玄武岩—聚丙烯混杂纤维混凝土基本性能研究

郭靳时 赵 峥 云佳琪

吉林建筑大学（130118）

0 引言

在我国乃至世界，混凝土是用量最大、用途最广的建筑材料，而混凝土技术不断发展，人们不满足于混凝土现有性能，纤维混凝土是一种新型的水泥复合材料，其的出现无疑推动了混凝土技术的发展，许多研究者为了发挥纤维在混凝土中的优势，选择多种纤维按一定的纤维体积率混杂，使纤维发挥各自优势，而玄武岩-聚丙烯纤维混凝土作为一个新型建筑材料处在一个探索期，对其性能需要进行更详细研究。

1 纤维混凝土

纤维混凝土[1]以混凝土（水泥浆、砂浆）为基体，加入纤维组成的复合材料。研究表明，纤维的加入可以改善混凝土基体性能，若加入混杂纤维效果更好[2-3]。

2 试验

2.1 试验材料及配合比

2.1.1 原材料

1）水泥:42.5普通硅酸盐水泥，其性能见表1。

表1 水泥物理性能

2）细骨料:选用细度模数为2.7中砂。

3）粗骨料:选用粒径最大20 mm碎石，表观密度为2 710 kg/m3。

4）水:自来水。

5）纤维:主要参数见表2。

表2 纤维主要参数

2.1.2 配合比

依据《普通混凝配合比设计规程》JGJ 55—2011确定混凝土配合比（见表3）。

表3 混凝土配合比表（kg/m3）

2.1.3 试件制作与养护

1）配置。本试验用搅拌机进行搅拌，先将纤维和石子混合干拌60 s，再将沙料和水泥加入干拌60 s，然后将纤维均匀的分散在混凝土中，搅拌90 s，最后将水加入进行搅拌90 s。

2）装模。将搅拌好的混凝土装入迅速模具，进行振捣，然后抹面。

3）养护。养护时，在试块表面上蒙上塑料膜,在20℃~30℃中静置一夜，然后编号拆模，最后放入养护室养护，养护室湿度≥95%，温度18℃~22℃，养护28 d。

2.2 试验方法

文章试验采用正交试验法，用正交表安排和分析多因素进行试验。

2.2.1 试验方案

文章选用A、B、C分别表示试验三种因素玄武岩纤维体积率、聚丙烯纤维体积率、混凝土强度，用1、2、3表示试验三种水平（见表4）。根据以上列出试验正交表（见表5），为便于分析某单一因素的影响及进行对照，另外设置了几组试件和一组普通混凝土试件。

表4 试验水平和变量

表5 试验汇总表

2.2.2 试验内容

1）坍落度试验。先将坍落度桶润湿后固定在钢板上，将漏斗放在桶上。然后将混凝土分三次装入桶内，用捣棒由边缘至中心插捣。插振后，用刮刀刮去多余混凝土，并进行抹平，最后将桶平稳提起，测量桶高与混凝土最高点的高度差，即为混凝土坍落度值。

2）立方体抗压和劈裂抗拉强度试验。试验分别采用液压式万用试验机进行加载，根据《普通混凝土力学性能试验标准》（GB/T 50081—2002）的相关要求[4]，采用的尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的立方体试块，进行连续均匀的加载，速率为均0.5~0.8 MPa/s。并按式（1）计算抗压强度，式（2）计算抗拉强度:

其中:fcu为混凝土立方体试块的抗压强度（MPa），fts为立方体试块的劈裂抗拉强度（MPa），F为混凝土破坏时最大荷载（N），A1为试块承压面积（mm2），A2为劈裂试验试块劈裂面积（mm2）。

3 试验结果与分析

根据表6结果分析可知:

表6 极差正交分析汇总计算表

1）坍落度极差最大的是因素B（聚丙烯纤维体积率），最小的是因素C（混凝土强度），故对因素B混凝土坍落度影响最大，因素C对坍落度影响最小。因素A、B在纤维体积率为0.05%时，最大，在混凝土强度为C30时，性能最优，故坍落度最优试件为A1。

