纤维对机制砂混凝土性能的影响研究

柴松华

（运城职业技术大学建筑工程学院，山西 运城 044000）

在目前的建筑业中，混凝土用量逐年增加。在混凝土材料制备过程中，细骨料有两种类型，即天然砂和机制砂。其中，天然砂是岩石风化后自然条件作用形成的；机制砂是以天然岩石为主要原料，经人工生产而成，石粉含量较高。机制砂广泛用于交通、水利等多个行业。在机制砂中添加纤维成分，可提高材料的抗压、抗拉强度，改善其结构性能，具有重要的研究意义。

1 机制砂概述

混凝土材料具有成本低廉、生产工艺简易、工程适用范围广等优点，是目前工程用量较大的建材。混凝土制备过程中融合多种材料，包括粗细两种骨料、水泥、矿物掺合料、外加剂等。机制砂是经天然岩石破碎、筛除等工艺生产出粒径不超过4.75mm 的细小材料，其生产工艺比较完善，能够达到工程材料的使用要求。石粉是不大于75μm 的细小颗粒，它是机制砂的关键成分，石粉的添加量会直接影响混凝土工程的质量。石粉能够自主补充材料空隙，提高材料密实性。石粉用量应予以控制，以发挥其填补材料缝隙的作用。而掺杂各类纤维可有效改善混凝土性能，各类纤维的融合应参照具体材料配比方案，从多组掺杂方案中选出最佳的掺杂比例，以保证混凝土的性能和质量。研究中可选择未添加纤维的方案作为对照参考，真实反馈纤维改性效果。现有研究中选择多个石粉含量、多个养护周期、多组钢纤维长度等，逐一进行机制砂改性研究，获取参考性较高的实践结果。为验证纤维的改性效果，选择钢纤维、硫酸钙晶须（c 类纤维）、聚丙烯纤维（p类纤维），设计多组纤维掺杂方案，选出最佳的纤维掺杂比例，以提高机制砂的改性质量。

2 镀铜钢纤维改性分析

2.1 试验准备

（1）材料准备见表1。

表1 镀铜钢纤维改性试验材料准备详情

使用花岗岩进行机制砂制备，机制砂生产过程中的石粉粒径不超过75μm，本试验采用的机制砂中石粉比表面积为325m2/kg。

镀铜钢纤维共选择3 种规格，纤维抗拉强度均大于2 850MPa。镀铜钢纤维的3 种规格见表2。

表2 镀铜钢纤维的试验规格

（2）材料配比方案。钢纤维添加量为2%、材料水胶比参数为0.18，共给出5 个配比方案：A 方案是8mm 钢纤维、B 方案是13mm 钢纤维、C 方案是20mm 钢纤维、D 方案是“8mm+13mm”纤维各添加1%的量、E 方案是“13mm+20mm”纤维各添加1%的量。配比方案见表3。

表3 5 组钢纤维添加的配比方案（单位：kg/m3）

其中，A、B、C 方案中添加的每种钢纤维量为156kg/m3，D、E 方案中每种钢纤维添加量均为78kg/m3。

2.2 试验方法

（1）材料拌和。各种原材料、水按规定称取质量后进行材料拌和处理。运行搅拌机处理硬质材料，搅拌至少1min。干拌处理完成后添加湿料，如水、减水剂等，湿拌5min。湿拌完成后添加钢纤维，混拌2min，使钢纤维与材料充分混合。

（2）材料性能试验。制作多种规格的试件，长、宽均取值100mm，高度取值有3 种，分别为100mm、300mm 和400mm。试件制作完成后进行覆膜锁温，温度环境设计为20℃，冷却静置24h拆除表面薄膜。去膜试件进行养护，环境温度为20℃，养护时间为1 周和4 周。养护结束检测试件性能。检测过程参照《活性粉末混凝土》（GB/T 31387-2015）规范内容，准确测得试件性能。抗压、抗折、弹性模量性能检测期间，加载速率按照规范进行试验。

