混杂纤维混凝土拌合物工作性能试验研究

孙 丽，宋丽莎，邢 通，曹晨杰，李晓克

(华北水利水电学院土木与交通学院，河南郑州450045)

在混凝土中加入抗拉强度高、韧性好、短而细的纤维可改善混凝土的性能.研究表明，高弹性模量纤维可以提高混凝土的抗拉强度和韧性，但其价格较高，而低价、低弹模、高延性的纤维虽对强度贡献不大，却在解决混凝土早期塑性开裂，减少混凝土干燥收缩变形等方面具有独特作用［1］.因而采用不同性能的纤维进行混杂增强，使其在不同的混凝土结构层次、性能层次上充分发挥各种纤维的尺度和性能效应，达到逐级阻裂和强化的功能，由此诞生了新型混凝土——混杂纤维混凝土.

目前关于混杂纤维混凝土力学性能已有相应研究，但对混杂纤维混凝土工作性能的研究鲜有报道［2］.笔者通过混杂纤维混凝土拌合物的坍落度试验，分析钢纤维和聚丙烯纤维混杂对混杂纤维混凝土拌合物工作性能的影响.

1 试验概况

1.1 试验材料

原材料采用强度等级42.5和52.5的普通硅酸盐水泥，连续级配碎石(粒径5～20 mm，通过筛分试验确定5～10 mm和10～20 mm粒径的石子级配为3.5∶6.5)，细度模数为3.3 的天然河砂，聚羧酸系高效减水剂，钢板剪切直型钢纤维.原材料的性能指标见表1—4.

表1 水泥的物理力学性能

表2 砂、碎石的物理力学性能

表3 钢纤维特性参数

表4 聚丙烯纤维性能指标

1.2 试验方法及拌合工序

试验按现行《纤维混凝土试验方法标准》(CECS 13∶2009)和《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080—2002)进行［3－4］.

为使混杂纤维在基体混凝土中分散均匀，采用卧轴强制式搅拌机进行拌合，先将石料倒入搅拌机内，一边分散加入钢纤维，一边进行搅拌，接着加入砂、聚丙烯纤维，同时倒入50%水量的水，搅拌2 min，将减水剂倒入25%水量的水中拌合均匀，然后加入水泥和拌合好的减水剂水溶液，最后均匀加入剩余的25%的水，搅拌2 min.

1.3 试验设计

对CF40，CF50，CF60混凝土首先按普通混凝土进行配合比设计，将水灰比和砂率作为3种强度等级混杂纤维混凝土的基准水灰比mw/mc和砂率βs.根据预先设计的普通混凝土坍落度，通过试拌确定减水剂掺量分别为水泥质量的 0.9%，1.0%，1.0%.钢纤维体积分数 ρf取 0.0%，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%.聚丙烯纤维掺量 mpf取0.6，0.9，1.2 kg/m3.采用三元叠加方法进行混杂纤维混凝土配合比设计［5］，考虑了钢纤维包裹水泥浆的厚度(1 mm).试验参数组合见表5.

表5 试验参数变化组合

2 试验结果与分析

2.1 钢纤维体积分数对混杂纤维混凝土拌合物工作性能的影响

图1—3分别给出了在聚丙烯纤维掺量为0.9 kg/m3时，不同钢纤维体积分数下CF40，CF50，CF60混杂纤维混凝土拌合物坍落度筒提起后的坍落度情况.可见所有混凝土拌合物均具有良好的黏聚性和保水性.

图3 CF60混杂纤维混凝土随钢纤维体积分数变化的坍落度情况

普通混凝土按坍落度为140～160 mm进行配合比设计.图4为聚丙烯纤维掺量为0.9 kg/m3时，混杂纤维混凝土拌合物坍落度随钢纤维体积分数的变化规律.

