玄武岩-聚丙烯纤维增强混凝土力学性能、渗透性能和孔结构研究

2023-03-21黄大观牛荻涛2刘云贺丽3

长江科学院院报 2023年2期

黄大观，牛荻涛2，刘云贺，苏丽3，夏倩

(1.西安理工大学土木建筑工程学院，西安 710048； 2.西安建筑科技大学土木工程学院，西安 710055；3.兰州理工大学土木工程学院，兰州 730050)

1 研究背景

混凝土因制备简单、造价低廉、功能多样以及与钢材结合可制成各种承重结构构件等优点，广泛应用于土木建筑工程领域[1]。近年来，人们把混凝土的性能提升作为研究的主要目标[2]，把纤维增强材料放入混凝土中，使纤维混凝土的力学性能和耐久性能相比于普通混凝土得到不同程度的提高[3-5]。纤维可以单一或者混合掺入到混凝土中，如果采用单一纤维，作用提升效果十分有限，而混杂纤维的掺入可以发挥不同纤维的各自优势，效果提升明显[6-9]。

目前学者对混杂纤维混凝土已经进行了不少的研究。杨成蛟等[9]研究了掺有钢纤维和改性聚丙烯纤维混凝土的力学性能和抗渗性能，结果表明混杂纤维可以有效增强混凝土的抗压强度和劈拉强度，当钢纤维和改性聚丙烯纤维的掺量分别为0.7%和0.3%时，抗折强度最大，但是混杂纤维降低了混凝土的渗透性能。丁一宁等[10]通过渗透试验，研究了钢纤维、聚丙烯粗纤维和聚丙烯细纤维对开裂后混凝土的渗透系数的影响，结果表明，钢纤维和聚丙烯粗纤维具有较好的正混杂效应。高丹盈等[11]进行了聚丙烯-钢纤维增强高性能混凝土的高温试验，研究表明混杂纤维提高了混凝土高温后强度，有效抑制混凝土的高温爆裂。Lawer等[12]对钢纤维-PVA混杂纤维混凝土的弯曲韧性、抗渗试验进行了分析，研究发现，混杂纤维混凝土在小挠度范围内的韧性优于单掺钢纤维。Machine等[13]研究了混杂两种不同类型的聚丙烯纤维混凝土的力学性能，结果表明，短纤维分散性好，可以抑制早期裂纹，单丝纤维具有很高的弹性模量，二者工作性能互补，有效提高混凝土的抗压强度和劈拉强度。Eethar等[14]研究表明钢纤维、棕榈纤维和合成纤维的掺量分别为1.5%、0.25%、0.25%时，混凝土的抗弯强度和弯曲韧性改善效果最好。

玄武岩纤维是一种新型绿色环保纤维，具有优良的化学稳定性，抗拉强度高、弹性模量大、耐磨性好[15]，在混凝土基体中复掺玄武岩纤维和聚丙烯纤维可以形成优势互补，提升混凝土的性能，而且玄武岩纤维可以代替钢纤维，改善钢-聚丙烯混凝纤维混凝土中钢纤维易腐蚀的缺陷。目前关于玄武岩-聚丙烯混杂纤维混凝土的研究还不充分，玄武岩纤维和聚丙烯纤维掺量与混凝土不同性能指标之间的定量关系尚不清楚。因此本文旨在量化讨论玄武岩-聚丙烯混杂纤维对混凝土的力学性能、抗氯离子渗透性能和孔结构的影响。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

制备玄武岩-聚丙烯纤维增强混凝土使用的材料包括P.O42.5R普通硅酸盐水泥(OPC)、硅灰(SF)、粉煤灰(FA)和矿渣(BFS)，水泥主要技术指标见表1，试验材料化学组成见表2。减水剂(PBS)：江苏苏博特新材料股份有限公司生产的聚羧酸高性能减水剂，减水率为30%；玄武岩纤维(BF)：四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司，长度18 mm；聚丙烯纤维(PF)，江苏苏博特新材料股份有限公司，长度19 mm，纤维的物理力学性能见表3；粗骨料(CA)：5～20 mm泾阳山碎石；细集料(S)：灞河中砂，连续级配，细度模数为2.8；拌合水(W)为西安本地自来水。

