纤维增强自密实轻质混凝土墙板配合比设计及力学性能研究

张利 雷波

摘要：研究不同纤维类型改良自密实混凝土的工程性能以及最佳配合比，对钢纤维（SF）、聚丙烯纤维（PPF）、玄武岩纤维（BF）改良自密实混凝土开展了坍落度、干密度、立方体抗压强度以及劈裂抗拉試验。结果表明，掺入纤维后，自密实混凝土试样的坍落度均随着纤维掺量的增加而逐渐变小；SF 材料能够提高混凝土试样的抗压强度；掺入PPF 材料和BF 材料后混凝土试样的抗压强度明显降低；掺入纤维后混凝土试样的劈裂抗拉性能明显增强。自密实混凝土（SCLC）试样的整体表面较为光滑，加入SF 材料后界面变得粗糙，其断裂界面较PPFRC 以及BFRC 混凝土试样要更为完整，PPF 材料和BF 材料改良的混凝土内部存在很多细小空隙。

关键词：纤维增强；自密实混凝土；配合比设计；流动性；力学试验

中图分类号：TU528.72；TQ342+.62文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）05-0095-04

Studyonmixdesignandmechanicalpropertiesof fiberreinforcedself-compactinglightweightconcretewallboard

ZHANG Li，LEI Bo

（GuangAn Vocational and Technical College，SiChanGuangAn，China，638000）

Abstract： The engineering properties and optimal mixing ratio of improved self-compacting concrete of different fi? ber types were studied，and the slump，dry density，cubic compressive strength and splitting tensile tests of steel fi? ber（SF），polypropylene fiber（PPF）and basalt fiber（BF）improved self-compacting concrete were carried out. The test results showed that the slump of self-compacting concrete samples gradually decreased with the increase of fiber content after fiber incorporation. SF material could improve the compressive strength of cubic concrete sam? ples，but the compressive strength of concrete samples significantly decreased after adding PPF and BF materials. After the fiber was incorporated，the splitting tensile properties of concrete samples were significantly enhanced. The overall surface of the SCLC sample was relatively smooth，and the interface become rough after adding SF ma? terial. However，the fracture interface of the SCLC sample was more complete than that of the PPFRC and BFRC concrete samples. There were many small voids inside the concrete modified with PPF and BF materials.

Keywords： fiber reinforced；self-compacting concrete；mix design；fluidity；mechanical test

自密实轻质混凝土墙板是一种新型的建筑材料，具有轻质、高强度、高刚性、韧性好等特点[1-3]。在过去的几十年中，随着建筑工业的不断发展，对于轻质高强高刚材料的需求不断增加，纤维增强自密实混凝土逐渐变得重要[4-6]。因此，纤维增强自密实轻质混凝土墙板成为了当前研究的重点。

研究表明，在纤维增强自密实轻质混凝土墙板中加入纤维可以显著提高其力学性能。在配合比设计中，纤维种类、配合比、加工工艺等因素均有很大的影响[7-10]。因此，对于纤维增强自密实轻质混凝土墙板配合比设计的研究是非常必要的。近年来，有许多研究机构和学者开展了对纤维增强自密实轻质混凝土墙板配合比设计和力学性能的研究，他们通过试验和数学模拟等方法，取得了一些重要的结果。研究发现加入适量的纤维可以提高纤维增强自密实轻质混凝土墙板的抗压强度和抗折强度[11-13]。同时，配合比的不同也会影响纤维增强自密实轻质混凝土墙板的力学性能，因此必须科学地选择合适的配合比[14-15]。此外，研究人员还发现，不同的纤维种类和纤维长度对纤维增强自密实轻质混凝土墙板的力学性能有很大的影响。短纤维可以提高纤维增强自密实轻质混凝土墙板的抗压强度，长纤维可以提高其刚度。因此，纤维种类和纤维长度也是影响纤维增强自密实轻质混凝土墙板性能的重要因素[16-18]。

