单掺与混掺纤维增强自密实轻骨料混凝土力学性能试验研究

董健苗 王留阳 曹嘉威 余浪 王慧敏

摘要：为了研究纤维对自密实轻骨料混凝土力学性能的影响，将不同种类（耐碱玻璃纤维、剑麻纤维和1：1耐碱玻璃一剑麻混杂纤维）及掺量的纤维加入自密实轻骨料混凝土中，并测定其7d、28d抗压强度与劈裂抗拉强度。试验结果表明：随着纤维掺量的增加，3种纤维对自密实轻骨料混凝土抗压强度的作用效果无明显提高;劈裂抗拉强度呈先增大后减小的规律，且最大提升40.2%，混杂纤维、耐碱玻璃纤维、剑麻纤维最优掺量分别为1kg/m³、1kg/m³、2kg/m³;相同掺量下，耐碱玻璃纤维、剑麻纤维、混杂纤维试块的抗劈裂性能较对照组都有提高，掺耐碱一剑麻混杂纤维协同效果对自密实轻骨料混凝土劈裂抗拉性能指标提高作用最佳，其次是耐碱玻璃纤维，提高幅度最小为剑麻纤维。

关键词：自密实轻骨料混凝土;耐碱玻璃纤维;剑麻纤维;混杂纤维;力学性能

中图分类号：TU528.572DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2020.01.006

0引言

自密实轻骨料混凝土（SCLC）是用轻骨料代替一般自密实混凝土中普通骨料配制成的新型高性能混凝土，其表观密度通常小于1950kg/m³，具有高流动度、不离析、良好的均匀性和稳定性，浇筑时依靠其自重流动，无需振捣而达到密实。自密实轻骨料混凝土相比普通混凝土而言具有自重较小、施工时无需要振捣等优点，但其也存在韧性和抗裂性能差等通病。研究表明混凝土中加入纤维能有效阻止裂缝的产生与开展，因而改善其抗裂性。目前国内外对纤维增强混凝土力学性能研究有很多，钢纤维对混凝土抗拉强度和断裂韧性提高效果较为明显，但其耐碱性差、易生锈且价格较高;聚丙烯纤维能很好的调节混凝土基体内部应力分配，减小裂缝开展速率，从而提高抗开裂能力，但聚丙烯纤维存在耐热性较差、易老化问题。目前国内外研究中，利用剑麻纤维、耐碱玻璃纤维、耐碱玻璃一剑麻纤维增强自密实轻骨料混凝土的科学研究鲜有涉及。耐碱玻璃纤维具有较高的拉伸强度、弹性模量，较好的刚性、耐化学性且资源丰富，生产成本较低，剑麻纤维有复杂的微观结构，还具有密度小、拉伸强度高、物理特性及加工工艺好、来源广泛、价格低等优点。因此，剑麻纤维与耐碱玻璃纤维及两者混杂纤维是代替钢纤维与聚丙烯纤维较为理想的材料之一。

本文主要通过在强度等级为SCLC40自密实轻骨料混凝土中掺入剑麻纤维、耐碱玻璃纤维以及耐碱玻璃一剑麻混杂纤维，探索纤维种类以及掺量对纤维自密实轻骨料混凝土力学性能指标的影响规律，并确定了耐碱玻璃纤维、剑麻纤维、混杂纤维的最佳体积掺量。

1试验原材料

水泥：广西柳州鱼峰集团有限公司生产P·C42.5复合硅酸盐水泥，相关参数见表1;细骨料：柳州当地生产的河沙，为中砂，堆积密度为1657kg/m³，表观密度为2600kg/m³，细度模数为2.6，级配合格;粗骨料：湖北宜昌宝珠陶粒有限公司生产的900级页岩圆球形陶粒，简压强度技术指标见表2;粉煤灰：其成分见表3;减水剂：苏州弗克技术股份有限公司生产的聚羧酸高效减水剂，减水率为30%;纤维：广西剑麻集团生产的剑麻纤维和长沙建材有限公司生产的短切耐碱玻璃纤维，相关参数见表4.

