高韧性纤维混凝土材料及应用性能研究*

段丹丹，井玮罡

（陕西交通职业技术学院，陕西 西安 710018）

混凝土是一种常见的建筑材料，近年来，随着混凝土材料强度的提高，其抗变形能力差、抗渗透性差等缺点限制了混凝土的使用。因此，关于高韧性纤维混凝土材料（UHTCC）的研究成为现代科学发展的一个焦点。对此，许多学者进行了研究。例如，段小芳等[1]通过掺入不同体积掺量的碳纤维对混凝土进行改性，并研究强度变化规律。实验结果表明，在材料中掺入一定量的碳纤维，可以使28d 龄期试件韧性得到提升，特别是掺入0.6%体积率碳纤维时，材料的强度到达峰值。邓宗才等[2]则通过优化纤维混凝土的搅拌工艺，制备了一种聚乙烯醇（PVA）纤维混凝土，并研究其力学性能以及弯曲韧性。实验结果表明，当PVA 纤维掺量为4.5kg·m-3和7.5kg·m-3时，纤维分散性较好，材料性能良好。除了传统的钢纤维、碳纤维以及PVA 纤维之外，贾静恩等[3]则采用玄武岩纤维改性混凝土孔隙结构，并通过劈裂拉伸等实验对其性能进行研究。实验结果表明，通过在混凝土中掺入玄武岩纤维对材料进行改性，可以增强材料基体间的黏结作用，提高材料韧性。以上学者的研究为纤维改性混凝土提供了参考，然而，在提高材料韧性、降低成本等方面还有研究空间。基于此，考虑到聚丙烯（PP）纤维具备高强度、高韧性且更低成本的特点，本实验制备了一种PP-UHTCC 材料，在优化其材料配比参数的同时，通过抗压抗折强度测试、微观分析以及电通量法研究其性能。

1 实验部分

1.1 材料与设备

PP 纤维（AR 泰安市隆通土工材料，长度6、8、12mm，直径20、30、45μm）；P.O 42.5 普通硅酸盐水泥（安徽徽丽化工）、粉煤灰（石家庄安百矿业）、细骨料河砂（石家庄金仁矿产品，粒径0.3~0.6mm），均为工业纯；聚羧酸减水剂（湖南中岩建材）、无水NaCl（郑州利准化工）、无水NaOH（沧州昊信化工），均为分析纯。

BMB224 型电子天平（佛山市中淮衡器）；DYE-300B 型水泥试验机（河北树仁仪器设备）；JW350 型水泥搅拌机（荥阳市达凯建筑机械厂）；NLD-3 型流动度测定仪（沧州精锐达试验仪器）；0～300mm 量程游标卡尺（重庆爱测易检测技术）；ST-H3000MD 型三维数字显微镜（深圳市盛天仪器）。

1.2 实验方法

1.2.1 配合比设计 本实验主要探究以PP 纤维为主的高韧性纤维混凝土材料，表1 为材料的初步配合比方案[4，5]。以表1 的初步配比为基础，在其他因素不变的情况下，分别改变纤维直径、长度、掺量、河砂粒径和粉煤灰掺量，研究各因素对材料性能的影响。

1.2.2 高韧性纤维混凝土（UHTCC）的制备

（1）在搅拌机中加入适量水、普通硅酸盐水泥以及粉煤灰，保证此时水胶比为0.25，搅拌2min 至黏稠状态。

（2）在搅拌机中再次加入适量水，然后加入适量减水剂，设置搅拌时间为3min，然后在搅拌过程中缓慢加入适量的PP 纤维，充分混合均匀。

（3）再加入称量好的细骨料河砂以及剩余的水和减水剂，继续搅拌3min，获得高韧性纤维混凝土砂浆。

（4）将获得的混凝土砂浆倒入模具中，然后振实排出混凝土砂石浆内部的气泡。

（5）用抹灰刀抹平试件表面多余的浆料，然后用保鲜膜封口，在恒温恒湿的养护室放置2d。

（6）脱模，然后在室温环境下继续养护20d，最后贮存备用。

1.3 性能测试

1.3.1 强度测试 通过混凝土强度试验机对试件进行测试，实验中，试件的尺寸为40×40×160mm，在抗压、抗折强度测试时，设置加载速率分别为100、50N·s-1，加载频率为60 次·s-1。

1.3.2 流动度测试 通过水泥胶砂流动度测定仪和游标卡尺对水泥砂浆进行实验，设置跳台跳动指数为25。

1.3.3 微观形貌分析 通过三维数字显微镜对抗折实验中的试样断裂截面形貌进行微观分析。

1.3.4 耐久性分析 将尺寸为50×100mm 的圆柱形试件放在实验容器中，其中，以0.3mol·L-1的NaOH溶液作为阳极溶液，以10%的NaCl 溶液作为阴极溶液，然后在60V 的直流电场环境下通电7h，最后，通过比较试件的电通量情况分析材料的耐久性[6]。

