余金城 龐建勇 姚韋靖 金昊鵬 王亞星

(安徽理工大學 土木建筑學院， 安徽 淮南 232001)

0 前 言

通常，在混凝土生產(chǎn)當中可以摻入纖維、陶粒、橡膠、泡沫、再生微粉等各類材料，以改善產(chǎn)品的各項性能。隨著市場應用需求的變化，摻入單一纖維所制備的混凝土在力學性能、耐久性等方面的適應性略顯不足。于是，技術人員嘗試將不同種類的纖維摻入拌合料中制備成混雜纖維混凝土，利用各類纖維的性能優(yōu)勢互補作用來改善混凝土的性能。玄武巖纖維(BF)是一種性能良好的親水性纖維，能與混凝土基體間產(chǎn)生緊密的黏結(jié)性[1-5]，有利于提高混凝土的力學性能。聚丙烯纖維(PPF)是一種合成纖維,具有很高的斷裂伸長性，變形性能較佳。研究發(fā)現(xiàn)，摻入PPF對混凝土宏觀裂縫的發(fā)展具有很好的抑制作用[6-8]，但PPF自身具有的疏水性使其與混凝土基體間的黏結(jié)強度相對較弱[9]。橡膠具有獨特的吸能特性，摻入橡膠的混凝土具有良好的韌性和抗沖擊性[10]，同時可起到一定的保溫隔熱、減重隔音作用。但有研究發(fā)現(xiàn)，摻入橡膠顆粒的混凝土力學性能受到一定影響，而摻入適量的纖維能夠中和橡膠顆粒的影響。

本次研究中，將嘗試制備BF、PPF混雜纖維混凝土，并通過立方體抗壓強度試驗和劈裂抗拉強度試驗對比分析混雜纖維、橡膠對混凝土力學性能的影響。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗所用材料主要包括：混凝土基體，強度為C40級；膠凝材料，選用八公山牌PO 42.5普通硅酸鹽水泥和淮南平圩電廠生產(chǎn)的F類I級粉煤灰，粉煤灰燒失比為4.07%，其主要化學成分如表1所示；細骨料，采用細度模數(shù)為2.52的天然河砂，含泥量為1.0%，堆積密度為1 450 kg/m3，表觀密度為2 670 kg/m3；粗骨料，采用粒徑為5～20 mm連續(xù)級配碎石，含泥量為0.2%；聚羧酸高性能減水劑，陜西秦奮建材有限公司生產(chǎn)，減水率為27.4%；PPF，中德新亞建筑技術有限公司生產(chǎn)，束狀單絲聚丙烯纖維，長度為12 mm；BF,山西晉投玄武有限公司生產(chǎn)，短切玄武巖纖維，長度為18 mm；橡膠，都江堰市華益橡膠有限公司生產(chǎn)的40 — 60目連續(xù)級配橡膠粉末，表觀密度為1 160 kg/m3。其中，BF、PPF的主要性能參數(shù)如表2所示。

表1 粉煤灰化學成分(質(zhì)量分數(shù)) 單位：%

表2 BF、PPF的主要性能參數(shù)

1.2 材料配合比

在試驗中，按照《普通混凝土配合比設計規(guī)程》(JGJ 55 — 2011)的要求進行多次試配，最終確定試驗混凝土的水灰比為0.381?；炷恋幕鶞逝浜媳热绫?所示。

表3 混凝土基準配合比 單位：kg/m3

首先，按照BF與PPF 2 ∶1的體積比例,設計制備6種不同纖維體積摻量的玄武巖-聚丙烯混雜纖維混凝土(HBPFRC)；然后，再用橡膠粉末替換掉HBPFRC中細骨料(砂)體積的15%，制備6組玄武巖-聚丙烯混雜纖維橡膠混凝土(HBPFR-RC)；另外，制備2組混凝土基準組，即C0組和RC組?？偣苍O計14組試驗混凝土，其具體比例及參數(shù)如表4所示。

表4 試驗混凝土分組比例及參數(shù)

