玄武岩-粗聚丙烯纤维干硬性混凝土拉压性能试验研究

梁宁慧，毛金旺，刘新荣，许益华，周 侃

(1.重庆大学土木工程学院，重庆 400045；2.库区环境地质灾害防治国家地方联合工程研究中心，重庆 400045)

0 引 言

干硬性混凝土(roller compacted concrete， RCC)具有节省水泥、快硬早强、节约成本、缩短施工周期等特点而被广泛应用于大坝、路面、飞机场道面等无筋混凝土工程中[1-2]，但其存在易拉断、韧性低、受载易开裂等缺陷，影响其工作性能和使用年限，如何增强RCC基体的韧性，从而提升其抗拉性能是混凝土领域亟待解决的问题。

近年来，纤维增强混凝土技术得到了广泛应用，纤维与混凝土基体间的粘结作用可以增强混凝土的抗拉性能，限制基体中裂缝的萌生和拓展，从而增强混凝土的韧性[3-4]。该技术也逐渐应用于RCC中，一些研究人员[5-7]通过试验研究发现，在RCC中按合理掺量掺入钢纤维能显著增强RCC抗压强度和劈拉强度，且对劈拉强度的提升更为明显。还有一些研究人员[8-10]发现将合成粗纤维或钢纤维掺入混凝土中能明显提高其抗压强度、劈拉强度、断裂性能、残余强度等，钢纤维可以抑制微裂纹向中等裂纹和宏观裂纹的扩展。宋英杰等[11]和许飞等[12]发现将耐碱玻璃纤维、聚丙烯纤维掺入RCC中，也能增强其劈裂抗拉强度和变形能力。可见，国内外学者针对干硬性纤维混凝土(fiber reinforced roller compacted concrete， FRRCC)已经做了大量研究，取得了丰硕的研究成果，当前研究中使用的纤维多为钢纤维，但是钢纤维具有自重大、易腐蚀等缺点。研究发现，玄武岩纤维(basalt fiber， BF)耐腐蚀，耐高温，与钢纤维一样具有高弹性模量，并且长径比较大的BF对于混凝土早期微裂缝的萌生与扩展具有较好的抑制作用。对于宏观裂缝，长径比较小且单根承载力较高的粗聚丙烯纤维(coarse polypropylene fiber， CPF)具有更好的抑制作用。然而，目前针对玄武岩-粗聚丙烯纤维干硬性混凝土抗压强度和劈拉强度等力学性能的研究相对较少，还有待进一步探索。

对于混凝土抗压强度与劈裂抗拉强度两者之间的换算关系，张学元等[13]研究了普通混凝土拉压强度间的关系，发现使用幂函数来估计混凝土劈裂抗拉强度与抗压强度间的关系较为合适，且效果较好；陈萌等[14]则研究了预拌混凝土拉压强度间的关系，使用回归公式求得的数据与试验数据接近，可以为预拌混凝土早期裂缝控制提供帮助。得到混凝土的劈裂抗拉强度预测模型，一方面可以节省试件，减少试验周期，另一方面可以提供早期裂缝控制的依据，具有一定的工程实际意义。然而当前混凝土的劈裂抗拉强度预测模型没有考虑养护温度的影响，在温度较为极端的环境条件下适用性较差。

综上，本文将BF与CPF单掺或按一定比例混合掺入RCC中，通过不同养护龄期下各组RCC试件的抗压试验和劈裂抗拉试验，研究纤维的掺入对RCC的韧性及拉压性能的影响，分析纤维混杂增强效应，并基于成熟度理论优化玄武岩-粗聚丙烯纤维干硬性混凝土劈裂抗拉强度预测模型，为玄武岩-粗聚丙烯纤维干硬性混凝土在实际工程中的应用提供一定的理论支撑。

1 实 验

1.1 原材料与配合比

试验对象为强度等级C50的干硬性混凝土，试验采用的水泥为海螺牌P·O 52.5型普通硅酸盐水泥。细骨料采用天然河砂，细度模数2.89。粗骨料选用粒径分别为5～10 mm和10～20 mm的碎石，其表观密度分别为2 670 kg/m3和2 700 kg/m3，连续级配。减水剂选用聚羧酸高性能减水剂，减水率28%。试验选用北京同申复合材料有限公司制作的玄武岩纤维及宁波大成新材料有限公司制作的粗聚丙烯纤维，BF与CPF的性能参数见表1，外观形状如图1所示。

表1 玄武岩纤维与粗聚丙烯纤维物理力学指标Table 1 Physical and mechanical indexes of basalt fiber and coarse polypropylene fiber

