混杂剑麻-玄武岩纤维混凝土力学性能研究*

何 翔，崔玉奇，朱兆悦，姜景山，章 媛，李泽霖，姜志炜

（南京工程学院建筑工程学院，江苏 南京 211167）

单一的纤维掺入混凝土中往往会导致混凝土的某一性能降低，而混杂纤维混凝土有了很大改善，是一种新型的复合材料[1-3]。 针对混杂纤维对混凝土性能的影响，国外学者开展了相关研究。 Luo D 等[4]研究聚丙烯纤维体积掺量和钢纤维体积掺量对上述指标的影响，结果表明聚丙烯纤维质量损失率有一定程度上的降低。 Ammari M S 等[5]研究了掺入木质纤维和钢纤维后混凝土耐久性的变化，结果表明木质纤维对于混凝土耐久性几乎没有影响，而钢纤维的掺入降低了混凝土碳化后的质量增益。 A1shaikh I等[6]进行了普通混凝土和橡胶混凝土掺入聚丙烯纤维和钢纤维后的冲击对比试验，结果表明橡胶混凝土的冲击功与普通混凝土相比提高约10 倍，冲击延性指数与普通混凝土相比提高约2 倍。 Ganta J K等[7]研究了玻璃纤维和钢纤维掺入自密实混凝土后对其硬化和耐久性产生的影响。 我国学者也对纤维混凝土做了较多研究[8-11]。岳健广等[12]对36 个钢纤维混凝土带缺口梁进行三点弯曲试验，揭示了试件开裂过程的能量耗散演化规律，并建立了钢纤维混凝土的单轴受拉损伤弹塑性本构模型。罗素蓉等[13]进行了13 组钢-PVA 纤维高强再生混凝土试件的三点弯曲梁试验，结果表明钢纤维和PVA 纤维的掺入可以有效延缓高强再生混凝土的断裂破坏。

1 主要试验材料

1.1 胶凝材料

水泥为P.O42.5 普通硅酸盐水泥。 根据GB 175-2007 《通用硅酸盐水泥》 对水泥的物理和力学性能测定结果见表1。

表1 水泥物理和力学性能测定结果

1.2 纤维

采用广西剑麻集团生产的剑麻成品，裁剪成长度为15 mm 的短剑麻 （见图1-a）； 采用海宁安捷复合材料有限责任公司生产的玄武岩纤维，长度为12 mm （见图1-b）。 剑麻纤维和玄武岩纤维的主要性能指标见第118 页表2。

表2 剑麻纤维和玄武岩纤维的性能指标

图1 剑麻纤维和玄武岩纤维

2 试验设计方案

2.1 试验配合比

素混凝土的强度等级为C30，按照胶凝材料用量的1.75%掺入减水剂，经过试拌后得到的配合比见表3。

表3 试验配合比

2.2 试件制备与养护

混杂纤维混凝土抗压强度试验和劈裂抗拉强度试验各进行13 组，每组各有3 个试件，共计78 个试件。 混凝土拌合好后在振捣台上振捣成型，成型24 h 后进行脱模。 标准养护28 d 后进行测试。

剑麻纤维和玄武岩纤维出厂时一般进行过表面处理，因此使用前只需对其进行改性处理。 使用前将玄武岩纤维在10%的CH3COOH 溶液中浸泡6 h完成改性处理； 将剑麻纤维在1%的NaOH 溶液中浸泡30 min 后自然晾干完成改性处理。 使用干拌法将纤维掺入混凝土中，试件具体制作步骤如下。