本次研究室内对 SF材料、PPF 材料、BF 材料改良SCLC 开展了坍落度试验、干密度试验、立方体抗压强度试验以及劈裂抗拉试验，综合研究了不同纤维类型改良自密实混凝土的工程性能以及最佳配合比设计，研究成果为建筑工程自密实混凝土的研究与应用提供了借鉴。

1 试验

1.1 原材料

本次研究拟对不同纤维加强的混凝土开展试验，主要原材料有：（1）水泥。采购（P·O42.5级普通硅酸盐水泥，表观密度3.11 g/cm3，养护28 d 抗折强度为8.5 MPa，抗压强度为49.4 MPa。（2）粉煤灰和矿渣。粉煤灰和矿渣采购自河北石家庄，粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，密度为2.07 g/cm3；矿渣粉采用 S95磨细矿渣粉，密度为2.78 g/cm3，比表面积418 m2/kg。（3）骨料。采用粉煤灰陶粒作为粗骨料，颗粒直径5～12 mm；采用页岩陶砂作为细骨料，颗粒直径在3 mm 以下，细度模数为2.35。（4）纤维。纤维材料选用购自江苏省某公司产的SF、PPF、BF，不同种类纤维具体参数如表1所示。

1.2 配合比设计

本文研究了自密实混凝土（SCLC）的配合比设计问题，在设计过程中，根据《自密实混凝土应用技术规程》等相关标准规范，最终确定SCLC 的配合比为水泥∶粉煤灰∶矿粉∶粉煤灰陶粒∶页岩陶砂∶水聚羧酸减水剂=400∶86∶86∶645∶355∶188∶5.72。对于本次试验所用的纤维改良自密实混凝土，不同纤维的掺量如表2所示。

1.3 试样制备

为了充分发挥粉煤灰陶粒和页岩陶砂的性能，本试验采用24 h 预湿处理的方法。使用强制式混凝土搅拌机，先将预湿处理后的粉煤灰陶粒和頁岩陶砂充分混合，加入胶凝材料后再次均匀搅拌，然后加入60%的拌合水搅拌，最后加入剩余水和减水剂搅拌。为了使纤维均匀分布，采用人工撒入的方式，并在自密实轻质混凝土搅拌的基础上适当延长时间。搅拌完成后，迅速将拌合物倒入模具。由于纤维增强自密实轻质混凝土具有自密实性，因此在模具中可以自行找平，但是收光面可能会不平整，需要进行抹光处理以确保其表面平整。为防止纤维增强自密实轻质混凝土水分蒸发，产生收缩裂缝，抹光处理之后立即覆盖保鲜膜，并进行编号。待试件成型24～48 h 后拆模，将试件放入混凝土标准养护箱中，保持温度在（20±2）℃、相对湿度大于95%的条件下，养护28 d；然后进行力学性能及干缩性能试验。

2 试验结果分析

2.1坍落度

图1展示了不同纤维增强自密实混凝土的坍落度试验结果。

从图1可以看出，对于不掺纤维的自密实混凝土试样，其坍落度为820 mm；而在掺入SF、PPF、BF 后，自密实混凝土试样的坍落度均产生了下降，对应最大坍落度分别为675、760和720 mm，且分别较自密实混凝土试样下降17.68%、7.32%和12.20%。进一步可观察到，不管对于何种纤维，纤维改良自密实混凝土的坍落度均随着纤维掺量的增加而逐渐变小，以 SF 材料改良自密实混凝土试验组为例，当SF材料掺量分别为0.6%、0.9%和1.2%时，混凝土试样的坍落度分别为675、654和620 mm。由此可见，试样中的纤维掺量弱化了混凝土拌合物的流动性。此外，还可以发现纤维掺量越大，混凝土的坍落度下降越快。究其原因，这可能是由于在自密实混凝土拌合物中加入纤维后，纤维对混凝土拌合物的粘附力较强，使得拌合物的内聚力增强，增加混凝土拌合物的粘稠性和粘性，从而阻碍了拌合物中颗粒之间的滑动和流动。因此混凝土拌合物的流动性变差。

