纤维掺量对混凝土力学性能和热工性能的影响

党军亮，封 容，樊文斐，于 杰，张 航

(山东中程试验检测有限公司，山东 济南 250100)

我国农业水平在世界已经达到领先地位，但随之而来的大量废弃材料也逐渐增多。随着绿色建筑概念的提出，将废弃材料二次利用制备新型绿色建筑材料已成为研究热点。

李雅娟等[1]利用混凝土桥梁拆除废料制作同一强度等级的不同粗骨料取代率的3根混凝土梁，并对其进行静力加载试验，结果表明受压区高度随着取代率的增加而增大。林海威等[2]将铜尾矿砂作为细骨料掺入到透水混凝土中，随着掺量的增加混凝土透水系数减小。张俊儒等[3]研究了粉煤灰掺量对喷射混凝土耐久性的影响，得出粉煤灰对喷射混凝土的早期抗压强度影响较大，对其后期抗压强度影响相对较小。张旺春等[4]研究了再生骨料取代率对再生混凝土在模拟火灾温度下的外观形貌、抗压强度、质量及孔结构的影响，结果表明骨料取代率不大于40%和温度低于400 ℃时,再生混凝土仍能保持其力学强度且无质量损失。韩东等[5]建立了抹灰砂浆和易性显著的多元非线性回归模型，结果表明粉煤灰对砂浆和易性的改善有利,镁渣对砂浆的流动度和流动度损失有不利影响。靳瑞杰等[6]充分利用粉煤灰工业废料制备混凝土，得出当粉煤灰与陶粒质量比为1:16时最佳，实现了变废为宝。瞿晓玲等[7]证实了陶瓷抛光砖废料具有相当的火山灰活性，可以用来制备非蒸压加气混凝土。张鸿等[8]采用非连续密级配制备了聚苯胺/聚丙烯复合导电纤维沥青混凝土，得出复合纤维的质量分数为0.8%时,沥青混凝土稳定度可增加近50%,流值增加100%。王艳丽等[9]研究建筑增强用PAN纤维的耐海水腐蚀性，结果显示建筑增强用PAN纤维拉伸强度为1 261 MPa、降幅0.63%,初始模量为18.6 GPa、增幅8.14%。

从上述研究成果可以看出，废物利用是当今解决绿色建筑和开展可持续发展的另一途径，也是具有前景的研究方向。但当前对纤维类废料的二次应用研究较少，因此作者以碳纤维、棉纤维和聚丙烯纤维三类纤维废料为研究对象，以不同掺量掺入至混凝土中，分析其对混凝土力学性能和热工性能的影响，并通过调节不同掺量的粉煤灰来得到最佳混凝土的配比。

1 实验

1.1 主要原料

PO42.5R硅酸盐水泥：3d抗折强度为5.8 MPa，28 d抗折强度为8.6 MPa，3 d抗压强度为31.5 MPa，28 d抗压强度为48.7 MPa，龙口市泛林水泥有限公司生产；碳纤维：相对密度为1.7，直径约为6 μm，抗拉强度约为4×103MPa，江城碳纤维有限责任公司产；棉纤维：长度约8 mm，直径约6 μm，体积密度 15.8 kg/m3，河南新濮丰棉机科技有限公司产；聚丙烯纤维：相对密度0.91，直径 40 μm，杨氏模量3 790 MPa，延伸率18%，长度12 mm，山东森泓工程材料有限公司产；粉煤灰：细度为18.3，武汉微神科技发展有限公司生产；骨料(石子/砂子)：青岛隆璂保温建材有限公司生产。

1.2 主要设备及仪器

HS85623型多功能搅拌机：沧州恒胜伟业公路仪器有限公司制；DRPL-I型导热系数测试仪：常州德杜精密仪器有限公司制；YES普通混凝土力学性能试验机：美特斯工业系统(中国)有限公司制。

1.3 纤维混凝土的制备

在常温下，使用搅拌机将水泥、纤维材料、粉煤灰、骨料和水等进行混合搅拌，其中掺入的纤维材料质量分数为0～10%，粉煤灰质量分数为0～20%，随后放入振动台上进行振动，使得成型的混凝土内部材料均匀且密实，进行养护28 d后(标准养护)，将混凝土分别进行热工性能测试和抗压强度、抗拉强度测试。

1.4 分析与测试

力学性能：采用YES普通混凝土力学性能试验机测试纤维混凝土的抗压强度、抗拉强度。将养护成型的混凝土放置在力学性能试验机上，开始逐级加压力/加拉力，通过试验仪器显示器读取混凝土压碎/拉坏时的受力值。

热工性能：将养护成型的纤维混凝土放置在DRPL-I型导热系数测试仪上，左盘温度为35 ℃、右盘温度为15 ℃，在密闭环境下4 h后(待温度场稳定后)通过读取显示器数据获得纤维混凝土的导热系数。