1） 根据试验配合比称量出一次所需的材料。

2） 准备好试验所需模具，在模具内壁涂油。

3） 加入水泥，搅拌30 s，再匀速且均匀地掺入剑麻纤维和玄武岩纤维，同时进行搅拌，使纤维均匀地分散在胶凝材料中，搅拌时间为60 s。

4） 加入细骨料和再生粗骨料，搅拌30 s。

5） 加入水和减水剂，搅拌150 s。

6） 将拌合物分3 次浇筑到模具中，边浇筑边进行振捣，振捣完成的试件见图2。

图2 振捣完成后的试件

7） 振捣完成后贴上相应的编号，静置24 h 后进行脱模。 脱模后搬入养护室进行养护，见图3。

图3 试件养护

3 试验结果与分析

3.1 混杂剑麻-玄武岩纤维混凝土破坏形态

素混凝土和混杂剑麻-玄武岩纤维混凝土抗压强度试验破坏形态见图4。 由图4 可知，混杂剑麻-玄武岩纤维混凝土立方体试件受压进入失稳阶段后，初期的短裂缝会在试件内部逐步蔓延，并形成数条贯通试件的长裂缝，但纤维发挥了桥接与应力传递作用，混凝土最终不会压溃，这与素混凝土受压破坏后侧面大面积破碎并剥落不同。 当剑麻纤维和玄武岩纤维在混凝土中的总体积率大于0.3%时，将其称为高纤维体积率混凝土[14]。可以看出，纤维的体积率越高，混杂剑麻-玄武岩纤维混凝土受压破坏后的残余体越完整，试件表面剥落越少。

图4 素混凝土和混杂剑麻-玄武岩纤维混凝土抗压强度试验破坏形态

素混凝土和混杂剑麻-玄武岩纤维混凝土劈裂抗拉强度试验破坏形态见图5。 由图5 可知，素混凝土试件在劈裂作用下断面完整性较好，断裂面以“Ⅰ” 型为主。 混杂剑麻-玄武岩纤维混凝土试件劈裂破坏形态则有所不同，纤维体积率低时，试件的断面完整性一般，断裂面产生了主裂缝和支裂缝两条裂缝； 随着纤维体积率的提高，混杂剑麻-玄武岩纤维混凝土试件断面完整性不断降低，因而纤维的掺入使得混凝土的劈裂抗拉破坏形态发生明显的变化。

图5 素混凝土和混杂剑麻-玄武岩纤维混凝土劈裂抗拉强度试验破坏形态

3.2 混杂剑麻-玄武岩纤维混凝土力学性能试验结果

本次试验研究剑麻纤维 （15 mm） 和玄武岩纤维（12 mm） 掺入混凝土的状态下，对混杂剑麻-玄武岩纤维混凝土试件进行了立方体抗压强度和劈裂抗拉强度等试验数据的量测，以此来探究剑麻纤维体积率、 玄武岩纤维体积率两个因素对坍落度和力学强度的影响规律，具体试验结果和水平趋势分析如下。

3.2.1 混杂剑麻-玄武岩纤维混凝土坍落度

素混凝土和混杂剑麻-玄武岩纤维混凝土的坍落度试验结果见表4。 由表4 可知，试验共进行了13 组对混凝土坍落度试验数据的量测，每组各有3 个100 mm×100 mm×100 mm 的试件，共计78 个试件。结果表明混杂剑麻-玄武岩纤维混凝土的坍落度值均低于素混凝土的坍落度值，且每组的坍落度都在50～90 mm 之间，均属于T2 级别的塑性混凝土。

表4 素混凝土和混杂剑麻-玄武岩纤维混凝土坍落度试验结果

3.2.2 混杂剑麻-玄武岩纤维混凝土立方体抗压强度

混杂剑麻-玄武岩纤维混凝土抗压强度见图6。由图6 可知，剑麻纤维和玄武岩纤维的掺入使混凝土抗压强度得到显著提高。 具体规律如下： 当剑麻纤维体积率为1%且玄武岩纤维体积率从0.1%提高至0.2%时，体积率的升高导致抗压强度随之提高23%； 当玄武岩纤维体积率从0.2%提高至0.4%时，抗压强度会随着体积率的升高而降低。 当剑麻纤维体积率为2%且玄武岩纤维体积率从0.1%提高至0.2%时，体积率的升高导致抗压强度随之提高13%； 当玄武岩纤维体积率从0.2%提高至0.4%时，抗压强度会随着体积率的升高而降低。 当剑麻纤维体积率为3%且玄武岩纤维体积率从0.1%提高至0.2%时，体积率的升高导致抗压强度随之提高11%； 当玄武岩纤维体积率从0.2%提高至0.4%时，抗压强度会随着体积率的升高而降低。