1.3 試驗方法

(1) 試塊制備及養(yǎng)護。按照《纖維混凝土試驗方法標準》(CECS 13:2009)中的拌和物試塊制備要求，使用臥式拌和機來攪拌試驗混凝土。首先，將已稱量的水泥、砂、碎石及橡膠粉末加入拌和機中干拌 3 min，再將撕散的纖維均勻撒入拌和機內(nèi)攪拌1 min；接著，將預先與減水劑充分混合的水倒入其中濕拌3 min，再將其迅速填入刷好油的模具中，置于振動臺上直至表面出漿冒泡；然后，抹平模具表面，放在養(yǎng)護室內(nèi)靜置24 h后拆模；最后，將試塊置于(20±2)℃的飽和Ca(OH)2溶液中養(yǎng)護28 d。

(2) 進行混凝土力學性能測試。按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081 — 2019)中的要求進行立方體抗壓強度試驗和劈裂抗拉強度試驗，均選用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的非標準試件，每組試件各選3塊，兩類試驗共計84個試塊。

(3) 施加載荷。對混凝土施加載荷，所用加荷儀器為上海三思縱橫機械制造有限公司生產(chǎn)的WAW-1000型微機控制電液伺服萬能試驗機，通過與其配套的DSCC-5000多通道電液伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)收集。將位移作為施加載荷的速度控制指標，并設定試驗中的加載速率和預加力：立方體抗壓強度試驗中的加載速率為3 mm/min,預加力為 500 N；劈裂抗拉強度試驗中的加載速率為 1 mm/min，預加力為50 N。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 試驗結(jié)果

由于試驗所用試塊為非標準立方體，因此需先對其強度值進行系數(shù)換算，令最終的立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度分別乘以0.95和0.85的換算系數(shù)。所得試塊的28 d強度如表5所示。

表5 各組試塊的28 d強度 單位：MPa

2.2 立方體抗壓強度試驗分析

通過立方體抗壓強度試驗，觀察 HBPFRC、HBPFR-RC抗壓強度隨纖維體積摻量的變化規(guī)律，并分別與C0、RC 基準組進行對比，結(jié)果如圖1所示?？梢钥闯?，隨著纖維體積摻量的增加，HBPFRC、HBPFR-RC組的抗壓強度均整體呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢，且在BF體積摻量為0.4%、PPF體積摻量為0.2%時出現(xiàn)了抗壓強度峰值。

圖1 混凝土立方體抗壓強度試驗結(jié)果

與C0基準組相比，P3B3、P4B4、P5B5組的抗壓強度分別提高了8.11%、13.51%、1.23%；與RC基準組相比， P2B2R、P3B3R、P4B4R、P5B5R組的抗壓強度分別提高了1.64%、8.73%、19.60%、2.84%。同時，與C0基準組相比，P4B4R組的峰值抗壓強度僅降低了10.50%。隨著纖維體積摻量的繼續(xù)增加，混凝土的抗壓強度出現(xiàn)了明顯下降的情況。與P4B4R組相比，P5B5R組、P6B6R組的抗壓強度分別下降了14.02%、25.67%。

與各自的基準組相比，P1B1組、P1B1R組的抗壓強度分別下降了6.30%、4.57%。纖維體積摻量較少的P1B1組和P1B1R組混凝土內(nèi)纖維分布稀疏，經(jīng)抗壓破壞后試塊破裂面處纖維未發(fā)生明顯的形變，且存在較多的孔隙結(jié)構。經(jīng)抗壓破壞后，試塊內(nèi)纖維與混凝土基體接觸面的黏結(jié)力遠小于纖維本身的劈裂抗拉強度，纖維的抗拉強度未得以充分利用，因而使得纖維本身占用的空間成為混凝土的強度薄弱區(qū)。

P2B2組和P2B2R組的抗壓強度大致與各自基準組持平。這是因為，影響混凝土抗壓強度的因素很多而導致其數(shù)值離散度較大，且當體積摻量較小時纖維在混凝土內(nèi)密集度較低、抗壓強度提升有限，難以抵消因混凝土材料性能差異、人為操作不當?shù)纫蛩貙е碌膹姸炔▌印?/p>

RC基準組，是按體積比將C0基準組中15%的砂用橡膠粉末替換掉而制成。與C0組相比，RC組試塊的抗壓強度約下降了25.17%。與未摻橡膠粉末的HBPFRC組相比，所有摻入橡膠粉末的HBPFR-RC組混凝土抗壓強度均顯著降低，分別下降了23.79%、23.31%、24.74%、21.15%、23.97%、18.68%，下降幅度均小于25.17%。

