黃大觀，牛荻濤2，劉云賀，蘇 麗3，夏 倩

(1.西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，西安 710048； 2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，西安 710055；3.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，蘭州 730050)

1 研究背景

混凝土因制備簡單、造價低廉、功能多樣以及與鋼材結(jié)合可制成各種承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于土木建筑工程領(lǐng)域[1]。近年來，人們把混凝土的性能提升作為研究的主要目標(biāo)[2]，把纖維增強(qiáng)材料放入混凝土中，使纖維混凝土的力學(xué)性能和耐久性能相比于普通混凝土得到不同程度的提高[3-5]。纖維可以單一或者混合摻入到混凝土中，如果采用單一纖維，作用提升效果十分有限，而混雜纖維的摻入可以發(fā)揮不同纖維的各自優(yōu)勢，效果提升明顯[6-9]。

目前學(xué)者對混雜纖維混凝土已經(jīng)進(jìn)行了不少的研究。楊成蛟等[9]研究了摻有鋼纖維和改性聚丙烯纖維混凝土的力學(xué)性能和抗?jié)B性能，結(jié)果表明混雜纖維可以有效增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度，當(dāng)鋼纖維和改性聚丙烯纖維的摻量分別為0.7%和0.3%時，抗折強(qiáng)度最大，但是混雜纖維降低了混凝土的滲透性能。丁一寧等[10]通過滲透試驗，研究了鋼纖維、聚丙烯粗纖維和聚丙烯細(xì)纖維對開裂后混凝土的滲透系數(shù)的影響，結(jié)果表明，鋼纖維和聚丙烯粗纖維具有較好的正混雜效應(yīng)。高丹盈等[11]進(jìn)行了聚丙烯-鋼纖維增強(qiáng)高性能混凝土的高溫試驗，研究表明混雜纖維提高了混凝土高溫后強(qiáng)度，有效抑制混凝土的高溫爆裂。Lawer等[12]對鋼纖維-PVA混雜纖維混凝土的彎曲韌性、抗?jié)B試驗進(jìn)行了分析，研究發(fā)現(xiàn)，混雜纖維混凝土在小撓度范圍內(nèi)的韌性優(yōu)于單摻鋼纖維。Machine等[13]研究了混雜兩種不同類型的聚丙烯纖維混凝土的力學(xué)性能，結(jié)果表明，短纖維分散性好，可以抑制早期裂紋，單絲纖維具有很高的彈性模量，二者工作性能互補(bǔ)，有效提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度。Eethar等[14]研究表明鋼纖維、棕櫚纖維和合成纖維的摻量分別為1.5%、0.25%、0.25%時，混凝土的抗彎強(qiáng)度和彎曲韌性改善效果最好。

玄武巖纖維是一種新型綠色環(huán)保纖維，具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，抗拉強(qiáng)度高、彈性模量大、耐磨性好[15]，在混凝土基體中復(fù)摻玄武巖纖維和聚丙烯纖維可以形成優(yōu)勢互補(bǔ)，提升混凝土的性能，而且玄武巖纖維可以代替鋼纖維，改善鋼-聚丙烯混凝纖維混凝土中鋼纖維易腐蝕的缺陷。目前關(guān)于玄武巖-聚丙烯混雜纖維混凝土的研究還不充分，玄武巖纖維和聚丙烯纖維摻量與混凝土不同性能指標(biāo)之間的定量關(guān)系尚不清楚。因此本文旨在量化討論玄武巖-聚丙烯混雜纖維對混凝土的力學(xué)性能、抗氯離子滲透性能和孔結(jié)構(gòu)的影響。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

制備玄武巖-聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土使用的材料包括P.O42.5R普通硅酸鹽水泥(OPC)、硅灰(SF)、粉煤灰(FA)和礦渣(BFS)，水泥主要技術(shù)指標(biāo)見表1，試驗材料化學(xué)組成見表2。減水劑(PBS)：江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑，減水率為30%；玄武巖纖維(BF)：四川航天拓鑫玄武巖實業(yè)有限公司，長度18 mm；聚丙烯纖維(PF)，江蘇蘇博特新材料股份有限公司，長度19 mm，纖維的物理力學(xué)性能見表3；粗骨料(CA)：5～20 mm涇陽山碎石；細(xì)集料(S)：灞河中砂，連續(xù)級配，細(xì)度模數(shù)為2.8；拌合水(W)為西安本地自來水。

表1 水泥的主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indexes of cement

表2 膠凝材料的化學(xué)成分分析Table 2 Chemical composition of cementitious materials

表3 纖維的物理力學(xué)性能Table 3 Physical and mechanical properties of fiber

2.2 混凝土配合比

試驗混凝土的配合比如表4所示，本研究主要考慮混凝土中纖維體積摻量的變化，水膠比均為0.44。BF和PF分別表示玄武巖纖維和聚丙烯纖維，0、5、10、15分別代表纖維的體積摻量為0、0.05%、0.10%和0.15%。玄武巖-聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土的攪拌流程如圖1所示。

