玄武岩-聚丙烯混杂纤维RPC抗压强度及混杂效应试验

何晓雁， 秦立达， 郝贠洪， 李 慧， 张淑艳

玄武岩-聚丙烯混杂纤维RPC抗压强度及混杂效应试验

何晓雁， 秦立达， 郝贠洪， 李 慧， 张淑艳

（内蒙古工业大学 土木工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051）

通过单掺和混掺的方式，分别按玄武岩纤维2、3、4、5 kg/m3，聚丙烯纤维0.2、0.4、0.6、0.8 kg/m3掺入活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，RPC）中，对其进行全面对比抗压试验，并采用比值法评价两种纤维在RPC基体中的混杂效应。结果表明，纤维的掺入可以明显提高RPC基体的抗压强度，且玄武岩纤维起主导作用；通过计算混杂效应系数知，存在正、负两种混杂效应，若纤维掺量、匹配问题选择不当，则可能出现负混杂效应；当玄武岩纤维掺量为4 kg/m3，聚丙烯纤维掺量为0.6 kg/m3时，可获得最优正混杂效应，RPC基体抗压强度达87 MPa，比基准组提高23.9%。

活性粉末混凝土； 混杂效应； 玄武岩纤维； 抗压强度； 聚丙烯纤维

活性粉末混凝土（RPC）是由法国人Pierre Richar［1～3］于20世纪90年代率先研发的一种集高强度、高耐久性和高韧性为一体的新型水泥基复合材料［4］。混杂纤维RPC作为高性能混凝土和纤维混凝土的完美结合，自诞生以来就得到了迅猛发展。混杂纤维RPC具有优异的阻裂和增韧特性，体现出比单掺纤维RPC更为优越的力学性能。因此，研究混杂纤维RPC的破坏机理、力学性能以及纤维的混杂效应等具有重要的学术价值和工程应用价值［5］。

目前，诸多学者致力于对混杂纤维RPC的试验研究。毕巧巍、杨兆鹏等［6］研究了混杂纤维（玻璃纤维与钢纤维）活性粉末混凝土的力学性能；郑文忠、李海艳等［7］研究了高温后混杂纤维RPC的单轴受压应力-应变关系；王成启，吴科如等［8］研究了不同尺寸纤维混杂混凝土的混杂效应；李书进、吴科如［9］研究了基体强度对水泥基复合材料纤维混杂效应的影响。

本文旨在探究不同掺量的玄武岩纤维与聚丙烯纤维混杂对RPC基体抗压强度的影响，并对玄武岩-聚丙烯纤维在RPC基体中的混杂效应进一步分析。

1 试验

1.1 原材料

水泥：遁石牌P.O 42.5水泥；粉煤灰：物理性能指标如表1所示；硅灰：永兴硅灰，白色粉末；石英砂：40-70目石英砂，粒径450 um；减水剂：JSM-1型聚羧酸高效减水剂；玄武岩纤维：短切玄武岩纤维，物理性能指标如表2所示；聚丙烯纤维：白色银丝束状，物理性能指标如表3所示；水：自来水。

表1 粉煤灰物理性能指标

表2 玄武岩纤维性能指标

表3 聚丙烯纤维性能指标

1.2 配合比

RPC基准配合比如表4所示，在基体中掺入一定量的纤维，可以有效阻止因外力作用引起的水泥基复合材料裂缝的产生与发展，有效提高RPC的力学性能。高弹性模量玄武岩纤维可改善基体的粘聚性和稳定性，提高RPC的力学性能，低弹性模量聚丙烯纤维的阻裂效应也可提高RPC的力学性能。但聚丙烯纤维在基体中掺量较少，因聚丙烯纤维具有细度高、比表面积大、不亲水的特性，掺量较大时，纤维不易搅拌均匀，易形成结团现象，其弱界面效应更明显，反而会降低RPC的力学性能。参考骆冰冰［10］对混杂纤维自密实混凝土的性能研究，选用玄武岩纤维掺量分别为0、2、3、4、5 kg/m3，聚丙烯纤维的掺量分别为0、0.2、0.4、0.6、0.8 kg/m3组成25个试验组，进行混杂纤维RPC抗压强度的研究。

表4 RPC基准配合比 kg/m3

1.3 试验方法

本试验按GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法》进行，RPC立方体抗压强度试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，使用强制式搅拌机，搅拌时投料顺序为石英砂、纤维、水泥、矿物掺合料，干料先搅拌4 min，加水和减水剂后再搅拌6 min，试件成型后进行标准养护。养护28 d后测其抗压强度，加载速率为1.2～1.4 MPa/s。

2 结果与分析

2.1 抗压强度试验结果

试验过程中发现，由于纤维加入，RPC的延性增加，试件破坏前不再出现崩裂或强度的突然降低，而是有一定预兆，强度达到峰值后逐渐降低，且试件破坏后仍保持较好的完整性，抗压强度试验结果如表5所示。试验得出的RPC抗压强度与混杂纤维掺量的关系见图1。

