混杂纤维混凝土的性能研究

李健强

（深圳市港龙混凝土有限公司）

 

摘  要：混凝土的发展已有100多年的历史，该材料因抗压强度高、耐久性好、成本低等特点在建筑工程中得到广泛应用。然而，混凝土作为一种脆性材料其固有的抗拉强度低、极易开裂性、浇注初期会产生收缩，使混凝土产生龟裂。作为多孔的脆性材料，混凝土的抗拉强度远远低于抗压强度(一般仅为抗压强度的1/10以上)，混凝土对冲击、开裂、疲劳等抵抗能力差。而且随着混凝土强度的不断提高，这一缺陷也愈益突出。

为了解决这一问题，本文研究了混杂纤维——在混凝土中同时掺入高模量的耐碱玻璃纤维和低模量的聚丙烯纤维的掺加工艺及纤维混凝土的性能。综合论述了混杂纤维对混凝土的工作性、力学性能及耐久性能的影响。本文采用了最紧密堆积理论进行混凝土的配合比设计，以期达到能大量使用粉煤灰来降低水泥碱度，从而减少玻璃纤维在混凝土中的腐蚀。在此配合比设计的基础上，通过试验确定了两种纤维混杂时的最佳掺量。在纤维混凝土的搅拌工艺上，本文研究了先掺法、后掺法及水掺法对混凝土工作性及力学性能的影响，然后找出一种比较合适的掺加工艺。最后通过平板试验分析讨论了混杂纤维混凝土、单掺纤维混凝土和普通混凝土的抗早期开裂效果，以及它们的力学性能、抗干缩性能及氯离子渗透性能，从而了解混杂纤维混凝土的耐久性能。混杂纤维混凝土不仅在力学性能方面有较好的性能，而且它在早期抗开裂、后期抗干缩及抵抗氯离子渗透方面也有较好的作用。结果还表明，纤维混凝土是今后混凝土高性能化的一个主要方向。

关键词：混杂纤维混凝土；耐碱玻璃纤维；聚丙烯纤维；最紧密堆积理论；抗裂性能；耐久性

 

1.研究背景

目前混杂纤维混凝土的研究主要是在混凝土中加入高弹性模量的钢纤维和细小的聚丙烯纤维。采用高弹性模量纤维（如钢纤维）可大幅度提高混凝土的抗拉、抗弯性能，但费用大且混凝土自重大；而低弹性模量、高延性纤维（如聚丙烯纤维）却可大幅度提高混凝土的韧性，且价格较低、自重轻。若想在成本较低的情况下获得高强、高韧的混凝土，可同时掺入高弹性模量纤维和高延性纤维制成混杂纤维混凝土。本文主要研究A—聚丙烯纤维(网状)，B—玻璃纤维两种混杂纤维混凝土的性能。

2.试验用原材料性能

1.1 粗集料(石子)

惠州石场5-25mm,压碎指标7.2%

1.2 细集料(砂)

东莞砂，II区中砂，细度模数2.7

1.3 水泥

惠州龙门光大“凯城牌”P·O42.5R水泥，28d抗折强度8.4MPa，抗压强度48.6MPa

1.4 粉煤灰

河源电厂II级灰

1.5 外加剂

深圳五山（萘系）缓凝高效减水剂，减水率20%，固体含量33%。

1.6 纤维

本实验采用的聚丙烯纤维是网状聚丙烯纤维，推荐掺量为900g/立方米混凝土。玻璃纤维采用的是北京斑驳斯特克斯公司生产的AR W70型玻璃纤维纤维，推荐掺量为：600g/立方米混凝土。

3.配合比确定

3.1 混杂纤维混凝土基准配合比确定

本文所采用基准配合比上基于最紧密堆积理论确定下来的，本次实验的基准配合比如表3-1所示。

表3-1 混凝土基准配合比                               kg/m³

3.2 混杂纤维混凝土纤维最佳掺量的确定

纤维掺量的多少不仅能影响到混凝土的抗拉、抗压强度，而且对纤维混凝土的脆性、耐磨性、抗冻融性等有很大影响。试验中根据国内外文献参考以及厂家推荐的纤维掺量，以纤维总掺量不变为依据，其他组分的配合比不变设计了四组试验，两种纤维的掺量分别如下：

组别	玻璃纤维（GF）	聚丙烯纤维（PP）
A	1.3	0.7
B	1.1	0.9
C	0.9	1.1
D	0.7	1.3

                       表3-2 混杂纤维掺量配比表                            kg/m³

表3-3 混杂纤维掺量与抗压强度关系

组别	A	B	C	D
抗压强度(MPa)	26.3	30.2	26.1	28.3

从表中可以看出，B组和D组掺量下混凝土抗压强度较高，同时考虑推荐的纤维掺量，最终确定选择B组为最佳掺量，即玻璃纤维为1.1kg/m³混凝土，聚丙烯纤维为0.9kg/m³混凝土。

