玄武巖-PVA混雜纖維混凝土力學性能研究

惠 存， 曹 旭， 劉 盼， 李樂鋒， 王帥旗， 海 然

(中原工學院 建筑工程學院， 河南 鄭州 450007)

隨著現代社會的高速發展，土木工程行業日新月異，大型復雜工程項目層出不窮，地下軌道交通中盾構管片的制作、隧道工程中的錨噴支護、機場跑道及大跨度橋梁的路面工程等對混凝土材料的綜合性能提出了越來越高的要求?；祀s纖維改性混凝土汲取了兩種纖維的優點，兩種纖維取長補短，協同工作，在一定摻量范圍內具有正混雜效應，不僅顯著改善了混凝土的綜合性能，而且彌補了單一纖維功能單一的不足[1-5]。玄武巖纖維作為一種新型綠色纖維，不僅具有良好的力學性能，而且其化學穩定性好、價格低、綠色可降解。玄武巖纖維加入混凝土后有良好的分散性，與混凝土有良好的親和性與相容性，可顯著改善混凝土內部結構，并增強混凝土的力學性能及耐久性[6-7]。高強高模聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol，PVA)纖維具有良好的力學性能和遇水分散性，與水泥基有良好的親和性。PVA纖維不僅能提高混凝土的彎曲韌性和早期阻裂性能，還可改善混凝土的破壞形態[8-9]。將這兩種纖維中的一種或兩種摻入混凝土而制成單摻或混雜纖維混凝土，用于解決混凝土脆性及耐久性問題，已成為當今的一大研究熱點[10-12]。

本文基于玄武巖纖維和PVA纖維的特性和研究狀況，將玄武巖纖維和PVA纖維單摻或混雜摻入混凝土中，通過實驗探究單摻纖維、混雜纖維及不同混雜纖維的組成和摻量對混凝土工作性及力學性能的影響。

1 實 驗

1.1 實驗材料

實驗用水泥為天瑞集團滎陽公司生產的P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥，其密度為3.02 g/cm3，性能指標見表1。河砂的表觀密度為2 600 kg/m3，堆積密度為1 580 kg/m3，細度模數為2.48，含泥量為5.3%。實驗選用5～20 mm連續級配碎石，其表觀密度為2 890 kg/m3，堆積密度為1 600 kg/m3，吸水率為1.9%。外加劑選用德國西卡牌減水劑，其主要成分為聚羧酸鹽，減水率為30%。玄武巖纖維選用浙江省杭州市石金玄武巖纖維有限公司生產的短切浸膠型產品。PVA纖維選用安徽皖維高新材料股份有限公司生產的WWF-40-3型高強高模產品。玄武巖纖維和PVA纖維的基本性能如表2所示。

表1 實驗所用普通硅酸鹽水泥的性能指標

表2 玄武巖纖維和PVA纖維的基本性能

1.2 實驗設計

參考《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ55-2011)，配制C60普通混凝土。其配合比見表3?；祀s纖維混凝土的纖維組成見表4。

表3 C60普通混凝土的配合比

表4 混雜纖維混凝土的纖維組成 %

1.3 實驗方法

實驗需保證玄武巖纖維和PVA纖維在新拌混凝土中的均勻性。實驗采用的攪拌成型制度為：首先將石子、砂子、水泥干拌60 s，加水濕拌120 s，加水后手工撒入玄武巖纖維和PVA纖維，最后澆注成型并按標準養護至檢測齡期。在混凝土制備過程中，嚴格控制材料的投放順序、攪拌時間以及制備過程每個環節的時間，以保證每個試塊的質量穩定性及可比性。

參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T50080-2016)進行混雜纖維混凝土的工作性試驗?？箟簭姸仍噳K尺寸為：100 mm×100 mm×100 mm?？拐蹚姸仍噳K尺寸為：100 mm×100 mm×400 mm。本實驗參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081-2016)中的相關規定進行，每組均為3個試塊。

