纤维自密实混凝土的压拉性能及混杂效应

马芹永，张鸿朋，李龙钰，张 发

(安徽理工大学a.矿山地下工程教育部工程研究中心；b.土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

自密实混凝土(self-compacting concrete，SCC)是充分利用自身重力无需振捣即可实现填充的混凝土，因其具有质地密实、生产效率高等特点而被广泛用于工程建设[1-2]。在SCC 配制过程中，掺加适量的纤维可提高混凝土结构的承载力，增强其与水泥基材料的黏结力，从而提高其结构强度[3-4]。但纤维的掺入会降低SCC 的流动性，导致其工作性能下降。为获得性能优异的纤维SCC，需探讨合适的纤维种类与掺量[5]。李林香等[6]试验研究发现，单掺1.5，3.0 kg/m³的玄武岩纤维(basalt fiber，BF)及1.0 kg/m³的聚丙烯腈纤维(polyacrylonitrile fiber，PAN)对混凝土抗压强度的影响不明显；贺晶晶等[7]研究表明，混掺BF和PAN 时，混凝土抗压强度与劈裂抗拉强度的增强系数无明显的正相关性，但劈裂抗拉强度的增强优于抗压强度；Zhou 等[8]研究发现，BF 的掺入可显著提高混凝土的抗裂性能，且混凝土抗压强度的增强效果低于抗拉强度；Lin 等[9]研究表明，掺入体积分数为0.1%的耐碱BF，混凝土的抗压强度和抗拉强度分别提高了2.5%和12.1%，且BF 的掺入可改善混凝土的内部孔隙状况，增强其与混凝土基体之间的黏结力。

综上可看出，目前研究较多集中于单掺纤维对SCC性能的影响，较少关注混掺纤维对SCC性能的影响。鉴于此，通过单掺和混掺的方式制备纤维SCC试件，研究混掺纤维对SCC压拉性能的影响，并对其进行微观形貌和混杂效应进行分析，以期为实际工程应用提供有效依据。

1 试验

1.1 试验材料

普通硅酸盐水泥(P·O42.5)，淮南市八公山水泥厂；粉煤灰，Ⅱ级，烧失量4.5%，具体化学成分见表1；细骨料，淮河中砂，细度模数2.7；粗骨料，碎石，粒径不超过20 mm；试验用水为淮南市普通自来水；聚羧酸高效粉状减水剂，上海锴源华工科技有限公司；玄武岩纤维(BF)，上海臣启化工有限公司，长18 mm、直径17.4 μm；聚丙烯腈纤维(PAN)，莱芜兴泰工程材料有限公司，长12 mm、直径10～15 μm。

表1 粉煤灰化学成分Tab.1 Chemical composition of fly ash

1.2 试件配合比

以本课题组[11]制备的SCC 为基准配比试件，其原料配合比见表2，各项工作性能指标均符合JGJT 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》[10]，具体如表3。在此基础上单掺、混掺不同含量的BF 和PAN 两种纤维，其组合配合比如表4。

表2 SCC基准配合比Tab.2 Base mix radio of SCC

表4 纤维组合方式Tab.4 Fiber combination

1.3 试件制备

充分润湿混凝土搅拌机(HJW-60型)，按表2所示配合比先将中砂和碎石加入搅拌机中搅拌60 s，再加入纤维、水泥以及粉煤灰干搅90 s；然后倒入配比要求的50%的水和减水剂湿搅60 s，再将剩余的水和减水剂倒入搅拌60 s。搅拌完成，将新拌混凝土倒入100 mm×100 mm×100 mm 的三联模具，再将其移入标准养护室养护1 d后脱模，将脱模试件放置室温为(20±2)℃的环境养护28 d，得到纤维自密实混凝土试件。

1.4 性能测试

1.4.1 力学性能

按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》[12]，对标准养护28 d 的纤维自密实混凝土试件开展强度试验，采用混凝土压力试验机(WAW-1000，上海三思纵横机械制造有限公司)测试试件的抗压和劈裂抗拉强度。

