纖維摻量對混凝土力學性能和熱工性能的影響

黨軍亮，封 容，樊文斐，于 杰，張 航

(山東中程試驗檢測有限公司，山東 濟南 250100)

我國農業水平在世界已經達到領先地位，但隨之而來的大量廢棄材料也逐漸增多。隨著綠色建筑概念的提出，將廢棄材料二次利用制備新型綠色建筑材料已成為研究熱點。

李雅娟等[1]利用混凝土橋梁拆除廢料制作同一強度等級的不同粗骨料取代率的3根混凝土梁，并對其進行靜力加載試驗，結果表明受壓區高度隨著取代率的增加而增大。林海威等[2]將銅尾礦砂作為細骨料摻入到透水混凝土中，隨著摻量的增加混凝土透水系數減小。張俊儒等[3]研究了粉煤灰摻量對噴射混凝土耐久性的影響，得出粉煤灰對噴射混凝土的早期抗壓強度影響較大，對其后期抗壓強度影響相對較小。張旺春等[4]研究了再生骨料取代率對再生混凝土在模擬火災溫度下的外觀形貌、抗壓強度、質量及孔結構的影響，結果表明骨料取代率不大于40%和溫度低于400 ℃時,再生混凝土仍能保持其力學強度且無質量損失。韓東等[5]建立了抹灰砂漿和易性顯著的多元非線性回歸模型，結果表明粉煤灰對砂漿和易性的改善有利,鎂渣對砂漿的流動度和流動度損失有不利影響。靳瑞杰等[6]充分利用粉煤灰工業廢料制備混凝土，得出當粉煤灰與陶粒質量比為1:16時最佳，實現了變廢為寶。瞿曉玲等[7]證實了陶瓷拋光磚廢料具有相當的火山灰活性，可以用來制備非蒸壓加氣混凝土。張鴻等[8]采用非連續密級配制備了聚苯胺/聚丙烯復合導電纖維瀝青混凝土，得出復合纖維的質量分數為0.8%時,瀝青混凝土穩定度可增加近50%,流值增加100%。王艷麗等[9]研究建筑增強用PAN纖維的耐海水腐蝕性，結果顯示建筑增強用PAN纖維拉伸強度為1 261 MPa、降幅0.63%,初始模量為18.6 GPa、增幅8.14%。

從上述研究成果可以看出，廢物利用是當今解決綠色建筑和開展可持續發展的另一途徑，也是具有前景的研究方向。但當前對纖維類廢料的二次應用研究較少，因此作者以碳纖維、棉纖維和聚丙烯纖維三類纖維廢料為研究對象，以不同摻量摻入至混凝土中，分析其對混凝土力學性能和熱工性能的影響，并通過調節不同摻量的粉煤灰來得到最佳混凝土的配比。

1 實驗

1.1 主要原料

PO42.5R硅酸鹽水泥：3d抗折強度為5.8 MPa，28 d抗折強度為8.6 MPa，3 d抗壓強度為31.5 MPa，28 d抗壓強度為48.7 MPa，龍口市泛林水泥有限公司生產；碳纖維：相對密度為1.7，直徑約為6 μm，抗拉強度約為4×103MPa，江城碳纖維有限責任公司產；棉纖維：長度約8 mm，直徑約6 μm，體積密度 15.8 kg/m3，河南新濮豐棉機科技有限公司產；聚丙烯纖維：相對密度0.91，直徑 40 μm，楊氏模量3 790 MPa，延伸率18%，長度12 mm，山東森泓工程材料有限公司產；粉煤灰：細度為18.3，武漢微神科技發展有限公司生產；骨料(石子/砂子)：青島隆璂保溫建材有限公司生產。

1.2 主要設備及儀器

HS85623型多功能攪拌機：滄州恒勝偉業公路儀器有限公司制；DRPL-I型導熱系數測試儀：常州德杜精密儀器有限公司制；YES普通混凝土力學性能試驗機：美特斯工業系統(中國)有限公司制。