2.3 試驗方法

混凝土試件在溫度為(20±2)℃、相對濕度為95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至試驗齡期?；炷恋目箟簭?qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50081—2002)[16]規(guī)定的方法進(jìn)行。立方體混凝土試件邊長為100 mm，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d齡期時進(jìn)行測試。

滲透性能采用電通量法測試，按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)[17]規(guī)定的方法進(jìn)行?；炷猎嚰捎弥睆?100±1)mm，高度為(50±2)mm的圓柱體試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d齡期時進(jìn)行測試，試驗在(20～25)℃的室內(nèi)進(jìn)行，電通量測試示意圖如圖2所示。

孔結(jié)構(gòu)采用RapidAir 457孔結(jié)構(gòu)分析儀進(jìn)行測試，試件制作過程參照《RapidAir 457用戶手冊》?；炷猎嚰檫呴L100 mm立方體，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d。試驗前首先將試件切割成10～20 mm厚的薄片，表面無明顯鋸痕，然后將觀測面分別用600#、800#和1200#的碳化硅研磨液各研磨15 min，拋光后表面平整光滑。把研磨好的觀測面涂黑，然后把鋅糊和試件預(yù)熱至80 ℃，鋅糊具有足夠流動性后均勻涂抹在試件表面，待鋅糊略顯凝固，將試件表面多余鋅糊刮去，一個標(biāo)準(zhǔn)試樣就制作完成，孔結(jié)構(gòu)測試儀器如圖3。

表4 混凝土配合比Table 4 Mix proportion of concrete

圖1 混凝土攪拌示意圖Fig.1 Flowchart of concrete mixing

圖2 電通量測試示意圖Fig.2 Schematic diagram of electric flux test

圖3 孔結(jié)構(gòu)測試儀器Fig.3 Test instrument for pore structure

3 結(jié)果與討論

3.1 力學(xué)性能

混雜纖維混凝土抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度如圖4所示。

圖4 混凝土抗壓強(qiáng)度與劈拉強(qiáng)度Fig.4 Compressive strength and splitting tensilestrength of concrete

從圖4(a)可以看出，BF5PF5組混凝土抗壓強(qiáng)度最大，相比于基準(zhǔn)混凝土BF0PF0提高了9.2%，當(dāng)玄武巖纖維摻量固定，隨著聚丙烯纖維摻量增加，混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸減小，BF5PF15組混凝土抗壓強(qiáng)度相比于基準(zhǔn)混凝土下降了15.7%；當(dāng)聚丙烯纖維摻量固定，隨著玄武巖纖維摻量增加，混凝土抗壓強(qiáng)度變化不大，但是混雜纖維均提高了抗壓強(qiáng)度。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是混凝土是一種非均質(zhì)材料，內(nèi)部有尺寸不同的微裂縫、孔隙和缺陷，纖維加入混凝土中，可以協(xié)同基體一起受力，當(dāng)應(yīng)力自基體傳遞給纖維時，纖維因變形而消耗能量，使抗壓強(qiáng)度提高。此外，聚丙烯纖維具有不親水性，而玄武巖纖維有親水性，因此，玄武巖纖維與混凝土基體的粘結(jié)性能好，二者之間握裹力較大，對混凝土抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)的效果優(yōu)于聚丙烯纖維。纖維摻量過高會導(dǎo)致纖維在基體中的平均間距減小，當(dāng)減小到一定程度時，纖維出現(xiàn)搭接的現(xiàn)象，使得纖維與混凝土的粘結(jié)效果變差；另外，纖維摻量過高在混凝土內(nèi)分散不均勻會產(chǎn)生很多薄弱界面，導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度降低。

從圖4(b)可看出，混凝土中加入纖維均提高了其劈拉強(qiáng)度，BF10PF5組混凝土劈拉強(qiáng)度最大，為3.62 MPa，與基準(zhǔn)混凝土相比提高了25.2%，提升幅度很大。當(dāng)混雜纖維總體積摻量相同時，BF10PF5組混凝土的劈拉強(qiáng)度大于BF5PF10，BF15PF5組混凝土的劈拉強(qiáng)度大于BF5PF15，說明玄武巖纖維對混凝土的劈拉強(qiáng)度提高效應(yīng)大于聚丙烯纖維。這是由于玄武巖纖維與聚丙烯纖維混雜在混凝土基體中，或均勻分散或相互纏繞，形成三維的亂向支撐網(wǎng)[18]。當(dāng)承受拉力時，跨越裂縫的纖維將荷載傳遞給裂縫的上下表面，使裂縫處仍能繼續(xù)承受荷載，而且纖維也能分擔(dān)一部分截面上的拉力，降低混凝土內(nèi)部微裂紋處的應(yīng)力集中系數(shù)，從而提高了混凝土的極限拉伸應(yīng)變，起到阻止裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的作用。另外，玄武巖纖維的彈性模量和抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于聚丙烯纖維，當(dāng)微裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大時，聚丙烯纖維被拉斷或拔出，此時拉應(yīng)力主要由玄武巖纖維承擔(dān)，因此在裂縫發(fā)展的中后期，玄武巖纖維起主要增強(qiáng)作用。

