混杂纤维增强高强混凝土性能研究

赵雅明，张明飞，张 振，罗要飞

(1.中铁建设集团有限公司，北京 100040；2.郑州航空工业管理学院土木建筑学院，郑州 450046； 3.长安大学公路学院，西安 710064)

0 引 言

目前我国机场跑道道面普遍采用水泥混凝土材料，该道面具有优异的抗压强度、抗冲击性和摩擦热稳定性，能承受飞机轮载的强大冲击力[1]。然而，水泥混凝土道面材料脆性较大，在服役过程中易出现开裂、断板等问题，需对道面频繁加铺升级，且难以达到设计年限[2]。为适应当前机场混凝土道面的发展需求，需挖掘当代先进混凝土性能调控及优化技术，以提高混凝土道面的抗折性能、抗裂性能及其耐久性能。

纤维作为水泥混凝土常用增韧材料，它的加入可明显提高混凝土的抗拉、抗折和抗冲击性能，同时兼具阻裂、抗渗作用[3-4]。混凝土成型时，纤维与多相材料一同被搅拌，无序的纤维均匀分散在多相材料中形成硬化的混凝土。纤维与基体之间的摩擦和滑动可显著减少混凝土裂缝的形成和扩展，从而抑制服役期间产生的损伤累积和发展，能够有效地缓解裂纹尖端的应力集中，从而提高混凝土的力学强度[5]。通常，常用的纤维主要可分成柔性和刚性两类，由于每一种纤维材料的固有性质不同，单独掺加某一种纤维对混凝土性能增强效果较为片面。两种不同类型的纤维混杂在基体内形成二次加筋体系，可在不同时期和结构层次上发挥优势互补的作用，从而改善混凝土的性能。在混凝土中掺加钢纤维，可提高混凝土的抗压强度、抗冲击性能和韧性[6-8]，但由于钢纤维密度大，混凝土的自重显著增加，同时在复杂服役环境下容易被盐分侵蚀；合成纤维自重轻，且具有良好的抗碱性，若单独掺加聚乙烯醇纤维，不仅可以降低混凝土的自重，也可提高混凝土的抗渗性，但也会造成混凝土抗压强度有所下降[9]。综合钢纤维和聚乙烯醇纤维的优缺点，将两者通过混杂设计掺入高强混凝土中，在一定程度上可弥补两者产生的缺陷，充分展现自身的尺寸效应和性能优势，既可保证质轻也可改善基体的各项性能，同时也具有较好的经济效益[10-12]。

因此，本文选择两种典型的刚性、柔性纤维材料——钢纤维和聚乙烯醇纤维，研究纤维混杂对高强混凝土性能指标的影响规律。重点对钢纤维与聚乙烯醇纤维在不同掺量下进行混杂设计，研究其对混凝土工作性、力学强度、收缩性、抗裂性及耐久性的影响规律，为钢-聚乙烯醇纤维增强高强混凝土在工程中的制备提供可靠的参考依据。

1 实 验

1.1 原材料

原材料包括水泥、粉煤灰、河砂、粗骨料、减水剂、钢纤维、聚乙烯醇纤维和水。水泥为冀东P·O 42.5普通硅酸盐水泥，密度为3.02 g/cm3；粉煤灰为河南省某电厂粉煤灰公司提供的一级粉煤灰；细骨料选用细度模数为2.68的河砂，表观密度为2.631 g/cm3；粗骨料为4.75～13.6 mm的连续级配的石灰岩碎石，表观密度为2.718 g/cm3；减水剂为广州市中万新材料有限公司生产的聚羧酸减水剂，减水率为10%～20%，比表面积约为400 m2/kg；镀铜钢纤维，长度为12 mm，直径为300 μm，密度为7.5 g/cm3，弹性模量为200 GPa；聚乙烯醇纤维，长度为12 mm，直径为40 μm，密度为1.3 g/cm3，弹性模量为292.98 GPa。两种纤维的形貌如图1所示。