2 结果与讨论

2.1 粉煤灰掺量对混凝土力学性能的影响

2.1.1 粉煤灰掺量对混凝土抗压强度的影响

按质量分数分别为0，5%，10%，15%，20%的比例将粉煤灰掺入混凝土中，此时分别掺入混凝土的碳纤维、棉纤维和聚丙烯纤维的质量分数均为5%，探讨粉煤灰含量对混凝土抗压强度的影响。从图1可以看出：当不掺入粉煤灰时，碳纤维混凝土的抗压强度为45.6 MPa，达到C45等级，棉纤维混凝土的抗压强度为44.7 MPa，达到C40等级，聚丙烯纤维混凝土的抗压强度为43.1 MPa，达到C40等级；随着掺入粉煤灰含量的增加，3种纤维混凝土的抗压强度均先增加而后下降，当掺入粉煤灰质量分数为10%时，3种纤维混凝土的抗压强度均达到最大，碳纤维混凝土的抗压强度为52.8 MPa，达到C50等级，棉纤维混凝土的抗压强度为51.7 MPa，达到C50等级，聚丙烯纤维混凝土的抗压强度为50.2 MPa，达到C50等级。这是因为粉煤灰在混凝土初期水化过程中，会和水泥化学成分中的氢氧化钙发生火山灰反应，当粉煤灰含量较低时，能够在复合混凝土体系中激发出其活性，加快水化过程；而当粉煤灰含量过高时，一方面水泥所占比例下降，降低了混凝土的强度，另一方面过高的粉煤灰活性含量会抑制水化过程甚至会导致逆水化过程发生。

图1 粉煤灰含量对不同纤维混凝土抗压强度的影响Fig.1 Effect of fly ash content on compressive strength of different fiber reinforced concrete■—碳纤维；●—棉纤维；▲—聚丙烯纤维

2.1.2 粉煤灰掺量对混凝土抗拉强度的影响

将粉煤灰按质量分数分别为0，5%，10%，15%，20%的比例掺入混凝土中，此时掺入碳纤维、棉纤维和聚丙烯纤维的质量分数均为5%，探讨粉煤灰含量对混凝土抗拉强度的影响。从图2可以看出：随着粉煤灰含量的增加，3种纤维混凝土的抗拉强度均先增加而后下降；不掺入粉煤灰时，碳纤维混凝土的抗拉强度为4.01 MPa，棉纤维混凝土的抗拉强度为3.88 MPa，聚丙烯纤维混凝土的抗拉强度为3.72 MPa；当掺入质量分数10%的粉煤灰时，3种纤维混凝土的抗拉强度均达到最大，碳纤维混凝土的抗拉强度为4.24 MPa，棉纤维混凝土的抗拉强度为4.07 MPa，聚丙烯纤维混凝土的抗拉强度为3.81 MPa；而当掺入粉煤灰质量分数超过10%时，纤维混凝土的抗拉强度出现降低，当掺入质量分数15%的粉煤灰时，碳纤维混凝土的抗拉强度为3.97 MPa，棉纤维混凝土的抗拉强度为3.81 MPa，聚丙烯纤维混凝土的抗拉强度为3.71 MPa。这是因为当较低的粉煤灰掺入时无法完全填充混凝土之间的空隙，使得混凝土不够密实，混凝土强度得不到发展；当粉煤灰含量逐渐升高至一定时，粉煤灰会和水泥水化过程发生反应加快水化过程；而当粉煤灰含量过高时，一方面水泥所占比例下降，降低了混凝土的强度，另一方面过高的粉煤灰活性含量会抑制水化过程甚至会导致逆水化过程发生。

图2 粉煤灰含量对不同纤维混凝土抗拉强度的影响Fig.2 Effect of fly ash content on tensile strength of different fiber reinforced concrete■—碳纤维；●—棉纤维；▲—聚丙烯纤维

2.2 纤维掺量对混凝土力学性能的影响

2.2.1 纤维掺量对混凝土抗压强度的影响

分别将碳纤维、棉纤维和聚丙烯纤维(质量分数为0～10%)掺入混凝土中，此时混凝土中粉煤灰质量分数为10%，纤维含量对混凝土抗压强度的影响见图3。

图3 纤维含量对混凝土抗压强度的影响Fig.3 Effect of fiber content on compressive strength of concrete■—碳纤维；●—棉纤维；▲—聚丙烯纤维

从图3可以看出：随着纤维含量的增加，3种纤维混凝土的抗压强度均出现先增大而后下降的趋势；当纤维含量为0时，混凝土的抗压强度为43.8 MPa;当纤维质量分数为5%时，3种纤维混凝土的抗压强度均达到最大，碳纤维混凝土的抗压强度为52.8 MPa，棉纤维混凝土的抗压强度为51.7 MPa，聚丙烯纤维混凝土的抗压强度为50.2 MPa；当纤维质量分数为10%时，碳纤维混凝土的抗压强度为49.2 MPa，棉纤维混凝土的抗压强度为46.7 MPa，聚丙烯纤维混凝土的抗压强度为44.1 MPa。由此可见，当纤维质量分数为5%时，混凝土的抗压强度会提高一个等级。

