玄武岩纤维和聚乙烯醇纤维对河砂活性粉末混凝土性能的影响

2018-10-17姚宇飞

新型建筑材料 2018年9期

姚宇飞

（武汉源锦商品混凝土有限公司，湖北武汉 430000）

0 前言

活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，RPC）是 20世纪90年代由法国Bouygues公司成功研发的一种超高强、低脆性、耐久性优异并具有广阔应用前景的新型超高性能混凝土。传统的RPC主要是由水泥、硅灰、石英砂、钢纤维和高效减水剂等充分混合搅拌后，经高温养护而制成，但其高昂的生产成本和复杂的制备工艺，制约RPC的发展和应用[1-3]。传统RPC中的钢纤维成本较高，且在盐泽地、海洋等环境中存在锈蚀的风险，影响RPC结构的外观美感、力学性能和耐久性。

玄武岩纤维（Basalt Fiber，BF）是一种硅酸盐纤维，具有耐酸碱、耐高温和耐冲击等优良性能。其密度小、成本较低、生产工艺绿色环保，可以更均匀地分散到混凝土基体中，可以替代钢纤维用在腐蚀环境中[4]。鞠彦忠等[5]、何晓雁等[6]对玄武岩纤维活性粉末混凝土的基本性能进行了研究，认为12mm长BF合适的体积掺量为0.1%～0.2%。郑遵畅[7]认为，12 mm长BF合适的体积掺量为1.5%。贾方方等[8]对比不同纤维活性粉末混凝土的基本性能，认为13 mm长BF合适的体积掺量为0.75%。在不同的试验材料、配合比和养护制度等情况下，不同学者得到的BF最优掺量不尽相同。

目前关于在RPC中纤维混杂效应的研究多集中于钢纤维与一种或多种其它类型纤维的混杂[9-10]。李慧[4]研究了RPC中玄武岩纤维和聚丙烯纤维的混杂效应，认为混掺纤维能够提升RPC的抗压、抗折强度，优于单掺一种纤维。在RPC中鲜有关于玄武岩纤维和聚乙烯醇纤维（Polyvinyl Alcohol Fiber，PVAF）混杂效应的研究报道。

本文通过研究BF掺量对河砂RPC的工作性能和力学性能的影响，优化BF的掺量；在此基础上，探究BF和PVAF的混杂效应对河砂RPC性能的影响。希望为RPC的工程化应用提供一些参考。

1 试验

1.1 原材料

水泥：海螺P·O42.5水泥，比表面积380 m2/kg，28 d抗压强度51.2MPa。粉煤灰：粉煤灰1（FA1），青电Ⅰ级，细度7.7%，烧失量1.85%；粉煤灰2（FA2），青电Ⅰ级，细度10.7%，烧失量1.43%。矿粉：武钢新型建材S95级，比表面积422 m2/kg，28 d活性指数104%。硅灰：灰黑色，武汉阳逻产，硅灰1和硅灰2的比表面积（BET）分别为18 000、18 500 m2/kg。胶凝材料的表观密度见表1。

表1 胶凝材料的表观密度

减水剂：武汉源锦科技公司专配RPC用聚羧酸系高性能减水剂（PCE），密度1.03 g/cm3，PCE1和PCE2的含固量分别为19.0%、18.9%。

纤维：玄武岩纤维（2个批次，分别为BF1、BF2）和聚乙烯醇纤维，主要性能指标见表2。

表2 纤维的主要性能指标

河砂：武汉地区天然河砂，清洗烘干后，筛分成0.15～0.3 mm、0.3～0.6 mm、0.6～1.18 mm 和 1.18～2.36 mm 四个粒级。按照文献[11]中试验方法，试验确定 0.15～0.3 mm、0.3～0.6 mm、0.6～1.18 mm和1.18～2.36 mm四个粒级河砂复配质量比为：0.16∶0.21∶0.27∶0.36 时，河砂达到最紧密堆积状态。先后使用 2批次河砂，河砂1：表观密度2630 kg/m3，最紧密堆积密度1720 kg/m3，最紧密堆积空隙率34.6%。河砂2：表观密度2630kg/m3，最紧密堆积密度1745 kg/m3，最紧密堆积空隙率33.7%。

1.2 试验方案和测试方法

按照文献[12]中配合比设计方法设计河砂RPC的配合比。根据前期试验确定[12]，在浆体富余系数n=1.4时，水胶比0.18的胶凝材料比例（质量比）为水泥45%、粉煤灰25%、矿粉15%、硅灰15%；水胶比0.16的胶凝材料比例（质量比）为水泥45%、粉煤灰30%、矿粉10%、硅灰15%。