1.3 纖維混凝土的制備

在常溫下，使用攪拌機將水泥、纖維材料、粉煤灰、骨料和水等進行混合攪拌，其中摻入的纖維材料質量分數為0～10%，粉煤灰質量分數為0～20%，隨后放入振動臺上進行振動，使得成型的混凝土內部材料均勻且密實，進行養護28 d后(標準養護)，將混凝土分別進行熱工性能測試和抗壓強度、抗拉強度測試。

1.4 分析與測試

力學性能：采用YES普通混凝土力學性能試驗機測試纖維混凝土的抗壓強度、抗拉強度。將養護成型的混凝土放置在力學性能試驗機上，開始逐級加壓力/加拉力，通過試驗儀器顯示器讀取混凝土壓碎/拉壞時的受力值。

熱工性能：將養護成型的纖維混凝土放置在DRPL-I型導熱系數測試儀上，左盤溫度為35 ℃、右盤溫度為15 ℃，在密閉環境下4 h后(待溫度場穩定后)通過讀取顯示器數據獲得纖維混凝土的導熱系數。

2 結果與討論

2.1 粉煤灰摻量對混凝土力學性能的影響

2.1.1 粉煤灰摻量對混凝土抗壓強度的影響

按質量分數分別為0，5%，10%，15%，20%的比例將粉煤灰摻入混凝土中，此時分別摻入混凝土的碳纖維、棉纖維和聚丙烯纖維的質量分數均為5%，探討粉煤灰含量對混凝土抗壓強度的影響。從圖1可以看出：當不摻入粉煤灰時，碳纖維混凝土的抗壓強度為45.6 MPa，達到C45等級，棉纖維混凝土的抗壓強度為44.7 MPa，達到C40等級，聚丙烯纖維混凝土的抗壓強度為43.1 MPa，達到C40等級；隨著摻入粉煤灰含量的增加，3種纖維混凝土的抗壓強度均先增加而后下降，當摻入粉煤灰質量分數為10%時，3種纖維混凝土的抗壓強度均達到最大，碳纖維混凝土的抗壓強度為52.8 MPa，達到C50等級，棉纖維混凝土的抗壓強度為51.7 MPa，達到C50等級，聚丙烯纖維混凝土的抗壓強度為50.2 MPa，達到C50等級。這是因為粉煤灰在混凝土初期水化過程中，會和水泥化學成分中的氫氧化鈣發生火山灰反應，當粉煤灰含量較低時，能夠在復合混凝土體系中激發出其活性，加快水化過程；而當粉煤灰含量過高時，一方面水泥所占比例下降，降低了混凝土的強度，另一方面過高的粉煤灰活性含量會抑制水化過程甚至會導致逆水化過程發生。

圖1 粉煤灰含量對不同纖維混凝土抗壓強度的影響Fig.1 Effect of fly ash content on compressive strength of different fiber reinforced concrete■—碳纖維；●—棉纖維；▲—聚丙烯纖維