出现这种情况是因为：(1)混凝土中的骨料与杂料主要是通过黏结作用来传力，而纤维会对混凝土浆体的黏结性能影响很大；(2)纤维是有机物，其化学成分会和粉煤灰的火山灰作用发生反应，因而对混凝土抗压强度的发展起到相反的作用；(3)纤维含量过多时，即水泥及其他含量逐渐减小，导致混凝土的最终抗压强度降低。

2.2.2 纤维掺量对混凝土抗拉强度的影响

分别将碳纤维、棉纤维和聚丙烯纤维(质量分数为0～10%)掺入混凝土中，此时混凝土中粉煤灰质量分数为10%，纤维含量对混凝土抗拉强度的影响见图4。

图4 纤维含量对混凝土抗拉强度的影响Fig.4 Effect of fiber content on tensile strength of concrete■—碳纤维；●—棉纤维；▲—聚丙烯纤维

从图4可以看出：随着纤维含量的增加，混凝土的抗拉强度先增加而后下降，这一趋势与混凝土的抗压强度变化趋势相同；当不掺入纤维时，混凝土的抗拉强度为3.61 MPa；当掺入纤维质量分数为5%时，3种纤维混凝土的抗拉强度均达到最大，碳纤维混凝土的抗拉强度为4.24 MPa，棉纤维混凝土的抗拉强度为4.07 MPa，聚丙烯纤维混凝土的抗拉强度为3.81 MPa；当掺入纤维质量分数超过5%时，3种纤维混凝土的抗拉强度呈下降趋势；当掺入纤维质量分数为10%时，碳纤维混凝土的抗拉强度为3.91 MPa，棉纤维混凝土的抗拉强度为3.74 MPa，聚丙烯纤维混凝土的抗拉强度为3.68 MPa。由此可见，掺入质量分数为5%的纤维，可较好地提高混凝土的抗拉强度。

出现这一现象的原因是：纤维材料是一孔隙率较多的材料，随着纤维材料的含量增加，混凝土的孔隙率也逐渐增加，骨料与浆体之间的黏结力逐渐减小，导致混凝土的抗拉强度降低；另外，碳纤维、棉纤维和聚丙烯纤维的掺入会导致混凝土骨料间的黏结力下降，也会导致混凝土的抗拉强度降低。

从纤维含量对混凝土抗压强度和抗拉强度的影响可知，在混凝土中掺入质量分数10%的粉煤灰，同时掺入质量分数5%的碳纤维或棉纤维或聚丙烯纤维，可达到GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》(2015年版)[10]中的混凝土强度要求。

2.3 纤维掺量对混凝土热工性能的影响

混凝土的热工性能通常以导热系数来表征，导热系数越大，热工性能越差，导热系数越小，热工性能越好。分别将碳纤维、棉纤维和聚丙烯纤维(质量分数为0～10%)掺入混凝土中，此时的混凝土不掺入粉煤灰，纤维含量对混凝土导热系数的影响见图5。

图5 纤维含量对混凝土导热系数的影响Fig.5 Effect of fiber content on thermal conductivity of concrete■—碳纤维；●—棉纤维；▲—聚丙烯纤维

从图5可以看出：随着纤维含量增加，3种纤维混凝土的导热系数均逐渐下降；不掺入纤维时，混凝土的导热系数为1.41 W/(m·K)；当掺入纤维质量分数为5%时，碳纤维混凝土的导热系数为0.93 W/(m·K)，棉纤维混凝土的导热系数为1.13 W/(m·K)，聚丙烯纤维混凝土的导热系数为1.22 W/(m·K)；当掺入纤维质量分数达10%时，碳纤维混凝土的导热系数为0.71 W/(m·K)，棉纤维混凝土的导热系数为0.87 W/(m·K)，聚丙烯纤维混凝土的导热系数为1.01 W/(m·K)。这是因为碳纤维、棉纤维和聚丙烯纤维掺入混凝土中能够增加混凝土的内部孔隙率，从而导致混凝土内部的封闭空间增多，而空气的导热系数比混凝土低的多，从而导致复合混凝土材料的导热系数逐渐下降。因此，掺入纤维材料能够提高混凝土板的保温隔热性能，从而能够达到建筑节能的效果，碳纤维的保温隔热作用最好，其次是棉纤维，聚丙烯纤维稍差。在满足混凝土强度的情况下可以掺入一定量的纤维材料，达到建筑节能的目的。

3 结论

a.在掺入纤维质量分数为5%的条件下，随着粉煤灰掺量的增加，3种纤维混凝土的抗压强度和抗拉强度均先升高而后逐渐下降；在掺入粉煤灰质量分数为10%的条件下，随着纤维掺量的增加，3种纤维混凝土的抗压强度和抗拉强度均出现先增大而后下降的趋势。

b.当掺入粉煤灰质量分数为10%、纤维质量分数为5%时，3种纤维混凝土的抗压强度和抗拉强度均达到最大，可以达到GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》(2015年版)中的混凝土强度要求。

c.在不掺入粉煤灰的条件下，随着纤维含量增加，3种纤维混凝土的导热系数均逐渐下降，热工性能提高。