纤维对超高性能混凝土力学性能及微观结构影响研究

曾旺 顾连胜 陈松靖 梁炯丰

摘 要：将玄武岩纤维、玻璃纤维和聚丙烯纤维按照不同掺量（0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%）分别掺入水胶比为0.18的超高性能混凝土（ultra high performance concrete，UHPC）中，研究不同纤维和掺量对UHPC抗压强度和抗折强度的影响。优选出单掺玄武岩纤维、玻璃纤维以及聚丙烯纤维力学性能最佳的掺量；测定玄武岩纤维、玻璃纤维以及聚丙烯纤维最佳掺量下UHPC孔隙结构，并通过SEM表征其微观结构，探究不同种类纤维对UHPC力学性能影响的机理。试验结果表明，玄武岩纤维和玻璃纤维掺量为0.4%，聚丙烯纤维掺量为0.2%时，UHPC基本力学性能达到最优。压汞试验结果表明，纤维的掺入能够有效降低孔隙及裂缝的数量，提高无害孔和少害孔的数量，并细化大孔径促使有害孔和多害孔往少害孔和无害孔转变。SEM试验结果显示：纤维的加入能够减少裂缝和细化孔径，使试件内部更加致密；同时均匀分布的纤维在试件内部构成网状结构，当承受荷载时，纤维对荷载进行分散，使得裂缝发展需要消耗更多的能量。

关键词：超高性能混凝土（UHPC）；纤维；玄武岩机制砂；力学性能；孔隙；微观结构

中图分类号：TU528.58 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2023.01.004

0 引言

随着社会的发展以及人们对于节能环保观念的愈加重视，对于耗能巨大的建筑行业要想实现节能环保，关键是寻找一种更具有节能环保和可持续性的新型材料，而超高性能混凝土（ultra high performance concrete，UHPC）是目前混凝土发展中较为先进的水泥基材料之一，其具有优异的力学性能（如抗压强度、抗折和抗冲击性能等）和耐久性能，使其成为最有希望替代传统普通混凝土的材料之一[1-6]。通常UHPC配合比设计中水灰比很低，需配合高效减水剂，同时采用级配良好的石英砂作为细骨料，掺入纤维形成骨架结构，制备出内部致密的结构，在有条件的情况下进行热养护使得混凝土内部结构更为密实，缩短养护时间，提高UHPC的力学性能[7-9]。

纤维掺入混凝土基材中能够形成三维网架结构，该结构能够阻碍裂缝扩展[10]。根据纤维间距理论，纤维平均中心间距越小对裂缝阻碍效果越好[11]。因此，对于不同种类纤维和不同尺寸规格的纤维增强混凝土基体的研究，成为了许多研究者关注的焦点。Al-Osta等[12]对直线型钢纤维和端勾型钢纤维进行混掺后加入UHPC中，结果表明端勾型钢纤维能够有效提升弹性模量和折压强度。吉云鹏等[13]将钢纤维掺入再生混凝土中研究损伤演化的机理，结果表明钢纤维能够有效控制裂缝的形成。Zhang等[14]研究聚乙烯纤维的不同体积掺入率与纤维长度对抗冲击性能，研究结果表明减少聚乙烯纤维掺量或纤维长度会削弱抗冲击性能。

目前，UHPC纤维的研究主要集中在纤维种类、形状和混杂纤维多变量下配合比的设计、基本力学性能和耐久性能等方面，但纤维对UHPC微观结构与强度影响分析方面的研究不够深入。本文采用玄武岩纤维、玻璃纤维和聚丙烯纤维掺入UHPC中，其中纤维体积掺入率为0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%，细集料采用玄武岩机制砂，通过MIP和SEM结合基本力学性能来探究UHPC微观结构与强度之间的影响。

