纤维自密实混凝土性能试验研究

黄 河，马芹永

(1.安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001； 2.安徽理工大学省部共建深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽 淮南 232001；3.安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

自密实混凝土(Self-Compacting Concrete)是指不需要振捣，通过自身重力即可均匀密实的填充整个模板的混凝土[1]。具有施工噪音小、免振捣、抗离析性好等优点[2-3]。为了响应我国的绿色施工的政策，自密实混凝土的应用越来越广泛[4-5]。与普通混凝土相比，自密实混凝土水胶比小，浆料用量大，脆性更加明显，自身收缩要比普通混凝土大，极易形成早期裂缝，加速结构劣化，影响结构正常使用。因此向自密实混凝土中添加纤维是改善脆性提高韧性的有效途径[6-9]。

近年来，针对混杂纤维对混凝土力学性能的影响，许多学者进行了相关研究。文献[10]在混凝土中掺入多元混杂纤维，发现三元混杂纤维明显改善混凝土的脆性破坏特征；文献[11]发现混杂纤维改善了自密实混凝土的弯曲韧性，镀铜微钢纤维和纳米碳纤维在开裂的不同时期发挥改性的作用；文献[12]向自密实混凝土中掺入不同几何形状的钢纤维，发现在满足工作性能的前提下，混杂纤维可有效提高弯曲韧性，改善梁的屈服荷载和极限荷载；文献[13]认为聚丙烯纤维与芳纶纤维混杂增强水泥砂浆有利于纤维性能的发挥。

目前对普通混凝土进行混杂纤维的试验研究较多，对混杂纤维自密实混凝土的研究分析鲜有报道。本文对养护28d，不同掺量的钢纤维、聚丙烯纤维及两种混杂纤维自密实混凝土进行工作性能和基本力学性能研究，以期得到钢纤维、聚丙烯纤维对自密实混凝土工作性能和力学性能的影响。

1 试验设计与方法

1.1 试验材料

试验选用产自淮南市八公山水泥厂的42.5级普通硅酸盐水泥； 淮河中砂， 细度模数为2.6， 含泥量约为0.91%， 粒径小于20mm的连续级配碎石；淮南市平圩电厂生产的一级粉煤灰，密度为2 300kg/m3，比表面积2 500～2 700cm2/g；江苏苏博特聚羧酸系高效减水剂；洁净的自来用水；钢纤维选用赣州大业金属纤维有限公司生产的30mm，直径0.5mm的钢丝端钩型钢纤维，聚丙烯纤维选用湖南长沙生产的长15mm，直径18～48μm的束状单丝型聚丙烯纤维。

1.2 试验配合比

根据《自密实混凝土应用技术规程》JGJT 283-2012所给出的自密实混凝土配合比设计方法得出试验配合比，具体如表1所示。

考虑自密实混凝土对工作性能的要求，对不同体积掺量的钢纤维、聚丙烯纤维及两者混掺对自密实混凝土工作性能和基本力学性能进行研究，试块分组具体如表2所示。

表1 试验配合比 kg

表2 纤维掺和方式

注：SF为钢纤维，PP为聚丙烯纤维。其中SF20为钢纤维掺量为0.2%，PP10为聚丙烯纤维掺量0.1%。

1.3 试验搅拌方式

表2中16组搅拌投料顺序如下：先将称好的粗细骨料放入搅拌机不加水搅拌40s，将纤维打散放入搅拌机搅拌1min。接着将胶凝材料放入搅拌机不加水搅拌30s，然后将三分之二的水加入搅拌1min，最后将减水剂和剩余的水加入搅拌机搅拌1min。

1.4 工作性能试验

工作性能试验根据文献[14]采用坍落扩展度试验与J环试验。

通过测量坍落扩展度的大小来评价流动性的大小。流动性越大，混凝土的填充能力越强。

通过测量J环两个垂直方向圆钢内外混凝土高差Δh、混凝土坍落扩展度与J环扩展度的差值即间隙通过性指标(PA)来衡量自密实混凝土的间隙通过性是否合格。

1.5 力学性能试验

按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB50081-2002对不同种类、不同纤维掺量尺寸为100mm×100mm×100mm养护28d的混凝土试块进行立方体抗压试验和劈裂抗拉试验。

2 试验结果分析

2.1 工作性能试验结果与分析

不同掺量的纤维自密实混凝土工作性能试验结果如表2所示。由表2可以看出，16组自密实混凝土的坍落扩展度基本在650～800mm之间，满足流动性的要求。与单掺纤维自密实混凝土相比，混杂纤维降低自密实混凝土的工作性能更加明显，当钢纤维掺量为0.6%，聚丙烯纤维掺量为0.2%时，工作性能最差，比未添加纤维组小50mm。