2）因素A极差最大，故因素A对混凝土立方体抗压强度影响最大，因素A、B在纤维体积率为0.10%时，最大，故立方体抗压强度最优试件为A5。

3）劈裂抗拉强度极差最大的是因素C，最小的是因素B。因素A、B在纤维体积率为0.15%时，Kjm最大，因素C在混凝土强度为C50时，性能最优。

3.1 坍落度试验结果分析

根据试验数据汇总表5得混杂纤维混凝土中因素A、B、C与坍落度的关系（如图1、图2所示）。

图1 混杂纤维混凝土中因素A、B与坍落度的关

图2 混杂纤维混凝土中因素C与坍落度的关系

从图1、2可知:坍落度随着玄武岩纤维掺量和聚丙烯纤维掺量增大而减小，对于HFRC，玄武岩纤维掺量和聚丙烯纤维掺量从0%~0.15%时，HFRC的坍落度降低分别约50%、33%，而单掺玄武岩纤维和聚丙烯纤维的混凝土，当掺量从0%~0.15%时，玄武岩纤维混凝土和聚丙烯纤维混凝土的坍落度降低分别约为27%、56%。而HFRC坍落度的下降速度比单掺纤维的混凝土更快，这也就说明，HFRC土比单掺纤维的混凝土对坍落度的影响更大。HFRC的强度也对坍落度有一定影响，随着HFRC的增加，坍落度的曲线下降先快后慢。

3.2 立方体抗压强度试验结果分析

3.2.1 试验数据分析

根据试验数据汇总表6的混杂纤维混凝土中因素A、B与立方体抗压强度的关系（如图3所示）。

图3 混杂纤维混凝土中因素A、B与立方体抗压强度的关系

从图3可知:玄武岩纤维混凝土和聚丙烯纤维混凝土中纤维体积率为0.05%、0.10%和0.15%时，抗压强度分别较普通混凝土试件均在降低。对于HFRC，混杂纤维比单掺纤维对基体立方体抗压强度的影响更大。总之，单掺纤维和加入混杂纤维相比与普通混凝土试块（A20），立方体抗压强度均在降低。

3.2.2 试验破坏形式分析

（1）为普通混凝土试块,玄武岩纤维体积率为0.15%时，聚丙烯纤维掺量为0.05%（2）、0.10%（3）、0.15%（4）的试块的破坏形式如图4所示。

图4 不同掺量的试块破坏形式

由此可见普通混凝土（1）破坏后，混凝土发生严重破坏。而加混杂纤维的（2）、（3）、（4）组试块破坏后，裂缝分散有些碎片掉落，但仍能保持初始形态，所以混杂纤维混凝土不会像普通混凝土一样突然破坏，其破坏进程缓慢。

3.3 劈裂抗拉强度试验结果分析

3.3.1 试验数据分析

根据试验数据汇总表6得混杂纤维混凝土中因素A、B与立方体劈裂抗拉的关系（如图5所示）。

图5 混杂纤维混凝土中因素A、B与劈裂抗拉强度的关系

图6 混杂纤维混凝土因素C与劈拉强度的关系

由图5可知:玄武岩纤维混凝土和聚丙烯纤维混凝土与普通混凝土相比，其纤维掺量越大，劈拉强度则越大。且单掺聚丙烯纤维基体的劈拉强大于单掺玄武岩纤维基体的劈拉强度。而对于混杂纤维混凝土，当其中一个纤维掺量固定而另一纤维掺量不断增加时，混凝土的劈拉强度与普通混凝土劈拉强度相比不断增加。总之，单掺纤维和混杂纤维的加入都能提高混凝土基体劈裂抗拉强度，且混杂纤维提高更明显。

3.3.2 试验破坏形式分析

图7中（1）是普通混凝土的破坏状态，试验时随着荷载的逐渐加大，试块在中轴线处发生脆性断裂，断裂成两半。（2）是试件A11，可以看出试块发生破坏后，试块没有完全断成两半。这是因为纤维对混凝土的裂缝有阻碍作用，故混杂纤维混凝土试件成一定程度上的延性破坏[5]。

图7 混凝土劈裂抗拉强度的破坏形式

3 结论

文章通过试验数据对比和分析，得出以下结论:

1）对坍落度影响因素由强到弱分别为:聚丙烯纤维体积率、玄武岩纤维体积率、混凝土强度。且纤维体积率越大，混凝土坍落度越小，混杂纤维比单掺纤维对基体坍落度的影响更大。

2）对立方体抗压强度影响因素由强到弱分别为:玄武岩纤维体积率、聚丙烯纤维体积率，在混凝土中加入纤维后，对混凝土的立方体抗压强度增强能力不大，反而有所降低，但纤维的加入可改善试块的开裂程度，提高其完整性，对实际工程仍具有重要意义。

3）对立方体劈裂抗拉强度影响因素由强到弱分别为:混凝土强度、玄武岩纤维体积率、聚丙烯纤维体积率。随着纤维体积率的增大，立方体劈裂抗拉强度逐渐增大，且混杂纤维比单掺纤维对于混凝土劈拉强度的增强效果更好。