2 結果與討論

2.1 玄武巖-PVA混雜纖維組成對新拌混凝土流動性的影響

圖1所示為玄武巖纖維和PVA纖維不同摻量對混凝土流動性的影響。

圖1 玄武巖纖維和PVA纖維不同摻量對混凝土流動性的影響

由圖1可以看出：在玄武巖纖維摻量一定的條件下，新拌混雜纖維混凝土的坍落度隨著PVA纖維用量的增大而降低；在PVA纖維摻量一定的條件下，新拌混凝土的工作性隨著玄武巖纖維摻量的增大而降低；總體上，新拌混凝土的工作性隨著混雜纖維總摻量的增大而顯著降低。當玄武巖纖維摻量不高于0.15%、PVA纖維摻量不高于0.20%時，坍落度在100 mm以上；當混雜纖維總摻量不高于0.35%時，坍落度也在100 mm以上。這一方面是由于玄武巖纖維摻量超過0.10%之后，不能被攪拌機完全打散的短切浸膠玄武巖纖維，以單絲狀和束狀共存于基體之中，束狀玄武巖纖維一定程度上起類似于鋼纖維的棚架承托作用，使得混凝土流動性下降，進而降低其坍落度；另一方面是PVA纖維吸水性強，當其摻量超過0.20%時，纖維表面會吸附大量的自由水，從而降低混凝土的坍落度。

2.2 玄武巖-PVA混雜纖維組成對混凝土抗壓強度的影響

圖2所示為玄武巖纖維和PVA纖維不同摻量對混凝土抗壓強度的影響。

圖2 玄武巖纖維和PVA纖維不同摻量對混凝土抗壓強度的影響

(1) 由圖2可以看出：當玄武巖纖維摻量為0.15%時，隨著PVA纖維含量的增大，混凝土抗壓強度呈先升后降的趨勢，而且當PVA纖維摻量為0.30%時，混凝土抗壓強度達到峰值，較基準混凝土強度提高9.3%。這說明纖維摻量對混凝土抗壓強度影響有限。

(2) 由圖2還可看出：當混雜纖維總摻量在0.30%～0.45%之間，且玄武巖纖維摻量為0.10%～0.15%、PVA纖維摻量為0.20%～0.30%時，混凝土抗壓強度大于基準混凝土。這說明合理的纖維摻量對混凝土抗壓強度起增強作用，過高或過低的纖維摻量則會產生負混雜效應。其主要原因在于：過小的纖維摻量未能形成網狀承力體系，同時增加了基體界面效應，使得混凝土抗壓強度下降；隨著玄武巖纖維摻量增大，大量束狀玄武巖纖維一定程度上起類似于鋼纖維的承力骨架作用，使其抗壓強度提高；合理摻量的PVA纖維可改善混凝土內部結構，減少內部裂縫的產生，從而增大混凝土抗壓強度。

2.3 玄武巖-PVA混雜纖維組成對混凝土抗折強度的影響

圖3所示為玄武巖纖維和PVA纖維不同摻量對混凝土抗折強度的影響。

圖3 玄武巖纖維和PVA纖維不同摻量對混凝土抗折強度的影響

(1) 由圖3可以看出：單摻PVA和玄武巖纖維增強混凝土的抗折強度隨著纖維摻量的增大而增加，當單摻PVA纖維0.40%時混凝土抗折強度提高19.6%，單摻玄武巖纖維0.20%時混凝土抗折強度提高10.2%；混雜纖維混凝土的抗折強度均大于單摻纖維混凝土的抗折強度。這說明混雜纖維在提高基準混凝土的性能方面有良好的協同效應。

(2) 由圖3還可看出：在PVA纖維或玄武巖纖維摻量一定的情況下，混雜纖維混凝土的抗折強度呈先增后降的變化趨勢，當PVA纖維摻量不超過0.20%時，混雜纖維混凝土抗折強度呈現增長趨勢；當PVA纖維摻量超過0.20%，且玄武巖纖維超過0.05%時，混雜纖維混凝土抗折強度呈現下降趨勢；當PVA纖維摻量為0.10%和0.20%，且與玄武巖纖維的各摻量進行混雜時，混凝土抗折強度的增幅均不低于20%；當玄武巖纖維摻量為0.10%、PVA纖維摻量為0.20%時，混雜纖維混凝土抗折強度達到7.71 MPa，抗折強度較基準混凝土提高29.1%，較單摻0.20%PVA纖維的混凝土提高14.2%，較單摻0.10%玄武巖纖維的混凝土提高22.6%。