2力学性能试验及结果分析

2.1试验配合比

根据《纤维混凝土应用技术规程》（JGJ/T221-2010）和《自密实混凝土应用技术规程》（JGJ/T 283-2012）的要求配制强度等级为SCLC40的自密实混凝土，每立方米自密实混凝土材料的具体用量为：陶粒627kg/m³，河沙655kg/m³，水泥375kg/m³，粉煤灰125kg/m³，减水剂5.2kg/m³，其水胶比为0.36.选用耐碱玻璃纤维（以下简称GF）和剑麻纤维（以下简称F），纤维分别以0kg/m³、0.5kg/m³、1.0kg/m³、1.5kg/m³、2.0kg/m³、2.5kg/m³为掺加量，以剑麻纤维、耐碱玻璃纤维及耐碱玻璃一剑麻纤维1：1混杂纤维（以下简称HF）掺入强度为C40的自密实轻骨料混凝土基体中，配制纤维混凝土。

2.2试验方法

根据GB/T 50081《普通混凝土力学性能试验方法标准》中相关要求浇筑试件，立方体抗压强度因模具数量原因采用规范中允许的非标准试件，尺寸为100mm×100mm×100mm，数据为实测抗压强度值乘以尺寸换算系数0.95，劈裂抗拉强度试件尺寸为150mm×150mm×150mm，并且依照规定在标准养护室内养护，养护7d、28d后测试立方体抗压强度与劈裂抗拉强度。

2.3试验结果与分析

根据以上配合比制备18组试块，测纤维种类及掺量对自密实轻骨料混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度的影响，分析计算得到结果如表5所示，抗压强度试验及劈裂抗拉强度结果如图1所示。

1）抗压强度试验结果分析

纤维自密实混凝土试块抗压强度与纤维种类及掺量关系如图1（a）所示。

由图1（a）可知：耐碱玻璃纤维、剑麻纤维与1：1混杂纤维的掺入对SCLC的7d、28d的抗压力学性能指标影响规律相同，随着纤维掺量从0增加到2.5kg/m³，自密實轻骨料混凝土的7d抗压强度呈现小幅下降、上升再下降的变化规律，28d抗压强度与掺量呈负相关的规律，3种纤维自密实混凝土的7d、28d抗压强度相对于普通自密实轻骨料混凝土（空白样）的都有不同程度下降。主要原因在于：纤维掺量在0～1kg/m³范围内，纤维的掺入会使得自密实轻骨料混凝土机体内部结构发生变化，纤维掺量增加使得其与水泥基体间界面数增多，使得机体内部薄弱环节增多，从而降低混凝土的7d、28d抗压强度;纤维掺量在1～1.5kg/m³范围内，纤维的掺入能使纤维与混凝土内部的粘结性能增强，对自密实轻骨料混凝土受压时产生的横向膨胀变形有较好的约束效果，此约束作用大于纤维掺入带来的负面效果，从而使混凝土7d、28d抗压强度得到了一定程度提高;随着纤维掺量的继续增大，纤维之间会发生团聚，且过多纤维导致薄弱界面增多，当薄弱界面作用优于纤维的增强作用时，表现为自密实混凝土强度的降低。

从图1（a）可以看出：相同纤维掺量时，对自密实轻骨料混凝土7d、28d抗压强度产生的负效应最小的掺入方式为单掺1：1耐碱玻璃一剑麻混杂纤维，其次是单掺耐碱玻璃纤维，降低幅度最大的是单掺剑麻纤维。主要原因在于：剑麻纤维单丝直径较大，在混杂纤维中充当骨架作用，耐碱玻璃纤维较细，数量较多，能有效填充剑麻纤维的空隙，使得混杂纤维形成较好的空间上的整体性，这种空间上的网状结构对自密实混凝土抗压强度的提高效果优于单掺耐碱玻璃纤维与剑麻纤维。耐碱玻璃纤维单丝直径小于剑麻纤维单丝直径，相同掺量下耐碱玻璃纤维与自密实混凝土基体有更大的接触面积，因此耐碱玻璃纤维的比表面积较剑麻纤维的大的多，有更大的表面能，使得与自密实轻骨料混凝土之间的粘结作用较大，粘结强度大制约受压时混凝土的横向膨胀;耐碱玻璃纤维具有较好的耐腐蚀性，在混凝土基体中能稳定存在。另外，耐碱玻璃纤维线性膨胀系数与自密实轻骨料混凝土的接近，能与混凝土更好地协同工作，因此，相同掺量情况下耐碱玻璃纤维对自密实轻骨料混凝土7d、28d抗压强度作用效果较剑麻纤维好。