图1 钢纤维和聚乙烯醇纤维的形貌Fig.1 Morphology of steel fiber and polyvinyl alcohol fiber

1.2 混凝土基准配合比

依据JGJ/T 281—2012《高强混凝土应用技术规程》中高强混凝土配合比设计要求，在保证高强混凝土良好工作性的前提下，并结合前期尝试性试验确定C60基准配合比,如表1所示。减水剂掺量为总胶凝材料质量的1%，具有良好的工作性，便于成型振捣，获得较好的密实性，根据前期试验确定出本研究用的混凝土基准配比，如表1所示。

表1 C60混凝土基准配合比Table 1 Reference mix ratio of C60 concrete

1.3 试验方案设计

为研究纤维不同混杂比例对高强混凝土的影响，将钢纤维与聚乙烯醇纤维进行混杂，确定纤维的总体积掺量为1.50%。通过改变不同纤维的掺量，从而对试验进行设计。设置纤维掺量约束条件，见式(1)。

X+Y≤1.5,0

(1)

式中：X为钢纤维占纤维总体积掺量的比率；Y为聚乙烯醇纤维占纤维总体积掺量的比率。钢纤维与聚乙烯醇纤维混杂的试验配比如表2所示。

表2 混杂纤维配比Table 2 Ratio of hybrid fiber

1.4 试件成型工艺

按照配合比称好原材料，先将粗骨料和砂充分搅拌，然后将钢纤维和聚乙烯醇纤维分若干次放入搅拌机搅拌均匀，再将水泥、粉煤灰与硅灰投入搅拌机继续搅拌均匀，最后将水与减水剂的混合物缓慢加入搅拌机，继续搅拌4～5 min即可出料。按照JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》的振捣方式成型，养护至规定龄期测试其性能。

1.5 试验方法

1.5.1 流动性试验

根据JGJ/T 281—2012《高强混凝土应用技术规程》的规定，将搅拌好的拌合物进行坍落度试验。

1.5.2 力学强度试验

根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》规定，制成尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的抗压强度试件和尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的抗折强度试件，按规范采用轻型压力试验机测试其抗压强度和抗折强度，每组试验设置三个平行试件。

1.5.3 收缩试验

收缩试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，以三个试件为一组，采用测长仪进行试验。试件基准长度测量时间是试件成型加水72 h时，随后按照收缩率计算公式计算各龄期下的试件干燥收缩率。

1.5.4 开裂试验

采用平板法测试混凝土的早期抗裂性能，选用600 mm×600 mm×63 mm的试验模具制作试件。试验方法参考CECS 13—2009《纤维混凝土试验方法标准》进行。其裂缝面积通过对试件表面进行拍照后，使用采用Origin J进行计算。

1.5.5 氯离子侵蚀试验

高强混凝土的氯离子侵蚀试验参考GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能与耐久性能试验方法》，采用快速氯离子迁移系数法(rapid chloride method)对高强混凝土的渗透性进行研究。

1.5.6 微观试验

本试验采用德国卡尔蔡司公司生产的型号为sigma-300的场发射扫描电子显微镜，该型号仪器的二次电子分辨率小于1.2 nm，加速电压范围为0.02～30 kV，束流强度为12 pA～20 nA,放大倍率为10～1 000 000。放大倍数自动校准，工作距离为1～50 mm。选用的混凝土试样样品厚度为1～2 mm，边长约为5～10 mm。试验步骤：将样品先烘干，然后固定在试件盘中并做好标记，再对试样进行喷金处理，最后在扫描电镜室中进行观测。

