混雜纖維混凝土抗裂及抗?jié)B性能試驗研究摘要：本文在“最緊密堆積”設(shè)計理論的基礎(chǔ)上，研究了耐堿玻璃纖維和聚丙烯纖維二元混雜摻入混凝土中對混凝土基本力學(xué)性能、早期抵抗塑性開裂及后期抗氯離子滲透性能的影響。0引言混凝土作為一種歷史悠久的重要建筑材料，在建筑工程的各個領(lǐng)域都發(fā)揮了獨一無二的作用。但是混凝土作為一種脆性材料，其最大的一個缺點就是抗拉強度和極限拉應(yīng)變較低，因此在一定程度上限制了它的廣泛使用。吳中偉院士曾經(jīng)指出，復(fù)合化是今后提高混凝土等水泥基材料性能的主要途徑，而纖維增強是其核心[1]?；炷恋目沽研躁P(guān)系到混凝土的使用壽命,纖維的摻入使水泥基抗裂能力得到提高，由于混凝土自身具有多相、多組分、多尺度層次的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，單一纖維增強作用是有限的,而不同尺度和不同性能的纖維混雜增強，使其在混凝土中不同結(jié)構(gòu)和不同性能層次上逐級阻裂與強化，充分發(fā)揮各個纖維的尺度和性能效應(yīng)，并在不同尺度和性能層次上相互激發(fā)、相互補充，達到取長補短、造就高性能，以及提高抗裂能力進而提高混凝土的耐久性的目的。文中討論了兩種不同模量的纖維（耐堿玻璃纖維/聚丙烯纖維）共同摻入混凝土中，對混凝土早期抗裂的影響以及后期滲透性等耐久性能的影響。1原材料及試驗方法1.1試驗用原材料粉煤灰：哈爾濱三電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰。集料：粗集料采用的是5mm~10mm的碎石；細集料為細度模數(shù)為2.8的中砂。纖維：聚丙烯纖維是張家港聚丙烯纖維總廠生產(chǎn)的短切單絲纖維，推薦摻量為900g/m3。耐堿玻璃纖維采用的是北京斑駁斯特克斯公司生產(chǎn)的ARW70型玻璃纖維纖維，推薦摻量為600g/m3。纖維的技術(shù)指標見表1-1~1-3。外加劑：黑龍江省寒地研究院生產(chǎn)的UNF－5高效減水劑，減水率為18%~20%。表1耐堿玻璃纖維的化學(xué)組成化學(xué)組成SiO2Na2OCaOK2OAl2O3ZrO2TiO2Li2O含量(%)62.014.85.6—0.816.70.1—表2耐堿玻璃纖維的物理性能長度(mm)單絲直徑(μmm)彈性模量(GPPa)抗拉強度(MPPa)斷裂延伸率(%%)密度(g/m3)12147534003.62.70表3聚丙烯纖維物理性能長度(mm)細度(tex)彈性模量(GPPa)抗拉強度(MPPa)斷裂延伸率(%%)密度(g/cm3)15-191.783.5≥2808.00.91混凝土配合比如表4所示。表4混凝土配合比(kg/m3)原材料水泥粉煤灰石砂水耐堿玻纖聚丙烯纖維用量2761459668211811.10.91.2試驗方法依據(jù)GBJ81-85《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》測定混凝土抗壓和抗折強度，通過對混雜纖維混凝土混雜系數(shù)的探討，確定其力學(xué)性能上的混雜效果；依據(jù)圣·喬治州立大學(xué)的PaulP.Kraai教授所提出的砂漿及混凝土干燥收縮裂縫測試方法[4]進行試驗，比較纖維單摻與混合摻加對混凝土早期塑性收縮性能的影響（試驗?zāi)＞咭妶D2）；依據(jù)GBJ82-85《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》，通過NEL法進行Cl-滲透試驗分析比較單摻與混合摻入纖維對混凝土滲透性能的影響。