纤维混凝土的性能试验研究

王维红，孟云芳

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏银川750021;2.银川能源学院，宁夏永宁750105)

纤维混凝土的性能试验研究

王维红1,2，孟云芳1，2

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏银川750021;2.银川能源学院，宁夏永宁750105)

以复合生态纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土和钢纤维混凝土的耐久性能为主要研究对象，研究了不同种类纤维对混凝土力学性能、抗冻性能及抗冲磨性能的影响，并与基准混凝土进行了对比。研究结果表明：纤维与矿物掺和料的叠加效应能进一步改善混凝土的力学性能特别是混凝土的劈拉强度，纤维的掺入对抵抗水流的冲磨能力和抗冻融能力具有明显提高作用，其中掺量为0.6 kg/m3的复合生态纤维混凝土的性能提高效果最好。

混凝土；复合生态纤维；聚丙烯纤维；钢纤维；力学性能；抗冻性能；抗冲磨性能

高速含砂石水流对水工建筑物的冲蚀破坏屡见不鲜，我国近70%的大型水工建筑物由于高速水流的冲磨、气蚀而产生破坏[1]。这种破坏常发生在水工建筑物的溢洪道、消力池、泄水闸底板、输水廊道以及排沙孔等部位，大多数破坏几乎都是不可修复的。故对这种被高速含沙水流冲蚀的建筑物而言，混凝土的抗冲磨能力、抗裂性等均有较高要求[2]。

近年来，针对水工建筑物的抗冲磨损问题，国内外研究人员已经做了较多的工作，并取得了一些研究成果[3- 11]。但对多种纤维混凝土的抗冲磨性能对比研究报道较少，本文以复合生态纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土和钢纤维混凝土的耐久性为主要研究对象，通过对比试验，研究了复合生态纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝和钢纤维混凝土的力学性能、抗冻性能和抗冲磨性能，选出最优的抗冲磨方案。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

(1)水泥。宁夏赛马牌PO42.5R级水泥。

(2)粉煤灰。采用宁夏银川热电厂生产的Ⅰ级粉煤灰。

(3)粗骨料。碎石、大石(5～25 mm)、中石(9.5～20 mm)、小石(4.75～16 mm)，大、中、小石比例为8∶4∶1。掺配后得到的石子的物理力学性能指标见表1。

表1 粗骨料物理力学性能

最大粒径/mm表观密度/kg·m-3堆积密度/kg·m-3空隙率/%含泥量/%压碎指标/%针片颗粒含量/%202684147045.20.127.810.3

(4)细集料。采用宁夏镇北堡产的人工水洗山砂，中砂，细度模数为2.78，表观密度为2 735 kg/m3，含水率为1.96%。

(5)橡胶集料。60目橡胶粉，橡胶粉的堆积密度为0.375 g/cm3。

(6)减水剂。NF型萘系减水剂。

(7)纤维。①钢纤维。采用天津资利金属线材厂生产的波浪剪切型钢纤维，长35 mm，长径比为50，抗拉强度为650 MPa。②聚丙烯纤。维采用山东泰安同伴工程塑料有限公司生产的束状单丝状聚丙烯纤维，长19 mm，纤维直径33 μm，抗拉强度530 MPa。③复合生态纤维。采用上海罗洋新材料科技有限公司产品博凯超纤维(UltraFiber 500)，主要性能指标见表2。

表2 博凯超纤维(UltraFiber 500)性能指标

长度/mm旦尼尔/g·9000m-1纤维直径/μm密度/kg·m-3比表面积/cm2·g-1弹性模量/MPa抗拉强度/MPa1.9～2.32.0～3.014～171.1250008500600～900

1.2 试验方法

本试验混凝土设计强度等级为C60，通过正交试验测定的结果，得出复合生态纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土和钢纤维混凝土的最优配合比[8]，最优配比为水胶比为0.32，粉煤灰为胶凝材料总质量20%，橡胶粉为胶凝材料总质量2%，复合生态纤维为0.6 kg/m3，聚丙烯纤维为0.9 kg/m3，钢纤维为70 kg/m3。安排一组基准配合比的混凝土，一组配比与优选组相同但不外掺纤维的高性能混凝土，总共5组试件进行强度对比，配合比如表3所示。