2.2 干表观密度

表3展示了不同纤维改良自密实混凝土试样的干表观密度结果。

由表3可知，SCLC试样的干表观密度为1.59 g/cm3，不同类型的纤维对SCLC 的干表观密度和烘干前表观密度均产生不同程度的影响。添加低掺量SF材料和BF材料后，干表观密度有所增加；但加入密度较小的PPF材料则会导致干表观密度降低。分析认为，当往混凝土中掺入纤维后，由于SF材料本身密度较大，而PPF 和BF材料密度小。因此，SF 材料能够提升混凝土干密度；而BF和PPF材料会导致其密度降低。

2.3力学性质

图2展示了不同纤维改良混凝土试样的立方体抗压强度和劈裂抗拉强度试验结果。

从图2可以看出，不同纤维类型对混凝土立方体抗压强度有不同的影响。

SF 材料能够在一定程度上提高立方体混凝土试样的抗压强度；而掺入PPF材料和BF 材料后混凝土试样的抗压强度明显降低。分析认为，SF 材料掺入混凝土中可以有效提升试样的抗拉能力和韧性，进而提高混凝土的抗裂性能。当混凝土承受外力时，SF 材料可以起到桥梁的作用，承担一部分载荷，防止混凝土的裂缝扩展和破坏，从而提高混凝土的抗压强度。而PPF材料和BF 材料作为柔性纤维，加入后会使混凝土的流动性增加，从而降低混凝土的致密性，导致混凝土中气孔数量增加，且分布不均匀，这会导致混凝土的抗压强度降低。

此外，从图2还可知，掺入纤维后混凝土试样的劈裂抗拉强度均增大，且SF材料的提升效果更好。分析认为，这是由于纤维在混凝土基体中跨越裂缝，起到了桥接作用，可以防止裂缝扩展，并提高劈裂抗拉强度。刚性纤维比柔性纤维具有更强的裂缝桥接能力，可以更好地防止裂缝扩展，提高混凝土的劈裂抗拉强度。

3 微观特征

图3展示了不同混凝土试样断裂面微观电镜扫描结果。

从图3可以看出，SCLC 试样的整体表面较为光滑，加入SF材料后界面变得粗糙；但是其断裂界面较 PPFRC 以及BFRC 混凝土试样要更为完整。PPF 材料和BF材料改良的混凝土内部存在很多细小空隙，这也是其导致自密实混凝土试样立方体抗压强度降低的原因。BF 材料具有较好的亲水性，搅拌混合后BF 表面被密实的水泥浆体覆盖，二者之间胶结较好。然而，由于PPF材料具有疏水性，其与水泥浆体之间的粘接较差，混凝土内部容易产生更多的孔隙，试样破坏后水泥基也发生破坏。

4 结语

（1）掺入SF、PPF、BF后，自密实混凝土试样的坍落度均产生了下降，对应最大坍落度分别为675、760和720 mm，分别较自密实混凝土试样下降17.68%、7.32%和12.20%。不管对于何种纤维，纤维改良自密实混凝土的坍落度均随着纤维掺量的增加而逐渐变小；

（2）SCLC 试样的干表观密度为1.59 g/cm3，不同类型的纤维对SCLC 的干表观密度和烘干前表观密度均产生不同程度的影响。添加低掺量SF材料和BF 材料后，干表观密度有所增加。但加入密度较小的 PPF 材料则会导致干表观密度降低；

（3）对于试样的抗压性能，SF 材料能够在一定程度上提高立方体混凝土试样的抗压强度，掺入PPF和 BF 后混凝土试样的抗压强度明显降低。对于试样的抗拉性能，掺入纤维后混凝土试样的劈裂抗拉强度均增大，且SF材料的提升效果更好；

（4）SCLC 试样的整体表面较为光滑，加入SF材料后界面变得粗糙；但其断裂界面较PPFRC 及BFRC 混凝土试样要更为完整。PPF 材料和BF 材料改良的混凝土内部存在很多细小空隙，这也是其导致自密实混凝土试样立方体抗压强度降低的原因。

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