表1 水泥的主要技术指标Table 1 Technical indexes of cement

表2 胶凝材料的化学成分分析Table 2 Chemical composition of cementitious materials

表3 纤维的物理力学性能Table 3 Physical and mechanical properties of fiber

2.2 混凝土配合比

试验混凝土的配合比如表4所示，本研究主要考虑混凝土中纤维体积掺量的变化，水胶比均为0.44。BF和PF分别表示玄武岩纤维和聚丙烯纤维，0、5、10、15分别代表纤维的体积掺量为0、0.05%、0.10%和0.15%。玄武岩-聚丙烯纤维增强混凝土的搅拌流程如图1所示。

2.3 试验方法

混凝土试件在温度为(20±2)℃、相对湿度为95%以上的标准养护室中养护至试验龄期。混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB 50081—2002)[16]规定的方法进行。立方体混凝土试件边长为100 mm，标准养护至28 d龄期时进行测试。

渗透性能采用电通量法测试，按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)[17]规定的方法进行。混凝土试件采用直径(100±1)mm，高度为(50±2)mm的圆柱体试件，标准养护至28 d龄期时进行测试，试验在(20～25)℃的室内进行，电通量测试示意图如图2所示。

孔结构采用RapidAir 457孔结构分析仪进行测试，试件制作过程参照《RapidAir 457用户手册》。混凝土试件为边长100 mm立方体，养护龄期为28 d。试验前首先将试件切割成10～20 mm厚的薄片，表面无明显锯痕，然后将观测面分别用600#、800#和1200#的碳化硅研磨液各研磨15 min，抛光后表面平整光滑。把研磨好的观测面涂黑，然后把锌糊和试件预热至80 ℃，锌糊具有足够流动性后均匀涂抹在试件表面，待锌糊略显凝固，将试件表面多余锌糊刮去，一个标准试样就制作完成，孔结构测试仪器如图3。

表4 混凝土配合比Table 4 Mix proportion of concrete

图1 混凝土搅拌示意图Fig.1 Flowchart of concrete mixing

图2 电通量测试示意图Fig.2 Schematic diagram of electric flux test

图3 孔结构测试仪器Fig.3 Test instrument for pore structure

3 结果与讨论

3.1 力学性能

混杂纤维混凝土抗压强度和劈拉强度如图4所示。

图4 混凝土抗压强度与劈拉强度Fig.4 Compressive strength and splitting tensilestrength of concrete

从图4(a)可以看出，BF5PF5组混凝土抗压强度最大，相比于基准混凝土BF0PF0提高了9.2%，当玄武岩纤维掺量固定，随着聚丙烯纤维掺量增加，混凝土抗压强度逐渐减小，BF5PF15组混凝土抗压强度相比于基准混凝土下降了15.7%；当聚丙烯纤维掺量固定，随着玄武岩纤维掺量增加，混凝土抗压强度变化不大，但是混杂纤维均提高了抗压强度。产生这种现象的原因是混凝土是一种非均质材料，内部有尺寸不同的微裂缝、孔隙和缺陷，纤维加入混凝土中，可以协同基体一起受力，当应力自基体传递给纤维时，纤维因变形而消耗能量，使抗压强度提高。此外，聚丙烯纤维具有不亲水性，而玄武岩纤维有亲水性，因此，玄武岩纤维与混凝土基体的粘结性能好，二者之间握裹力较大，对混凝土抗压强度增强的效果优于聚丙烯纤维。纤维掺量过高会导致纤维在基体中的平均间距减小，当减小到一定程度时，纤维出现搭接的现象，使得纤维与混凝土的粘结效果变差；另外，纤维掺量过高在混凝土内分散不均匀会产生很多薄弱界面，导致混凝土抗压强度降低。