1.4.2 微观形貌

压拉强度试验结束，在混凝土碎块中选取尺寸为8 mm×8 mm×4 mm的水泥-骨料界面以及纤维-基质界面试样。将试样放入酒精中浸泡24 h，而后放入烘箱中烘干后密封保存。将试样用导电胶黏在试件盘上对其表面进行喷金，采用扫描电镜(Flex1000型)观测喷金后试样的微观形貌。

2 结果与讨论

2.1 压拉性能

2.1.1 抗压强度

单掺纤维对SCC抗压强度的影响如图1。

图1 单掺纤维掺量与SCC抗压强度的关系Fig.1 Relationship between the single fiber content and the compressive strength of SCC

从图1 可看出：PAN 掺量(体积分数，下同)在0～0.12%范围，纤维SCC 的抗压强度均随PAN 掺量的增加而增大，PAN 掺量为0.12%时，抗压强度最大，为44.33 MPa，增幅10.22%；BF 掺量(体积分数，下同)在0～0.20%范围，纤维SCC 的抗压强度随BF 掺量的增加呈先增后减的趋势，BF 掺量为0.10%时，抗压强度最大，为42.12 MPa，增幅4.72%。这是因为BF 是一种耐碱硅酸盐材料，少量掺入可均匀分散在SCC 中，过量掺入在混凝土基质中会出现结团现象。

混掺纤维对SCC 抗压强度的影响如图2。从图2 可看出：BF 掺量为0.05%时，PAN 掺量在0～0.12%范围，随PAN 掺量的增大SCC 抗压强度呈先减后增的趋势，PAN 掺量为0.12%时，抗压强度最大，为42.35 MPa，增幅为5.30%；BF 掺量分别为0.10%，0.20%时，SCC 抗压强度均随PAN 的增加呈先增后减的趋势，在PAN 掺量为0.09%时，抗压强度最大，分别为42.94，41.88 MPa，增幅分别为6.76%，4.13%。

图2 混掺纤维掺量与SCC抗压强度的关系Fig.2 Relationship between the content of mixed fiber and the compressive strength of SCC

对比图1，2可知，单掺纤维对SCC抗压强度的提升效果较混掺纤维显著。这是由于随纤维掺量的增加，纤维在混凝土中无法均匀分散，纤维表面与混凝土之间相互吸附，导致SCC 内部出现受压薄弱面，抗压强度下降，两种纤维混掺呈“负混杂效应”。对于抗压强度，混杂纤维最优掺量组为BF 掺量0.10%、PAN 掺量0.09%，此时试件抗压强度为42.94 MPa。

2.1.2 劈裂抗拉强度

单掺纤维对SCC 劈裂抗拉强度的影响如图3。从图3可看出：PAN，BF掺量分别在0～0.12%，0～0.20%范围时，SCC 劈裂抗拉强度随单掺纤维掺量的增加而增大；PAN 掺量为0.12%时，抗拉强度最大，为5.06 MPa，增幅29.41%；BF 掺量为0.20%时，抗压强度最大，为4.48 MPa，增幅14.58%。由此可见，BF 和PAN 均可较好地提升混凝土的劈裂抗拉强度。

图3 单掺纤维掺量与SCC劈裂抗拉强度的关系Fig.3 Relationship between the single fiber content and the splitting tensile strengthof SCC

混掺纤维对SCC 劈裂抗拉强度的影响如图4。从图4 可看出：当BF 掺量分别为0.05%，0.10%，0.20%时，PAN 掺量在0～0.12%范围，SCC 劈裂抗拉强度均随PAN 掺量的增大呈持续增大趋势；PAN 掺量为0.12%时，劈裂抗拉强度最大，相应为6.19，6.86，6.72 MPa，增 幅 分 别 为58.31%，75.45%，71.87%。

图4 混掺纤维掺量与SCC劈裂抗拉强度的关系Fig.4 Relationship between the content of mixed fiber and the splitting tensile strength of SCC