表3 试验配合比

试验编号混凝土类型水胶比粉煤灰/%橡胶粉/%纤维/kg·m-3J基准混凝土F不加纤维的高性能混凝土T复合生态纤维混凝土X聚丙烯纤维混凝土G钢纤维混凝0.3200020202020.62020.920270

抗压强度和劈裂抗拉强度试验。采用100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件，依据GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行试验。

抗冻性能试验。采用GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中推荐的混凝土抗冻性试验(快冻法)的标准进行冻融循环试验；以混凝土试件冻融循环后的质量损失率或相对动弹性模量作为评定指标。

混凝土抗冲磨试验。按照 SL352—2006《水工混凝土试验规程》采用混凝土抗冲磨试验(水下钢球法)进行试验。混凝土抗冲磨指标以抗冲磨强度或磨损率表示。

试验设备主要部件有：能夹固搅拌桨并使其以1 200 r/min 速度旋转搅动钢球的电磁调速电机；内径为302 mm，高430 mm 的钢筒；内径为299 mm，高100 mm 的金属圆环试模；研磨料为70个研磨钢球(包括10个φ25.4 mm，35个φ19.1 mm，25个φ12.7 mm)。

2 试验结果与分析

2.1 混凝土力学性能

根据上述配合比及试验方法制作试件，并将试件分别标准养护7、28、56 d，测得混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度，测定结果如表4所示。

表4 混凝土强度对比试验结果 MPa

(1)抗压强度。与J组相比，F组7、28、56 d的混凝土抗压强度分别降低了8.1%、10.9%、8.9%。与F组相比，T、X、G组7d混凝土抗压强度分别降低了10.4%、14.4%、2.3%，28 d混凝土抗压强度分别降低了4.8%、7.2%和增加了3.2%，56 d混凝土抗压强度分别降低了9.6%、13.1%、2.2%。

(2)抗拉强度。与J组相比，F组7、28、56 d的混凝土劈拉强度分别降低了4.3%、5.8%、3.5%。与F组相比，T、X、G组7 d劈拉强度分别提高了9.4%、8.4%、6.4%，28 d劈拉强度分别提高了17.6%、16.8%、12.2%，56 d劈拉强度分别提高了11.1%、8.6%、5.6%。这说明纤维对混凝土劈拉强度有显著提高作用，而且28 d劈拉强度增长幅度最大，说明复合生态纤维对混凝土劈拉强度影响最大。

2.2 混凝土抗冻试验

按照规范要求，每隔25次循环测量混凝土试件的质量和动弹模量。试验结果分别见表5、表6。

表5 混凝土抗冻性能质量试验结果

冻融循环次数质量/kg质量损失率/%JFTXGJFTXG09.6929.649.7309.5949.862—————259.6979.6479.7389.6009.868-0.052-0.076-0.084-0.063-0.059509.7009.6539.7449.6049.871-0.083-0.136-0.144-0.106-0.095759.7099.6559.7549.6129.873-0.174-0.157-0.248-0.186-0.1091009.7139.6609.7679.6159.879-0.213-0.207-0.38-0.22-0.1721259.6789.6659.7749.6309.8860.149-0.258-0.452-0.375-0.2411509.6649.6709.7819.6389.8920.294-0.315-0.524-0.457-0.306

表6 混凝土相对动弹性模量试验结果

冻融循环次数横向基频/Hz相对动弹性模量/%JFTXGJFTXG022672269226222592270—————252246223822542244226198.1697.2999.2998.6899.21502215219822522239225895.4793.8499.1298.2498.95752183216822492227225392.7391.398.8597.1998.511002097213122402214223885.5688.2198.0696.0697.201252055212522282192221882.1787.7197.0294.1695.471502015210222252167219179.0085.8296.7692.0293.16

