不同纤维对深部隧道混凝土强度和耐磨性能的影响研究

刘有建

一、引言

随着我国经济实力日益提升，尤其是隧道工程的迅速发展，我国城市地下隧道的数量日益增多。而混凝土作为当今世界运用最广的建筑材料，已经大量应用在地下隧道工程中，不同的地下隧道环境对混凝土材料提出了不一样的需求。尤其是近年来恶劣气候环境频现，特大暴雨使得我国多座城市经历涝灾，已严重威胁城市发展，“海绵城市”概念应运而生，即采用地下深部排水隧道进行雨、洪水调蓄。当雨季来临时，洪水对隧道内混凝土管道、内壁等处的冲刷、磨损严重影响了其使用寿命，加大了混凝土在隧道工程中的应用难度。因此有必要将深部隧道混凝土的强度和耐磨性能作为研究对象，探究出一种高耐磨、高性能的混凝土材料。

目前，关于水泥基材料耐磨性能的研究已有很多。王雨利等采用石灰石粉等质量取代河砂和机制砂，研究了石灰石粉掺量对砂浆耐磨性能的影响，发现随着石灰石粉掺量增大，砂浆耐磨系数先减小，后增大，且河砂砂浆的最佳石粉掺量为15%，机制砂砂浆的最佳石粉掺量为10%。RKumar等人研究使用两种不同的水灰比，分别为0.44 和0.38。该研究表明，RCA 对混凝土的耐磨性有明显的降低，但在路面混凝土中可以有效地应用。彭松枭等研究了粉煤灰和矿渣的掺量对不同龄期再生混凝土耐磨性能的影响程度，研究发现，粉煤灰与矿渣掺入后对混凝土7d龄期的耐磨性能不会造成很大影响，但是对再生混凝土后期（60 d）耐磨性能具有很大的影响，再生混凝土早期耐磨性能与粉煤灰与矿渣掺量呈负相关的关系。

现有研究大都集中在对矿物掺合料、集料、水胶比等配合比优化设计上，并且研究路面材料的耐磨性能居多。纤维作为混凝土性能改善剂已经广泛应用于各种混凝土中，而在纤维改善地下隧道混凝土耐磨性能方面的研究尚少。本文研究钢纤维、玄武岩纤维、木质素纤维对混凝土耐磨性能的影响，其中木质素纤维作为一种优良的稳定剂，已经在沥青材料中广泛应用，但关于木质素纤维在混凝土方面的研究很少。选择絮状木质素纤维、剪切波浪型钢纤维以及玄武岩纤维分别单掺入C50混凝土中，研究其对混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度以及耐磨性能的影响。

二、试验原材料及试验方法

1.试验原材料与配合比

本试验采用江南小野田水泥有限公司生产的P·II 52.5硅酸盐水泥，其表面积为367m2/kg，初凝与终凝时间分别为135min和190min，烧失量为2.7%；粗骨料采用粒径为5～20 mm连续级配的碎石；细骨料为芜湖中庆实业有限责任公司产的中砂（河砂），细度模数为2.6，含泥量为0.8%，泥块含量0.3%；减水剂采用上海三瑞高分子材料股份有限公司产的聚羧酸减水剂，减水率为25%，固含量为21%。本试验采用两种矿物掺合料，粉煤灰是宝田新型建材有限公司产的II级F类粉煤灰，矿粉是宝田新型建材有限公司产的S95矿粉；实验所用钢纤维（SF）是宜兴华源金属纤维有限公司生产的剪切波浪型钢纤维，外观见图1（a），其性能指标见表1；实验所用玄武岩纤维（BF）是贵州石鑫玄武岩科技有限公司生产的长度为15mm的玄武岩纤维，外观见图1（b），其性能指标见表2；实验所用木质素纤维（LF）是淄博金力王工贸有限公司生产的木质素纤维，外观见图1（c），其吸油率不小于纤维自身质量的5倍；含水率：＜5%；耐热能力：230℃（短时间可达280℃）；PH值7.0±0.5。

表1 剪切波浪型钢纤维性能指标

表2 玄武岩纤维性能指标

图1 纤维外观图

在大量的C50混凝土的试验基础上，试验研究采用的混凝土配合比见表3，其中钢纤维、玄武岩纤维和木质素纤维的掺量均为混凝土的体积掺量。

2.试验方法

采用外掺法将钢纤维、玄武岩纤维和木质素纤维掺入混凝土中，为了保证纤维分散均匀，先将纤维掺入胶凝材料、集料中干拌2min，然后再加入水和减水剂搅拌。根据大量文献，钢纤维的体积掺量选为0%、0.5%、1.0%、1.5%，玄武岩纤维的体积掺量选为0%、0.2%、0.3%、0.4%，木质素纤维的体积掺量选为0%、0.3%、0.6%、0.9%，研究比较三种纤维对混凝土强度和耐磨性能的影响。

表3 混凝土基准配合比

立方体抗压强度和劈裂抗拉强度试件尺寸为100mm×100mm×100mm，测试混凝土单位面积磨损量试件尺寸为150mm×150mm×150mm的立方体试件。力学性能测试方法依照标准GB/T50081-2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》，耐磨性能测试方法依照标准JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》。