对比图3，4 可知，混掺纤维对SCC 劈裂抗拉强度的提升效果优于单掺纤维，且随纤维掺量的增加其劈裂抗拉强度线性增大。这是由于两种纤维在SCC 基体的水泥砂浆中形成纵横交错的纤维网，与水泥砂浆之间产生较大的黏结力，对裂缝的产生和发展起到抑制作用，两种纤维混掺呈“正混杂效应”。对于劈裂抗拉强度，混杂纤维最优掺量组为BF 掺量0.10%，PAN掺量0.12%。

2.1.3 纤维SCC微观结构及机理分析

SCC在骨料-基质界面和纤维SCC(BF10PAN12)在纤维-基质界面的微观形貌如图5。

图5 SCC微观形貌Fig.5 Micro morphology of SCC

从图5 可看出：SCC 内部的水泥与骨料之间存在明显裂缝，结构较疏松，微裂缝的存在会使混凝土受力时形成宏观裂缝，从而导致破坏；BF 和PAN 横跨水泥基质的内部裂缝，阻止了裂缝的发展，这是由于两种纤维与SCC的“桥接效应”，在混凝土内部形成网状结构，致使混凝土试件的劈裂抗拉强度得到明显提升。

2.2 混杂效应

选取混杂系数表征纤维混凝土的混杂效应，纤维混凝土强度的混杂系数[13-16]计算公式为

式中：f为纤维SCC的强度；fm为SCC的强度；αA-B为混掺PAN与BF的纤维SCC混杂系数，αA-B≥1时为正混杂效应，αA-B＜1 时为负混杂效应；βA-B为混掺PAN 与BF 的纤维SCC 强度相较于SCC 的增强系数；βA为单掺PAN的纤维SCC强度相较于SCC的增强系数；βB为单掺BF的纤维SCC强度相较于SCC的增强系数。

由式(1)计算表4 所示纤维SCC 试件的混杂系数，结果如表5。从表5 可看出：受压时，所有混掺PAN-BF 的纤维SCC 试件的αA-B＜1，PAN 混杂纤维SCC 呈负混杂效应；受拉时除BF05PAN06 试件的αA-B为0.890 外，其他试件的αA-B＞1，其他组合的SCC 呈正混杂效应；混掺BF 掺量为0.20%，PAN 掺量为0.06%时，即BF20PAN06 试件抗压强度的混杂系数最大，为0.962，此时试件的抗压强度增幅最大(6.76%)，这与试件抗压强度的实验结果一致；混掺BF 掺 量 为0.20%，PAN 掺 量 为0.09% 时，即BF20PAN09试件劈裂抗拉强度的混杂系数最大，为1.444，此时试件的劈裂抗拉强度增幅最大(75.45%)，这与试件劈裂抗拉强度实验结果一致。由此可见：混掺PAN 与BF对SCC劈裂抗拉强度的提升效果明显；抗压强度与劈裂抗拉强度之间的混杂效应不具明显的正相关性。

表5 纤维SCC混杂系数Tab.5 Hybridity coefficient of fiber SCC

3 结 论

1) 混掺PAN 与BF 较单掺对SCC 抗压强度的提升效果差，但较SCC 均有提升；单掺PAN 较单掺BF 对SCC 抗压强度的提升效果显著，单掺PAN，BF 的掺量分别为0.12%，0.10%时，SCC 试件抗压强度均达到峰值，分别为44.33，42.12 MPa，较SCC 分别分别提升10.22%，4.72%；混掺BF 掺量为0.10%，PAN 掺量为0.09%时，SCC抗压强度达到峰值(42.94 MPa)，较SCC提升6.76%。

2)混掺PAN 与BF较单掺对SCC 劈裂抗拉强度的提升效果好，混掺BF掺量为0.10%，PAN 掺量为0.12%时，SCC抗拉强度达到峰值(6.86 MPa)，较SCC提升75.45%。

3)SCC 内部的骨料-基质结构较疏松，混掺PAN 与BF 后，其和SCC 之间的“桥接效应”有利于提升SCC的劈裂抗拉强度。

4) 混掺PAN 与BF 时，对于SCC 抗压强度呈负混杂效应，对于劈裂抗拉强度呈正混杂效应，混掺纤维SCC抗压强度和劈裂抗拉强度的混杂系数不具明显的正相关性。