图4 混凝土拌合物坍落度随钢纤维体积分数的变化规律(mpf=0.9 kg/m3)

由图4可见，CF40和CF50新拌混杂纤维混凝土的坍落度随钢纤维体积分数的增大而降低.说明随着钢纤维体积分数的增大，钢纤维根数增加，使钢纤维之间形成了较好的“棚架”拉结［4］，导致钢纤维对混凝土拌合物流动性的约束作用增强，表现为混凝土拌合物坍落度的降低.CF40混杂纤维混凝土在钢纤维体积分数为2.0%时，由于纤维掺量较大，出现一些纤维结团现象，包裹钢纤维的水泥浆量不能充分发挥包裹作用，多余的水泥浆增大了拌合物的流动性，因而坍落度有所增加.而对于CF50混杂纤维混凝土，在钢纤维体积分数为0.5%时，坍落度突然增大.其原因是钢纤维的加入考虑了包裹水泥浆厚度，在水灰比不变的情况下，增大了水和水泥用量，因而水泥浆量增大，导致拌合物的流动性增大，坍落度相对单掺聚丙烯纤维的混凝土有所增大.对于CF60混杂纤维混凝土拌合物的坍落度，在聚丙烯纤维掺量不变的情况下，随钢纤维体积分数增大呈现出先降后增再降的变化规律.随着钢纤维掺量的增加，考虑到钢纤维包裹的水泥浆量增多，相对多余的水泥浆量增大了拌合物的流动性，坍落度变大.随着钢纤维体积分数的继续增加，使得同体积混凝土中钢纤维的根数增多，钢纤维之间相互搭接的程度增加，导致纤维混凝土坍落度降低.另外，对于钢纤维体积分数为2.0%的混杂纤维混凝土，出现一些纤维结团现象，也会造成坍落度的降低.

2.2 聚丙烯纤维掺量对混杂纤维混凝土拌合物工作性能的影响

图5—7分别给出了在钢纤维体积分数为1.0%时，不同聚丙烯纤维掺量下，CF40，CF50，CF60混杂纤维混凝土拌合物坍落度筒提起后的坍落度情况.

图7 CF60混杂纤维混凝土的坍落度情况

图8给出了钢纤维体积分数为1.0%时，混杂纤维混凝土拌合物坍落度随聚丙烯纤维掺量的变化情况.由图可见，在钢纤维体积分数不变时，随着聚丙烯纤维掺量的增大，CF40，CF50，CF60新拌混杂纤维混凝土坍落度降低.这是由于聚丙烯纤维的直径很小，随着掺量的增加，比表面积随之增大，其表面吸附的自由水也更多，从而使得集料和水泥颗粒表面的水膜变薄，增大了流动阻力，导致混杂纤维混凝土的流动性下降，另一方面也使混凝土黏聚性提高，没有出现离析或者泌水现象.

图8 混凝土拌合物坍落度随聚丙烯纤维掺量的变化规律(ρf=1.0%)

3 结语

在聚丙烯纤维掺量不变时，CF40，CF50混杂纤维混凝土拌合物的坍落度基本呈现出随钢纤维体积分数增大而降低的变化规律，CF60混杂纤维混凝土拌合物的坍落度呈现出随钢纤维体积分数增大先降后增再降的变化规律.表明了混杂纤维混凝土拌合物的工作性能同时受到基体混凝土、钢纤维和钢纤维包裹的水泥浆量的影响.

在钢纤维体积分数不变时，随着聚丙烯纤维掺量的增大，CF40，CF50，CF60新拌混杂纤维混凝土坍落度降低.

［1］徐至钧.纤维混凝土技术及应用［M］.北京:中国建筑工业出版社，2003.

［2］施磊，胡苗.钢/聚丙烯混杂纤维混凝土性能研究［J］.北方交通，2011(5):98－100.

［3］大连理工大学.CECS 13∶2009纤维混凝土试验方法标准［S］.北京:中国计划出版社，2010.

［4］中国建筑科学研究院.GB/T 50080—2002普通混凝土拌合物性能试验方法标准［S］.北京:中国建筑工业出版社，2003.

［5］ 赵顺波，霍洪媛，宋晨晓，等.Binary superposition mix design method for SFRC Part I:principle and evaluation［J］.Advanced Materials Research，2011，168-170:2186－2190.