三、试验结果与分析

1.纤维对混凝土力学性能的影响

根据试验结果，图2、图3以及图4给出了各种不同纤维掺量对混凝土3d、7d、28d、56d抗压强度和劈裂抗拉强度的影响曲线。

图2 钢纤维掺量对混凝土强度的影响

如图2（a）所示，随着钢纤维体积掺量的增加，混凝土抗压强度逐渐增大，当钢纤维掺量较大时，钢纤维掺量越大，混凝土抗压强度增长速度减缓。如当钢纤维体积掺量从0%增加至0.5%时，混凝土28d抗压强度从68.5MPa增加至76.1MPa，抗压强度增大了11.1%；但当钢纤维体积掺量从1.0%增加至1.5%时，混凝土28d抗压强度从77.2MPa增加至78.6MPa，抗压强度增大了1.8%，增长速率明显降低。如图2（b）所示，钢纤维对混凝土劈裂抗拉强度的影响规律与其对抗压强度的影响规律基本一致，随着钢纤维体积掺量的增大，混凝土劈裂抗拉强度也逐渐增大。同样，钢纤掺量越大，混凝土劈裂抗拉强度增长速度也减缓，当钢纤维体积掺量从0%增加至0.5%、1.0%、1.5%时，混凝土56d劈裂抗拉强度从5.06MPa分别增加至5.71MPa、5.88MPa、5.99MPa，劈裂抗拉强度分别增大了12.8%、3.0%、1.9%，强度增长速率明显降低了。原因在于当混凝土中少量掺入钢纤维时，由于钢纤维在混凝土中均匀分散，钢纤维自身弹性模量较高，抗压性能较好，能阻止裂缝产生，因而能很大程度上提升混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度，但当钢纤维掺量继续增大时，钢纤维在混凝土中不能完全分散，混凝土和易性变差，缺陷增多，导致混凝土力学性能变差。

如图3（a）所示，抗压强度曲线趋于平缓，说明玄武岩纤维对混凝土抗压强度的影响不大，当玄武岩纤维体积掺量为0.2%时，混凝土28d抗压强度最大，仅比未掺纤维的混凝土抗压强度提升0.3%，几乎没有增长；当玄武岩纤维体积掺量为0.3%时，混凝土56d抗压强度最大，也仅比未掺纤维的混凝土抗压强度提升4.5%。当继续增大玄武岩纤维掺量至0.4%时，混凝土抗压强度反而减小。

图3 玄武岩纤维对混凝土强度的影响

如图3（b）所示，玄武岩纤维的掺入对混凝土早期劈裂抗拉强度产生负影响，随着养护龄期的增长，纤维逐渐起到增强效果，当玄武岩纤维体积掺量为0.3%，混凝土56d劈裂抗拉强度最大，继续增加玄武岩纤维掺量至0.4%时，混凝土56d劈裂抗拉强度发生降低。究其原因，还可能是由于本试验用的15mm玄武岩纤维长度极大影响了混凝土的和易性，导致影响了混凝土内部反应，致抗压强度提升不明显或者出现下降，因此初步判断玄武岩纤维最佳长度应小于15mm。而玄武岩纤维由于其有较大的抗拉强度，因此掺入玄武岩纤维后对混凝土的劈裂抗拉强度改善效果更明显，但总体改善效果不及钢纤维。

图4 木质素纤维对混凝土强度的影响

如图4（a）所示，与玄武岩纤维对混凝土抗压强度影响规律相一致，木质素纤维对混凝土抗压强度的改善效果不明显，但从图中还是可以看出，随着木质素纤维掺量的增大，混凝土抗压强度呈增大的趋势，并且当木质素纤维体积掺量为0.9%时，混凝土抗压强度最大。这是因为木质素纤维是由天然木材、竹材及棉麻等采取一定的化学技术措施加工得到的一种絮状白色或者灰白色的有机纤维，使得木质素纤维具有一定的保水性，能够为胶凝材料水化提供充足的水分，使混凝土抗压强度增加，但因为木质素纤维自身强度低，刚度小，对混凝土的贡献受到了一定程度的限制。如图4（b）所示，木质素纤维的掺入能够提升混凝土的劈裂抗拉强度，但提升效果一般，当木质素纤维体积掺量为0.6%时，混凝土56d劈裂抗拉强度最大，相较于未掺纤维混凝土劈裂抗拉强度增大了10.5%。原因是木质素纤维在混凝土中分散比较均匀，能形成一个空间网状的结构，使得其具有良好的增强功能，所以混凝土劈裂抗拉强度有所增加，但同样由于其强度、刚度较小，因而限制了其对混凝土劈裂抗拉强度的提升。