應用SPSS軟件中的非線性回歸分析單元，分別對HBPFRC組和HBPFR-RC組的抗壓強度進行回歸分析，從而得到抗壓強度與混雜纖維總體積摻量的擬合關系式。

HBPFRC組的擬合關系如式(1)所示：

fcc=-110.974(100VD)3+104.347(100VD)2-

9.060(100VD)+38.903，R2=0.976

(1)

HBPFR-RC組的擬合關系如式(2)所示：

fcc=360.082(100VD)4-829.726(100VD)3+606.966(100VD)2-152.395(100VD)+42.222，R2=0.935

(2)

式中：fcc—— 混凝土的抗壓強度，MPa；

VD—— 混雜纖維總體積摻量，%。

在達到破壞載荷后，C0組試塊的表面形成了較多的貫穿裂縫，繼而出現(xiàn)了混凝土大片剝落的現(xiàn)象，且在破壞瞬間伴有響聲，整個過程呈現(xiàn)明顯的脆性破壞特征。

在受壓過程中，HBPFRC組試塊的表面裂縫分散且數(shù)量較少，大多為細小裂縫。在受壓破壞之后，試塊依舊保持原有的立方體形狀，只有邊角處有少量混凝土碎落。當試驗結(jié)束后，試塊發(fā)生了較大的縱橫向變形，表面水泥漿體崩而不散。這表明纖維在混凝土中產(chǎn)生了“橋接效應”，大幅提升了混凝土的塑性和完整性。

在受壓過程中，HBPFR-RC組雖然未出現(xiàn)較大的貫穿裂縫，但其表面微小裂縫迅速增多。這表明混凝土內(nèi)部已發(fā)生結(jié)構性破壞，完整性有所下降，因而抗壓強度顯著降低。

2.3 劈裂抗拉強度試驗分析

通過劈裂抗拉強度試驗，觀察試塊劈裂抗拉強度隨纖維體積摻量的變化規(guī)律，并分別與C0、RC基準組進行對比，結(jié)果如圖2所示。與立方體抗壓強度試驗結(jié)果相似，劈裂抗拉強度呈先升后降的變化趨勢。與各自基準組相比，最佳纖維摻量組 —— P4B4、P4B4R的劈裂抗拉強度分別提高了21.25%、23.51%。

圖2 混凝土劈裂抗拉強度試驗結(jié)果

與C0基準組相比，P2B2、P3B3、P4B4、P5B5組的劈裂抗拉強度分別提高了1.98%、6.23%、21.25%、15.01%。與RC基準組相比，P1B1R、P2B2R、P3B3R、P4B4R、P5B5R組的劈裂抗拉強度分別提高了5.96%、8.42%、12.98%、23.51%、16.84%。P4B4R組和C0組的劈裂抗拉強度只相差0.01 MPa，說明纖維的摻入可以抵消橡膠粉末所產(chǎn)生的負效應。

同時，與C0基準組相比，RC基準組的劈裂抗拉強度下降了19.23%。與HBPFRC組相比，HBPFR-RC組的劈裂抗拉強度分別下降了8.3%、14.17%、14.13%、17.69%、18.00%、20.58%，下降幅度基本上小于19.23%，平均為15.48%。 結(jié)合HBPFR-RC組與HBPFRC組抗壓強度的試驗對比結(jié)果，認為摻入的橡膠粉末能夠與纖維共同發(fā)揮作用，從而加強纖維對混凝土力學性能的提升效果。

通過回歸分析，采用一元三次多項式來表達混雜纖維總體積摻量與劈裂抗拉強度的關系：

fts=a(100VD)3+b(100VD)2+c(100VD)+d,R2見表6

(3)

式中：fts—— 混凝土劈裂抗拉強度,MPa；

a、b、c、d—— 三次項、二次項、一次項和常數(shù)項系數(shù)，如表6所示。

表6 參數(shù)取值

在用纖維替換橡膠粉末之后，混凝土劈裂抗拉強度的破壞形態(tài)差別不大。RC、C0基準組在經(jīng)抗拉破壞時均出現(xiàn)斷裂成兩半的現(xiàn)象；而混雜纖維橡膠混凝土在經(jīng)抗拉破壞時未直接斷裂成兩半，只是在混凝土表面出現(xiàn)了一道較明顯的、垂直于劈裂面的貫穿裂縫，且裂縫處碎渣脫落較少，整個加荷過程中試塊表現(xiàn)出明顯的塑性。