试验探究BF掺量和BF与PVAF混杂掺量（均为体积掺量）对河砂RPC的流动度、抗折强度和抗压强度的影响。在此基础上，制备RPC标准尺寸试件，进一步验证和优化河砂RPC的配合比。

搅拌方式：将纤维放入水中浸泡10 min，并适当搅拌，使其充分浸水；将水、纤维和胶材倒入搅拌锅内先进行搅拌，待纤维分散均匀后，加砂再搅拌。根据纤维掺量的不同，搅拌时间为 10～20 min。

养护制度：带模标养2 d，拆模后在20℃水中养护3 d，90℃热水养护3 d，养护结束后随环境自然冷却至室温，然后进行力学性能试验。

BF掺量试验和BF与PVAF混杂试验测试RPC的流动度、抗折强度和抗压强度，成型试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm。标准尺寸试验按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测试RPC的坍落度和扩展度，按照GB/T 31387—2015测试RPC的力学性能，成型试件尺寸分别为100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm。

2 试验结果与讨论

2.1 BF掺量对河砂RPC性能的影响

在不同水胶比（W/B）情况下，研究BF掺量对河砂RPC性能的影响，试验配合比见表3，测试结果分别见图1、图2，不同BF掺量的河砂RPC试件断面形态见图3。

表3 BF单掺试验RPC的配合比（n=1.4）

图1 BF掺量对RPC流动度的影响

图2 BF掺量对RPC力学性能的影响

图3 不同BF掺量的RPC试件断面形态

从图1可以看出，随着BF掺量的增加，不同水胶比的RPC的流动度均呈指数式下降，且水胶比越低，流动度越小。当BF掺量超过0.5%后，RPC的流动度急剧下降。BF在RPC中本质上也是一种“骨料”，长径比越大，比表面积越大，需要大量的浆体包裹，这样用来保证RPC流动性的浆体量就减少。随着BF掺量的增加，RPC的流动度下降越大。如图1所示，PCE掺量的提高，对改善RPC的流动性效果不明显。PCE掺量的提高，虽然改善了浆体的流动性，但这种改善效果弱于BF纤维掺量增加所带来的BF对浆体束缚增强的负面效果。

从图2可以看出，BF掺量对河砂RPC的抗折和抗压强度的影响不是很大。BF是一种硅酸盐纤维，是脆性材料，断裂伸长率小[4]，与RPC基体结合也较紧密，所以单掺BF的RPC力学性能受基体本身的影响较大。基体的水胶比是一致的，所以RPC的抗折和抗压强度变化不大。如图3所示，河砂RPC的试件出现明显的脆性破坏特征，断面比较整齐。纤维的掺入及纤维掺量的增加，浆体黏度增大，内部气泡排除困难，RPC的缺陷（如气孔）逐渐增多、增大，而RPC的力学性能却无明显劣化。这说明BF对河砂RPC的韧性有一定的改善作用。

由图1和图2分析可得，当浆体富余系数n=1.4时，对于水胶比为0.18和0.16，合适的玄武岩纤维体积掺量为0.75%～1.00%。

2.2 BF与PVAF混杂对河砂RPC性能的影响

在BF掺量优化的基础上，当W/B=0.16，n=1.4时，选取不同掺量的PVAF分别与0.75%BF和1.00%BF进行混杂试验，探究混杂效应对河砂RPC性能的影响，混杂试验方案及配合比见表4，性能测试结果分别见图4、图5。

表4 BF与PVAF混杂试验RPC的配合比

图4 BF与PVAF纤维混杂对RPC流动度的影响

图5 BF与PVAF纤维混杂对RPC力学性能的影响

由图4可以看出，当PVAF掺量≤0.8%时，BF掺量越高，流动度越小；当PVAF掺量≥0.8%时，流动度继续下降，此时BF掺量的变化对流动性影响不大。PCE掺量的提高，对新拌RPC的流动性改善效果不大。对比图1和图4，在纤维体积掺量（PVAF掺量≤0.8%）和PCE掺量相近的情况下，混杂纤维RPC的流动度大于单掺BF的RPC。PVAF是一种亲水性材料，柔韧性好，对浆体的束缚力较小，且本试验使用的PVAF的长度为9 mm，短于12 mm的BF，形成级配效应，所以混杂纤维的流动性好于单掺BF的。随着PVAF掺量进一步增大（＞0.8%），混杂纤维对浆体的束缚力进一步增大，RPC的流动度急剧下降。

