玄武岩-PVA混杂纤维混凝土力学性能研究

惠 存， 曹 旭， 刘 盼， 李乐锋， 王帅旗， 海 然

(中原工学院 建筑工程学院， 河南 郑州 450007)

随着现代社会的高速发展，土木工程行业日新月异，大型复杂工程项目层出不穷，地下轨道交通中盾构管片的制作、隧道工程中的锚喷支护、机场跑道及大跨度桥梁的路面工程等对混凝土材料的综合性能提出了越来越高的要求。混杂纤维改性混凝土汲取了两种纤维的优点，两种纤维取长补短，协同工作，在一定掺量范围内具有正混杂效应，不仅显著改善了混凝土的综合性能，而且弥补了单一纤维功能单一的不足[1-5]。玄武岩纤维作为一种新型绿色纤维，不仅具有良好的力学性能，而且其化学稳定性好、价格低、绿色可降解。玄武岩纤维加入混凝土后有良好的分散性，与混凝土有良好的亲和性与相容性，可显著改善混凝土内部结构，并增强混凝土的力学性能及耐久性[6-7]。高强高模聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol，PVA)纤维具有良好的力学性能和遇水分散性，与水泥基有良好的亲和性。PVA纤维不仅能提高混凝土的弯曲韧性和早期阻裂性能，还可改善混凝土的破坏形态[8-9]。将这两种纤维中的一种或两种掺入混凝土而制成单掺或混杂纤维混凝土，用于解决混凝土脆性及耐久性问题，已成为当今的一大研究热点[10-12]。

本文基于玄武岩纤维和PVA纤维的特性和研究状况，将玄武岩纤维和PVA纤维单掺或混杂掺入混凝土中，通过实验探究单掺纤维、混杂纤维及不同混杂纤维的组成和掺量对混凝土工作性及力学性能的影响。

1 实 验

1.1 实验材料

实验用水泥为天瑞集团荥阳公司生产的P.O 42.5级普通硅酸盐水泥，其密度为3.02 g/cm3，性能指标见表1。河砂的表观密度为2 600 kg/m3，堆积密度为1 580 kg/m3，细度模数为2.48，含泥量为5.3%。实验选用5～20 mm连续级配碎石，其表观密度为2 890 kg/m3，堆积密度为1 600 kg/m3，吸水率为1.9%。外加剂选用德国西卡牌减水剂，其主要成分为聚羧酸盐，减水率为30%。玄武岩纤维选用浙江省杭州市石金玄武岩纤维有限公司生产的短切浸胶型产品。PVA纤维选用安徽皖维高新材料股份有限公司生产的WWF-40-3型高强高模产品。玄武岩纤维和PVA纤维的基本性能如表2所示。

表1 实验所用普通硅酸盐水泥的性能指标

表2 玄武岩纤维和PVA纤维的基本性能

1.2 实验设计

参考《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2011)，配制C60普通混凝土。其配合比见表3。混杂纤维混凝土的纤维组成见表4。

表3 C60普通混凝土的配合比

表4 混杂纤维混凝土的纤维组成 %

1.3 实验方法

实验需保证玄武岩纤维和PVA纤维在新拌混凝土中的均匀性。实验采用的搅拌成型制度为：首先将石子、砂子、水泥干拌60 s，加水湿拌120 s，加水后手工撒入玄武岩纤维和PVA纤维，最后浇注成型并按标准养护至检测龄期。在混凝土制备过程中，严格控制材料的投放顺序、搅拌时间以及制备过程每个环节的时间，以保证每个试块的质量稳定性及可比性。

参照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T50080-2016)进行混杂纤维混凝土的工作性试验。抗压强度试块尺寸为：100 mm×100 mm×100 mm。抗折强度试块尺寸为：100 mm×100 mm×400 mm。本实验参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2016)中的相关规定进行，每组均为3个试块。