2.1.2 粉煤灰摻量對混凝土抗拉強度的影響

將粉煤灰按質量分數分別為0，5%，10%，15%，20%的比例摻入混凝土中，此時摻入碳纖維、棉纖維和聚丙烯纖維的質量分數均為5%，探討粉煤灰含量對混凝土抗拉強度的影響。從圖2可以看出：隨著粉煤灰含量的增加，3種纖維混凝土的抗拉強度均先增加而后下降；不摻入粉煤灰時，碳纖維混凝土的抗拉強度為4.01 MPa，棉纖維混凝土的抗拉強度為3.88 MPa，聚丙烯纖維混凝土的抗拉強度為3.72 MPa；當摻入質量分數10%的粉煤灰時，3種纖維混凝土的抗拉強度均達到最大，碳纖維混凝土的抗拉強度為4.24 MPa，棉纖維混凝土的抗拉強度為4.07 MPa，聚丙烯纖維混凝土的抗拉強度為3.81 MPa；而當摻入粉煤灰質量分數超過10%時，纖維混凝土的抗拉強度出現降低，當摻入質量分數15%的粉煤灰時，碳纖維混凝土的抗拉強度為3.97 MPa，棉纖維混凝土的抗拉強度為3.81 MPa，聚丙烯纖維混凝土的抗拉強度為3.71 MPa。這是因為當較低的粉煤灰摻入時無法完全填充混凝土之間的空隙，使得混凝土不夠密實，混凝土強度得不到發展；當粉煤灰含量逐漸升高至一定時，粉煤灰會和水泥水化過程發生反應加快水化過程；而當粉煤灰含量過高時，一方面水泥所占比例下降，降低了混凝土的強度，另一方面過高的粉煤灰活性含量會抑制水化過程甚至會導致逆水化過程發生。

圖2 粉煤灰含量對不同纖維混凝土抗拉強度的影響Fig.2 Effect of fly ash content on tensile strength of different fiber reinforced concrete■—碳纖維；●—棉纖維；▲—聚丙烯纖維

2.2 纖維摻量對混凝土力學性能的影響

2.2.1 纖維摻量對混凝土抗壓強度的影響

分別將碳纖維、棉纖維和聚丙烯纖維(質量分數為0～10%)摻入混凝土中，此時混凝土中粉煤灰質量分數為10%，纖維含量對混凝土抗壓強度的影響見圖3。

圖3 纖維含量對混凝土抗壓強度的影響Fig.3 Effect of fiber content on compressive strength of concrete■—碳纖維；●—棉纖維；▲—聚丙烯纖維

從圖3可以看出：隨著纖維含量的增加，3種纖維混凝土的抗壓強度均出現先增大而后下降的趨勢；當纖維含量為0時，混凝土的抗壓強度為43.8 MPa;當纖維質量分數為5%時，3種纖維混凝土的抗壓強度均達到最大，碳纖維混凝土的抗壓強度為52.8 MPa，棉纖維混凝土的抗壓強度為51.7 MPa，聚丙烯纖維混凝土的抗壓強度為50.2 MPa；當纖維質量分數為10%時，碳纖維混凝土的抗壓強度為49.2 MPa，棉纖維混凝土的抗壓強度為46.7 MPa，聚丙烯纖維混凝土的抗壓強度為44.1 MPa。由此可見，當纖維質量分數為5%時，混凝土的抗壓強度會提高一個等級。

出現這種情況是因為：(1)混凝土中的骨料與雜料主要是通過黏結作用來傳力，而纖維會對混凝土漿體的黏結性能影響很大；(2)纖維是有機物，其化學成分會和粉煤灰的火山灰作用發生反應，因而對混凝土抗壓強度的發展起到相反的作用；(3)纖維含量過多時，即水泥及其他含量逐漸減小，導致混凝土的最終抗壓強度降低。

2.2.2 纖維摻量對混凝土抗拉強度的影響

分別將碳纖維、棉纖維和聚丙烯纖維(質量分數為0～10%)摻入混凝土中，此時混凝土中粉煤灰質量分數為10%，纖維含量對混凝土抗拉強度的影響見圖4。

圖4 纖維含量對混凝土抗拉強度的影響Fig.4 Effect of fiber content on tensile strength of concrete■—碳纖維；●—棉纖維；▲—聚丙烯纖維