3.2 滲透性能

混雜纖維混凝土的電通量試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 混凝土電通量Fig.5 Electric flux of concrete

根據(jù)圖5的結(jié)果進(jìn)一步計算可知：

混雜纖維對混凝土的抗?jié)B性能改善效果并不明顯，除BF5PF5組混凝土的抗?jié)B性提高了15.77%，其余各組混雜纖維混凝土的抗?jié)B性均降低，尤其BF5PF15組混凝土抗?jié)B性降低了64.37%。這說明纖維總體積摻量為0.1%時混凝土抗?jié)B性能提高效果明顯，纖維總體積摻量>0.1%時，抗?jié)B性能降低。

此外，當(dāng)纖維總體積摻量相同時，BF10PF5的電通量小于BF5PF10，BF15PF5的電通量小于BF5PF15，說明在纖維體積摻量過剩時，聚丙烯纖維對抗?jié)B性能的削弱作用大于玄武巖纖維。這是由于適量的纖維加入混凝土中，纖維在混凝土內(nèi)均勻分散且與混凝土的粘結(jié)性良好，在混凝土振動密實的過程中增加混凝土內(nèi)部的束縛力，從而減少混凝土在成型過程中縫隙的產(chǎn)生；而且，纖維還可抑制其早期干縮裂紋以及連通裂縫的產(chǎn)生；分布在混凝土中的纖維彼此相連降低了混凝土表面析水，使混凝土孔隙率降低，從而在一定程度上提高了抗?jié)B能力。

當(dāng)纖維摻量過剩時，纖維的總表面積增大，需要更多的水泥砂漿來包裹、粘結(jié)纖維，這就會影響砂漿和骨料的粘結(jié)效果，粘結(jié)不良的地方會形成新的物質(zhì)滲透通道，從而降低混凝土的抗?jié)B性能。而且，在混雜纖維總體積摻量相同時，聚丙烯纖維占比越大，纖維的總表面積越大，不僅需要更多的水泥砂漿來包裹、粘結(jié)纖維，而且還會增加混凝土內(nèi)界面，這樣對混凝土抗?jié)B性能影響也就越大。

3.3 孔結(jié)構(gòu)

通過RapidAir 457孔結(jié)構(gòu)分析儀對混凝土孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，孔隙結(jié)構(gòu)和分析結(jié)果分別如圖6、圖7所示。

圖6 混凝土表面孔結(jié)構(gòu)Fig.6 Pore structure of concrete surface

圖7 混凝土孔結(jié)構(gòu)分析結(jié)果Fig.7 Analysis results of pore structure of concrete

從圖6看到基準(zhǔn)混凝土中零星分布著一些較大的孔隙，加入纖維后，這些孔隙的大小和數(shù)量都在增加，這是由于摻入纖維后在振動成型過程中空氣不易溢出而殘留在混凝土內(nèi)。

從圖7(a)可以看出，整體趨勢上中孔隙[19](孔徑0.05～0.1 mm)占比變化不大，當(dāng)聚丙烯纖維摻量逐漸增大時，混凝土的小孔隙(孔徑0～0.05 mm)占比先減小后增加，而大孔隙和超大孔隙占比先增大后減小，而且以BF5PF10組混凝土的小孔隙占比最小，大孔隙(孔徑0.1～0.5 mm)和超大孔隙(孔徑>0.5 mm)占比較大。從圖7 (b)還可以看出，在纖維總體積摻量相同的情況下，聚丙烯纖維占比越多，孔隙間距系數(shù)越大。基準(zhǔn)混凝土相比于BF5PF5組混凝土，小孔隙占比多，大孔隙和超大孔隙占比少，且孔隙間距系數(shù)基準(zhǔn)混凝土比BF5PF5組混凝土低70.73%，所以基準(zhǔn)混凝土的小孔隙更容易通過微裂縫形成連通孔，這樣就對抗?jié)B性造成不利影響，而孔隙間距系數(shù)較大，小孔隙較少的混凝土形成連通孔的概率相對較低。但是，當(dāng)大孔隙和超大孔隙占比達(dá)到臨界值后，即使孔隙間距系數(shù)較大，一旦通過微裂縫形成連通孔，混凝土的抗?jié)B性能會大幅降低。