图6 混杂剑麻-玄武岩纤维混凝土抗压强度

由此可得，当剑麻纤维体积率升高超过某一限值时，抗压强度会随着体积率的升高而降低，且当玄武岩纤维的体积率大于0.3%时，抗压强度下降得尤为明显。 本研究中的混杂纤维混凝土试件的抗压强度都呈现先升高再降低的趋势，这表明纤维体积率与抗压强度之间并不是简单的线性关系，适当的纤维体积率对抗压强度起到提高的作用，超过一定的体积率抗压强度反而会呈现降低的趋势，称为负混杂效应。 上述规律的体现或许是以下因素导致： 适量纤维能够在混凝土中分散得比较均匀并且和砂浆间产生较强的粘结力，达到防止裂缝产生的效果，此外纤维会对混凝土产生一定的支撑作用，即分担混凝土所受到的荷载作用，实现抗压强度的提高。 然而当纤维的量过多时会产生团状纤维，发生应力集中现象而浪费纤维，导致混凝土立方体抗压强度不升反降。

若只以立方体的抗压强度为指标，最佳的组合是第A-2 组试验 （剑麻纤维体积率为1%，玄武岩纤维体积率为0.2%）。

素混凝土和混杂剑麻-玄武岩纤维混凝土抗压强度试验结果见表5。 根据表5 的数据结果分析可知： 剑麻纤维对提高混凝土立方体的抗压强度起到高显著作用，玄武岩纤维起到非显著作用。

表5 素混凝土和混杂剑麻-玄武岩纤维混凝土抗压强度试验结果

3.2.3 混杂剑麻-玄武岩纤维混凝土劈裂抗拉强度

混杂剑麻-玄武岩纤维混凝土的抗拉强度见第120 页图7。 由图7 可知，剑麻纤维对劈裂抗拉强度几乎没有起到提高的作用，玄武岩纤维对劈裂抗拉强度起到了提高的作用。 玄武岩纤维体积率的提高对抗拉强度的提高效果好，表明纤维的掺入对抗拉强度的提高有促进作用。 若只以劈裂抗拉强度为指标，玄武岩纤维最优体积率为0.4%，剑麻纤维体积率为2%。

图7 混杂剑麻-玄武岩纤维混凝土抗拉强度

素混凝土和混杂剑麻-玄武岩纤维混凝土劈裂抗拉强度试验结果见表6。 根据表6 中的分析结果可知，玄武岩纤维是混杂剑麻-玄武岩纤维混凝土劈裂抗拉强度的高显著因素； 剑麻纤维是混杂剑麻-玄武岩纤维混凝土劈裂抗拉强度的非显著因素。

表6 素混凝土和混杂剑麻-玄武岩纤维混凝土劈裂抗拉强度试验结果

4 结论

通过试验得到的主要结论如下。

1） 对于混杂剑麻-玄武岩纤维混凝土立方体抗压强度来说，剑麻纤维是显著因素，玄武岩纤维几乎不影响立方体抗压强度。 若想要使混杂剑麻-玄武岩纤维混凝土获得最高的立方体抗压强度，应选取剑麻纤维体积率为1%，玄武岩纤维体积率为0.2%。

2） 玄武岩纤维是混杂剑麻-玄武岩纤维混凝土劈裂抗拉强度的高显著因素； 剑麻纤维是混杂剑麻-玄武岩纤维混凝土劈裂抗拉强度的非显著因素。但过多的掺入玄武岩纤维反而会降低混杂纤维混凝土的抗拉强度。