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2 结果与讨论

2.1 试件材料优化

2.1.1 纤维直径优化 根据1.2.1 中表1 的初步配合比方案，在其他条件不变的情况下，改变PP 纤维直径分别为20、30 和45μm，并通过1.3.1 以及1.3.2中的方法对养护7d 的试件进行测试，结果见表2。

表2 纤维直径优化实验结果Tab.2 Test results of fiber diameter optimization

由表2 可见，当试件中的PP 纤维直径从20μm增加到45μm 时，材料各强度呈现先增加后减小的现象。当在材料中掺入直径30μm 的PP 纤维时，其抗压强度以及抗折强度最大，分别为35.9MPa、6.9MPa；然而，对于不同纤维直径的试件，其抗压、抗折强度数据均波动较小，这表明PP 纤维直径的大小对混凝土试件抗压、抗折强度的影响较小，这种现象的主要原因是，纤维直径的大小变化是以μm 为变化单位，因此纤维直径变化较小，对材料强度的影响较小。在水泥砂浆流动性方面，当PP 纤维直径为20 和30μm 时，流动度分别为230 和225mm，变化幅度不大；但当PP 纤维直径为45μm 时，流动度下降至170mm，下降幅度较大。这表明在纤维体积掺量一定时，混凝土砂浆的流动性会随着纤维直径的增大而降低，这种现象主要与纤维成团交缠在一起有关。所以，当在材料中掺入的PP 纤维直径过大时，会降低UHTCC 的流动性。综合来看，选择合适的PP 纤维直径为30μm[7，8]。

2.1.2 纤维长度优化 根据1.2.1 中表1 的初步配合比方案，在其他条件不变的情况下，改变PP 纤维长度分别为6、8 和12mm，并通过1.3.1 以及1.3.2中的方法对养护7d 的试件进行测试，结果见表3。

表3 纤维长度优化实验结果Tab.3 Test results of fiber length optimization

由表3 可见，当材料中掺入的PP 纤维长度从6mm 升到12mm 时，试件的各强度性能出现先增后减的变化，而流动度呈下降趋势，这表明过长的PP纤维掺入混凝土，会降低UHTCC 的流动性。当PP纤维长度为8mm 时，抗压强度和抗折强度达到峰值，分别为35.8MPa 和6.2MPa，此时，水泥砂浆的流动性也较好，为210mm。因此，选择合适的PP 纤维长度为8mm。

2.1.3 纤维掺量优化 根据1.2.1 中表1 的初步配合比方案，保持其他条件不变，改变PP 纤维掺量分别为0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%和3%，然后测试各试件的抗压、抗折强度以及水泥砂浆的流动性，其中，当PP 纤维掺量为3%时，由于无法成型，故无法测得相应数据，其他试件实验结果见图1。

图1 纤维掺量优化实验结果Fig.1 Test results of fiber content optimization

由图1 可见，当材料中的PP 纤维掺量从0.5%增加到2.5%时，试件的抗折强度先增大然后逐渐趋于平稳，而在抗压强度方面，则出现先增后减的变化；当PP 纤维掺量为2%时，试件抗折强度达到上升拐点，为6.5MPa，此后上升幅度较平缓，而此时的抗压强度曲线则达到最大值，为33.8MPa，此后抗压强度出现大幅度下降；当PP 纤维掺量增加时，水泥砂浆的流动性在最初时出现缓慢下降的趋势，其中，当PP 纤维掺量为2%时，流动度为196mm，此后，流动性迅速下降至163mm，下降幅度为16.8%。出现这些现象的原因是，当在混凝土材料受到外部应力时，材料基体中的PP 纤维可以起到承载作用，分散消耗能量，因此，掺入适量的PP 纤维可以增加材料的抗压、抗折强度。但是，PP 纤维的掺入会降低水泥砂浆的流动性能，并且当其掺量过高时，混凝土会出现无法搅动成型的情况，纤维会团聚打结现象也会随着纤维掺量的增加而增多，从而导致材料的力学性能和流动性能降低[9，10]。因此，最佳PP 纤维掺量为2%。

2.1.4 砂胶比优化 根据1.2.1 中表1 的初步配合比方案，选择0.3%、0.5%、0.7%和0.9% 4 种砂胶比进行实验，然后根据各试件的强度实验分析材料折压比情况，结果见图2。