参考有关文献及本课题组前期试验数据[15-17]，单独掺入BF的最优掺量为3 kg·m-3，单独掺入CPF的最优掺量为6 kg·m-3。为保证各组试件之间具有可比性，混凝土基体的配合比保持不变，仅改变纤维掺量且A0组为基准混凝土。各组混凝土试件的配合比如表2所示。

图1 BF与CPF外观形状Fig.1 Appearance of BF and CPF

表2 玄武岩-粗聚丙烯纤维干硬性混凝土配合比Table 2 Mix proportion of basalt-coarse polypropylene fiber roller compacted concrete

1.2 试件制作与试验方法

1.2.1 试件制作

根据《纤维混凝土试验方法标准》(CECS 13—2009)中相关规定，进行试件的拌制与制作，以保证纤维在混凝土基体中均匀分布，试件浇筑过程中，采用HCY-1型维勃稠度仪测量拌合物的维勃稠度，测量结果如表3所示。立方体抗压强度和劈裂抗拉强度试验均采用边长为100 mm的立方体试件，测试龄期包括3 d、7 d、14 d和28 d，每个龄期1组试件，共计64组试件。浇筑完成后自然养护24 h，然后将试件移入温度为(20±2) ℃，湿度大于95%的标准养护室中进行养护。

表3 各组RCC试件拌合物维勃稠度值Table 3 Vebe consistency consistency of RCC specimen mixtures in each group

1.2.2 立方体抗压与劈裂抗拉试验

玄武岩-粗聚丙烯纤维干硬性混凝土抗压试验和劈裂抗拉试验依照《普通混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)进行，加载设备采用YAW-1000型压力试验机，立方体抗压强度尺寸换算系数为0.95。

2 结果与讨论

2.1 抗压试验

2.1.1 破坏形态

同一养护龄期下，不同组试件的受压破坏形态存在一定差异，RCC试件立方体抗压破坏形态如图2所示。基准混凝土A0组试件在受载后，表面出现大量裂缝并相互连接贯通，使得试件迅速破坏，表现出脆性破坏特征，最终呈四角锥形的破坏状态，如图2(a)所示；单掺CPF的A1组试件受压破坏时可以听见裂缝断面处CPF被拔出或拉断而发出的清脆“噼啪”声，破坏后有部分混凝土碎片脱落，如图2(b)所示；单掺BF的A2组试件受压破坏后破坏形态与A0组类似，呈现脆性破坏特征，但其受压破坏后剩余体积大于A0组试件，如图2(c)所示；混掺BF与CPF的A3～A7组试件受压破坏后破坏形态均较为相似，且与A1组类似，试件表面会出现较宽的裂缝，但裂而未脱，以A4组为例，其破坏形态如图2(d)所示。随着养护龄期增长，A0与A2组试件受压破坏后剩余体积明显变大，A1、A4～A7组试件受压破坏后裂缝宽度明显减小，仍具有较好的完整性，如图2(e)～(h)所示。可以看出纤维(尤其是BF与CPF混合)掺入RCC中能显著增强混凝土基体的韧性，改善其脆性破坏特征。

图2 RCC试件立方体抗压破坏形态Fig.2 Cube compressive failure patterns of RCC specimens

2.1.2 抗压强度

图3 各龄期RCC试件的立方体抗压强度Fig.3 Cube compressive strength of RCC specimens at different curing ages

不同养护龄期下各组RCC试件的立方体抗压强度如图3所示。由试验结果可知，RCC试件早龄期抗压强度增长速度较快，养护3 d后，RCC试件抗压强度值均已经达到了养护28 d时抗压强度值的66.4%～71.6%，养护7 d后便已达到了养护28 d时抗压强度值的80.6%～84.2%，体现出了干硬性混凝土快硬早强的特点，并且表明纤维的掺入不会影响RCC早龄期强度的增长。养护龄期为3 d时，单掺CPF的A1组试件与单掺BF的A2组试件的抗压强度较A0组分别提升了3.9%和6.9%，养护28 d后，基准混凝土A0组的抗压强度为59.2 MPa，A1、A2组较A0组分别提升了3.8%和6.9%，可见掺入高弹性模量的BF对RCC抗压性能的改善更为明显。养护龄期为3 d时，混掺BF与CPF的A3～A7组试件抗压强度值为42.4～46.2 MPa，相比A0组提升了8.0%～17.6%，养护28 d后，抗压强度值较A0组提升了7.9%～14.0%，且BF和CPF混掺配比为1 ∶2的A4组RCC试件的抗压强度值最大，表明各养护龄期下，各组RCC试件的抗压强度值均大于基准混凝土A0组，且表现出玄武岩-粗聚丙烯纤维混掺>单掺玄武岩纤维、单掺粗聚丙烯纤维>基准混凝土的趋势。这是因为适量纤维均匀分布在混凝土基体中时，纤维会在混凝土基体中形成空间网状结构，不仅能够传递和消散应力，将混凝土基体连接成一个整体，而且纤维的桥接作用会抑制裂缝的扩展。其中，高弹性模量的BF限制微裂缝扩展的性能较好，从而有利于提升混凝土的抗压强度，而单根承载力较高的CPF对于宏观裂缝形成和扩展的抑制作用更为明显，能够显著改善混凝土的脆性破坏特征。二者按合理比例混掺后能够在不同层次上发挥各自的作用，相互协同、相互支撑，从而展示出良好的纤维混杂正效应，其中BF与CPF的混掺配比为1 ∶2 时表现出最佳的混杂正效应，显著提高了RCC的强度和变形能力。

