聚丙烯纤维自密实混凝土工作性及强度性能研究

何小兵，卓 仪，2

(1.重庆交通大学交通土建工程材料国家地方联合工程实验室，重庆400074;2.北京特希达科技发展有限公司，北京100011)

0 引言

自密实混凝土［1-3］(Self-Consolidate Concrete 或Self-Compacting Concrete，简称 SCC)是指在较低的水胶比下仅依靠自身重力作用填充模筑混凝土的钢筋空隙而达到密实的混凝土，具有免振捣、抗离析和自密实性良好等特点。它解决了传统混凝土浇注过程中存在的过振和狭窄工作面难以振捣到位的问题，施工快速、噪音少、成型质量高，被广泛应用于混凝土预制构件和结构的补强加固中，是一种环境友好型高性能水泥混凝土。然而，自密实混凝土水胶比低、浆体的体积较大、砂率较大，自身的收缩比普通混凝土通常要大，易开裂。研究表明［4-8］，纤维在水泥基复合材料中具有阻裂、增强作用，可以有效提高混凝土材料的韧性、抗裂性能、抗冲击性能等物理力学性能，可以有效提高水泥基复合材料的耐久性。纤维自密实混凝土成为高性能自密实混凝土发展的趋势之一。

纤维自密实混凝土研究通常分为高模量纤维自密实混凝土(如钢纤维自密实混凝土、碳纤维自密实混凝土等，纤维的模量通常与混凝土的模量在同一个数量级或更高，又可称之为刚性纤维自密实混凝土)和低模量纤维自密实混凝土(聚丙烯纤维自密实混凝土、聚乙烯晴自密实混凝土等，纤维的模量通常约为混凝土模量的1/10，又可称之为柔性纤维自密实混凝土)。由于对柔性纤维阻裂、增强机理认识的不足，目前国外纤维自密实混凝土的增强研究主要侧重于高模量纤维自密实混凝，对于柔性纤维自密实混凝土的研究还相对较少［9-10］。国内近年来也对纤维自密实混凝土开展了一些研究，但总的来说柔性纤维自密实混凝土的研究才刚起步。

与普通纤维混凝土配合比基于抗裂、增强的设计思想有所不同，纤维自密实混凝土配合比设计首先是要保证工作性。笔者研究了不同聚丙烯纤维体积掺量对自密实混凝土工作性及力学性能的影响。

1 原材料及配合比

1.1 原材料

试验采用普通硅酸盐水泥。粉煤灰满足GB/T 1596—2005和 CECS 203:2006技术规程中I级要求。粗骨料选用5～20 mm的石灰石碎石，细集料选用细度模数为2.71的河砂。纤维采用混凝土用聚丙烯单丝纤维。高效减水剂选用固含量为27%聚羧酸系高效减水剂。具体技术指标见表1～表4。

表1 水泥技术指标Table 1 Technical parameters of cement

表2 粉煤灰技术指标Table 2 Technical parameters of fly-ash

表3 集料技术指标Table 3 Technical parameters of aggregates

表4 聚丙烯纤维技术指标Table 4 Technical parameters of polypropylene(PP)fiber

1.2 自密实混凝土配合比

普通自密实混凝土的基准配合比为:水胶比0.3，胶凝材料用量 550 kg/m3，粗集料用量 834 kg/m3，粉煤灰占胶凝材料的30%，砂率为50%，减水剂占胶凝材料的1%。纤维自密实混凝土配合比采取在基准配合比中直接掺入长度12 mm聚丙烯单丝纤维，体积掺量分别为0.0%，0.05%，0.1%，0.15%和0.2%。如果纤维自密实混凝土不满足工作性的要求，可以采用增加减水剂用量，增大砂率、胶凝材料用量以及水胶比(保持胶凝胶材料的用量，增加水的用量)等单因素变化方式改善其工作性，最终确定满足要求的聚丙烯纤维自密实混凝土配合比，然后进行相应力学试验试件的制备。

2 试验方法

与普通纤维自密实混凝土设计思想不同，聚丙烯纤维自密实混凝土配合比设计首先是要保证工作性，其次是强度指标［11-13］。但是，必须明确的是不能以保证工作性而造成自密实混凝土的强度损伤。自密实混凝土的工作性通常包括填充性检测、间隙通过性检测以及抗离析性检测。试验采用塌落扩展度(图1)检测纤维自密实混凝土的填充性，采用自制U型仪(图2)检测间隙通过性和抗离析性。