塑性收縮試驗裝置2試驗結(jié)果與分析2.1纖維混雜對混凝土力學(xué)性能的影響在表征混雜纖維對混凝土力學(xué)性能的作用時，有研究者引入混雜系數(shù)這一概念來比較混雜效果的好壞[5]。通過混雜系數(shù)可以方便地得到纖維摻量匹配時對混凝土強度的影響，當(dāng)時為正混雜效應(yīng)，當(dāng)時為負混雜效應(yīng)。試驗結(jié)果如表5、表6所示。定義纖維摻入導(dǎo)致的纖維增強混凝土相對于基準混凝土的強度增強系數(shù)為(2-1)式中，和分別是纖維增強混凝土和基準混凝土的強度，MPa。記單摻聚丙烯纖維(PP)混凝土、單摻玻璃纖維(GF)混凝土和混雜纖維混凝土(PG)的抗壓、劈裂抗拉強度增強指標分別為，；，；，。高模量纖維和高延性纖維混雜在一起后，其增強效應(yīng)應(yīng)考慮兩種纖維在單一狀態(tài)下對水泥基材料增強作用的乘積，混雜系數(shù)可采用差值法或比值法定義。本文采用的是比值法，定義聚丙烯纖維與玻璃纖維的混雜系數(shù)如下：(2-2)(2-3)式中，，分別為混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度的混雜系數(shù)。從混雜系數(shù)的結(jié)果表5可以看出，聚丙烯纖維(PP)與玻璃纖維(GF)混雜抗壓強度的混雜系數(shù)為7d：0.97，28d：0.98，均呈現(xiàn)負混雜效應(yīng)，但從強度的絕對降低值來看并不影響其力學(xué)性能；對混凝土劈裂抗拉強度的混雜系數(shù)為7d：1.02，28d：1.08，均呈現(xiàn)正效應(yīng)，聚丙烯纖維和耐堿玻璃纖維混合增強混凝土對混凝土劈裂抗拉強度的提高有積極作用，從表6中可以看出28d劈裂抗拉強度表5混雜纖維對混凝土抗壓強度的影響摻加形式7d（MPa）強度增強系數(shù)ββ混雜系數(shù)α28d(MPa)強度增強系數(shù)ββ混雜系數(shù)α單摻PP31.60.920.9764.50.980.98單摻GF33.90.9964.90.97混摻30.40.8962.20.95空白34.2—65.8—表6混雜纖維對混凝土劈裂強度的影響摻加形式7d(MPa)強度增強系數(shù)ββ混雜系數(shù)α28d(MPa)強度增強系數(shù)ββ混雜系數(shù)α單摻PP2.121.031.023.521.021.08單摻GF2.311.133.831.11混摻2.431.194.211.22空白2.05—3.46—最大可提高22%。當(dāng)在高性能混凝土中少量摻入這兩種纖維時，混凝土的韌性得以顯著的提高主要得益于纖維的阻裂機制：一方面，彈性模量高的玻璃纖維起增強材料的作用，當(dāng)混凝土中的微小裂紋在外載作用下發(fā)生擴展時，纖維橫跨在裂紋之間起橋接作用，緩解了裂縫尖端的應(yīng)力集中，增加了裂縫的擴展阻力，提高了混凝土的斷裂能；另一方面，彈性模量比混凝土低，但斷裂延伸率要大得多的聚丙烯纖維能顯著提高纖維增強混凝土的裂后變形能力，形成所謂的多點開裂，上述混雜系數(shù)也清楚地表明了這一點。正是這二者的協(xié)同作用提高了混凝土物理力學(xué)性能，體現(xiàn)了比不摻或單摻纖維性能好的特點。2.2纖維混雜對混凝土早期塑性收縮性能的影響通過試(1)和(2)計算混雜纖維和單摻纖維混凝土的抗開裂性能比和開裂指數(shù)，計算結(jié)果如表7所示。(1)(2)其中，W——開裂指數(shù)(mm)；Ai——權(quán)重值；li——裂縫長度(mm)；——抗開裂性能比(%)；——基準砂漿的開裂指數(shù)(mm)；——外摻料砂漿的開裂指數(shù)(mm)。