表5 混杂纤维RPC基体抗压强度试验结果MPa

由图1可以看出：

（1）单掺玄武岩纤维时，随纤维掺量增加，RPC抗压强度逐步提高，玄武岩纤维掺量为5 kg/m3时，RPC抗压强度达到最大值80.5 MPa，其抗压强度比不掺纤维的基准组提高了14.7%；单掺聚丙烯纤维时，随纤维掺量增加，RPC抗压强度曲线趋于平缓，抗压强度最大值为73 MPa，其抗压强度比不掺纤维的基准组仅提高了3.9%。

（2）玄武岩纤维掺量少于3 kg/m3时，随聚丙烯纤维掺量的增加，RPC抗压强度曲线反而呈现降低趋势，尽管聚丙烯掺量为0.8 kg/m3时，抗压强度降低趋势有所缓和，但仍低于不掺聚丙烯纤维时RPC的抗压强度。

图1 RPC抗压强度与混杂纤维掺量的关系

（3）玄武岩纤维掺量高于3 kg/m3时，RPC基体的抗压强度明显提高，且随聚丙烯纤维掺量的增加，RPC抗压强度曲线呈现缓慢升高趋势。玄武岩纤维掺量4 kg/m3，聚丙烯纤维掺量0.6 kg/m3时，抗压强度达到极大值87 MPa。其抗压强度比不掺纤维的基准组提高了23.9%，远优于单掺玄武岩纤维的14.7%和单掺聚丙烯纤维的3.9%。

通过图1和以上数据分析知，玄武岩-聚丙烯混杂纤维RPC中，高弹性模量玄武岩纤维对基体抗压强度的提高起主导作用，而低弹性模量聚丙烯纤维对基体抗压强度的提高贡献较小。在适当的掺量范围内，高弹性模量玄武岩纤维在基体内部形成“承力骨架”，低弹性模量聚丙烯纤维可以有效填补骨架空隙，形成优势互补，从而阻碍基体内部裂缝的发展途径，增加密实度，有效提高了基体抗压强度。纤维掺量过少，基体内部未形成有效“承力骨架”，未能充分发挥纤维对基体抗压强度的增强作用；纤维掺量过多，不易搅拌均匀，在基体内部易结团，基体内部形成应力薄弱区，甚至使基体抗压强度降低。

2.2 纤维混杂效应

为量化纤维混杂对RPC基体力学行为的影响，引进混杂效应系数［11，12］对其进一步分析。定义β为纤维增强RPC相对于基准RPC的纤维增强系数：式中：σ为纤维增强混凝土的抗压强度；σ0为基准混凝土的抗压强度。

单玄武岩纤维、单聚丙烯纤维及混杂纤维RPC的纤维增强系数分别记为βB、βP和βBP。采用比值法［13］评价两种纤维在RPC基体中的混杂效应，定义玄武岩纤维与聚丙烯纤维的混杂效应系数αBP为：

由混杂效应系数可以直观看出纤维掺量对混杂纤维RPC力学行为的影响，若αBP＞1称为正混杂效应，则αBP＜1称为负混杂效应。混杂纤维RPC的纤维增强系数与混杂效应系数如表6所示。

表6 混杂纤维RPC纤维增强系数和混杂效应系数

纤维增强系数与混杂纤维掺量的关系如图2所示。通过图2可知，在玄武岩纤维掺量为2～5 kg/m3的范围内，纤维增强系数基本不随聚丙烯纤维掺量的增加而升高，纤维增强系数趋势保持一致；玄武岩纤维掺量为4 kg/m3时，试验组纤维增强系数达到最大值；伴随纤维总掺量的增加，纤维增强系数总体呈现下降趋势。说明在混杂纤维RPC中，纤维对RPC基体的增强作用，主要取决于高弹性模量的玄武岩纤维，而低弹性模量的聚丙烯纤维对增强作用贡献较小；选择适当的混杂纤维掺量，可以优势互补，充分发挥不同纤维对RPC基体的增强作用，使纤维增强系数取得最大值；由于纤维的大量掺入，造成纤维在RPC基体内分布不均匀，易结团，形成应力薄弱区，从而纤维增强系数呈现下降趋势。

图2 纤维增强系数与混杂纤维掺量的关系

混杂效应系数与混杂纤维掺量的关系如图3所示。通过图3可知，玄武岩纤维、聚丙烯纤维混杂掺入RPC基体中，产生了正、负混杂效应两种现象。玄武岩纤维掺量小于3 kg/m3时，混杂效应系数随聚丙烯纤维掺量的增加反而呈现下降趋势，且均为负混杂效应；玄武岩纤维掺量为4 kg/m3时，混杂效应系数随聚丙烯纤维掺量的增加基本呈现上升趋势，聚丙烯纤维掺量为0.6 kg/ m3时，混杂效应达到最大值；随纤维掺入总量的增加，混杂纤维效应系数呈现下降趋势，纤维掺入总量达到最大值时，混杂效应系数却达最小值。说明高弹性模量玄武岩纤维掺量较少时，在RPC基体内部未能形成有效的“承力骨架”，不能充分发挥纤维对基体的增强作用；纤维的大量掺入，在RPC基体内部不易分散均匀，造成纤维结团，形成应力薄弱区，影响了纤维对RPC基体的增强作用。

