纤维自密实混凝土早期拉压强度的试验研究

张鸿朋，马芹永

(1.安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001; 2.安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001)

随着我国建设单位对工程进度、质量及成本的要求不断提高，人们也对周围的生活环境有了更高的追求，因此实际工程中自密实混凝土成为了更好的选择。然而在自密实混凝土制备过程中胶凝材料和水的用量大，极易出现早期收缩开裂，裂缝的产生会影响结构的承载力，而纤维的掺入可以增强与混凝土之间的粘结力，从而提高结构的强度。但是自密实混凝土的流动性会随着纤维掺量的增加而下降。因此，在自密实混凝土中掺纤维并找到纤维掺量的合理配比区间就显得尤为重要。

文献[9]在普通混凝土试件中掺入不同掺量的玄武岩-聚丙烯腈混杂纤维，发现纤维的掺入可以大幅提升混凝土的劈裂抗拉强度，但在一定程度上降低了混凝土的抗压强度。文献[10]发现当玄武岩纤维掺量为0.10%时，自密实混凝土的抗压强度达到峰值；而且纤维会影响混凝土的工作性能，纤维掺量越多，工作性能越差。文献[11]通过试验研究不同含量、不同长度的单丝聚丙烯腈纤维对混凝土抗压强度的影响,结果表明掺入6mm和12mm的聚丙烯腈纤维对混凝土抗压强度的提升效果较19mm的而言更为明显。文献[12]研究了玄武岩纤维、玻璃纤维以及玄武岩-玻璃混杂纤维对自密实混凝土力学性能的影响。研究表明混杂纤维对改善自密实混凝土的力学性能起着重要的作用。文献[13]向轻骨料混凝土中掺入一定的玄武岩纤维、聚丙烯腈纤维以及玻璃纤维，发现混杂纤维可以改善混凝土的力学性能，而掺入过多则对力学性能有不利影响。

基于混凝土的强度随龄期的增长而不断发展，最初养护的7d内强度增长最快，14d以后强度增长的比较缓慢，而且，现阶段，对混杂纤维普通混凝土和单掺纤维自密实混凝土的研究较多，对混杂纤维自密实混凝土的研究与分析较少。因此，本文通过对养护7d、不同掺量的玄武岩纤维、聚丙烯腈纤维及两种纤维混掺的自密实混凝土进行自密实性能和力学性能的分析，为该混凝土材料在工程中的应用提供了依据。

1 试验原材料及方案

(1) 试验原材料

试验选取淮南市八公山水泥厂的P·O42.5级普通硅酸盐水泥；粉煤灰采用巩义市某材料有限公司的Ⅱ级粉煤灰，密度为2 300kg/m；粗骨料采用粒径为5～20mm的连续级配碎石；细骨料选用淮河中砂，细度模数为2.7；洁净的淮南市自来水；减水剂选取上海某公司生产的聚羧酸高效粉状减水剂；玄武岩纤维采用上海某公司生产的长度为18mm的短切玄武岩纤维，聚丙烯腈纤维选用山东济南某公司生产的聚丙烯腈纤维。

(2) 试验配合比设计

根据《自密实混凝土应用技术规程》(JGJT283-2012)中的规范进行配合比设计，基准配合比设计如表1所示。对不同掺量的玄武岩纤维和聚丙烯腈纤维进行单掺与混掺，具体纤维掺和方式如表2所示。

表1 自密实混凝土基准配合比 kg·m-3

表2 纤维掺和方式

(3) 搅拌工艺

首先将搅拌机润湿，随后将碎石和砂子投入搅拌机中干搅60s，接着将胶凝材料和纤维放入搅拌机中搅拌90s，然后倒入一半水和减水剂湿搅60s，最后将剩余一半水和减水剂投入搅拌机搅拌60s。

为了进行结构优化设计, 首先建立优化设计的数学模型, 即在满足规定的条件下, 寻求一组最佳的设计参数, 选用ANSYS内置的Screening分析方法。

(4) 试验方法

自密实性能试验根据欧洲规范EFNARC进行坍落扩展度试验和J环试验。

试件养护7d后，根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2019)的规范，对100mm×100mm×100mm的立方体试块进行立方体抗压强度及劈裂抗拉强度试验。试验选用的加载速率分别为3mm/min和1mm/mim，每组有3个混凝土平行试件，结果取平均值。