2.3 试验结果

（1）抗压强度。按照表3 中5 个配比方案进行机制砂生产，配制混凝土，制成试件后进行1周和4 周两个时段的抗压强度检测。检测结果见表4。

表4 5 个钢纤维添加机制砂中的试件抗压检测结果（单位：MPa）

由表4 抗压检测结果可知：A 方案的8mm 钢纤维材料改性作用相对较小；B 方案、C 方案的检测结果相近；E 方案各配了13mm、20mm 的1%钢纤维量，抗压效果最高。E 方案表现出较强的抗压性能，原因在于两种钢纤维组合后，不规律分散至材料成分中，当试件有形变情况时，两种钢纤维均会产生一定的拉结约束效应，由此增强了试件抗压性能。

（2）抗折强度。5 个钢纤维配比方案的抗折检测结果见表5。

表5 5 个钢纤维添加机制砂中的试件抗折检测结果（单位：MPa）

由表5 试件抗折性检测结果可知：在机制砂中添加8mm 钢纤维，对材料改性作用不大，与抗压检测结果相近；B、C 方案的试验结果相差不大，D 方案中有8mm 钢纤维，检测结果相比B、C 方案略低；13mm、20mm 各1%的E 方案，试验获得的试件抗折能力最强。13mm 钢纤维的混合使用使构件能够减少细小裂缝的形成数量。如果裂缝宽度较大，13mm 钢纤维的改性作用会变弱，此时20mm 钢纤维表现出较强的锚固、桥接能力，可积极遏制较大裂缝的形成。为此，13mm与20mm 各取1%的配比方案能够切实改变试件抗裂能力，表现出较强的抗折性能。

（3）弹性模量。假设弹性模量为e，各组钢纤维配比方案的弹性模量试验结果为：Ae=39.7GPa、Be=43.4GPa、Ce=44.1GPa、De=41.7GPa、Ee=46.5GPa。由弹性模量检测结果发现：5 组检测结果的变化趋势与抗压、抗拉结果相近；8mm 钢纤维用于改变试件弹性模量的作用不大，A 组、D 组方案的检测结果略低；13mm、20mm 两种钢纤维用于提高试件弹性模量的作用相近；13mm 与20mm 两种钢纤维各取1%的E 方案表现出较强的试件弹性模量改性效果，使弹性模量检测结果达到46.5GPa。由此说明：E 方案中使用两种较长钢纤维的组合能够增强试件受力的转移能力，具有加筋补强的改性效果，切实降低了试件发生形变的可能性。

3 石粉纤维改性分析

3.1 材料准备

各项材料配比方案与钢纤维试验一致，具体参考表3。重配机制砂的加工方案共选择3 组机制砂类型：石粉含量f 为10%、f=15%和f=20%。石粉就地取材，材料堆积密度为1 380kg/m3、表观密度为2 560kg/m3。

掺入的硫酸钙晶须纤维性能参数见表6。

表6 硫酸钙晶须纤维性能参数

掺入的聚丙烯纤维性能参数见表7。

表7 聚丙烯纤维性能参数

3.2 试验方法

（1）纤维掺杂方案。共测6 组试件，每组养护周期为1 周和4 周。试件各边长均为70.7mm。机制砂中的石粉含量有3 种类型：10%、15%和20%，分别添加2 种纤维，每种纤维有2 种掺量。假设硫酸钙晶须纤维为c 类纤维、聚丙烯纤维为p 类纤维，共有12 组纤维掺杂方案，见表8。

表8 12 组纤维掺杂方案

（2）抗压试验。参照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》（JGJ/T 70-2009）的要求进行试件制备与后期养护，在试件表层使用黄油，将拌和完成的砂浆装入试件。待水干去除表层砂浆，表面整平。将处理完成的试件放在温度为20℃的实验室中静待24h。静置完成，设计养护室湿度不小于90%，进行试件养护。试验检测时，清除试件表层杂物，在试验机内放置试件，使试件受力面、成型顶面处于相互垂直状态。向试件施加荷载作用，应保持作用持续、荷载增加均匀，增加荷载量介于每秒0.25～1.5kN 之间。如果试件出现形变、裂缝等问题时，记录试件破坏时的荷载值。

3.3 试验结果

表8 中石粉含量为10%的4 组纤维掺杂方案检测结果：1 周时，4 组方案的强度检测结果处于35.10～39.12MPa 之间，其中强度最佳的是方案一；4 周时，4 组方案的检测结果介于50.01～54.78MPa之间，强度最高的是方案一组试件。经检测发现：养护4 周后，c 纤维5kg/m3掺杂方案的试件抗压能力最强；未添加纤维的A、B、C 组方案的抗压性能均小于12 组纤维掺杂的试件。当添加纤维后，混凝土材料内部构建出纤维体系，能够与骨料相互支撑，创建试件内部的力量支撑体系，提高材料之间的粘结效果，使水泥与骨料处于高强度结合状态。