2.4 玄武巖-PVA混雜纖維組成對混凝土折壓比的影響

折壓比反映混凝土彎曲荷載下的變形能力和抗裂能力，是表征混凝土韌性的一個重要參數。圖4所示為混雜纖維混凝土折壓比隨PVA纖維摻量的變化特征。

圖4 混雜纖維混凝土折壓比隨PVA纖維摻量的變化特征

(1) 對于PVA纖維單摻，當摻量小于0.10%時，其對混凝土的折壓比影響不明顯；當纖維摻量超過0.10%時，混凝土折壓比隨著摻量增大而單調提高。

(2) 對于玄武巖纖維單摻，當摻量小于0.05%時，混凝土的折壓比相對于基準混凝土有所下降；當纖維摻量超過0.05%時，混凝土折壓比隨著摻量增大而單調提高。

(3) 對于纖維混摻，當PVA纖維摻量為0.10%，與不同摻量玄武巖纖維進行混雜時，增強效果顯著，但隨著PVA纖維摻量的增大，增強效果開始下降；在PVA摻量為0.30%而玄武巖纖維摻量為0.15%、0.20%時，混凝土的折壓比甚至低于單摻纖維混凝土。

(4) 當PVA纖維摻量為0.20%、玄武巖纖維摻量為0.10%時，混雜纖維混凝土的折壓比達到了0.117，較基準混凝土提高25.2%，較單摻0.20%PVA纖維的混凝土提高12.2%，較單摻0.10%玄武巖纖維的混凝土提高21.1%。這是由于PVA纖維和單絲狀存在的玄武巖纖維起到了橋接作用，纖維相互搭接而形成網狀結構，均勻分布于混凝土內部，可改善混凝土內部結構及其分散應力，從而抑制混凝土內部微裂縫的產生和發展，增大混凝土折壓比；但是，隨著兩種纖維摻量增至一定程度，大量束狀玄武巖纖維的存在增強了混凝土的界面效應，纖維之間纏繞而結團的現象嚴重，導致混雜纖維分布不勻，增加了混凝土內部薄弱區，從而使混凝土折壓比降低。

3 結 論

(1) 無論纖維單摻還是混摻，混凝土坍落度都隨著纖維總摻量的增加而降低；單摻玄武巖纖維的量超過0.15%或單摻PVA纖維的量超過0.20%時，混凝土坍落度明顯下降，混雜纖維總摻量不高于0.35%時，混凝土坍落度維持在100 mm以上。

(2) 玄武巖纖維、PVA纖維和混雜纖維對混凝土抗壓強度增強效果均不明顯；合理的纖維摻量對混凝土抗壓強度起增強作用，過高或過低的纖維摻量則會產生負混雜效應；當混雜纖維總摻量在0.30%～0.50%之間，且玄武巖纖維摻量在0.10%～0.15%之間、PVA纖維摻量為0.20%～0.30%時，其抗壓強度大于基準混凝土抗壓強度。

(3) 玄武巖纖維、PVA纖維和混雜纖維的摻入均明顯改善了混凝土抗折強度及韌性，相比單摻纖維，玄武巖-PVA混雜纖維對混凝土抗折強度及韌性的增強作用更為顯著；混摻時，PVA纖維比玄武巖纖維對混凝土抗折強度的增強作用更為明顯；當玄武巖纖維為0.10%、PVA纖維為0.20%時，混雜纖維混凝土抗折強度達到7.71 MPa，較基準混凝土提高了29.1%，折壓比較基準混凝土提高了25.2%，玄武巖-PVA混雜纖維在提高混凝土抗折強度及韌性方面表現出良好的協同效應。