图1 塌落扩展度测试方法Fig.1 Test method of slump flow

图2 塌落扩展度测试方法Fig.2 Test method of U-channel

塌落扩展度采用标准塌落度筒和一块2 mm厚1 000 mm×1 000 mm钢板进行测试，测试过程中须保证钢板润湿和平整。

检测间隙通过性和抗离析性采用自制的U型仪，中间分割板厚2 cm，障碍物为在隔板下部安装2根φ10@60 mm的光圆钢筋，试验过程中保证中间隔板的稳定性。试验过程如下:

1)将集料、胶凝材料倒入搅拌机干拌1～2 min，加入纤维在干拌1～2 min，接着加入高效减水剂和80%左右的水拌和1 min左右，再加入剩下的水拌和1 min左右，然后停止搅拌并观察是否有离析、纤维成团等状况，1～2 min内进行工作性检测。如果出现离析、纤维成团现状，在继续搅拌1 min左右后立即进行工作性检测，按照 CECS 203:2006［12］和CCES 02—2004［13］中工作性的要求，结合英国、德国以及日本相关规范中的要求，当塌落扩展度SF≥550 mm和U型仪高度差Δh≤30 mm同时达到时，即工作性满足要求。

2)如果工作性检测合格，按照混凝土试验规程成型100 mm×100 mm×100 mm立方体试件，进行标准养护后测试其28d强度值。

3)如果工作性不和格，采用增加减水剂用量、胶凝材料用量以及水胶比(鉴于基准配合比中砂率较高，增大砂率没有进行考虑)改善工作性，并进行混合料的试配和工作性测试，直至合格。同时进行调整配合比后的100 mm×100 mm×100 mm立方体试件成型，进行标准养护后测试其28 d强度值。

3 试验结果分析

3.1 纤维自密实混凝土工作性测试结果

表5 为体积掺量分别为 0.0%，0.05%，0.1%，0.15%和0.2%聚丙烯单丝纤维掺入到自密实混凝土中后工作性能的测试结果。

表5 聚丙烯纤维自密实混凝土工作性能Table 5 Workability of fresh FRSCC

由表5可知，随着纤维掺量的增加，尽管塌落度经时损失变化不大，但塌落度、和塌落扩展度逐渐降低，Δh逐步增大，聚丙烯纤维自密实混凝土工作性逐步降低。当纤维体积掺量达到0.15%时，纤维自密实混凝土的工作性已达不到规程相关要求。

需要强调的是FS15*组与文献［9］的数据规律一致，但数据结果偏好。初步分析为，当纤维掺量超过0.10%后，拌和过程、PP纤维分散性等方面因素产生的上述差异。

为了改善FS15和FS20的工作性，采用提高水胶比、增加减水剂用量和提高胶凝材料用量方式改善纤维自密实混凝土的工作性。鉴于前面的研究结果表明，随着纤维体积增加，自密实混凝土经时塌落度变化不大。因此，调整后的配合比主要进行了塌落扩展度和U型仪通过试验，试验结果见表6。

表6 调整配合比后的自密实混凝土工作性能Table 6 Workability of fresh SCC with adjustment of mix proportion

由表6得到，提高水胶比、增加减水剂用量和提高胶凝材料用量方式都可以显著提高纤维自密实混凝土的工作性。但试验过程中也发现:

1)采用提高水胶比改善工作性时发现(保持胶凝胶材料的用量，增加水的用量)，尽管塌落扩展度和U型仪测试结果较好，但拌和过程中有离析现象发生，特别是当水胶比增加到0.34时，离析现象较严重。

2)减水剂能显著改善纤维自密实混凝土工作性明显，但随着减水剂的增加，增量效应不明显，且易出现泌水离析现象。因此，高效减水剂的掺量不宜超过胶凝材料的1.5%。

3)增加胶凝材料也能改善工作性，但胶凝材料增加会造成成本增加和开裂风险的增加。因此，实际工程采用此方法时，对于普通自密实混凝土而言应该着重考虑混凝土材料的抗裂性能;对于纤维自密实混凝土，由于纤维的阻裂、增强作用，在不考虑成本增加的情况下，该方式也是可取的。

3.2 聚丙烯纤维自密实混凝土强度试结果

3.2.1 纤维掺量对自密实混凝土强度影响

图3、图4分别为在基础配合比下(FS0)，不同纤维掺量对抗压强度和劈裂强度影响。

图3 自密实混凝土抗压强度随纤维掺量变化关系Fig.3 Relationship between compressive strength and PP fiber volume fraction

图4 自密实混凝土劈裂强度随纤维掺量变化关系Fig.4 Relationship between splitting strength and PP fiber volume fraction

根据图3、图4，结合表5、表6的工作性测试结果，发现:

1)当纤维掺量控制在0.15%内时，纤维对自密实混凝土抗压强度的影响可以忽略，劈裂强度随纤维掺量增加而增大，相对于FS0组最大提高幅度达24%;当纤维掺量达到0.20%时，抗压强度和劈裂强度都有不同程度的降低，其中劈裂强度相对于FS0组还降低5%。

2)在保证自密实混凝土工作性的前提下，且强度不损失的情况下，自密实混凝土中聚丙烯纤维的最大掺量不宜超过0.10%。

3.2.2 不同配合比调整方式对纤维自密实混凝土强度影响

对FS15和FS20进行了配合比调整(表6)，FS15和FS20抗压强度测试结果见图5。

图5 不同配合比调整因素对抗压强度的影响Fig.5 Relationship between compressive strength and different adjustment factors of mix proportion

根据图5，结合表6工作性测试结果，发现:

1)提高水胶比可以改善纤维自密实混凝土的工作性，但强度相对于基准自密实混凝土FS0组抗压强度降低较大。

2)增加高效减水剂和提高胶凝材料的用量不仅对工作性的改善明显，而且纤维自密实混凝土的抗压强度明显提高(与没有调整减水剂和提高胶凝材料进行对比)，提高幅度为12% ～17%，但纤维掺量由0.15%增加到0.20%，抗压强度基本上没有增量效应。因此，聚丙烯纤维自密实混凝土的纤维掺量不宜超过0.15%。

3)提高胶凝材料用量和减水剂对抗压强度提高程度相当，且增量效应也不明显。在保证纤维自密实混凝土工作性、强度不损失的情况下和防范混凝土开裂等因素综合考虑次啊，建议采用提高高效减水剂提高纤维自密实混凝土的工作性，但不宜超过胶凝材料的1.5%。

4 工作性及强度变化机理分析

聚丙烯纤维对自密实混凝土工作性的影响可以根据宾汉姆塑性流体(Binham Plastic Fluid)流变方程τ=τ0+η0˙r进行分析。纤维掺量达到一定程度，宾汉姆黏度η0增加，自密实混凝土的工作性逐步丧失;通过采用提高胶凝材料和高效减水剂的用量，使新拌混凝土屈服剪切应力τ0降低，重新获得高流动性，从而可以提高纤维的掺量。但胶凝材料和高效减水剂的用量过大会造成τ0，η0过小，进而造成新拌混凝土的离析。因此，必须通过工作性检验，确定纤维合理的体积掺量。

聚丙烯纤维对自密实混凝土强度特性的影响可从断裂力学的角度来分析。根据线弹性断裂力学的应力强度因子叠加原理［14-15］，当某一纤维跨过裂缝时将会产生一个反向的应力强度因子阻止裂纹扩展，此时裂纹尖端的应力强度因子K=Kc－Kf，其中Kf为纤维产生的反向应力强度因子，Kc为自密实混凝土裂纹尖端的应力强度因子。当裂纹穿过一系列乱向分布的纤维后，其裂纹尖端的应力强度因子更小。因此，随着纤维体积掺量的增加，纤维数量增加，材料的劈拉强度的会逐步提高。但是当掺量超过一定的体积掺量后，纤维分散性受到影响，对裂缝的阻裂作用降低，劈拉强度反而会降低。

聚丙烯纤维自密实混凝土的抗压强度主要由水泥石、骨料以及水泥石和骨料的界面强度决定。聚丙烯纤维会改善水泥石的微观结构，但同时又会产生纤维与混凝土的弱黏结界面，这两因素的复合作用导致对抗压强度的影响有限。

5 结论

通过对聚丙烯纤维体积掺量对自密实混凝土工作性和强度影响的研究，可以得出如下结论:

1)纤维的掺入将在影响自密实混凝土工作性的同时，对自密实混凝土具有增强作用。

2)在不改变自密实混凝土基准比的情况下，直接在密实混凝土掺入纤维的最大体积掺量为0.10%。

3)通过提高水胶比、胶凝材料用量以及高效减水剂用量可以改善纤维自密实混凝土的工作性，能将纤维的最大掺量提高到0.15%。

4)在0% ～0.10%的纤维体积掺量下，纤维自密实抗压强度受纤维掺量的影响很小，劈拉强度随纤维掺量的增加而增加。

5)通过提高胶凝材料、高效减水剂用量方式改善柔性纤维自密实混凝土工作性的同时，纤维最大掺量提高到1.5%，材料强度也显著改善。综合考虑工作性、强度、成本以及增量边际效应，提高高效减水剂用量是改善纤维自密实混凝土工作性的最直接方式(但要注意减水剂的选择，防止沁水离析现象)，且用量不宜超过胶凝材料用量的1.5%，此时抗压强度相对于普通自密实混凝土提高9%，劈裂强度相对于普通自密实混凝土提高24%。

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