表3 工作性能试验结果

坍落扩展度与J环坍落扩展度的差值均在0～50mm范围内，且钢筋边缘处无骨料集中。根据J环钢筋内外高度差的结果可知，当钢纤维掺量为0.6%时，Δh大于10mm，SF60PP20组达17mm，大大降低混凝土的间隙通过性能，聚丙烯纤维对间隙通过性影响很小。

新拌纤维混凝土中纤维与粗骨料之间存在相互作用，阻碍了混凝土的流动，造成工作性能的损失。由于聚丙烯纤维属于柔性纤维，相互作用力小，对工作性能影响较小。反之，钢纤维刚度较大，与粗骨料之间的作用力大，对工作性能影响较大。

因此在本试验条件下钢纤维对流动性能和间隙通过性均有较大的影响，聚丙烯纤维对流动性能和间隙通过性能无明显降低。且当钢纤维掺量达0.6%时，则达不到工作性能的要求。

2.2 抗压强度试验结果与分析

图1为不同纤维掺量下抗压强度的变化趋势。由图1可知，纤维掺入后，抗压强度波动范围不大。单掺聚丙烯纤维的抗压强度为47.77MPa、46.03MPa、44.17MPa，较未添加纤维混凝土分别提高了6.4%、2.5%、-1.6%。单掺钢纤维可提高抗压强度，当钢纤维掺量为0.2%、0.4%、0.6%时，抗压强度分别为44.6MPa、49.32MPa、51.3MPa，较未添加纤维混凝土分别提高了0%、9.8%、14.3%。在钢纤维掺量为0.6%，聚丙烯纤维掺量为0.2%时，抗压强度达到最大值52.98MPa，大于单掺纤维组抗压强度最大值，较未添加纤维混凝土提高了18%。

图1 不同纤维掺量的抗压强度变化趋势

纤维在混凝土呈现三维乱向分布，可一定程度上阻止粗细骨料下沉，减少沉降裂缝的出现，有效抑制微裂隙生成，使混凝土具有更好的整体性。但纤维具有不亲水性和较大的比表面积，使纤维表面具有比水泥基质更高的水灰比，出现纤维-基质弱界面效应。当混凝土中的弱界面效应强于纤维对整体性的提高时，抗压强度呈现降低的现象。相反，抗压强度呈现增强的现象。由于纤维与水泥基质具有一定的黏结强度，可增加混凝土的韧性，改善混凝土的脆性破坏特征如图2所示。

图2为未添加纤维与两种单掺纤维混凝土抗压强度破坏形态。由图2(a)可看出，未添加纤维混凝土破坏后出现表面混凝土层大量剥落的现象，呈正倒角锥形。由图2(b)可知单掺聚丙烯纤维混凝土出现较多小宽度的裂缝，无大碎屑掉落，具有相对完整的状态。由图2(c)可看出单掺钢纤维混凝土出现一条较宽裂缝，同时有较多小碎屑掉落，由于钢纤维端钩与混凝土有较大的黏结力，在裂缝宽度较大的情况下，仍然保证试块裂而不散的状态。

(a)未添加纤维 (b)单掺聚丙烯纤维 (c)单掺钢纤维图2 未添加纤维与两种单掺纤维混凝土抗压试验破坏形态

图3为混杂纤维混凝土抗压试验破坏形态。由图3可知，混杂纤维混凝土破坏后出现少量的混凝土碎屑剥落，且均无大宽度的贯穿裂缝出现，综合了单掺聚丙烯纤维与单掺钢纤维的混凝土破坏特征，表明两种纤维混杂更有利于纤维性能的发挥。在试块失效破坏后，仍具有残余强度，表现出塑性破坏特征，与未添加纤维组相比有较好的完整性。

图3 混杂纤维混凝土抗压试验破坏形态

2.3 劈裂抗拉试验结果与分析

图4为不同纤维掺量下抗拉强度变化趋势。由图4可知，纤维的掺入可提高自密实混凝土的抗拉强度。单掺聚丙烯纤维时抗拉强度为3.11MPa、3.36MPa、3.43MPa，较未添加纤维混凝土分别提高13.1%、22.2%、24.7%；单掺钢纤维时抗拉强度为3.84MPa、3.9MPa、5.28MPa，抗拉强度分别提高39.6%、41.8%、92%。可见钢纤维具有更显著的增强作用。混杂纤维均提高混凝土的抗拉强度，当钢纤维掺量为0.6%，聚丙烯纤维掺量为0.15%时，抗拉强度达到最大值为5.31MPa，较未添加纤维混凝土提高了93%，大于单掺纤维组的抗拉强度。