2 结果与讨论

2.1 工作性

不同混杂纤维混凝土工作性试验结果如图2所示。由图2可知，高强混凝土的坍落度随着钢纤维和聚乙烯醇纤维的掺入产生明显变化，且随着纤维掺量的增加坍落度逐渐减小。从图上可以看出，钢纤维的掺入对混凝土坍落度的影响程度不及聚乙烯醇纤维对其影响程度。在单掺情况下，当钢纤维掺量为1.50%时，拌合物坍落度为180 mm，当聚乙烯醇纤维为0.75%时，其坍落度下降至80 mm；在混杂后，混凝土的拌合物下降更为明显，当混杂掺量为1.50%时，其坍落度只有50 mm。这是由于纤维的掺入阻碍了拌合物的下沉，同时聚乙烯醇纤维具有吸水性，相当于减少了拌合物用水，降低了水灰比，使混凝土拌合物的工作性降低。

图2 混杂纤维混凝土拌合物的坍落度Fig.2 Slump of hybrid fiber concrete mixture

2.2 抗压强度

不同纤维混杂比例下的混凝土抗压强度试验结果如图3所示。由组合SP0～SP6结果知，随着单掺钢纤维或者单掺聚乙烯醇纤维掺量的增加，高强混凝土的7 d和28 d抗压强度均呈增长趋势。基准组与SP0相比，在最大掺量下，钢纤维可使得高强混凝土28 d抗压强度增加23.7%，而聚乙烯醇纤维使得28 d抗压强度增加8.1%，即钢纤维增强效果较为明显。结合组合SP7～SP13抗压强度结果可知，钢纤维与聚乙烯醇纤维混杂后的高强混凝土7 d和28 d强度均明显高于基准组SP0和聚乙烯醇纤维混凝土(SP4～SP6)，但均低于钢纤维混凝土(SP1～SP3)，这也间接说明聚乙烯醇纤维对混凝土增强效果不及钢纤维。聚乙烯醇纤维团聚性强，在混凝土中不易分散，使得纤维与基体、纤维与纤维间的界面效应增加，导致混凝土内部结构缺陷增多，因此对混凝土强度增长效果较差[13]。此外，通过对SP7～SP13结果分析可知，在纤维总量一定的条件下，随着钢纤维掺量的增加，混凝土7 d和28 d抗压强度均有上涨趋势，当钢纤维掺量从0.25%增加到0.50%、0.75%时，混杂纤维混凝土抗压强度最多分别提高了7.8%、16.0%，说明随着钢纤维掺量的增加，抗压强度增幅逐渐增大。综合考虑混凝土7 d、28 d抗压强度后，纤维最优配比为1.00%钢纤维+0.50%聚乙烯醇纤维。

图3 混杂纤维混凝土的抗压强度Fig.3 Compressive strength of hybrid fiber concrete

2.3 抗折强度

不同纤维混杂掺量下的混凝土抗折强度试验结果如图4所示。由SP1～SP6可知，随着两种纤维掺量的增加，高强混凝土的抗折强度出现增大趋势。与SP0相比，钢纤维掺量为1.50%时，7 d、28 d抗折强度分别提高了26.8%、41.5%，而掺量为0.75%聚乙醇纤维混凝土，7 d、28 d抗折强度分别仅提高了12.5%、17.7%。因此可以看出钢纤维的增强效果更为明显。当两种纤维按不同比例(SP7～SP13)混杂后，混凝土的抗折强度随着钢纤维掺量的增加，聚乙烯醇纤维掺量的减小而逐渐增大，这表明影响混杂纤维混凝土抗折强度的主要因素仍然是钢纤维。当钢纤维为0.75%，聚乙烯醇纤维为0.25%，混凝土的抗折强度最大，与SP0相比，7 d、28 d抗折强度分别增加了45.7%、40.9%。这主要是因为聚乙烯醇纤维的几何尺寸较小，分布在基体中可以抑制或延缓微裂纹的发展；随着裂缝的增长，钢纤维在内部的桥接作用可以抑制裂缝的扩展，从而改善了混凝土的抗折性能。而当纤维总掺量达到1.50%时，混凝土的抗折强度有所下降，这可能是由于纤维掺量过多，导致内部的结构缺陷增加，其界面效应影响大于纤维对混凝土起到的抑制裂缝作用，从而使其强度有所下降[14-15]。