从图4(b)可看出，混凝土中加入纤维均提高了其劈拉强度，BF10PF5组混凝土劈拉强度最大，为3.62 MPa，与基准混凝土相比提高了25.2%，提升幅度很大。当混杂纤维总体积掺量相同时，BF10PF5组混凝土的劈拉强度大于BF5PF10，BF15PF5组混凝土的劈拉强度大于BF5PF15，说明玄武岩纤维对混凝土的劈拉强度提高效应大于聚丙烯纤维。这是由于玄武岩纤维与聚丙烯纤维混杂在混凝土基体中，或均匀分散或相互缠绕，形成三维的乱向支撑网[18]。当承受拉力时，跨越裂缝的纤维将荷载传递给裂缝的上下表面，使裂缝处仍能继续承受荷载，而且纤维也能分担一部分截面上的拉力，降低混凝土内部微裂纹处的应力集中系数，从而提高了混凝土的极限拉伸应变，起到阻止裂缝产生和发展的作用。另外，玄武岩纤维的弹性模量和抗拉强度远大于聚丙烯纤维，当微裂缝进一步扩大时，聚丙烯纤维被拉断或拔出，此时拉应力主要由玄武岩纤维承担，因此在裂缝发展的中后期，玄武岩纤维起主要增强作用。

3.2 渗透性能

混杂纤维混凝土的电通量试验结果如图5所示。

图5 混凝土电通量Fig.5 Electric flux of concrete

根据图5的结果进一步计算可知：

混杂纤维对混凝土的抗渗性能改善效果并不明显，除BF5PF5组混凝土的抗渗性提高了15.77%，其余各组混杂纤维混凝土的抗渗性均降低，尤其BF5PF15组混凝土抗渗性降低了64.37%。这说明纤维总体积掺量为0.1%时混凝土抗渗性能提高效果明显，纤维总体积掺量>0.1%时，抗渗性能降低。

此外，当纤维总体积掺量相同时，BF10PF5的电通量小于BF5PF10，BF15PF5的电通量小于BF5PF15，说明在纤维体积掺量过剩时，聚丙烯纤维对抗渗性能的削弱作用大于玄武岩纤维。这是由于适量的纤维加入混凝土中，纤维在混凝土内均匀分散且与混凝土的粘结性良好，在混凝土振动密实的过程中增加混凝土内部的束缚力，从而减少混凝土在成型过程中缝隙的产生；而且，纤维还可抑制其早期干缩裂纹以及连通裂缝的产生；分布在混凝土中的纤维彼此相连降低了混凝土表面析水，使混凝土孔隙率降低，从而在一定程度上提高了抗渗能力。

当纤维掺量过剩时，纤维的总表面积增大，需要更多的水泥砂浆来包裹、粘结纤维，这就会影响砂浆和骨料的粘结效果，粘结不良的地方会形成新的物质渗透通道，从而降低混凝土的抗渗性能。而且，在混杂纤维总体积掺量相同时，聚丙烯纤维占比越大，纤维的总表面积越大，不仅需要更多的水泥砂浆来包裹、粘结纤维，而且还会增加混凝土内界面，这样对混凝土抗渗性能影响也就越大。