2 试验结果与分析

(1) 自密实性能试验结果与分析

不同掺量的纤维自密实混凝土的自密实性能试验结果如表3所示。由表3可看出，16组纤维自密实混凝土的坍落扩展度基本都维持在650～750mm之间，具有较好的流动性。随着纤维掺量的增加，自密实性能降低的越明显。

表3 自密实性能试验结果

从工作性能试验的结果可以看出，坍落扩展度和J环坍落扩展度的差值均不超过50mm，J环内外高度差也都在20mm以内，满足间隙通过性能的要求。单掺玄武岩纤维要大于单掺聚丙烯腈纤维对自密实混凝土间隙通过性的影响，当玄武岩纤维的掺量为0.2%时，J环内外高度差要大于10mm，由此可知，玄武岩纤维的掺入会大大降低混凝土的间隙通过性，而聚丙烯腈纤维对间隙通过性的影响较小。

在新拌自密实混凝土中，混杂纤维自密实混凝土的自密实性能较单掺纤维的坍落扩展度下降的更为显著，这是由于纤维的桥接作用，与粗骨料之间存在耦合作用，严重影响了混凝土的流动性，并且随着纤维掺量的增加，影响越明显，由此降低了自密实混凝土的自密实性能。

(2) 早期劈裂抗拉强度试验结果与分析

由图1可知，单掺纤维时，纤维自密实混凝土的劈裂抗拉强度均呈现逐渐增大的趋势，素自密实混凝土的抗拉强度为2.57MPa。由图2可知，当单掺玄武岩纤维和单掺聚丙烯腈纤维的掺量分别为0.20%和0.12%时，达到峰值抗拉强度，分别为3.09MPa和3.13MPa，较素自密实混凝土分别提高了12.4%和13.8%。这是由于在混凝土中掺入纤维材料可以控制基体混凝土裂缝的进一步发展，从而增加混凝土的抗裂性。对于抗拉强度来说，单掺聚丙烯腈纤维的最优掺量为BF00PAN12，单掺玄武岩纤维的最优掺量为BF20PAN00。

(a)聚丙烯腈纤维对抗拉强度的影响

(b)玄武岩纤维对抗拉强度的影响图1 单掺纤维早期抗拉强度的变化趋势

从图2中可以看出，混掺纤维时，当玄武岩纤维的掺量为0.05%、0.10%和0.20%时，纤维自密实混凝土的抗拉强度均随着聚丙烯腈纤维掺量的增加而增大，在聚丙烯腈纤维掺量为0.12%时，抗拉强度分别达到峰值4.48MPa、3.82MPa和4.82MPa，较素自密实混凝土分别提高了74.3%、48.6%和87.5%。由此可知，混掺纤维对自密实混凝土抗拉强度的提升效果要明显优于单掺纤维。 这是因为纤维混凝土在荷载作用下，即使混凝土发生开裂，由于纤维与混凝土之间的“桥接效应”，还可以继续承受拉应力，随着纤维掺量的增加，纤维的增强效果越明显，玄武岩纤维和聚丙烯腈纤维混掺呈现“正混杂效应”。对于抗拉强度来说，玄武岩-聚丙烯腈混杂纤维的最优掺量为BF20PAN12。

图2 混掺纤维早期抗拉强度的变化趋势

图3为未掺加纤维、单掺纤维以及混掺纤维自密实混凝土抗拉破坏的试件形态。从图3(a)中可以看出，未掺加纤维的自密实混凝土破坏后只有一条主贯通裂缝，直接分成两个独立的混凝土块，属于明显的脆性破坏；由图3(b)可知，单掺纤维的自密实混凝土破坏时出现一条主裂缝贯穿试件，这是由于纤维的“桥接作用”，试件并没有完全劈裂，属于明显的塑性破坏；由图3(c)可知，混掺纤维的自密实混凝土破坏时试件表面出现一条相对细小的主裂缝，周围有少许碎屑剥落，混掺纤维的自密实混凝土较未掺纤维而言相对完整，都属于塑性破坏。由于纤维的掺入，对混凝土起到了增强、增韧的作用，很好的改善了混凝土的脆性破坏特征。