混凝土的孔結(jié)構(gòu)是混凝土微觀結(jié)構(gòu)的重要組成，根據(jù)孔結(jié)構(gòu)的實測值，基于光學(xué)法分形模型，可以計算出混凝土的分形維數(shù)，分形維數(shù)可以反映混凝土孔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。張金喜等[20]在計算過程中使用盒維數(shù)定義，引入“換算氣孔數(shù)”的概念，準(zhǔn)確計算出混凝土的分形維數(shù)，可靠性高。根據(jù)張金喜的分形模型計算了BF5PF5組混凝土分形維數(shù)，結(jié)果如圖8所示。圖8中Nc為孔數(shù)、d為孔徑。從圖8可知，計算的決定系數(shù)R2為0.978，表明計算精度較高。

圖8 換算孔數(shù)與孔徑的雙對數(shù)散點(diǎn)圖及擬合線Fig.8 Double logarithmic scatter plot and fitted curveof conversion number versus pore diameter

圖9 混凝土的分形維數(shù)Fig.9 Fractal dimension ofconcrete

因此，根據(jù)張金喜的分形模型計算出各組混凝土的分形維數(shù)如圖9所示。從圖9中可以看出，當(dāng)玄武巖纖維和聚丙烯纖維加入混凝土后，可以改變混凝土的孔結(jié)構(gòu)，從而影響混凝土孔結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)。當(dāng)玄武巖纖維摻量不變時，分形維數(shù)隨著聚丙烯纖維摻量的增加逐漸減小，BF5PF5組混凝土的分形維數(shù)最大，比基準(zhǔn)混凝土大7.73%。當(dāng)聚丙烯纖維摻量不變時，隨著玄武巖纖維摻量增加，分形維數(shù)變化的幅度很小。

圖10 分形維數(shù)與混凝土性能參數(shù)的相關(guān)性分析Fig.10 Correlation analysis between fractal dimensionand concrete’s performance parameters

混凝土的強(qiáng)度是混凝土重要的宏觀性能指標(biāo)之一，通常與混凝土的孔結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)。分形維數(shù)通?？梢员碚骰炷恋奈⒂^孔結(jié)構(gòu)特征，因此二者之間應(yīng)該有密切的關(guān)系[21]。圖10(a)和圖10(b)分別為抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度與分形維數(shù)的相關(guān)性分析。從圖10(a)可以看出，混凝土抗壓強(qiáng)度與孔結(jié)構(gòu)分形維數(shù)之間存在很好的相關(guān)性，即隨著分形維數(shù)增加，混凝土抗壓強(qiáng)度提高。分形維數(shù)越大，表明混凝土孔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度增加，孔結(jié)構(gòu)占有空間的能力較強(qiáng)，因此在受力過程中，內(nèi)部應(yīng)力得到均勻分布，避免了應(yīng)力集中，提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度。從圖10(b)可以看出，整體趨勢上隨著分形維數(shù)增加，劈拉強(qiáng)度呈現(xiàn)增大的趨勢，但是二者之間的相關(guān)性相對較差。圖10(c)為混凝土電通量與分形維數(shù)的關(guān)系，可以看出，隨著分形維數(shù)增加，電通量呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，二者之間的相關(guān)性較好。當(dāng)玄武巖纖維和聚丙烯纖維加入混凝土后，可以改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)，孔結(jié)構(gòu)得到了細(xì)化和優(yōu)化，表現(xiàn)為分形維數(shù)的增加?？捉Y(jié)構(gòu)優(yōu)化后，混凝土的滲透性相應(yīng)降低，因此分形維數(shù)增加，電通量表現(xiàn)為減小的趨勢。

4 結(jié) 論

(1)玄武巖纖維、聚丙烯纖維的體積摻量均為0.05%時混凝土的抗壓強(qiáng)度最大，相比于基準(zhǔn)混凝土提高了9.2%。當(dāng)繼續(xù)增加聚丙烯纖維摻量，抗壓強(qiáng)度降低，而繼續(xù)增加玄武巖纖維摻量，抗壓強(qiáng)度變化幅度很小。

(2)混凝土中加入玄武巖-聚丙烯混雜纖維后劈拉強(qiáng)度均得到提高，玄武巖纖維和聚丙烯纖維摻量分別為0.1%和0.05%時劈拉強(qiáng)度最大，為3.62 MPa。

(3)纖維總體積摻量為0.1%時混凝土抗?jié)B性能提高效果明顯，纖維總體積摻量>0.1%時，抗?jié)B性能降低，而且聚丙烯纖維對抗?jié)B性能的削弱作用大于玄武巖纖維。

(4)玄武巖-聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土具有明顯的分形特征。隨著分形維數(shù)增大，抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度逐漸增大，而電通量逐漸減小。分形維數(shù)與抗壓強(qiáng)度和電通量具有很好的相關(guān)性。