1 试验概况

1.1 试验原材料

水泥：来自诸城市杨春水泥有限公司生产的P·O 52.5级硅酸盐水泥，主要的技术指标和化学成分分别见表1和表2。

矿物掺合料：矿物掺合料分别为Ⅱ级粉煤灰（粒径为20.3 μm）和水淬高炉石粉（S105），均来自巩义市龙泽净水材料有限公司，其主要化学成分组成见表3。

细集料：选用来自石家庄德泽矿产品有限公司生产的水洗玄武岩机制砂，物理指标见表4。

纤维：玄武岩纤维、玻璃纤维和聚丙烯纤维均购自长沙正德建材科技有限公司，各纤维物理参数见表5。

减水剂：采用德国巴斯夫聚羧酸减水剂2651F（聚羧酸减水剂）。

水：普通自来水。

1.2 配合比设计

本文所制备的UHPC由水泥、矿物掺合料、细集料、纤维、减水剂和水搅拌而成，其中不包含粗骨料。根据文献[15-18]中的UHPC配合比设计，在已确定粉煤灰和水淬高炉石粉等比例双掺占胶凝材料总量的30%的配合比下，再按此比例分别单掺入不同纤维对照。所选取纤维分别为玄武岩纤维、玻璃纤维和聚丙烯纤维，纤维掺入体积率为0.2%、0.4%、0.6%和0.8%，该UHPC配合比见表6。

1.3 试件制备及养护

UHPC试件制备采用卧式砂浆搅拌机（45 rad/min）单轴搅拌进行配制。为了使得各纤维能够充分分布于UHPC基体中，故采取UHPC拌合的顺序为：将称取好的胶凝材料干拌120 s，加入称量的3/4水和减水剂，搅拌240 s，然后用手将纤维进行分散均匀加入，最后将剩余1/4的水加入，并搅拌540 s。

将搅拌好的UHPC在400 mm×400 mm×160 mm试模中进行一次浇筑，再放入振动台振捣10 s。当试件振捣密实完成后，用塑料膜进行覆盖，室温下放置24 h后進行拆模，然后将其移至水中进行养护。养护至56 d后进行力学性能试验，并将试件破碎，取破碎块进行MIP和SEM试验。

1.4 试验方法

按照我国《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T 17671—1999）[19]测定试件基本力学强度，综合评价其力学性能。

在UHCP试件制备的过程中，将混合料装载进10 mm×10 mm×10 mm的试模中，待到规定龄期进行压汞试验。试验过程中将汞压入试件的孔隙中，根据进汞量和退汞量，测定出试件内部孔径的范围分布。

当UHPC试件达到龄期时，将试件破碎，取长度为5 ～ 8 mm的碎块，采用蔡司Sigma300扫描电镜观察水化产物的形态和界面过渡区。从而从微观角度上解释UHPC的高度致密特性来反映UHPC优异的力学性能和微观结构。

2 试验结果及分析

2.1 纤维对基本力学性能影响

對试验现象进行分析可知，Ref组因未掺入纤维，基体破坏呈现脆性现象，当基体开裂后，裂缝之间快速连接和贯通。然而，加入适当掺量纤维后，纤维与基体之间相互胶结在一起共同承受荷载，使得UHPC基体开裂后仍有部分纤维连接开裂界面承担荷载。图1为纤维种类和掺量对UHPC基本力学性能影响图。由图1可知，玄武岩纤维、玻璃纤维和聚丙烯纤维均随着掺量的不断增大，力学性能呈现先上升后下降的趋势，玄武岩纤维和玻璃纤维在掺量为0.4%时力学性能最优，而聚丙烯纤维在掺量为0.2%时力学性能最优。从各纤维掺量上看，纤维掺量为0.2% ～ 0.6%，抗压强度、抗折强度较Ref组均有所提高，但当纤维掺量达到0.8%时，由于玄武岩纤维、玻璃纤维和聚丙烯纤维特性的不同，对抗压强度、抗折强度的影响情况又有所差异。

从不同纤维掺量的结果分析发现，在适当掺量下，纤维均匀分布，在混凝土中形成稳定的三维网状结构，并降低了因混凝土早期塑性干缩所产生微裂缝的数量，进而提高混凝土的力学性能。但当过多纤维掺入试件中，纤维的比表面积增大，水泥基材不能够很好地将纤维包裹住。过量纤维掺入导致纤维上载有大量空气带入水泥基材中，使得试件内部孔隙含量增多，此外还存在纤维结团现象，使得试件致密程度又进一步下降。玄武岩纤维、玻璃纤维和聚丙烯纤维在掺量过量的情况下，因自身特性对抗压、抗折性能表现出不同的特点：玄武岩纤维因混凝土水化内部的碱性环境，易造成纤维产生断裂损伤，以致降低纤维的围束效果，出现BF0.8抗折强度低于Ref组的情况，但过多玄武岩纤维掺入表面会吸附更多水分，提高试件的水化反应程度，抗压强度高；玻璃纤维因长度过长在混凝土搅拌过程中易弯折结团，导致孔隙率增大，抗压强度降低，但耐碱的玻璃纤维仍能保持较好的嵌固能力，抗折强度大于Ref组；聚丙烯纤维分散性较好，结团程度不高，但聚丙烯纤维具有憎水性的特点，使得聚丙烯纤维与水泥基材结合处孔隙多，聚丙烯纤维掺量增多，孔隙率增大，造成PF0.8抗压强度低于Ref组。