2 结果与讨论

2.1 玄武岩-PVA混杂纤维组成对新拌混凝土流动性的影响

图1所示为玄武岩纤维和PVA纤维不同掺量对混凝土流动性的影响。

图1 玄武岩纤维和PVA纤维不同掺量对混凝土流动性的影响

由图1可以看出：在玄武岩纤维掺量一定的条件下，新拌混杂纤维混凝土的坍落度随着PVA纤维用量的增大而降低；在PVA纤维掺量一定的条件下，新拌混凝土的工作性随着玄武岩纤维掺量的增大而降低；总体上，新拌混凝土的工作性随着混杂纤维总掺量的增大而显著降低。当玄武岩纤维掺量不高于0.15%、PVA纤维掺量不高于0.20%时，坍落度在100 mm以上；当混杂纤维总掺量不高于0.35%时，坍落度也在100 mm以上。这一方面是由于玄武岩纤维掺量超过0.10%之后，不能被搅拌机完全打散的短切浸胶玄武岩纤维，以单丝状和束状共存于基体之中，束状玄武岩纤维一定程度上起类似于钢纤维的棚架承托作用，使得混凝土流动性下降，进而降低其坍落度；另一方面是PVA纤维吸水性强，当其掺量超过0.20%时，纤维表面会吸附大量的自由水，从而降低混凝土的坍落度。

2.2 玄武岩-PVA混杂纤维组成对混凝土抗压强度的影响

图2所示为玄武岩纤维和PVA纤维不同掺量对混凝土抗压强度的影响。

图2 玄武岩纤维和PVA纤维不同掺量对混凝土抗压强度的影响

(1) 由图2可以看出：当玄武岩纤维掺量为0.15%时，随着PVA纤维含量的增大，混凝土抗压强度呈先升后降的趋势，而且当PVA纤维掺量为0.30%时，混凝土抗压强度达到峰值，较基准混凝土强度提高9.3%。这说明纤维掺量对混凝土抗压强度影响有限。

(2) 由图2还可看出：当混杂纤维总掺量在0.30%～0.45%之间，且玄武岩纤维掺量为0.10%～0.15%、PVA纤维掺量为0.20%～0.30%时，混凝土抗压强度大于基准混凝土。这说明合理的纤维掺量对混凝土抗压强度起增强作用，过高或过低的纤维掺量则会产生负混杂效应。其主要原因在于：过小的纤维掺量未能形成网状承力体系，同时增加了基体界面效应，使得混凝土抗压强度下降；随着玄武岩纤维掺量增大，大量束状玄武岩纤维一定程度上起类似于钢纤维的承力骨架作用，使其抗压强度提高；合理掺量的PVA纤维可改善混凝土内部结构，减少内部裂缝的产生，从而增大混凝土抗压强度。

2.3 玄武岩-PVA混杂纤维组成对混凝土抗折强度的影响

图3所示为玄武岩纤维和PVA纤维不同掺量对混凝土抗折强度的影响。

图3 玄武岩纤维和PVA纤维不同掺量对混凝土抗折强度的影响

(1) 由图3可以看出：单掺PVA和玄武岩纤维增强混凝土的抗折强度随着纤维掺量的增大而增加，当单掺PVA纤维0.40%时混凝土抗折强度提高19.6%，单掺玄武岩纤维0.20%时混凝土抗折强度提高10.2%；混杂纤维混凝土的抗折强度均大于单掺纤维混凝土的抗折强度。这说明混杂纤维在提高基准混凝土的性能方面有良好的协同效应。

(2) 由图3还可看出：在PVA纤维或玄武岩纤维掺量一定的情况下，混杂纤维混凝土的抗折强度呈先增后降的变化趋势，当PVA纤维掺量不超过0.20%时，混杂纤维混凝土抗折强度呈现增长趋势；当PVA纤维掺量超过0.20%，且玄武岩纤维超过0.05%时，混杂纤维混凝土抗折强度呈现下降趋势；当PVA纤维掺量为0.10%和0.20%，且与玄武岩纤维的各掺量进行混杂时，混凝土抗折强度的增幅均不低于20%；当玄武岩纤维掺量为0.10%、PVA纤维掺量为0.20%时，混杂纤维混凝土抗折强度达到7.71 MPa，抗折强度较基准混凝土提高29.1%，较单掺0.20%PVA纤维的混凝土提高14.2%，较单掺0.10%玄武岩纤维的混凝土提高22.6%。