图2 砂胶比对折压比的影响Fig.2 Influence of sand-binder ratio on compression ratio

由图2 可见，当砂胶比从0.3%逐渐增大到0.9%时，折压比先平稳然后下降再趋于平稳，其下降拐点的砂胶比为0.5%。产生这种现象的原因是，试件中砂的含量会在一定程度上降低材料的韧性，并且当砂含量过高时，材料内部易产生气泡等缺陷，降低材料性能，同时，也会降低水泥砂浆的流动性能，因此，当材料中的砂胶比大于0.5%时，试件韧性出现降低的现象[11，12]。因此，本实验选择合适的砂胶比为0.5%左右。

2.1.5 粉煤灰掺量优化 根据1.2.1 中表1 的初步配合比方案，在其它条件不变的情况下，选择25%、45%、65%和85% 4 种粉煤灰掺量进行实验，结果见表4。

表4 粉煤灰掺量优化实验结果Tab.4 Test results of optimization of fly ash content

由表4 可见，在一定程度上，水泥砂浆的流动度与粉煤灰掺量呈正相关关系，然而，当水泥砂浆中的粉煤灰掺量大于65%时，材料的流动性能反而下降；另外，试件的抗压强度基本上与粉煤灰的掺量呈负相关关系，但是，当粉煤灰掺量为85%时，抗压强度反而出现上升的现象；除此之外，当试件中粉煤灰掺量增加，抗折强度出现先增大后减小的变化，当粉煤灰掺量为45%时，抗折强度达到峰值6.7MPa，此后，随着粉煤灰掺量继续增大，抗折强度出现小幅度下降。发生这些变化主要与粉煤灰在材料中呈现的3 种作用有关，分别是“形态作用”、“活性作用”以及“微集料作用”。所以，当混凝土中掺入适量粉煤灰时，可以促进混凝土的水化反应，增强水泥砂浆的流动性能，使PP 纤维在混凝土内部均匀分布。同时，粉煤灰的“火山灰效应”使其与混凝土材料中的碱性物质发生化学反应，增强了材料活性。另外，这些反应产物以及细小的粉煤灰会填补材料内部缺陷，增加材料的致密性，强化混凝土内部结构，因此，试件的强度性能提高。但是，当粉煤灰掺量过高时，会产生大量团聚效应，从而使材料内部产生缺陷，降低材料性能。综合分析可得，混凝土中粉煤灰的掺量应小于65%[13]。

2.2 微观断裂截面分析

在1.2.1 中表1 的初步配合比方案基础上，对参数优化后的混凝土试件进行微观分析，其中，试件中的PP 纤维直径和长度分别为30μm、8mm，砂胶比为0.5%，PP 纤维掺量为2%，粉煤灰掺量为45%。由图3 可见，当混凝土中含有2%PP 纤维时，可以观察到PP 纤维在混凝土材料中均匀分布，而PP 纤维掺量为2.5%时，可以明显看到纤维分布比较杂乱，出现团聚打结的现象，并且有的部分没有纤维分布。这些现象表明，适量PP 纤维的掺入，能够在材料内部均匀分布，从而提高材料的综合性能[14]。

图3 断裂截面切片的微观形貌Fig.3 Micromorphology of fracture section slice

2.3 耐久性分析

根据1.3.4 中的测试方法，对优化的混凝土试件进行测试，其中，选择的试件PP 纤维掺量分别为1%、2%和2.5%。

由图4 可见，当PP 纤维掺量为1%时，试件的电通量最高，而掺量为2%、2.5%时，电通量降低，对比掺量为1%时的降幅分别为11.2%和15.1%。这种下降现象的原理是，当适量的PP 纤维掺入混凝土，可以阻碍Cl-在材料中的迁移效果，从而使得混凝土电通量降低；同时，PP 纤维分布在混凝土中，可以粘结材料基体结构，并在一定程度上填充材料内部的空隙等，抑制材料中裂纹的扩展，因而提高了材料内部密实度，阻断Cl-的迁移通道[15]。因此，本实验制备的2%PP 纤维UHTCC 具备良好的抗Cl-渗透性能，材料耐久性良好。

图4 电通量测试结果Fig.4 Test results of electric flux

3 结论

本实验对含PP 纤维UHTCC 进行材料参数优化，并对其微观形貌和耐久性进行分析，现将具体结论总结如下：

（1）在PP 纤维参数方面，PP 纤维直径增加会降低水泥砂浆流动性；PP 纤维长度增加，也会使水泥砂浆流动性下降，材料抗压、抗折强度先升后降；适量PP 纤维可以使混凝土电通量降低。

（2）过高的砂含量会降低试件韧性。适量的粉煤灰掺入能提高水泥砂浆的流动性，但其含量过高会使材料强度降低。

（3）实验确定最佳PP 纤维直径为30μm，最佳PP 纤维长度为8mm，最佳PP 纤维掺量为2%，最佳砂胶比为0.5%，最佳粉煤灰掺量应小于65%，此时，材料胶砂流动性较好，强度、韧性以及耐久性良好。