2.2 纤维对孔隙结构影响

选取了BF0.4、GF0.4、PF0.2以及Ref（对照组）4组试件进行压汞试验，通过微观结构来分析各组最优纤维掺量下孔隙分布情况和数量对力学性能的影响。

掺入纤维后UHPC孔径分布见图2，孔结构特征参数见表7。

图2（a）为BF0.4、GF0.4、PF0.2和Ref的孔径分布积分曲线图，最左侧的起始点表示该试件的总孔隙体积。由图2（a）可知，当纤维掺入水泥基材中，总体孔隙降低，各纤维之间的孔隙率大小依次为：GF0.4＞PF0.2＞BF0.4。由表7和图2（b）可知，4组混凝土试件的最可几孔径尺寸均＜50 nm，随着纤维掺入，最可几孔径均向左偏移，有害孔和多害孔数量减少，并转化为无害孔和少害孔，该现象表明纤维的掺入对混凝土内部孔隙有细化的作用，有效地限制有害孔的生成，并降低有害孔向多害孔转化。以Ref为基点，BF0.4孔隙率降低了36.52%，有害孔和多害孔比例分别降低了56.05%和23.51%；GF0.4孔隙率降低了15.29%，有害孔和多害孔比例分别降低了42.22%和1.72%；PF0.2孔隙率降低了27.43%，有害孔和多害孔比例分别降低了51.99%和12.20%。

玄武岩纤维和玻璃纤维为亲水性材料，将这两种纤维掺入混凝土中，提高了玄武岩纤维和玻璃纤维周围的水胶比。因此，玄武岩纤维和玻璃纤维与水泥基材结合能力强，但玻璃纤维较长，在搅拌过程中易造成纤维结团现象，对孔隙率的降低有限。聚丙烯纤维为疏水性材料，当该纤维掺入水泥基材中排斥水分，并且该纤维外表光滑，降低了水化产物依附于纤维之上形成较大的黏结强度的可能性。综上所述，BF0.4、GF0.4、PF0.2的总孔隙率和孔径分布情况均优于Ref，这说明了玄武岩纤维、玻璃纤维和聚丙烯纤维在适当的掺量下提升了试件内部致密性，并在不同程度上抑制了混凝土裂缝和减少混凝土基体中大孔径的含量。

2.3 SEM电镜扫描结构分析

随着纤维掺入UHPC中，UHPC力学性能得到了提升，而纤维通过自身材料特性改善了UHPC基材内部结构及荷载传导机制，仅从MIP压汞试验角度分析仍不充分，因此采用扫描电子显微镜（SEM）对混凝土基体的微观结构进行分析。该试验所选取的试件为BF0.4、GF0.4、PF0.2以及Ref 4组，待龄期达到56 d，将试件取出，并破碎取样。从SEM扫描可发现，主要的水化产物为水化硅酸钙凝胶（C—S—H）与氢氧化钙晶体（CH），水化产物越多反应越充分，说明混凝土与各种材料结合更加密实。

图3为Ref、BF0.4、GF0.4和PF0.2微观形貌图。图3中，通过对比10 000倍与1 000倍下SEM扫描情况来反映各组间微观形貌图。由图3（a）和图3（b）可见，Ref整体性较好，结构致密，无明显孔洞，但出现宽度较大且长度较长的裂缝，如虚线所示。由图3（c）和图3（d）可见，玄武岩纤维与UHPC基体结合处无明显裂缝和孔洞，结构致密。由图3（e）和图3（f）可见，玻璃纤维与UHPC基体结合处存在较大裂缝，在1 000倍下可观测到裂缝数量增多，无明显孔隙。图3（g）中，聚丙烯纤维与UHPC基体结合处有较大的裂缝，表面无附着的水化产物。图3（h）中PF0.2在放大倍数为1 000倍时无明显孔洞，但存在裂缝，裂缝宽度比GF0.4更小。

