基于不同水胶比掺入多种纤维的复合混凝土3种性能测试研究

刘 巍

(济南市工程质量与安全中心，山东 济南 250102)

众多学者通过试配、计算和模拟等方法来制备高性能混凝土，研究了石灰石粉作掺合料对混凝土工作性能的影响，并与粉煤灰的效果相对比[1]；通过试验得出相比于干陶粒和预湿陶粒，经过憎水处理的陶粒配制的混凝土在比较低的用水量的情况下，有比较高的坍落度和经时坍落度保留值[2]；分析了粉煤灰掺量和硅灰掺量等对自密实轻骨料混凝土拌合物工作性的影响[3]；通过设计不同的强度配合比、橡胶掺量等试验变量，研究了废旧橡胶混凝土拌合物的工作性能[4]；矿物掺合料和减水剂等对高强轻集料混凝土工作性能的影响[5]；基于不同配合比进行了混凝土流动性的对比试验测试[6]；粗细集料体积比、细集料与水泥浆体体积比等体积参数对道路混凝土工作性能的影响[7]；采用礁石粉取代部分水泥时，对比研究了礁石粉对超高强混凝土流变性能、流动度和强度的影响[8]；通过实验得出通过水灰比以及纤维素醚掺量等参数的优化，可以制备工作性好的EPS轻骨料混凝土[9]；预吸水和表面裹浆法2种轻骨料预处理工艺对自密实轻骨料混凝土拌合物工作性能的影响[10]；通过研究干燥状态再生细骨料和饱和面干再生细骨料在再生混凝土中的掺量变化对再生混凝土工作性的影响[11]；胶凝材料用量和矿物掺合料对大流动性的高强轻集料混凝土工作性能的影响[12]；进行了粉煤灰、硅灰、矿粉的单掺和复掺轻骨料混凝土工作性能对比试验[13]；自密实轻骨料混凝土工作性能和力学性能的影响因素[14]；通过工作性能试验，分析了硅灰对塑性混凝土工作性能和强度的影响[15]；分析了玻化微珠性能和掺和料用量对玻化微珠承重保温混凝土工作性能的影响[16]；低胶材聚羧酸混凝土工作性能的影响规律[17]；双掺矿物掺合料条件下的纤维掺量对聚丙烯纤维混凝土的坍落度的影响[18]。

上述学者以提升混凝土的工作性能为目的，通过掺入不同矿物掺合料来配制高性能混凝土。本文采取相同的方法，选择目前活性较好的2种纤维材料：玄武岩纤维和聚乙烯纤维作为掺合料，分别掺入不同的掺量来分析纤维种类、纤维掺量对混凝土工作性能的影响。在配制混凝土试块的过程中，调试不同的水胶比来分析混凝土工作性能与水胶比的关系。通过试验得到3个变量的最优解，为高性能混凝土的研发提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 原材料

(1)水泥：天津市北辰区兴宝建材销售中心生产的P·O42.5水泥，其主要化学组成如表1所示；

(2)砂：江西柏立松科技环保设备制造有限公司生产，粒级约为0～15 mm；

(3)石：江西柏立松科技环保设备制造有限公司生产，粒级约为15～30 mm；

(4)玄武岩纤维：由常州路必思新材料科技有限公司提供，直径约14 μm；

(5)聚乙烯纤维：由常州路必思新材料科技有限公司提供，直径约9 μm；

(6)水：自来水；

(7)根据上述基本原材料，对混凝土进行配制，其配合比如表2所示。

表1 水泥化学组成Tab.1 Chemical composition of cement

表2 混凝土配合比Tab.2 Concrete mix proportion

1.2 试验方法

根据国家标准制备标准立方体混凝土试块，并对混凝土试件进行标准养护：温度20 ℃，相对湿度在95%以上。在混凝土中掺入不同含量的玄武岩纤维和聚乙烯纤维并配制不同水胶比的混凝土试块。通过北京天连和谐仪器仪表有限公司生产的坍落度测试仪测量纤维混凝土的坍落度变化；通过含水率计算公式计算混凝土的吸水率，即可得出混凝土的开孔孔隙比；在二氧化碳浓度为20±0.05%的环境下，由南京安奈试验设备有限公司生产的碳化箱对纤维混凝土进行碳化，分析纤维混凝土的碳化深度的变化。

2 坍落度的影响

在混凝土中掺入不同质量分数的玄武岩纤维和聚乙烯纤维，分析混凝土坍落度随纤维掺量及水灰比的演变关系，结果如图1所示。

(a)玄武岩纤维

由图1可知，随着2种纤维掺量的逐渐增加，混凝土的总体坍落度值逐渐下降。在低水灰比下，2种纤维对混凝土的坍落度损失却不太相同。玄武岩纤维混凝土的坍落度下降率随着掺量的增加，而逐渐增加；聚乙烯纤维混凝土的坍落度下降率随着掺量的增加，而先增加后减小，临界点为2%。对于同一掺量下，聚乙烯纤维对混凝土的作用要略优于玄武岩纤维，如当水灰比为0.55，纤维掺量为2%时，玄武岩纤维混凝土的坍落度为41.2 mm，聚乙烯纤维混凝土的坍落度为40.9 mm。这是因为2种纤维类材料的直径比都很小，能够填充至混凝土的内部孔隙中，从而密实混凝土，降低混凝土的坍落度；另一方面，玄武岩纤维的直径比聚乙烯纤维要略大，因此在相同的纤维掺量下，聚乙烯纤维能够更好的填充混凝土内部的孔隙，提升混凝土的性能。

