混杂纤维高强混凝土性能研究

时间：2024-07-28

陈苗，刘雪婷，张春梅

(沈阳城市建设学院土木工程系沈阳市 110167)

纤维作为常用的一种混凝土复合材料，可以明显提高混凝土的力学性能和抗裂性，随着高分子行业的发展，很多高分子纤维也被应用到混凝土中。利用正交试验，研究玄武岩纤维与聚丙烯腈两种纤维混杂的高强混凝土的基本力学性能。

1 试验原材料及试验方案

1.1 原材料

冀东水泥P.O42.5；粉煤灰为沈阳永杰Ⅱ级粉煤灰；砂为Ⅱ区河砂，细度模数为2.64；石子为5～20mm的碎石；玄武岩纤维，密度2.65g/cm3，长度为6mm，直径13μm；聚丙烯腈纤维，密度1.18g/cm3，长度为12mm，直径为27μm；外加剂为聚羧酸减水剂，减水率30%。

1.2 试验方法

本试验以C60高强混凝土为基准混凝土，配合比为水泥∶砂∶碎石∶水∶减水剂=550∶682∶994∶175∶5.2。利用正交试验研究玄武岩纤维(体积率0%、0.1%、0.2%)、聚丙烯腈纤维(体积率0%、0.1%、0.2%)和粉煤灰(等量取代水泥质量百分率10%、20%、30%)对高强混凝土的性能影响[1]。测试混杂纤维高强混凝土的坍落度、28d抗压强度(试件尺寸100mm×100mm×100mm)、28d劈裂抗拉强度(试件尺寸100mm×100mm×100mm)，分析三种因素对高强混凝土性能的影响，因素水平表见表1。

表1 因素水平表

2 试验结果与分析

混杂纤维对高强混凝土基本性能影响的正交试验结果见表2。

表2 正交试验结果

2.1 混杂纤维对高强混凝土坍落度的影响

根据坍落度试验结果进行正交分析，见表3。

表3 坍落度极差分析

由表2和表3可知，玄武岩纤维和聚丙烯腈纤维的掺入均降低混凝土的坍落度。玄武岩纤维直径13μm，聚丙烯腈纤维直径27μm，纤维的加入明显增加原材料的比表面积，因此需要更多的水泥浆进行包裹，增加流动性的水泥浆量减少，坍落度降低[2]。并且纤维的形状特点也使混凝土拌和物流动性降低，尤其是12mm长的聚丙烯腈纤维，对流动性降低更为明显。单掺粉煤灰，纤维掺量为0%时，混凝土坍落度有一定的增加，但是粉煤灰取代水泥，由10%增加到30%，对混杂纤维混凝土的坍落度影响不大。

由方差分析与极差分析可以得出，玄武岩纤维和聚丙烯腈纤维对混凝土坍落度影响比较显著。三种因素对混杂纤维高强混凝土的影响由大到小为：聚丙烯腈纤维(12mm)>玄武岩纤维(6mm)>粉煤灰。

2.2 混杂纤维对高强混凝土抗压强度的影响

根据抗压强度试验结果进行正交分析，见表4。

表4 抗压强度极差分析

由表2和表4可知，与基准混凝土相比，掺入纤维的高强混凝土抗压强度均高于基准混凝土。随着玄武岩纤维与聚丙烯腈纤维掺入量的增加，C60高强混凝土的抗压强度均明显提高。纤维的加入，提高了混凝土组成材料总的比表面积，减少了泌水，同时降低了混凝土过渡区的水胶比，可以明显改善混凝土过渡区结构，提高混凝土抗压强度。粉煤灰取代水泥，取代率由10%增加到30%，混凝土抗压强度变化不大。当玄武岩纤维与聚丙烯腈纤维掺量各为0.2%时，由于纤维总掺量较多，混凝土坍落度相对较小，不利于混凝土密实成型，但混凝土的强度提高较大，与基准混凝土相比，抗压强度提高18.6%。

由方差分析与极差分析可以得出，玄武岩纤维和聚丙烯腈纤维对混凝土28d抗压强度影响比较显著。三种因素对混杂纤维高强混凝土的影响由大到小为：聚丙烯腈纤维(12mm)>玄武岩纤维(6mm)>粉煤灰。

2.3 混杂纤维对高强混凝土劈裂抗拉强度的影响

根据劈裂抗拉强度试验结果进行正交分析，见表5。

表5 劈裂抗拉强度极差分析

由表2和表5可知，与基准混凝土相比，玄武岩纤维和聚丙烯腈纤维的掺入均明显提高高强混凝土的劈裂抗拉强度。随着玄武岩纤维与聚丙烯腈纤维掺入量的增加，高强混凝土的劈裂抗拉强度均显著提高。这是因为纤维在混凝土中与胶凝材料粘结在一起，当胶凝材料收缩时，纤维利用摩擦阻力与水泥的粘结力，可以有效地减少胶凝材料的收缩变形[3]。因而减少混凝土内部由于收缩产生的微裂纹，减少混凝土内部结构缺陷，所以混凝土劈裂抗拉强度显著提高[4]。聚丙烯腈纤维对高强混凝土劈裂抗拉强度的提高效果高于玄武岩纤维。粉煤灰取代水泥，随着取代量的增加，混凝土劈裂抗拉强度略有降低，但变化不大。当玄武岩纤维与聚丙烯腈纤维掺量各为0.2%时，混凝土的劈裂抗拉强度达到最大值7.9MPa，与基准混凝土相比，提高64.6%。

由方差分析与极差分析可以得出，玄武岩纤维和聚丙烯腈纤维对高强混凝土28d劈裂抗拉强度影响比较显著。三种因素对混杂纤维高强混凝土的影响由大到小为：聚丙烯腈纤维(12mm)>玄武岩纤维(6mm)>粉煤灰。