渣粉—硅灰中加入GNA对混凝土收缩有一定的补偿作用，但效果欠显著。

3.2 普通硅酸盐水泥+磨细矿渣粉体系(C+BFS体系)

表7 细砂技术性能测试结果

表8 一阶段混凝土配合比

表9 一阶段强度数据

表10 一阶段混凝土收缩数据

考虑到硅灰对混凝土综合性能的影响及经济性、生产控制等因素，对普通硅酸盐水泥—磨细矿渣粉体系进行进一步的研究。

从表12、表13中可以看出：

在水泥—磨细矿渣粉中加入膨胀剂GNA，混凝土弹性模量和抗压强度略有提高，但在自然养护条件下GAN的补偿收缩效应欠显著；

在水泥—磨细矿渣粉中加入纤维，提高混凝土劈拉强度及拉压比，混凝土受压和劈拉破坏时脆性因纤维的加入而降低，混凝土破坏过程延长，纤维的加入对提高混凝土抗裂性有好处，同时，纤维的加入也使混凝土弹性模量略有降低；

在水泥—磨细矿渣粉中同时加入GNA和纤维，对混凝土性能有互补作用；

在水泥—磨细矿渣粉中加入硅灰对提高混凝土强度有益。

表11 二阶段混凝土配合比

表12 二阶段混凝土力学性能测试结果

表13 二阶段混凝土收缩值

4 结论

本论文研究结果表明：

1）在低水胶比条件下，加入膨胀剂，混凝土弹性模量和抗压强度略有提高，对混凝土收缩有一定的补偿作用。膨胀剂的加入可以减少混凝土的开裂，从而提高混凝土耐久性。

2）混凝土中加入纤维，提高混凝土劈拉强度及拉压比，降低混凝土的脆性，纤维的加入使混凝土弹性模量略有降低。

3）纤维掺入混凝土中，可以约束混凝土的收缩变形，提高混凝土的抗裂阻裂性能，提高混凝土的体积稳定性能，从而减少混凝土因体积变形导致开裂的倾向，提高混凝土结构耐久性。

4）在混凝土中同时加入膨胀剂和纤维，对混凝土性能有叠加增强作用。