2.纤维对混凝土耐磨性能的影响

根据试验结果，图5、图6以及图7给出了各种不同纤维掺量对混凝土耐磨性能的影响曲线。

图5反应了钢纤维按体积分数掺入混凝土后对其耐磨性能的影响规律。由图可知，未掺入钢纤维时，混凝土单位面积磨损量最大，达到2.08kg/m2，随着掺入钢纤维体积分数逐渐增加，混凝土的耐磨性能得到改善，但并非钢纤维掺量越大，混凝土耐磨性能越优，当钢纤维掺量过大时，混凝土耐磨性能改善效果变差。钢纤维掺量为0.5%时，混凝土单位面积磨损量为1.52kg/m2，相较于未掺钢纤维混凝土，单位面积磨损量降低了26.9%，改善效果很明显；当继续增加钢纤维体积掺量至1.0%和1.5%时，混凝土单位面积磨损量分别为1.68kg/m2和1.76kg/m2，相较于未掺钢纤维的混凝土，单位面积磨损量分别降低了19.2%和15.4%，但相较于掺量为0.5%时，单位面积磨损量不降反升。因此，并不是钢纤维掺量越大，混凝土耐磨性能越优，本试验条件下，当钢纤维掺量为0.5%时，混凝土单位面积磨损量达到最佳值，其耐磨性能最优。

图5 钢纤维掺量对混凝土耐磨性能的影响

在钢纤维混凝土磨损试验过程中，由于钢纤维掺入混凝土中后，可以降低毛细孔失水收缩形成的毛细孔张力，减少混凝土原始裂纹的产生；掺入钢纤维后，增强了混凝土的强度和韧性，水泥浆体在硬化后能较好地包裹住钢纤维，使其成为一个不易被破坏的整体；同时由于钢纤维针状结构，在混凝土中起到阻裂作用，并且在磨损过程中，混凝土表面原材料逐渐被磨耗，露出钢纤维出来，在与花轮刀片接触过程中能有效缓解花轮刀片对混凝土的磨损作用，减缓了混凝土磨耗过程，从而有效提高了混凝土的耐磨性。但当钢纤维掺量过大时，混凝土密实度降低，孔隙率增大，使混凝土耐磨性能降低。

图6 玄武岩纤维掺量对混凝土耐磨性能的影响

如图6所示，可见玄武岩纤维掺入混凝土中能大大改善混凝土耐磨性能。随着聚丙烯纤维掺量的增加，混凝土单位面积磨损量呈先减小后增大的趋势。当掺入体积分数0.2%的玄武岩纤维到混凝土中时，混凝土单位面积磨损量为0.48kg/m2，相较于未掺入纤维混凝土的单位面积磨损量降低了76.9%，说明在本试验条件下，玄武岩纤维掺入混凝土中对混凝土耐磨性能的最佳改善效果要优于钢纤维和聚丙烯素纤维。当继续增加玄武岩纤维掺量时，其影响规律与钢纤维、聚丙烯纤维一致，过量玄武岩纤维的掺入会对混凝土耐磨性能产生负效应，改善效果减弱。

图7 木质素纤维掺量对混凝土耐磨性能的影响

如图7所示，木质素纤维的掺入可以明显改善混凝土的耐磨性能。从混凝土中未掺入木质素纤维，到掺入体积分数0.3%、0.6%、0.9%的木质素纤维，混凝土单位面积磨损量从2.08kg/m2分别减少至0.36kg/m2、0.6kg/m2、0.52kg/m2，分别减少了82.7%、71.2%、75%。由此可见，木质素纤维能大大改善混凝土耐磨性能，并且在本试验条件下，当木质素纤维掺量为0.3%时，相较于未掺纤维混凝土，混凝土单位面积磨损量能减少82.7%，此时改善效果最佳。

综上三种纤维单掺入混凝土中对混凝土耐磨性能的影响规律，可以发现，纤维的掺入能很大程度上改善混凝土的耐磨性能，并且这三种纤维中，木质素纤维对混凝土耐磨性能改善效果最好，其次是玄武岩纤维，钢纤维对混凝土耐磨性能改善效果最差。

四、结语

1.在C50混凝土中分别掺入体积掺量为0%、0.5%、1.0%、1.5%的钢纤维，能明显改善混凝土的力学性能，而对混凝土耐磨性能提升效果一般。随着钢纤维掺量的增大，混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度增逐渐增大，但增长速率逐渐减缓；混凝土单位面积磨损量随钢纤维掺量的增加呈先减小后增大的趋势，并且当钢纤维体积掺量为0.5%时，混凝土耐磨性能最好。

2.玄武岩纤维和木质素纤维对混凝土力学性能的影响规律基本一致，其对混凝土力学性能改善效果不明显，但可以明显改善混凝土的耐磨性能。当混凝土中分别掺入体积掺量为0%、0.2%、0.3%、0.4%的玄武岩纤维和0%、0.3%、0.6%、0.9%的木质素纤维时，随着纤维掺量的增加，混凝土单位面积磨损量均呈先减小后增大的趋势，且当玄武岩纤维掺量为0.2%、木质素纤维掺量为0.3%时，混凝土耐磨性能最好。

3.钢纤维、玄武岩纤维、木质素纤维均能改善混凝土的强度和耐磨性能。其中钢纤维对力学性能提升效果最好，玄武岩纤维和木质素纤维对力学性能的改善效果基本一致；三种纤维对混凝土耐磨性能的改善效果优劣依次是木质素纤维、玄武岩纤维、钢纤维。