4.混杂纤维混凝土掺加工艺的研究

从力学意义上讲，纤维对混凝土最有效的增强状态是纤维较密集地分布于应力大的部位，纤维的取向最好是构件的主拉应力方向。然而，纤维在混凝土中的实际分布状态不可能这么理想，它受搅拌方法等诸多因素的影响。因此，为了充分发挥纤维混凝土的增强效果，一定要把纤维均匀地分散在混凝土中。笔者认为，由于密度、强度等方面的关系，对于纤维混凝土，搅拌工艺是影响混凝土中纤维是否均匀分布的最主要因素之一。

在试验之初，对本试验设计了以下三种成型方案：

（1）先掺法

先掺法是先将石子、砂及纤维加入搅拌机搅拌3分钟，然后再加入水泥和水再搅拌3分钟，此时混凝土呈现出良好的工作性，搅拌结束。流程如下：

石子+砂+纤维水+水泥成型

此种掺加方法有利于纤维在混凝土中很好地分散，使纤维在混凝土中发挥很好的作用。

（2）后掺法

后掺法是先将石子、砂、水及水泥加入搅拌机搅拌3分钟，然后加入纤维搅拌3分钟，此时混凝土呈现出良好的工作性，搅拌结束。此工艺流程如下：

石子+砂+水+水泥纤维成型

这是一种比较传统的掺加工艺，能使砂、石、水泥充分混合均匀，但当加入纤维时易使纤维成团。

（3）水掺法

水掺法是先将石子、砂、水泥加入搅拌机搅拌，然后将加入水中的纤维一起加进搅拌机一起搅拌3分钟，此时混凝土呈现出很好的工作性，搅拌结束。此工艺流程如下：

石子+砂+水泥纤维＋水成型

此种掺加方法有利于纤维充分的打散，能把两种纤维先充分的混合，加入到混凝土中时更有利于发挥纤维的混合作用。

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4.1 不同掺加工艺对混凝土工作性的影响

表4-1 不同掺加工艺对混凝土工作性的影响

时间（min）	0	15	30	60	90
先掺法	55	35	15	10	5
后掺法	50	40	25	10	5
水掺法	55	45	30	15	5

从表中可以看出，三种掺加方法对混凝土的流动性影响并不大，这说明无论用先掺、后掺还是水掺，均能保证混凝土的工作性基本不变，纤维的掺加方试并不影响混凝土的工作性。

4.2 不同掺加工艺对混凝土强度的影响

 通过表4-2比较可以看出，先掺法的7d与28d抗压强度要比后掺法和水掺法高出15％左右，劈裂强度要高出20％左右。可见，先掺法对混杂纤维在混凝土中的分散性较好，因此在今后的试验中，搅拌方式宜采用先掺法。

表4-2 不同掺加工艺对混凝土强度的影响

加掺工艺	7d强度（MPa）		28d强度（MPa）
	抗压强度	劈裂强度	抗压强度	劈裂强度
先掺法	43.3	3.83	65.5	7.95
后掺法	37.5	3.17	57.8	6.54
水掺法	38.4	3.22	58.9	6.85

 

5.混杂纤维对混凝土强度的影响

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5.1 混杂纤维对混凝土抗压强度的影响

表5-1 单掺与混合掺入纤维对混凝土抗压强度的影响

掺加形式	7d	28d
A	31.6	64.5
B	33.9	64.9
C	30.4	62.2
D	34.2	65.8

注：A—单掺PP；B—单掺GF；C—混掺；D—空白。

从上表可以看出，单掺PP与单掺GF或者混掺两种纤维对混凝土抗压强度的影响不是很大，稍有降低，约为5％～8％，总体来说，低掺量纤维掺入对混凝土抗压强度的影响不大。

5.2 混杂纤维对混凝土劈裂强度的影响

表5-2 单掺与混合掺入纤维对混凝土劈裂强度的影响

掺加形式	7d	28d
A	2.23	3.58
B	2.34	3.86
C	2.25	4.21
D	2.05	3.46

注：A—单掺PP；B—单掺GF；C—混掺；D—空白。

    从表中可以看出，单掺纤维或混掺对劈列强度有增强作用，面混掺又比单掺的增强作用大。

5.3 混杂纤维对混凝土拉压比的影响

表5-3 单掺与混合掺入纤维对混凝土拉压比的影响

掺加形式	7d	28d
A	0.071	0.055
B	0.069	0.059
C	0.074	0.067
D	0.060	0.053

注：A—单掺PP；B—单掺GF；C—混掺；D—空白。

从表5-3可以看出7d的拉压比，混杂纤维混凝土要比普通混凝土高出33％，而单掺PP或单掺GF拉压比提高约为15％左右；28d的拉压比，混杂纤维混凝土要比普通混凝土高出28％，而单掺PP或单掺GF拉压比提高约为10％左右。从整体上来看，28d拉压比均比7d时的要低。

6.混杂纤维混凝土的耐久性

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6.1 纤维混杂掺加对砂浆早期塑性收缩的影响

 