2.4 玄武岩-PVA混杂纤维组成对混凝土折压比的影响

折压比反映混凝土弯曲荷载下的变形能力和抗裂能力，是表征混凝土韧性的一个重要参数。图4所示为混杂纤维混凝土折压比随PVA纤维掺量的变化特征。

图4 混杂纤维混凝土折压比随PVA纤维掺量的变化特征

(1) 对于PVA纤维单掺，当掺量小于0.10%时，其对混凝土的折压比影响不明显；当纤维掺量超过0.10%时，混凝土折压比随着掺量增大而单调提高。

(2) 对于玄武岩纤维单掺，当掺量小于0.05%时，混凝土的折压比相对于基准混凝土有所下降；当纤维掺量超过0.05%时，混凝土折压比随着掺量增大而单调提高。

(3) 对于纤维混掺，当PVA纤维掺量为0.10%，与不同掺量玄武岩纤维进行混杂时，增强效果显著，但随着PVA纤维掺量的增大，增强效果开始下降；在PVA掺量为0.30%而玄武岩纤维掺量为0.15%、0.20%时，混凝土的折压比甚至低于单掺纤维混凝土。

(4) 当PVA纤维掺量为0.20%、玄武岩纤维掺量为0.10%时，混杂纤维混凝土的折压比达到了0.117，较基准混凝土提高25.2%，较单掺0.20%PVA纤维的混凝土提高12.2%，较单掺0.10%玄武岩纤维的混凝土提高21.1%。这是由于PVA纤维和单丝状存在的玄武岩纤维起到了桥接作用，纤维相互搭接而形成网状结构，均匀分布于混凝土内部，可改善混凝土内部结构及其分散应力，从而抑制混凝土内部微裂缝的产生和发展，增大混凝土折压比；但是，随着两种纤维掺量增至一定程度，大量束状玄武岩纤维的存在增强了混凝土的界面效应，纤维之间缠绕而结团的现象严重，导致混杂纤维分布不匀，增加了混凝土内部薄弱区，从而使混凝土折压比降低。

3 结 论

(1) 无论纤维单掺还是混掺，混凝土坍落度都随着纤维总掺量的增加而降低；单掺玄武岩纤维的量超过0.15%或单掺PVA纤维的量超过0.20%时，混凝土坍落度明显下降，混杂纤维总掺量不高于0.35%时，混凝土坍落度维持在100 mm以上。

(2) 玄武岩纤维、PVA纤维和混杂纤维对混凝土抗压强度增强效果均不明显；合理的纤维掺量对混凝土抗压强度起增强作用，过高或过低的纤维掺量则会产生负混杂效应；当混杂纤维总掺量在0.30%～0.50%之间，且玄武岩纤维掺量在0.10%～0.15%之间、PVA纤维掺量为0.20%～0.30%时，其抗压强度大于基准混凝土抗压强度。

(3) 玄武岩纤维、PVA纤维和混杂纤维的掺入均明显改善了混凝土抗折强度及韧性，相比单掺纤维，玄武岩-PVA混杂纤维对混凝土抗折强度及韧性的增强作用更为显著；混掺时，PVA纤维比玄武岩纤维对混凝土抗折强度的增强作用更为明显；当玄武岩纤维为0.10%、PVA纤维为0.20%时，混杂纤维混凝土抗折强度达到7.71 MPa，较基准混凝土提高了29.1%，折压比较基准混凝土提高了25.2%，玄武岩-PVA混杂纤维在提高混凝土抗折强度及韧性方面表现出良好的协同效应。