从表5可以看出：①J组冻融循环的前期质量增加，到125次循环后质量开始减少。这是因为试件吸水质量增加，在冻融初期混凝土的粘结力较强，试件表面浆体剥落的质量极小，随着冻融循环次数的增加，混凝土内部的粘结力越来越小，冻坏的混凝土浮渣较多，试件质量减小。②整个冻融循环过程中，其他4组试件的质量一直在增加。这是由于矿物掺和料和纤维改善了混凝土的内部结构，使混凝土更加密实，整体结构性好，混凝土表面几乎无浆体剥落现象，加上混凝土的吸水作用，使试件质量持续增加。因此，不能用质量损失率来作为混凝土冻融破坏的评定指标，要用混凝土相对动弹性模量评价混凝土冻融破坏程度。

从表6可知，随着冻融循环的进行，5组混凝土的相对动弹性模量均呈下降趋势。在150次冻融循环结束时，与J组相比，F、T、X、G组的混凝土相对动弹性模量分别提高了8.63%、22.47%、16.48%、17.92%；与F组相比，T、X、G组的混凝土相对动弹性模量分别提高了12.74%、7.22%、8.55%。这是由于，纤维在混凝土中是乱向分布的，纤维阻止了混凝土内原有孔道的连通，减弱了混凝土内的毛细现象，减小了混凝土内部的渗透从而提高了混凝土的抗冻融性能。复合生态纤维具有天然亲水性和独特的空腔结构，可以吸收一部分的自由水和未冻结的水，并且相比聚丙烯纤维和钢纤维，复合生态纤维具有直径小、单位重量纤维数量大、纤维间距小的优点，这样增加了混凝土冻融损伤过程中的能量损耗，进一步提高了混凝土的抗冻胀开裂能力。试验结果表明混凝土中掺入纤维可以显著提高其抗冻性，复合生态纤维效果最好。

2.3 混凝土抗冲磨试验

经过抗冲磨试验后，通过试件表观观察可知：J组试件表面浆体脱落，粗骨料外露，表面形成凹坑；掺橡胶粉的F组试件表面凹坑比J组小；掺纤维的T、X、G组试件表面浆体被冲磨后依然平整，没有形成明显凹坑。

混凝土的抗冲磨试验结果见表7。可知：①与J组相比，F组抗冲磨强度提高了23.7%，磨损率降低19.8%，说明橡胶粉有很好的韧性，可以很好的吸收含砂水流对混凝土撞击所释放的能量，使水泥石粘结破坏的历程得以显著延长，因而表现出较高的抗冲磨强度。②掺纤维混凝土的抗冲磨强度明显提高，其中掺复合生态纤维T组的效果最为显著。与J组相比，T组的抗冲磨强度提高59.5%，磨损率降低36.0%；X组的抗冲磨强度提高49.6%，磨损率降低35.1%；G组的抗冲磨强度提高34.8%，磨损率降低31.5%。与F组相比，T、X、G组的抗冲磨强度分别提高29.0%、21.0%、9.0%，磨损率分别降低20.2%、19.1%、14.6%。这是因为纤维牵制了水泥石分子与母体分离，使得水泥石与母体分离需要消耗更多的能量，从而提高了混凝土的抗冲磨能力。由于复合生态纤维的直径更小，纤维数量更大，纤维之间交叉更密切，三维乱向分布于混凝土中，可以更有效地控制微裂缝的扩展，进一步提高混凝土的抗冲磨性能。故5种方案的抗冲磨效果从优到劣的顺序依次为T>X>G>F>J。

表7 混凝土抗冲磨性能对比试验

试验编号初始质量/kg冲刷后质量/kg冲刷损失质量/kg抗冲磨强度/h·(kg·m2)-1磨损率/%J17.36416.9780.38613.182.22F17.49617.1840.31216.301.78T17.06916.8270.24221.021.42X17.89117.6330.25819.721.44G17.78517.5140.27117.771.52

3 结 论

(1) 与基准混凝土相比，复合生态纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土、钢纤维混凝土的56 d劈拉强度分别提高了11.1%、8.6%、5.6%，说明复合生态纤维对混凝土劈拉强度提高效果最好