表6-1 混杂纤维开裂指数值

掺加形式	开裂指数(mm)
单掺PP	251
单掺GF	254
混掺	225
空白	487

从表6-1的开裂指数值可以看出，不管是单掺还是混掺纤维，均能减少砂浆的塑性干缩裂缝，但在最佳掺量下，三种掺加形式对减少塑性干缩裂缝作用大小的排序为：混掺>单掺PP>单掺GF。从抗开裂性能比可以看出，混掺对减少混砂浆塑性开裂的效果最好。

6.2 混杂纤维掺入对混凝土干缩的影响

本试验采用的是混凝土收缩仪。混凝土的收缩值计算公式：

 

式中  —试验期为t天的混凝土收缩值

—试件的测量标距(515mm)

—试件长度的初始读数（mm）

—试件在试验期为t使得所测长度（mm）

表6-2 混凝土干燥收缩试验结果

龄期 组别	3d	5d	7d	11d	14d	16d	18d	21d	28d	56d
A	22.4	50.4	85.6	121	170	206	254	302	376	495
B	33.8	58.7	92.5	132	185	225	286	323	385	488
C	21.3	42.3	76.4	114	156	196	223	284	355	435
D	43.5	85.3	122	175	222	266	311	365	421	560

从表6-2中可以看出，无论单掺聚丙烯纤维、玻璃纤维还是二者同时掺入，对混凝土干燥收缩都起到了较好的抑制作用。在较短的龄期内混杂纤维和单掺聚丙烯纤维的抗干缩效果都比单掺玻璃纤维好，3d龄期时混杂纤维的干缩降低率为51％，单掺聚丙烯纤维为48.5％，而单掺玻璃纤维为22.3％。在混凝土硬化后期，起到抗干缩效果的是玻璃纤维，因此，在混凝土硬化后期混杂纤维混凝土的抗干缩能力较大，28d时混杂纤维为15.8％，单掺聚丙烯纤维为10.7％，单掺玻璃纤维为11.4％；56d时混杂纤维为22.3％，单掺聚丙烯纤维为11.6％，单掺玻璃纤维为12.9％。

6.3 混杂纤维对混凝土Cl^-渗透性能的影响

为研究混杂纤维对混凝土抗渗性的影响，对混杂纤维混凝土、单掺聚丙烯纤维和单掺玻璃纤维混凝土及普通混凝土进行了Cl^-渗透试验，其结果如表6-3示。

表6-3混杂纤维对混凝土Cl^-渗透性的影响

组别	单掺PP	单掺GF	混掺	空白
Cl-扩散系数(×10-9cm2/s)	2.34	2.68	2.25	3.35

从表6-3可以看出，单一纤维的掺入能很好地改善混凝土的抗渗性，纤维按二元混杂又较单一掺入更能有效地提高其抗渗能力。混杂纤维混凝土的Cl^-渗透系数比普通混凝土降低了约32.8％，而比单掺PP和单掺GF也有一定幅度的提高。

7.结论

本文以最紧密堆积理论为基础，通过聚丙烯纤维(PP)和耐碱玻璃纤维(GF)两种纤维混合掺入，对该混杂纤维混凝土进行研究，主要得出以下结论：

1．最紧密堆积配合比设计理论与传统的配合比设计理论相比，更能够充分发挥骨料的嵌挤结构，在粉煤灰掺量达35%时，混凝土的28d强度仍然能达到设计强度。

2．通过对混杂纤维混凝土制作工艺的研究，得出在本试验条件下，两种纤维的最佳掺量分别为：聚丙烯纤维为0.9kg/m³，玻璃纤维为1.1kg/m³。先掺、后掺、水掺法三种掺加工艺对混杂纤维混凝土的强度影响比较明显，三种方法中先掺法的效果最好。

3．通过计算混杂纤维混凝土抗压强度和劈裂强度的混杂系数发现，混杂纤维混凝土7d和28d的抗压强度的混杂系数为小于1的值，呈现负混杂效应；而7d和28d劈裂强度混杂系数为大于1的值，呈现正混杂效应。

4．混杂纤维混凝土早期塑性开裂得到有效抑制，抗开裂性能提高50％左右；同时其拉压比要比单掺纤维混凝土的高16％左右，而比普通混凝土则要高出30％左右，混凝土的韧性得到显著增强。

 

参考文献

1赵晶,赵亚丁,张贵敏.改性聚丙烯纤维在混凝土中的应用研究.混凝土. 2000,(4):34～37

2 荀勇，周启兆，沈刘甲.含混杂纤维的注浆纤维混凝土(SIFCON)力学性能及应用.混凝土与水泥制品.2000年第4期

3 李晓民，赵晶，宋学富，余忠林.耐碱玻璃纤维在道路混凝土中的应用研究  .新型建筑材料.2004.1

4 刘兰强，曹诚.聚丙烯纤维在混凝土中的阻裂效应研究.公路.2000年6月第6期

 

[作者简介]

李健强（1982-），工程师，深圳市港龙混凝土有限公司总工，主要从事混凝土技术研发和技术质量管理工作。