图4 混杂纤维混凝土的抗折强度Fig.4 Flexural strength of hybrid fiber concrete

2.4 收缩率

图5 混杂纤维混凝土的收缩率Fig.5 Shrinkage of hybrid fiber concrete

不同纤维混杂掺量下的混凝土收缩试验结果如图5所示。从SP0可以得出素混凝土收缩率在3 d以内处于快速增长阶段，硬化3 d后的收缩率增长速度逐渐变缓，28 d收缩率为592.28×10-6。从SP0～SP6可知，掺入两种纤维后可有效降低素混凝土的收缩，且钢纤维对混凝土收缩抑制率比聚乙烯醇纤维好。当两种纤维混杂后(SP7～SP13),随着纤维总掺量的增加，混凝土的抑制效果更为明显。在固定总掺量时，随着钢纤维掺量的增加，聚乙烯醇纤维的减少，混凝土28 d的收缩越小，且当钢纤维为0.75%，聚乙烯醇纤维为0.25%时，其收缩率最小，与素混凝土相比，28 d收缩率减小了34.7%。与单掺纤维混凝土相比，28 d收缩率降低了27.7%。一方面，这是因为两种纤维的物理混合改善了混凝土的孔结构，不同弹性模量的纤维更好地分散了混凝土内部的毛细管收缩应力；另一方面，聚乙烯醇纤维的比表面积大，使整个纤维基体具有更大的比表面积，混凝土内部受到了更多的牵引力，改善了混凝土内部的缺陷[16]，从而在一定程度上抑制了收缩的产生和发展。而当混杂掺量为1.50%，混凝土收缩呈现增大趋势，这是由于过多的聚乙烯醇纤维增加了界面的数量和内部水分散失的通道，导致混凝土本身湿度降低，从而减弱了其抑制收缩的效果，如果能和具有保水性的材料协同作用[17]，可能能够弥补这一缺陷。

2.5 抗裂性能

不同纤维混杂掺量下的混凝土早期开裂面积试验结果如图6所示，从SP0～SP6可知，掺入钢纤维和聚乙烯醇纤维能缓解混凝土的开裂，且随着纤维掺量的增加，混凝土的抗裂性能增加。同时也可看出聚乙烯醇纤维对抑制混凝土早期开裂具有更好的效果，当聚乙烯醇纤维掺量为0.75%时，其裂缝面积降低了45.2%。当纤维混杂后(SP7～SP13)，混凝土抗裂性能与力学强度表现出不同趋势，混杂纤维比单掺纤维对抑制混凝土开裂的效果更为显著。当钢纤维掺量为0.75%，聚乙烯醇纤维为0.25%时，混凝土的裂缝面积最小，与SP0相比，开裂面积减小了95.8%，其抗裂效果最为显著。这是由于在混凝土的拌和过程中，得到较好分散程度的纤维，使其与混凝土基体紧密结合，有效防止了裂缝的形成和扩展。而且，不同弹性模量的纤维混杂作用能够在裂缝发展的不同阶段和不同尺度上起到抵抗约束收缩裂缝的作用[18]，尤其是柔性纤维的掺入，大量的纤维桥接在混凝土基体各个界面处，从而延缓其应力集中发生，减少裂缝的萌发，并抑制其形成贯穿裂缝[19]。