由于玄武岩纤维与水泥基材有很好的相容性，能够在混凝土基体中均匀分布，形成稳定的三维网架，阻止因收缩所产生的细微裂缝生成和贯通裂缝的发展。玻璃纤维具有亲水性，在搅拌制备试件的过程中吸收水分，使得周围水化产物丰富，但由于长度比其他2种纤维长，玻璃纤维的分散性没有玄武岩纤维和聚丙烯纤维的好，对细微孔隙和裂缝的降低有限。聚丙烯纤维存在憎水性和表面光滑的特点，该纤维与水泥浆体的握裹性差，在界面交界处黏结薄弱，但聚丙烯纤维尺寸小，分散性要优于玄武岩纤维和玻璃纤维。

3 结论

1）各纤维弹性模量、纤维尺寸以及纤维间距等不同，对抗压强度、抗折强度影响也不同。玄武岩纤维和玻璃纤维单掺掺量为0.4%、聚丙烯纤维单掺掺量为0.2%时，对UHPC力学性能增强效果最为明显。玄武岩纤维具有亲水性和高弹性模量的特点，在均匀分布的条件下能够较好地改善试件内部孔隙，使得抗压强度提升较为明显；玻璃纤维有着与玄武岩纤维相似的特点，但玻璃纤维长度较长且分散性较差，使得抗压强度提升不大，但抗折强度提升较为明显；聚丙烯纤维具有较好的分散性，纤维间距小，抗压强度、抗折强度均有提高。

2）单掺掺量为0.4%的玄武岩纤维、玻璃纤维以及单掺掺量为0.2%的聚丙烯纤维掺入UHPC中，各纤维能够分布均匀并形成稳定的三维网状结构，降低界面过渡区的水胶比，并提高界面过渡区的稳定性，弥补了混凝土的缺陷，降低孔隙率。

3）微观结构物象也印证了MIP结果：适当掺量的纤维掺入UHPC中，能够均匀分布在UHPC基体中，从而改善UHPC微观结构，降低孔洞数量和裂缝宽度。不同纤维对微观结构改善能力不同，因聚丙烯纤维具有疏水性，使得聚丙烯纤维与水泥基材结合程度不高。

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Effect of fiber on mechanical properties and microstructure of

ultra high performance concrete

ZENG Wang， GU Liansheng， CHEN Songjing*， LIANG Jiongfeng

（School of Civil Engineering and Architecture， East China University of Technology， Nanchang 330013， China）

Abstract： Basalt fiber， glass fiber and polypropylene fiber were individually blended into ultra high performance concrete（UHPC）with water-cement ratio of 0.18 at different blending rates（0， 0.2%， 0.4%， 0.6% and 0.8%）. The effects of different fibers and blending rates on the compressive and flexural strength of UHPC were studied. The optimal dosage of single basalt fiber， glass fiber and polypropylene fiber for mechanical properties was selected， and the pore structure of UHPC was determined under the optimum dosage of basalt fiber， glass fiber and polypropylene fiber， and the microstructure of UHPC was characterized by SEM to investigate the mechanism of the effect of different types of fibers on the mechanical properties of UHPC. The test results showed that the basic mechanical properties of UHPC were optimized at 0.4% of basalt and glass fibers and 0.2% of polypropylene fibers. The results of the mercury intrusion test showed that the addition of fiber could effectively reduce pores and cracks， increase the number of harmless pores and less harmful pores， and refine the large pore size to promote the transformation of harmful pores and more harmful pores to less harmful pores and harmless pores. The SEM test results showed that the addition of fibers could reduce the cracks and refine the pore size to make the specimen more compact， and the uniformly distributed fibers form a mesh structure inside the specimen， which made the fibers disperse the load when it was loaded. The fibers dispersed the load， making the crack development require more energy consumption.

Key words： ultra high performance concrete （UHPC）; fiber;basaltic manufactured sand; mechanical properties; pore space; microstructure

（責任编辑：罗小芬）