由图5可见，BF与PVAF混杂RPC的力学性能优于单掺BF的RPC。当BF掺量为0.75%时，随着PVAF掺量的增加，河砂RPC的抗压强度先提高后趋于平缓，抗折强度先提高后降低。此时合适的PVAF掺量为0.8%。当BF掺量为1.00%时，随着PVAF掺量的增加，河砂RPC的抗压和抗折强度先略降低后逐渐提高。当PVAF掺量超过0.8%后，抗折和抗压强度变化平缓，此时RPC的流动性差，试件成型困难，内部缺陷增大、增多，不利于实际生产应用。此时合适的PVAF掺量也为0.8%。

2.3 标准尺寸试验

在前期试验基础上，选取部分上述试验优化的配合比，按照GB/T 31387—2015成型标准尺寸试件。研究标准尺寸下纤维掺量和混杂对河砂RPC性能的影响，试验配合比及性能测试结果见表5。1#、2#、3#标准尺寸试件的破坏形态见图6。

表5 标准尺寸条件下河砂RPC的配合比及性能测试结果（n=1.4）

由表5可见：

（1）随着水胶比的降低，RPC的坍落度和扩展度逐渐变小；单掺BF随其掺量增加时，RPC的坍落度和扩展度也逐渐变小；BF与PVAF的混杂使得纤维对浆体束缚增强，导致RPC的工作性骤降，扩展度无法测试，几乎没有流动性。

（2）掺入纤维后，河砂RPC的抗折和抗压强度符合GB/T 31387—2015中RPC120和RPC140的要求，且混杂纤维的力学性能优于单掺纤维的。对比纤维掺量试验和纤维混杂效应试验等小尺寸试验，标准尺寸试验有明显的“尺寸效应”。试件的尺寸增大，内部的薄弱点增大、增多，随着纤维的掺入及掺量增加，标准尺寸试件的抗折强度逐渐提高。对于标准尺寸试件而言，纤维在薄弱区增韧和阻裂作用更加明显，韧性改善效果较小尺寸试件更明显。

（3）随着水胶比的降低，基体的脆性增大，RPC的劈裂抗拉强度逐渐降低。单掺BF对RPC的抗拉强度有提升作用，但随着水胶比降低及纤维掺量的增加，提升的效果减弱。BF与PVAF的混杂对RPC的劈裂抗拉强度有明显的提升作用，且受水胶比的影响较小。9#试样的工作性能太差，试件成型困难，缺陷较多，劣化了其力学性能。

图 6 1#、2#、3#标准尺寸试件的破坏形态

由图6可见，单掺BF虽然提升了河砂RPC的力学性能，对RPC的韧性有一定的改善作用，由于BF是一种脆性材料，所以2#试件的破坏形态与1#试件的一样：明显的脆性破坏，试件破坏后剧烈崩裂。3#试件在破型后，试块完整性较好，PVAF粘连小碎屑，出现“碎而不散”的现象，说明BF与PVAF混杂后对河砂RPC的韧性有较明显的改善作用。因此，当遇到地震、爆炸和强冲击等极端情况时，BF与PVAF混杂的RPC在防止结构突然破坏、避免碎物伤人、延缓结构倒塌时间、减少人员伤亡和财物损失等方面，具有明显的优势。

抗压、抗折和劈裂抗拉强度本质上反映的是河砂RPC在单轴荷载情况下抵抗由竖向压应力引发的横向拉应力的能力。横向拉应力引起混凝土内部微裂缝的萌生、扩展、连通，继而导致结构的破坏[13]。

BF掺入RPC中能够延缓微裂缝的萌生、扩展、连通，换言之，掺入纤维后，微裂缝的产生、扩展，乃至结构的破坏需要更多的能量。在宏观上的表现即是掺入纤维后，河砂RPC的抗压、抗折和劈裂抗拉强度均有不同程度的提高。然而BF是一种脆性材料，断裂伸长率小[4]，且与RPC的基体结合也较紧密，受基体脆性的影响较大，所以BF-RPC的破坏多呈现脆性破坏特征。

由于PVAF较细且表面有亲水羟基，断裂伸长率较BF高，与基体黏结良好，纤维拔出过程会消耗较多的能量。BF与PVAF之间的混杂，具有良好的协同效应，在不同层次发挥增强、增韧和阻裂作用，在宏观上表现为混杂纤维RPC的力学性能优于单掺BF的RPC的性能。此外，由于PVAF极细，与BF混杂之后，在搅拌过程中形成“纤维连锁”机制，使RPC裂缝间的纤维更难拔出，进一步起到增强增韧的作用[9]。