2.2 劈裂抗拉试验

2.2.1 破坏形态

劈裂抗拉试验中，各组试件劈裂受拉破坏过程的持续时间随着养护龄期的增长而逐渐增加，但组内各试件的最终破坏形态差别不大。以养护龄期为3 d的试件为例，基准混凝土A0组、单掺CPF的A1组试件、单掺BF的A2组试件与混掺BF与CPF的A4组试件的劈裂受拉破坏形态如图4所示。A0组受载后试件中部先出现竖向微裂纹，随着荷载的增大，裂纹向试件两端延伸，发展成竖向裂缝，最终竖向裂缝贯穿试件整体，将其劈开为两半，如图4(a)所示，整个过程发生时间较短，表现出明显的脆性破坏特征。A1组劈裂受拉破坏过程中，裂缝贯穿试件后试件没有被马上劈开成两半，断面处可见CPF将混凝土基体拉结在一起，两断面间距约10 mm，如图4(b)所示，纤维的桥接作用使得试件破坏后依然保持一定的完整性，并持有一定的剩余承载力。A2组劈裂受拉过程中表现出较明显的脆性破坏特征，破坏后试件被劈开成两半，与A0组的破坏模式类似，如图4(c)所示，但试件劈拉破坏时间较A0组长，且张拉裂缝出现较A0组晚，裂缝扩展速度也较A0组慢。混掺BF与CPF的A3～A7组试件劈裂受拉破坏模式与A1组类似，如图4(d)所示，但裂缝宽度仅1 mm左右、且裂缝扩展速度明显小于A0、A1、A2组试件，显著改善了混凝土的脆性破坏特征，其中，BF和CPF混掺配比为1 ∶2的A4组试件中部竖向张拉裂缝宽度最小。

图4 RCC试件劈裂受拉破坏形态Fig.4 Splitting tensile failure patterns of RCC specimens

2.2.2 劈拉强度

不同养护龄期下各组RCC试件的劈裂抗拉强度如图5所示。由试验结果可知，养护龄期为3 d时，各纤维混凝土组试件的劈拉强度均高于基准混凝土。A2组试件养护3 d后的劈拉强度值为3.4 MPa，比A0组和A1组分别高25.1%和5.0%，养护龄期为7 d时，A1组的劈拉强度值为3.6 MPa，较A0组和A2组分别高19.0%和3.5%，养护14 d与28 d后，A1组的劈拉强度值也均高于A2组，表明BF对RCC养护初期混凝土基体抗拉性能的改善作用优于CPF，但随着养护龄期的增长，CPF的改善效果逐渐体现，且在养护龄期达到7 d后，CPF对RCC抗拉性能的增强程度高于BF。由混掺BF与CPF的A3～A7组试件的试验结果可知，纤维混掺比例对RCC基体抗拉性能的影响较为显著，养护28 d后，BF和CPF混掺配比为1 ∶2的A4组试件的劈拉强度值达到4.0 MPa，为各组最高，较A0组提升了24.1%，表现出了最优的纤维混杂正效应。在RCC试件劈拉破坏过程中，初期荷载较小时，主要由长径比较大、弹性模量较高的BF承担微裂缝中传递的拉应力，阻碍微裂缝的萌生与扩展，荷载作用下裂缝继续张开，垂直分布在裂缝断面处的BF逐渐被拉断或拔出，RCC表现出一定的延性，随着荷载继续增大，逐渐生成宏观裂缝，此时CPF开始发挥作用，CPF的桥接作用显著抑制宏观裂缝的扩展，使得RCC具有更好的抗拉性能。