(2)在受冻初期，J、F、T、X、G组混凝土的相对动弹性模量下降较低，纤维对改善混凝土的抗冻性不明显，到150次冻融循环结束时，T、X、G三种纤维混凝土较J组混凝土的相对动弹模分别提高了22.47%、16.48%、17.92%，较F组混凝土分别提高了12.74%、7.22%、8.55%，说明纤维改善混凝土的抗冻融效果很明显。

(3)基准混凝土、粉煤灰橡胶粉混凝土、复合生态纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土和钢纤维混凝土的抗冲磨强度分别为 13.18、16.30、21.02、19.72、17.77 h/kg/m2。与粉煤灰、橡胶粉混凝土相比，三种混凝土的抗冲磨强度分别提高了29.0%、21.0%、9.0%，掺入纤维可显著提高混凝土的抗冲磨性能，其中复合生态纤维混凝土的抗冲磨强度最高，提高幅度最大。

[1]韩素芳. 混凝土工程病害与修补加固[M]北京： 海洋出版社， 1996．

[2]杨春光. 水工混凝土抗冲磨机理及特性研究[D] . 西安： 西北农林科技大学， 2006．

[3]张彬， 范伟丽等. 基于水下钢球法的混凝土抗冲磨试验研究[J]. 水力发电， 2014， 40(8)： 126- 128．

[4]王东， 祝烨然， 黄国鸿， 等. HLC-GMS特种抗冲磨聚合物钢纤维砂浆的性能研究[J]. 混凝土， 2012(5)： 111- 113．

[5]黄春霞， 张艳， 凌飞. 粉煤灰掺量对混凝土抗冲磨想能的影响[J]. 混凝土， 2013(3)： 90- 95．

[6]凌贤宗， 陈建国. HF抗冲磨混凝土配合比设计试验研究[J]. 中国农村水利水电， 2011(9)： 92- 94

[7]刘尚坤， 杜应吉， 安亚强. HF抗冲磨混凝土配合比设计试验研究[J]. 中国农村水利水电， 2014(5)： 94- 97．

[8]王维红， 孟云芳. 纤维混凝土的最优配合比选择[J]. 建筑工程技术与设计， 2014(4)： 306- 307．

[9]陈国新， 唐修生， 祝烨然， 等. 几种抗冲磨混凝土性能试验研究[J]. 混凝土， 2008(3)： 72- 74

[10]朱育岷， 金双全， 李双艳. 三板溪水电站掺纤维抗冲耐磨混凝土研究[J]. 水力发电， 2010， 36(8)： 62- 64．

[11]郝国平， 郭弘勋. 延长水工抗冲磨混凝土结构寿命的新措施[J]. 水力发电， 2009， 35(1)： 52- 54．

(责任编辑王 琪)

Experimental Study on the Performances of Fiber Concrete

WANG Weihong1,2, MENG Yunfang1,2

(1. School of Civil Engineering and Water Conservation, Ningxia University, Yinchuan 750021, Ningxia, China;2. Yinchuan Energy Institute, Yongning 750105, Ningxia, China)

Taking the durability of compound ecological fiber concrete, polypropylene fiber concrete and steel fiber concrete as research subjects, the influences of different fibers on concrete’s mechanical properties, frost resistance and abrasion resistance are experimentally studied and compared with basic concrete. The results show that the fiber and mineral admixture can improve concrete’s mechanical properties, especially the tensile strength, and the adding of fiber may significantly improve the frost resistance and abrasion resistance of concrete. It’s indicated that the effect of adding compound ecological fiber with volume content of 0.6 kg/m3is the best．

concrete; compound ecological fiber; polypropylene fiber; steel fiber; mechanical properties; frost resistance; abrasion resistance

2015- 04- 13

王维红(1989—)，女(满族)，黑龙江绥化人，博士研究生，主要从事水工结构材料研究;孟云芳(通讯作者)．

TV431.3；TU528.58

A

0559- 9342(2015)12- 0112- 04