從圖4可以看出：隨著纖維含量的增加，混凝土的抗拉強度先增加而后下降，這一趨勢與混凝土的抗壓強度變化趨勢相同；當不摻入纖維時，混凝土的抗拉強度為3.61 MPa；當摻入纖維質量分數為5%時，3種纖維混凝土的抗拉強度均達到最大，碳纖維混凝土的抗拉強度為4.24 MPa，棉纖維混凝土的抗拉強度為4.07 MPa，聚丙烯纖維混凝土的抗拉強度為3.81 MPa；當摻入纖維質量分數超過5%時，3種纖維混凝土的抗拉強度呈下降趨勢；當摻入纖維質量分數為10%時，碳纖維混凝土的抗拉強度為3.91 MPa，棉纖維混凝土的抗拉強度為3.74 MPa，聚丙烯纖維混凝土的抗拉強度為3.68 MPa。由此可見，摻入質量分數為5%的纖維，可較好地提高混凝土的抗拉強度。

出現這一現象的原因是：纖維材料是一孔隙率較多的材料，隨著纖維材料的含量增加，混凝土的孔隙率也逐漸增加，骨料與漿體之間的黏結力逐漸減小，導致混凝土的抗拉強度降低；另外，碳纖維、棉纖維和聚丙烯纖維的摻入會導致混凝土骨料間的黏結力下降，也會導致混凝土的抗拉強度降低。

從纖維含量對混凝土抗壓強度和抗拉強度的影響可知，在混凝土中摻入質量分數10%的粉煤灰，同時摻入質量分數5%的碳纖維或棉纖維或聚丙烯纖維，可達到GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》(2015年版)[10]中的混凝土強度要求。

2.3 纖維摻量對混凝土熱工性能的影響

混凝土的熱工性能通常以導熱系數來表征，導熱系數越大，熱工性能越差，導熱系數越小，熱工性能越好。分別將碳纖維、棉纖維和聚丙烯纖維(質量分數為0～10%)摻入混凝土中，此時的混凝土不摻入粉煤灰，纖維含量對混凝土導熱系數的影響見圖5。

圖5 纖維含量對混凝土導熱系數的影響Fig.5 Effect of fiber content on thermal conductivity of concrete■—碳纖維；●—棉纖維；▲—聚丙烯纖維

從圖5可以看出：隨著纖維含量增加，3種纖維混凝土的導熱系數均逐漸下降；不摻入纖維時，混凝土的導熱系數為1.41 W/(m·K)；當摻入纖維質量分數為5%時，碳纖維混凝土的導熱系數為0.93 W/(m·K)，棉纖維混凝土的導熱系數為1.13 W/(m·K)，聚丙烯纖維混凝土的導熱系數為1.22 W/(m·K)；當摻入纖維質量分數達10%時，碳纖維混凝土的導熱系數為0.71 W/(m·K)，棉纖維混凝土的導熱系數為0.87 W/(m·K)，聚丙烯纖維混凝土的導熱系數為1.01 W/(m·K)。這是因為碳纖維、棉纖維和聚丙烯纖維摻入混凝土中能夠增加混凝土的內部孔隙率，從而導致混凝土內部的封閉空間增多，而空氣的導熱系數比混凝土低的多，從而導致復合混凝土材料的導熱系數逐漸下降。因此，摻入纖維材料能夠提高混凝土板的保溫隔熱性能，從而能夠達到建筑節能的效果，碳纖維的保溫隔熱作用最好，其次是棉纖維，聚丙烯纖維稍差。在滿足混凝土強度的情況下可以摻入一定量的纖維材料，達到建筑節能的目的。

3 結論

a.在摻入纖維質量分數為5%的條件下，隨著粉煤灰摻量的增加，3種纖維混凝土的抗壓強度和抗拉強度均先升高而后逐漸下降；在摻入粉煤灰質量分數為10%的條件下，隨著纖維摻量的增加，3種纖維混凝土的抗壓強度和抗拉強度均出現先增大而后下降的趨勢。

b.當摻入粉煤灰質量分數為10%、纖維質量分數為5%時，3種纖維混凝土的抗壓強度和抗拉強度均達到最大，可以達到GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》(2015年版)中的混凝土強度要求。

c.在不摻入粉煤灰的條件下，隨著纖維含量增加，3種纖維混凝土的導熱系數均逐漸下降，熱工性能提高。