2.3 拉压比

混凝土的拉压比为劈裂抗拉强度与立方体抗压强度之比，是衡量混凝土脆性的主要指标[18]，混凝土拉压比越小，脆性越大，韧性越小。图6为不同养护龄期下各组RCC的拉压比较基准混凝土A0组拉压比的增长率。由图可知，除混掺BF与CPF的A5～A7组试件拉压比的增长比例较A0组不明显，甚至出现负增长，其余各纤维配比下RCC的拉压比增长较明显。单掺BF的A2组试件养护龄期为3 d时，拉压比的增长率最高，达到17.0%，单掺CPF的A1组试件养护7 d后，其拉压比的增长率均为同养护龄期下各组最高。一定程度上，这也从拉压比的角度说明BF对RCC养护初期抗拉性能的增强作用更为显著，而随着养护龄期的增长，CPF对RCC抗拉性能的增强作用更明显，与劈裂抗拉试验的结果相一致。除养护龄期为3 d时，混掺BF与CPF的A3、A4组试件拉压比的增长率均达到10%左右，能够有效改善RCC的脆性破坏特征。总的来说，BF与CPF单掺或按合理比例混合掺入RCC中，不仅能提高RCC基体的抗压与劈拉性能，还能显著改善RCC脆性大、韧性小的缺点。

图5 各龄期RCC试件的劈裂抗拉强度Fig.5 Splitting tensile strength of RCC specimens at different curing ages

图6 不同养护龄期下RCC试件拉压比的增长率Fig.6 Growth ratio of tension-compression ratio of RCC specimens at different curing ages

2.4 混杂增强效应系数

纤维混杂增强效应系数是衡量不同几何特征或不同种类的纤维按不同比例混合掺入混凝土后对混凝土基体力学性能增强效果的指标[19]。由玄武岩-粗聚丙烯纤维干硬性混凝土抗压与劈拉试验结果及拉压比的增长率可知，将BF与CPF按不同比例混合掺入混凝土中，会产生不同的纤维混杂效应，若产生“1+1>2”的混杂效果，称为正混杂效应，反之，则称为负混杂效应。为定量分析纤维的混杂作用效果，将纤维的混杂增强效应系数定义如下[19]：

(1)

式中：H为混杂效应增强系数；B为混杂纤维混凝土的性能指标；Bi为单掺i纤维(最优掺量)时混凝土的性能指标；mi为混凝土中掺入i纤维的质量,kg/m3；m为混凝土中掺入混杂纤维的总质量,kg/m3；Pi为mi与m的比值，表示每方混凝土中i纤维的质量占混杂纤维总质量的比例。

除28 d强度外，干硬性混凝土的早期强度也是重要指标，根据混杂纤维混凝土A3～A7组的纤维配比及抗压与劈拉试验结果，代入式(1)中计算得到BF与CPF不同混掺比例下RCC标养7 d及28 d后抗压强度与劈拉强度的混杂增强效应系数，计算结果如图7所示。

图7 玄武岩-粗聚丙烯纤维混杂增强效应系数Fig.7 Hybrid reinforcing effect coefficient of basalt-coarse polypropylene fiber

由图7可知，BF与CPF在不同混掺比例下，其混杂增强效应系数存在较大差异。标养7 d及28 d后，A3～A7组抗压性能的纤维混杂增强效应系数均为正数，表现出正混杂效应，而A5～A7组试件劈裂受拉性能的纤维混杂增强效应系数为负数，表现出负混杂效应。BF与CPF混掺配比为1 ∶2的A4组试件标养7 d、28 d后，其抗压与劈裂受拉性能的混杂增强效应系数均最大，表现出最优的正混杂效应，表明BF与CPF在该混掺配比下，对RCC早期及后期抗压性能与劈裂受拉性能的增强作用最为显著。

3 玄武岩-粗聚丙烯纤维干硬性混凝土劈裂抗拉强度预测模型

RCC强度的增长对于养护温度和养护龄期具有很强的敏感性，尤其是抗压强度，其早期强度增长很快，较低的养护温度和较短的养护龄期的变化对RCC抗压强度的影响较为明显，而劈拉强度的增长主要是纤维的粘结作用[3]。为准确把握养护温度及养护龄期对RCC抗压强度的影响，使得最终得到的玄武岩-粗聚丙烯纤维干硬性混凝土劈裂抗拉强度预测模型更为准确可靠，并具有较广的适用范围，现基于Freiesleben Hansen和Pedersen[20]根据Arrhenius 函数提出的F-P等效龄期成熟度函数，如式(2)所示，将养护温度及养护龄期进行归一化处理，计算不同养护条件下混凝土的等效龄期。