2）劈裂抗拉强度试验结果分析

纤维自密实轻骨料混凝试块的劈裂抗拉强度与纤维种类及掺量的关系如图l（b）所示。

由图1（b）可知：3种纤维随着纤维掺量从0增加到2.5kg/m³，自密实混凝土抗拉强度先呈现正相关后呈现负相关，但整体效果好于未掺纤维的普通自密实轻骨料混凝土;其中混杂纤维与耐碱玻璃纤维掺量为1kg/m³时对抗拉强度提高效果最好，相对空白组分别提高了34%、40%;剑麻纤维掺量为2.0kg/m³时对抗拉强度提高作用最大，相对空白组提高15%。

主要原因在于：纤维在自密实轻骨料混凝土中与基体之间形成粘结力与咬合力，因而纤维加入自密实轻骨料混凝土中能有效抑制初期裂缝的产生与发展、减小空隙，改善基体内部的缺陷，使混凝土基体密实度增加;在自密实轻骨料混凝土受荷载初期时基体产生裂缝，混凝土在裂缝处容易形成应力集中，掺入纤维能使混凝土基体内部开裂应力分布更加均匀，有效阻止裂缝扩展，也可迫使裂缝改变方向间接消耗裂缝开展的能量，从而提高了材料的韧性;随着受力增加，混凝土基体与纤维之间粘结强度与桥连作用不足以抵抗荷载变化，此时纤维断裂与拔出吸收了较大的能量，因此在一定范围内，随着纤维掺量增加，自密实轻骨料混凝土劈裂抗拉强度逐渐提高。纤维摻量过大，纤维之间容易发生团聚，不均匀，容易使自密实混凝土和易性降低，且纤维掺量的增加增大了纤维的比表面积导致需要更多的水泥对纤维进行握裹，纤维掺量增加使得纤维与自密实轻骨料混凝土基体之间薄弱界面增多，导致劈裂抗拉强度降低。

由图1（b）可以看出，在相同纤维掺量下，混杂纤维试验组对自密实轻骨料混凝土劈裂抗拉强度，此力学指标呈正相关，效果最好，其次为单掺耐碱玻璃纤维，最后是单掺剑麻纤维。主要原因在于：耐碱玻璃纤维有较高拉伸弹性模量、较大的断裂伸长率，在混凝土破坏过程中，当基体开裂时能吸收更多的能量，因而承受更高的拉力。同时，由于相同掺量下，耐碱玻璃纤维的实际数量远远大于剑麻纤维，使得耐碱玻璃纤维混凝土性能优于剑麻纤维自密实混凝土;剑麻纤维属于柔性材料，在混凝土水化初期减少原生微裂缝的效果不如耐碱玻璃纤维，但其良好的延性能提高混凝土基体的韧性;混合纤维混凝土性能优于其他两种的原因是能充分利用耐碱玻璃纤维与剑麻纤维的优势，混合纤维也进一步完善了纤维支撑网络结构。

3 结论

通过试块抗压抗折强度试验研究了耐碱玻璃纤维和剑麻纤维掺入方式及掺量对自密实轻骨料混凝土力学性能的影响规律，并分析了增强机理，得到以下结论：

1）在强度为SCLC40自密实混凝土基体中掺入耐碱玻璃纤维、剑麻纤维及混杂纤维，未能达到提高自密实轻骨料混凝土7d、28d抗压性能指标的效果;随着纤维掺量增加，对自密实轻骨料混凝土的7d抗压性能的影响呈现先削弱、促进再削弱的变化规律，28d抗压强度与掺量呈负相关规律-3种纤维的掺入对自密实轻骨料混凝土抗压强度提高效果不明显，主要原因在于纤维与基体间薄弱界面效应优于增强作用。

2）随着纤维掺量的增加，自密实混凝土抗拉强度先呈现正相关，后表现为负相关，整体效果好于未掺纤维的普通自密实轻骨料混凝土。其中混杂纤维与耐碱玻璃纤维的最优掺量为1kg/m³，强度提高百分比分别为40.2%、33.4%，剑麻纤维最优掺量为2kg/m³，强度提高15.2%。3种纤维断裂时的吸收能量作用及纤维形成的网络支撑结构导致自密实混凝土劈裂抗拉强度提高效果明显。

3）在相同纤维掺量下，混杂纤维试验组对自密实轻骨料混凝土劈裂抗拉强度的力学指标呈正相关，效果最好，其次为单掺耐碱玻璃纤维，最后是单掺剑麻纤维。混杂纤维充分发挥两种纤维的正混杂效应，而耐碱玻璃纤维有较高的弹性模量及断裂伸长率，因此对基体增强效果优于剑麻纤维。