图4 不同纤维掺量的抗拉强度变化趋势

混凝土试块在承受拉力作用时，截面各点承受的拉力是不均匀的，存在大量不规则的应力集中点，纤维的加入可分担混凝土的内应力，减少应力集中的现象出现，从而推迟裂缝的出现。当裂缝传递到纤维时，裂缝传递即可被阻断或延迟。高弹模的钢纤维可承担不超过其与基质黏结强度的力，低弹模的聚丙烯纤维受力时会产生较大的伸长变形，从而出现应力松弛，因此钢纤维对混凝土抗拉强度的提高更显著。与抗压强度相似，两种纤维与基质的黏结改善混凝土抗拉时的破坏形态，具体如图5所示。

(a)未添加纤维 (b)单掺聚丙烯纤维 (c)单掺钢纤维图5 未添加纤维与两种单掺纤维混凝土的抗拉试验破坏形态

图5(a)为未添加纤维与两种单掺纤维抗拉试验的破坏形态。未添加纤维混凝土失效破坏为两个混凝土块，脆性破坏特征明显。由图5(b)知单掺聚丙烯纤维组在失效破坏后出现一条主贯穿裂缝，四周有细微的裂缝出现。可观察到拔出、拔断的聚丙烯纤维。图5(c)为单掺钢纤维组，试块失效破坏后，出现一条小宽度的贯穿裂缝，仍具有较大的残余强度，无纤维拔出现象。

图6为混杂纤维抗拉试验破坏形态。混杂纤维试块在加载初期出现一条主贯穿裂缝，四周伴有细小裂缝发展，在试块失效破坏后贯穿裂缝的宽度无明显扩张，具有较大的残余强度，试块较未添加纤维混凝土具有相对完整性，说明混杂纤维有效的改善了试块的脆性破坏特征。

图6 混杂纤维抗拉试验破坏形态

2.4 混杂效应分析

为了更好地分析两种纤维混杂对混凝土力学性能的影响，采用混杂系数αA-B≥1评价混杂纤维的正负混杂效应[15]，如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

式中：f为纤维混凝土的强度，MPa；fm为未添加纤维混凝土强度，MPa；βi为纤维增强混凝土相对于未添加纤维混凝土的增强系数，i=A、B、A-B，A、B分别代表钢纤维、聚丙烯纤维。当αA-B≥1时，为正混杂效应；当αA-B<1时，为负混杂效应。表4为各组纤维混凝土的混杂系数。由表4可知，当钢纤维掺量为0.6%，聚丙烯纤维掺量为0.2%时，抗压强度混杂系数达到最大值为1.04，而抗拉强度的混杂系数却达到最小值为0.755，可见抗压强度与抗拉强度的混杂效应不具有明显的正相关性。

表4 纤维混凝土混杂系数 MPa

在SF60PP10组中，混杂效应达到最低，与其他8组的混杂效应相差太大，可能是由于试验过程中纤维搅拌不均匀，造成纤维缠绕团结使界面薄弱区增加，这与SF60PP10组在抗压强度出现较大削弱现象表现一致。在纤维最大掺量时，纤维在混凝土中与水泥基质的共同增强作用消除了界面薄弱区的负面影响，使抗压强度达到了最大正混杂效果。

劈裂抗拉强度的混杂效应部分呈现正混杂效应，在最低掺量与钢纤维掺量为0.4%时为正混杂效应，而在混杂纤维掺量最大的一组，抗拉强度的混杂效应达到最小值0.755。可见对于抗拉强度而言，存在最优混杂效应，相对应的纤维掺量为钢纤维掺量为0.4%、聚丙烯纤维掺量为0.15%，其抗压强度为42.99MPa，抗拉强度为5.21MPa，较未添加纤维混凝土分别提高-4.3%、89%。在实际工程中，应注意最优混掺纤维的选择，避免出现负混杂效应。

3 结论

(1)与聚丙烯纤维相比，钢纤维对自密实混凝土的工作性能影响更大。当钢纤维掺量达0.6%，则达不到自密实混凝土对间隙通过性与填充性能的要求。

(2)钢纤维对自密实混凝土的抗压强度和抗拉强度增强效果较聚丙烯纤维更大。当两种纤维混杂时可有效改善自密实混凝土的破坏特征，在钢纤维掺量为0.6%，聚丙烯纤维掺量为0.2%时，抗压强度达到最大值为52.98MPa，提高了18%；在钢纤维掺量为0.6%，聚丙烯掺量为0.15%时，抗拉强度达到最大值为5.31MPa，提高了93%。

(3)劈裂抗拉强度的混杂效应存在最优混杂效应。相对应的纤维掺量为钢纤维0.4%，聚丙烯纤维0.15%，其抗拉强度为5.21MPa，较未添加纤维混凝土提高89%。