在同一纤维掺量下，混凝土的坍落度随着水灰比的增加而逐渐增加；混凝土的坍落度增长率也随着水灰比的增加而逐渐增加。这是因为混凝土的水灰比越大，即水分含量也就越大，混凝土的流动性也就越大，坍落度也就越大。因此，在配制混凝土时，不宜使用过量的水灰比。

3 吸水率的变化

在混凝土中掺入不同质量分数的玄武岩纤维和聚乙烯纤维，分析混凝土吸水率随纤维掺量及水灰比的演变关系，具体如图2所示。

(a)玄武岩纤维

由图2可知，随着2种纤维掺量的逐渐增加，混凝土的总体吸水率值逐渐下降。在同一掺量下，聚乙烯纤维对混凝土的作用要略优于玄武岩纤维，如当水灰比为0.55，纤维掺量为2%时，玄武岩纤维混凝土的吸水率为22.4%，聚乙烯纤维混凝土的吸水率为22.1%。可见，适量的纤维掺量能够降低混凝土吸水率，即孔隙率；而过高的纤维虽然也能够降低混凝土的吸水率，但吸水率的减少速率下降，性价比不高。因此建议在混凝土中掺入的玄武岩纤维和聚乙烯纤维的最佳掺量为2%。这主要是因为玄武岩纤维和聚乙烯纤维属于纤维类材料，能够与水泥中的化学成分发生反应，从而加快火山灰反应，降低混凝土的孔隙率；另一方面，聚乙烯纤维的直径比玄武岩纤维要小，因此在相同的纤维掺量下，聚乙烯纤维能够更好的填充混凝土内部的孔隙，提升混凝土的性能。

在同一纤维掺量下，混凝土的吸水率随着水灰比的增加而逐渐增加；混凝土的吸水率增长率也随着水灰比的增加而逐渐增加。这是因为混凝土的水灰比越大，即水分含量也就越大，相对来说水泥的含量越少，混凝土的孔隙比也就越大。

4 碳化深度的变化

在混凝土中掺入不同含量的玄武岩纤维和聚乙烯纤维，分析混凝土碳化深度随纤维掺量及水灰比的演变关系，结果如图3所示。

(a)玄武岩纤维

由图3可知，随着2种纤维掺量的逐渐增加，混凝土的总体碳化深度值逐渐下降。随着2种纤维掺量的增加，混凝土的碳化深度的下降率先逐渐增加而后下降。从图3还可以看出，在掺量为2%时，混凝土的碳化深度变化率达到最大。在同一掺量下，聚乙烯纤维对混凝土的作用要略优于玄武岩纤维，如当水灰比为0.55，纤维掺量为2%时，玄武岩纤维混凝土的碳化深度为16 mm，聚乙烯纤维混凝土的碳化深度为14 mm；因此，建议在混凝土中掺入2%聚乙烯纤维。出现这一变化规律主要是因为玄武岩纤维和聚乙烯纤维属于活性材料，能够与水泥中的化学成分发生反应，加快火山灰反应，提高混凝土的自密实性能；另一方面，当混凝土的孔隙已经被填满时，过量的纤维掺入便不能够完全发挥作用，纤维对混凝土的碳化深度不会产生明显的改变。

在同一纤维掺量下，混凝土的碳化深度随着水灰比的增加而逐渐增加；混凝土的碳化深度增长率也随着水灰比的增加而逐渐增加。这是因为混凝土的水灰比越大，即水分含量也就越大，相对来说水泥的含量越少，混凝土的孔隙比也就越大，越容易受到碳化作用的影响。

5 结语

本文通过在混凝土中掺入不同质量分数的玄武岩纤维和聚乙烯纤维、调试不同水胶比来分析这3种因素对混凝土的坍落度、吸水率和抗碳化能力的影响。

(1)在低水灰比的情况下，玄武岩纤维对混凝土坍落度的影响规律与聚乙烯纤维不同；

(2)2种纤维均能够提高混凝土的工作性能，但过高的纤维对混凝土的影响不大；

(3)过高的水灰比使得混凝土的工作性能下降；而过低的水灰比则会使混凝土的流动性越差，不宜施工。

因此得出2种纤维的最佳掺量均为2%，混凝土的最佳水胶比为0.55。当水灰比为0.55、纤维掺量为2%时，玄武岩纤维混凝土的坍落度为41.2 mm、吸水率为22.4%、碳化深度为16 mm；聚乙烯纤维混凝土的坍落度为40.9 mm、吸水率为22.1%、碳化深度为14 mm。