(2)

式中：Tr为参考温度，℃，欧洲标准中取20 ℃，北美标准中取23 ℃，本文取20 ℃；te为参考温度下的等效龄期，h；t为龄期，h；Δt为时间间隔，h；T为时间间隔Δt内的平均温度，℃；E为活化能，J/mol，当T≥20 ℃时取33.5 kJ/mol，当T≤20 ℃时为[33.5+1.47(20-T)] kJ/mol；R为气体常数，取为8.314 J/mol。

试件浇筑时处于重庆市11月份，自然养护前12 h内平均温度为12 ℃，后12 h平均温度为17 ℃，根据式(2)计算等效龄期te，结果如表4所示。

表4 各组RCC试件等效龄期计算结果Table 4 Calculating results of equivalent curing age for each group of RCC specimens

由抗压与劈裂抗拉试验结果可知，RCC标准养护14 d后，其抗压强度与标养28 d后相差较小，表明RCC浇筑完成后前14 d内强度增长较快，之后便基本不再增长，可近似认为标准养护14 d后RCC的强度便不再随养护龄期的增长而增加。本文将RCC养护3 d、7 d、14 d后的抗压强度值及等效龄期带入式(3)拟合得到RCC抗压强度-成熟度关系式。

S=alnM+b

(3)

式中：M为成熟度，h或℃·h；S为成熟度M时的混凝土抗压强度，MPa；a、b为常数。将等效龄期te作为影响混凝土抗压强度S的自变量，即：

M=te

(4)

养护龄期修正后，各组RCC试件等效龄期-抗压强度关系拟合结果如表5所示：

表5 RCC等效龄期-抗压强度关系拟合结果Table 5 Fitting results of curing age-compressive strength of RCC

图8 A4组试件抗压强度与劈裂受拉强度的关系Fig.8 Relationship between compressive strength and splitting tensile strength of A4

可见，各组RCC试件等效龄期与抗压强度具有较好的对数函数关系，拟合系数均在0.9以上，拟合效果较好。现使用该关系式计算RCC等效龄期为3 d、7 d及14 d时的抗压强度，并基于幂函数拟合玄武岩-粗聚丙烯纤维干硬性混凝土抗压强度与劈拉强度的关系，得到玄武岩-粗聚丙烯纤维干硬性混凝土的劈裂抗拉强度预测模型，以纤维增强增韧效果最为显著的A4组试件为例，拟合结果如图8所示。

由拟合结果可知，混掺玄武岩-粗聚丙烯纤维干硬性混凝土A4组试件的抗压强度与劈裂抗拉强度具有较好的相关性，并且使用等效龄期-抗压强度关系式计算得到RCC的抗压强度后，其与劈裂抗拉强度具有更好的拟合关系，相关系数提升了0.017，修正效果较为有限，这与本次试验过程中的养护条件有关。而在实际工程中，RCC浇筑完成后无法进行室内标准养护，需在自然环境下养护成型，极端环境温度时常存在，不难预见，若不根据养护温度对养护龄期加以修正，可能会存在错误判断RCC性能的状况，严重时会带来施工安全问题。该预测模型将不同养护温度下混凝土的养护龄期统一换算为标准养护条件下的等效龄期，考虑了养护温度对RCC早期抗压强度的影响，能够更为准确地根据修正后的抗压强度计算得到RCC的劈裂抗拉强度。

4 结 论

(1)由RCC抗压和劈裂抗拉试验结果可知，各组试件养护龄期为3 d时抗压强度值便达到了28 d时的66.4%～71.6%。将BF和CPF单掺或按一定比例混合掺入混凝土中，一定程度上增强了RCC抗压、劈裂抗拉性能，而且纤维的桥接作用显著改善了RCC的脆性破坏特征，其中BF与CPF混掺配比为1 ∶2时最为显著。

(2)BF能够较好地抑制RCC初期微裂缝的萌生与扩展，CPF对于宏观裂缝的抑制作用更为明显，BF与CPF混掺配比为1 ∶2的A4组试件抗压与劈裂受拉性能的混杂增强效应系数均为同龄期下最大，表现出最优的纤维混杂正效应。

(3)基于成熟度理论修正养护温度对养护龄期的影响后，用等效龄期-抗压强度关系式计算得到的RCC的抗压强度与其劈拉强度具有更好的拟合关系，该劈裂抗拉强度预测模型将不同养护温度下RCC的养护龄期统一为等效龄期，便于更准确地掌握混凝土材料的性能，具有一定的工程实际意义。