图6 混杂纤维混凝土早期开裂面积Fig.6 Early cracking area of hybrid fiber concrete

2.6 抗氯离子侵蚀性能

不同纤维混杂掺量下的混凝土抗氯离子侵蚀性能试验结果如图7所示，与素混凝土(SP0)相比，两种纤维在单掺时可降低混凝土的渗透性，相同体积掺量(0.50%)下的钢纤维、聚乙烯醇纤维使混凝土氯离子渗透系数分别降低了7.7%、11.4%；对于混杂纤维混凝土，0.75%钢纤维+0.25%聚乙烯醇纤维形成的混凝土的抗氯离子侵蚀效果最好，其氯离子渗透系数较素混凝土降低了66.5%。在混杂配比中，随着钢纤维掺量的增加，混凝土氯离子渗透系数逐渐下降，且比单掺情况下效果更好，这是由于不同类型的纤维对混凝土内部的改善效果不同[20]。钢纤维的弹性模量相对高于凝结初期混凝土的弹性模量，提高了基体的抗拉强度，从而可以抑制早期裂缝的产生，降低内部的孔隙率，可降低因盐分侵蚀带来的混凝土损伤问题[21]。聚乙烯醇纤维单位体积下分布多，且柔韧性最好，对混凝土的“承托”效果最好[22]，基体内部的裂缝宽度变窄，水分散失速度减缓，从而提高了混凝土的抗渗能力。当在两种纤维混杂后，不同尺寸和不同性质的纤维在基体内部形成复杂的空间网状结构，减小纤维间距，抑制孔洞的出现和延展，提高了基体的抗渗性。

图7 混杂纤维混凝土的氯离子渗透系数Fig.7 Chloride ion diffusion coefficient of hybrid fiber concrete

2.7 微观结构分析

将破坏后的0.75%钢纤维+0.25%聚乙烯醇纤维混凝土试样放入扫描电镜(SEM)中观察拍照，钢纤维和聚乙烯醇纤维在基体内部的分布情况如图8所示。从图8(a)、(b)可知钢纤维和聚乙烯醇纤维乱象分布在混凝土内部，且大量聚乙烯醇纤维分布于钢纤维周围。混凝土在破坏后，钢纤维被拔出，在拔出的过程中消耗大量的能量，钢纤维通过对宏观裂缝的桥接对基体起到增强作用。从图8(c)可知，混凝土破坏后，聚乙烯醇纤维被拉断，且表面有划痕。在裂缝发展早期，聚乙烯醇纤维承担力大于钢纤维，在拔出的过程中消耗能量，延缓裂缝的产生和扩展。从图8(d)可知，聚乙烯醇纤维表面布有水化产物，证明聚乙烯醇纤维与基体之间有良好的粘结作用。从微观角度分析，纤维表面的水化产物可增强与基体之间的化学粘结力和静摩擦力，提高基体密实度，改善水泥石的微观结构。两种纤维混杂后在基体内部形成骨架，可在不同结构层次上抑制裂缝的出现和扩展。通过对扫描电镜结果进行分析，混杂纤维在高强混凝土内部的结构证明了纤维对基体宏观性能的改善。

图8 混杂纤维混凝土断裂面的SEM照片Fig.8 SEM images of fracture surface of hybrid fiber concrete

3 结 论

(1)在纤维总掺量一定时，纤维对高强混凝土工作性的影响程度为：聚乙烯醇纤维>钢-聚乙烯醇混杂纤维>钢纤维。混杂纤维配比下的混凝土能够改善素混凝土的抗压强度和抗折强度，强度主要来源于钢纤维，但均低于钢纤维混凝土，高于聚乙烯醇纤维混凝土。

(2)混杂纤维对高强混凝土收缩、早期开裂、氯离子渗透具有良好的抑制效果。与素混凝土相比，在混杂0.75%钢纤维+0.25%聚乙烯醇纤维情况下，混凝土收缩率减小了34.7%，开裂面积降低了95.8%，且氯离子渗透系数降低了66.5%。

(3)混杂纤维对高强混凝土内部的改善情况与混凝土的宏观力学性能相对应。

(4)钢-聚乙烯醇纤维混杂后，不仅对高强混凝土的各项性能起到改善作用，同时降低了混凝土的自重及施工成本，最终推荐高强混凝土的混杂配比为0.75%的钢纤维和0.25%的聚乙烯醇纤维。