2.4 纖維對混凝土性能的影響機理分析

經(jīng)過劈裂抗拉試驗后，出現(xiàn)了2種試塊橫斷面，如圖3所示。在適當?shù)膿搅肯?，纖維密布均勻，整個斷面孔洞較少，多數(shù)為無害孔(孔徑<20 nm)和少害孔(孔徑為20～100 nm),且孔洞之間相距較遠(見圖3a)。當纖維摻量較高時，混凝土內(nèi)部出現(xiàn)了成團現(xiàn)象，且周圍孔洞的尺寸大小差異較大(見圖3b)。分析認為，當混雜纖維的總體積摻量大于0.6%(VBF∶VPPF=2 ∶1)時，纖維的實際利用率下降，團聚現(xiàn)象出現(xiàn)，同時纖維的比表面積變大，從而導致試件的強度發(fā)生下降。

圖3 劈裂抗拉試驗中的試塊橫斷面

在理想狀態(tài)下，摻入的混雜纖維在混凝土體內(nèi)呈三維亂向隨機分布。在這種隨機分布模式下，纖維能夠均勻地分散，進而形成空間網(wǎng)狀支撐體系，起到承托混凝土內(nèi)部骨料的作用?；炷林袚饺胧鵂顔谓z纖維，可以保證其與水泥石硬化物的緊密嵌合，從而減少內(nèi)部孔隙。對于因水泥水化產(chǎn)生的溫度應力和混凝土收縮而形成的裂縫，BF和PPF均能起到抑制作用，從而在一定程度上減少混凝土的初始缺陷，使混凝土的內(nèi)部構造得到改善，增強混凝土基體的韌性。當混凝土因受力而出現(xiàn)裂縫時，纖維可以起到橋接裂縫、傳遞載荷的作用，使應力不易集中，從而限制裂縫的進一步發(fā)展；同時，纖維還可以約束混凝土在受壓過程中的橫向變形，使混凝土的強度得到提高。

在試塊受力破壞的加荷過程中，應確保纖維產(chǎn)生明顯的受拉變形。當纖維和混凝土基體的黏結(jié)強度大于纖維的抗拉強度時，纖維大多數(shù)最終被拉斷而失效。當纖維在混凝土基體內(nèi)達到飽和狀態(tài)時，過多的纖維相互堆積、聚合，最終包裹水泥漿體而結(jié)成團狀，即發(fā)生團聚現(xiàn)象。此時，纖維在混凝土基體中的均勻性嚴重下降，網(wǎng)狀支撐體系受到破壞，且在混凝土拌和過程中更易混入氣泡而使混凝土內(nèi)缺陷增加，從而影響試塊抗變性能。結(jié)團處屬于混凝土基體的薄弱區(qū)，在承受載荷時應力相對集中，最先發(fā)生破壞，從而使整個試塊的強度喪失。綜上所述，隨著纖維摻量的增加，混凝土的強度出現(xiàn)了先升后降的情況。

橡膠顆粒自身強度極低，遠不及砂粒的強度。若用橡膠替換部分砂，必然會在一定程度上削弱混凝土的強度。橡膠顆粒作為一種有機材料，與混凝土中其他無機材料黏結(jié)的能力較弱，且又因彈性較大而在受力過程中黏結(jié)強度降低，因此最終引起混凝土強度的大幅下降。

3 結(jié) 語

本次研究中用橡膠粉末替換混凝土中部分細骨料，針對替換前后不同體積摻量的玄武巖-聚丙烯混雜纖維混凝土和玄武巖-聚丙烯混雜纖維橡膠混凝土進行了立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度試驗分析。研究發(fā)現(xiàn)，摻入橡膠粉末會大大降低混凝土的力學強度，而摻入適量的玄武巖-聚丙烯混雜纖維，能夠改善橡膠粉末所帶來的不利影響。其中，HBPFRC、HBPFR-RC的抗壓強度和劈裂抗拉強度均隨纖維體積摻量的增多呈先升高后降低的變化規(guī)律，且在玄武巖-聚丙烯混雜纖維最佳體積摻量下，橡膠混凝土的強度提升效果優(yōu)于素混凝土。同時，纖維的摻入會使混凝土的破壞特征從脆性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄?，破壞后試塊的完整程度較好；橡膠粉末的摻入會使混凝土在受壓時形成更多微小裂縫，從而降低混凝土的完整性，對劈裂抗拉強度的破壞形態(tài)影響較小。