图3 混杂效应系数与混杂纤维掺量的关系

3 结 论

（1）玄武岩-聚丙烯混杂纤维RPC基体中，纤维对基体的增强作用，主要取决于高弹性模量的玄武岩纤维，而低弹性模量的聚丙烯纤维对其增强作用贡献较小。

（2）玄武岩纤维、聚丙烯纤维混杂掺入RPC基体中，可以有效改善其力学行为。倘若选择纤维掺量不当，则也可能出现负混杂效应。

（3）玄武岩纤维、聚丙烯纤维混杂掺入RPC基体中，在一定的纤维掺量范围内，二者协同作用，表现出比单掺纤维更强的力学行为，称为正混杂效应。结合基体抗压强度和混杂效应系数，玄武岩纤维掺量为4 kg/m3，聚丙烯纤维掺量为0.6 kg/m3时，RPC基体抗压强度可达87 MPa，比基准组提高了23.9%。

［1］鞠彦忠，王德弘，康孟新.不同钢纤维掺量活性粉末混凝土力学性能的试验研究［J］.应用基础与工程科学学报，2013，21（2）：299-306.

［2］Richard P，Cheyrezy M.Composition of reactive powder concrete［J］.Cement and Concrete Research，1995，25（7）：1501-1511.

［3］Cheyrezy M，Maret V，Frouin L.Micro-structural analysis of RPC（reactive powder concrete）［J］.Cement and Concrete Research，1995，25（7）：1491-1497.

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［5］邓宗才，陈春生，陈兴伟.混杂纤维活性粉末混凝土梁抗剪性能试验研究［J］.土木工程学报，2015，48（5）：51-60.

［6］毕巧巍，杨兆鹏，铰 全，等.混杂纤维（玻璃纤维与钢纤维）活性粉末混凝土的力学性能［J］.大连交通大学学报，2009，30（6）：19-21.

［7］郑文忠，李海艳，王 英.高温后混杂纤维RPC单轴受压应力-应变关系［J］.建筑材料学报，2013，16（3）：388-395.

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［9］李书进，吴科如.基体强度对水泥基复合材料纤维混杂效应的影响［J］.混凝土，2008，（4）：1-3.

［10］骆冰冰.混杂纤维自密实混凝土的性能研究［D］.大连：大连交通大学，2012.

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［12］梅国栋，李继祥，刘肖凡，等.混杂纤维混凝土抗弯性能及混杂效应试验研究［J］.混凝土，2013，（2）：21-24.

［13］董喜平，李红云，邹春霞.混杂纤维轻骨料混凝土力学性能试验研究［J］.硅酸盐通报，2014，33（11）：3026-3031.

Experimental Study on Basalt-Polypropylene Hybrid Fiber RPC Compressive Strength and the Effect of Hybrid

HE Xiao-yan，QIN Li-da，HAO Yun-hong，LIHui，ZHANG Shu-yan
（School of Civil Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot010051，China）

Through the way of single or mixed，adding the basalt fiber of 2，3，4，5 kg/m3and polypropylene fiber of 0.2，0.4，0.6，0.8 kg/m3into reactive powder concrete respectively，carries on the comprehensive contrast compression test，and use the ratio method to evaluate two kinds of hybrid effect of fibers in the RPC substrate.Results show that themixed fiber can obviously increase the compressive strength of RPCmatrix，and play a leading role and the basalt fibers.By calculating the coefficient of hybrid effect，there are both positive and negative hybrid effect，if the fiber dosage，and improper selection matching problem may appear negative hybrid effect.When the dosage of basalt fiber is 4 kg/m3，polypropylene fiber content is 0.6 kg/m3，it can obtain the optimal positive hybrid effect and compressive strength of 87MPa，the RPC matrix than the baseline group increased by 23.9%.

reactive powder concrete； hybrid effect； basalt fiber； compressive strength；polypropylene fiber

TU528.572

A

2095-0985（2016）04-0024-05

2015-12-29

2016-01-26

何晓雁（1970-），女，内蒙古呼和浩特人，副教授，研究方向为混凝土耐久性（Email：764874612@qq.com）

张淑艳（1984-），女，内蒙古呼伦贝尔人，讲师，硕士，研究方向为混凝土耐久性（Email：294337884@qq.com）

国家自然科学基金（51468049）；内蒙古工业大学校基金项目（X201508）