(a)未掺纤维 (b)单掺纤维 (c)混掺纤维图3 未掺纤维、单掺纤维和混掺纤维劈裂抗拉破坏的试件形态

(3) 早期抗压强度试验结果与分析

由图4可知，单掺纤维后，自密实混凝土的7d抗压强度较素自密实混凝土均有所上升，但波动范围不大。素自密实混凝土的抗压强度为27.61MPa。通过图4(a)可知，当单掺聚丙烯腈纤维时，抗压强度随着聚丙烯腈纤维掺量的增加而增大，当掺量为0.12%时，达到峰值抗压强度31.07MPa，较素自密实混凝土提升了12.5%。由图4(b)可得，当单掺玄武岩纤维时，抗压强度呈现先增后减的趋势，当掺量为0.10%时，达到峰值抗压强度28.85MPa，较素自密实混凝土提升了4.5%，当单掺玄武岩纤维超过0.10%时，抗压强度逐渐降低。这是由于玄武岩纤维是一种耐碱硅酸盐材料，少量的掺入可以均匀地在搅拌机中分散开来，过量的掺入会出现结团现象，从而导致抗压强度的降低。对于抗压强度来说，单掺聚丙烯腈纤维的最优掺量为BF00PAN12，单掺玄武岩纤维的最优掺量为BF10PAN00。

(a)聚丙烯腈纤维对抗压强度的影响

(b)玄武岩纤维对抗压强度的影响图4 单掺纤维早期抗压强度的变化趋势

由图5看出，对于混杂纤维，当玄武岩纤维的掺量为0.05%、0.10%和0.20%时，随着聚丙烯腈纤维掺量的增加，纤维自密实混凝土的抗压强度均呈现先增后减的趋势，在聚丙烯腈纤维掺量为0.09%时，其抗压强度增长最大，分别为29.11MPa、29.69MPa和28.49MPa，较素自密实混凝土分别提高了5.4%、7.5%和3.2%。由此可知,当聚丙烯腈纤维掺量超过0.09%时，混杂纤维自密实混凝土的抗压强度会下降，且混杂纤维较单掺纤维对混凝土抗压强度的提升并不显著，造成这一现象的原因是，随着纤维掺量的增加，在进行混凝土搅拌时纤维无法均匀地分散开来，容易结团，造成试件内部出现很多薄弱面，且纤维表面与混凝土之间相互吸附，从而导致抗压强度的下降，两种纤维呈现“负混杂效应”。对于抗压强度来说，玄武岩-聚丙烯腈混杂纤维的最优掺量为BF10PAN09。

图5 混掺纤维早期抗压强度的变化趋势

图6为未掺纤维、单掺纤维以及混掺纤维自密实混凝土抗压强度的破坏形态。由图6(a)可知，未掺加纤维的混凝土破坏后，试件四周外表层大量剥落，最终试件破坏呈倒角锥形。从图6(b)和图6(c)可知，单掺纤维的混凝土破坏时表面出现很多细小的裂缝，顶部有少量碎屑剥落，由于纤维的掺入，试件破坏后相对完整。产生这种现象的原因是由于纤维的掺入限制了在外力作用下试件裂缝的发展，当承受外力时，水泥基质与纤维共同承受，基质开裂后，纤维成为了外力的主要承受者。

(a)未掺纤维 (b)单掺纤维 (c)混掺纤维图6 未掺纤维、单掺纤维和混掺纤维抗压破坏的试件形态

3 结论

(1)随着纤维的增加，自密实混凝土的自密实性能会逐渐降低，聚丙烯腈纤维较玄武岩纤维对自密实性能的影响更明显。

(2)单掺聚丙烯腈纤维均可很好的提升自密实混凝土的抗压强度和抗拉强度，而单掺玄武岩纤维可以很好的提升自密实混凝土的抗拉强度，对抗压强度的提升不明显；综合考虑两种纤维单掺对自密实混凝土的工作性能以及早期拉压强度的影响，确定聚丙烯腈纤维和玄武岩纤维的单掺最优掺量分别为0.20%和0.12%。

(3)混杂纤维对自密实混凝土抗拉强度的提升效果较单掺更加显著，而对抗压强度的提升效果不如单掺明显；综合考虑混杂纤维自密实混凝土的工作性能以及早期拉压强度，确定两种纤维的混杂最优掺量分别为0.10%和0.12%；且由于纤维的掺入，混凝土的破坏形态明显改善，由脆性破坏转成塑性破坏，提高了混凝土的工程质量。