15% 石粉含量的试件性能分析：养护1 周后，方案五至方案八的试件抗压能力介于32.03～36.55MPa，其中性能最高的是方案五；养护4 周后，4 组方案试件抗压能力处于52.21～55.13MPa 之间，性能表现最优的是方案五。由此发现：c 类与p 类两种纤维添加在机制砂中形成的改性作用具有差异性，c 类纤维对15%石粉含量的砂浆具有较强的改性能力；养护4 周后，c 类纤维5kg/m3掺杂量的试件性能最佳，说明石粉含量的增加使砂浆组成发生变化，但c 类纤维的改性效果依然明显。

20%石粉含量的纤维掺杂试件性能分析：养护1 周时，方案九至方案十二的各组试件抗压能力介于37.41～39.48MPa 之间，其中性能最佳的是方案十二；养护4 周时，4 组试件抗压表现处于46.42～52.03MPa 之间，其中性能最佳的是方案九。由此发现：养护1 周内，p 类纤维的改性作用略高于c 类纤维；养护4 周时，c 类纤维表现出较强的改性效果，而p 类纤维在试件养护4 周后改性效果不如c 类。由此说明：c 类纤维可改善石粉20%含量的砂浆性能，p 类纤维用于石粉20%含量的砂浆中，仅能在早期使用有改性效果，达到4 周养护时间后，p 纤维的改性效果不理想。产生此种改性结果的主要原因是石粉含量增加至20%后，砂浆内部的流动性有所减弱。p 类纤维添加后无法与水相互融合，间接增加了惰性材料的使用范围，降低了新拌砂浆的活跃性，削弱了材料拌和效果，此时，砂浆内部强度凝聚质量欠佳，无法保证砂浆强度。c 类纤维在石粉含量20%的情况下，表现出较强的改性功能，此试验结果与石粉掺量10%、15%时的方案检测结果一致，证实了c 类纤维用于石粉改性的积极作用。

整理12 组方案的性能均值，综合对比各组纤维的掺杂效果，试验数据见表9。

表9 各组纤维的掺杂效果（单位：MPa）

由表9 整理数据可知：假设抗压性为Q，未掺杂纤维时，石粉含量的性能表现是Q15%＞Q10%＞Q20%。机制砂生产期间，石粉是比较关键的材料，有助于优化骨料级配，具有材料填充功能。然而，石粉使用量较大时，会相应增加骨料面积，使更多水泥浆体处于包覆状态，如果水泥浆体数量不充足，会降低砂浆强度。较高的石粉含量会减慢砂浆流动性，使其形成黏滞效应，无法保证浆体拌和的均匀性，难以保证砂浆性能。

试验发现：相比p 类纤维，c 类纤维添加在石粉中更具改性作用。此种改性结果说明：c 类纤维具有较高的强度，添加在石粉中可改善砂浆整体性能；添加量5kg/m3相比10kg/m3的改性作用更强，说明使用c 类纤维时需选择最佳掺量。如果c 类纤维掺杂量较高，会相应增加砂浆内部的惰性材料范围，由此形成较大的水泥浆体需求。

试验结果显示：c 类纤维改性的各组抗压参数均大于未添加纤维的性能数据，说明在石粉中添加c 类纤维可有效增强机制砂性能。参照试验结果，合理给出石粉含量的最大值15%，相应设定c 类纤维添加量的最佳值为5kg/m3，以此完善机制砂的生产体系。

4 结语

综上所述，经过各组钢纤维、c 类与p 类两种纤维用于石粉改性的试验，能够证实纤维具有增强机制砂性能的作用。在实践中需进行多组对比试验，针对各类纤维材料选出最佳的掺杂方案，以提高机制砂的改性效果。试验中，钢纤维的最佳掺杂方案是：13mm、20mm 各取1%；石粉改性的最佳方案是：石粉含量最大值应不超过15%，选择c 类纤维，添加量为5kg/m3。