3.3 孔结构

通过RapidAir 457孔结构分析仪对混凝土孔隙结构进行分析，孔隙结构和分析结果分别如图6、图7所示。

图6 混凝土表面孔结构Fig.6 Pore structure of concrete surface

图7 混凝土孔结构分析结果Fig.7 Analysis results of pore structure of concrete

从图6看到基准混凝土中零星分布着一些较大的孔隙，加入纤维后，这些孔隙的大小和数量都在增加，这是由于掺入纤维后在振动成型过程中空气不易溢出而残留在混凝土内。

从图7(a)可以看出，整体趋势上中孔隙[19](孔径0.05～0.1 mm)占比变化不大，当聚丙烯纤维掺量逐渐增大时，混凝土的小孔隙(孔径0～0.05 mm)占比先减小后增加，而大孔隙和超大孔隙占比先增大后减小，而且以BF5PF10组混凝土的小孔隙占比最小，大孔隙(孔径0.1～0.5 mm)和超大孔隙(孔径>0.5 mm)占比较大。从图7 (b)还可以看出，在纤维总体积掺量相同的情况下，聚丙烯纤维占比越多，孔隙间距系数越大。基准混凝土相比于BF5PF5组混凝土，小孔隙占比多，大孔隙和超大孔隙占比少，且孔隙间距系数基准混凝土比BF5PF5组混凝土低70.73%，所以基准混凝土的小孔隙更容易通过微裂缝形成连通孔，这样就对抗渗性造成不利影响，而孔隙间距系数较大，小孔隙较少的混凝土形成连通孔的概率相对较低。但是，当大孔隙和超大孔隙占比达到临界值后，即使孔隙间距系数较大，一旦通过微裂缝形成连通孔，混凝土的抗渗性能会大幅降低。

混凝土的孔结构是混凝土微观结构的重要组成，根据孔结构的实测值，基于光学法分形模型，可以计算出混凝土的分形维数，分形维数可以反映混凝土孔结构的复杂程度。张金喜等[20]在计算过程中使用盒维数定义，引入“换算气孔数”的概念，准确计算出混凝土的分形维数，可靠性高。根据张金喜的分形模型计算了BF5PF5组混凝土分形维数，结果如图8所示。图8中Nc为孔数、d为孔径。从图8可知，计算的决定系数R2为0.978，表明计算精度较高。

图8 换算孔数与孔径的双对数散点图及拟合线Fig.8 Double logarithmic scatter plot and fitted curveof conversion number versus pore diameter

图9 混凝土的分形维数Fig.9 Fractal dimension ofconcrete

因此，根据张金喜的分形模型计算出各组混凝土的分形维数如图9所示。从图9中可以看出，当玄武岩纤维和聚丙烯纤维加入混凝土后，可以改变混凝土的孔结构，从而影响混凝土孔结构的分形维数。当玄武岩纤维掺量不变时，分形维数随着聚丙烯纤维掺量的增加逐渐减小，BF5PF5组混凝土的分形维数最大，比基准混凝土大7.73%。当聚丙烯纤维掺量不变时，随着玄武岩纤维掺量增加，分形维数变化的幅度很小。

图10 分形维数与混凝土性能参数的相关性分析Fig.10 Correlation analysis between fractal dimensionand concrete’s performance parameters

混凝土的强度是混凝土重要的宏观性能指标之一，通常与混凝土的孔结构特征密切相关。分形维数通常可以表征混凝土的微观孔结构特征，因此二者之间应该有密切的关系[21]。图10(a)和图10(b)分别为抗压强度和劈拉强度与分形维数的相关性分析。从图10(a)可以看出，混凝土抗压强度与孔结构分形维数之间存在很好的相关性，即随着分形维数增加，混凝土抗压强度提高。分形维数越大，表明混凝土孔结构的复杂程度增加，孔结构占有空间的能力较强，因此在受力过程中，内部应力得到均匀分布，避免了应力集中，提高了混凝土的抗压强度。从图10(b)可以看出，整体趋势上随着分形维数增加，劈拉强度呈现增大的趋势，但是二者之间的相关性相对较差。图10(c)为混凝土电通量与分形维数的关系，可以看出，随着分形维数增加，电通量呈现逐渐减小的趋势，二者之间的相关性较好。当玄武岩纤维和聚丙烯纤维加入混凝土后，可以改善混凝土的孔结构，孔结构得到了细化和优化，表现为分形维数的增加。孔结构优化后，混凝土的渗透性相应降低，因此分形维数增加，电通量表现为减小的趋势。