表7纖維砂漿開裂指數(shù)值摻加形式抗開裂性能比((％)開裂指數(shù)(mmm)單摻PP48.4251單摻GF47.9254混摻53.8225空白－487從表7中的開裂指數(shù)值可以看出，不管是單摻還是混摻纖維，均能減少砂漿的塑性干縮裂縫，單在最佳摻量下，三種摻加形式對減少塑性干縮裂縫作用大小的排序為：混摻>單摻PP>單摻GF。從抗開裂性能比可以看出，混摻對減少混砂漿塑性開裂的效果最好，大約可以減少大約53.8%，其次是聚丙烯纖維，約為48.4%，玻璃纖維約為47.9%。從中我們可以看出，在混凝土中的三維亂向分布的短纖維雖然增強的效率很低，但用以阻止無規(guī)則、無取向性的塑性裂縫產(chǎn)生則是最有效的。塑性裂縫總是從混凝土表面的原生微裂縫處開始擴展。當(dāng)微裂縫的長度大于纖維的間距時，纖維將跨越裂縫起到傳遞荷載的橋梁作用，使混凝土內(nèi)的應(yīng)力場更加連續(xù)和均勻，使微裂縫尖端的應(yīng)力集中得以鈍化，裂縫的進一步擴展受到約束。長度小于纖維間距的原生裂縫擴展遇到纖維時，纖維將迫使其改變延伸方向或跨越纖維生成更微細的裂縫場，顯著增大了微裂縫擴展的能量消耗。2.3纖維混雜對混凝土滲透性能的影響本試驗采用NEL法，此試驗方法為通過測定混凝土的電導(dǎo)率來快速評價混凝土的抗氯離子滲透性能。氯離子測定結(jié)果如表8所示。表8混雜纖維對混凝土Cl-滲透性的影響(×10-9cm2/s)組別單摻PP單摻GF混摻空白Cl－擴散系數(shù)數(shù)2.132.532.652.93從表8中可以看出，單一纖維的摻入能很好地改善混凝土的抗?jié)B性，纖維按二元混雜與它們相比，Cl-擴散系數(shù)反而有所提高。單摻PP的混凝土Cl-滲透系數(shù)比普通混凝土低27%，單摻GF的混凝土Cl-滲透系數(shù)比普通混凝土低14%，而混雜纖維混凝土的Cl-滲透系數(shù)只比普通混凝土降低了9.6%。分析其原因大致如下：在適當(dāng)摻量下，纖維能均勻地分布于混凝土中，在早期能有效地抑制混凝土中塑性收縮裂縫的寬度以及減少了混凝土貫穿孔的產(chǎn)生和發(fā)展，從而對后期抗?jié)B性的提高必然有積極作用。另外，均勻分布在混凝土中彼此相粘連的大量纖維起了“承托”骨料的作用，降低了混凝土表面的析水與集料的離析，從而使混凝土中有害孔隙的含量大大降低。相對于普通混凝土而言，提高了混凝土的抗?jié)B性。單純從這點考慮，似乎是纖維摻得越多對混凝土抗?jié)B性越好，但從試驗中我們看出，在耐堿玻璃纖維與聚丙烯纖維同時摻入的時候，混凝土Cl-滲透系數(shù)只降低了9.6%，究其原因，主要是不同尺度和不同性質(zhì)的纖維在混凝土基體中形成了空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，雖然一方面它們減小了纖維間距，阻止了貫穿孔的產(chǎn)生，但同時又產(chǎn)生了眾多的薄弱界面，而正是這些界面使混凝土抗?jié)B性又降低了。但綜合兩種作用，與普通混凝土相比，其抗?jié)B性還是微有提高。因此，混雜纖維對混凝土抗?jié)B性的影響規(guī)律，與纖維尺度、性能及纖維混雜比例密切相關(guān)，而且纖維總體積分數(shù)始終是一個重要因素。3結(jié)論(1)通過耐堿玻璃纖維和聚丙烯纖維二元混雜纖維混凝土抗壓強度和抗折強度的混雜系數(shù)發(fā)現(xiàn)，混雜纖維混凝土7d和28d的抗壓強度的混雜系數(shù)為小于1的值，呈現(xiàn)負混雜效應(yīng)；而7d和28d抗折強度混雜系數(shù)為大于1的值，呈現(xiàn)正混雜效應(yīng)。(2)混雜纖維混凝土早期塑性開裂得到有效抑制，抗開裂性能約提高50%，比單摻纖維的效果要好。(3)聚丙烯纖維與耐堿玻璃纖維的混雜摻加對混凝土Cl-滲透系數(shù)的降低效果不明顯。參考文獻[1]吳中偉,廉慧珍.高性能混凝土.中國鐵道出版社,1994:18~24[2]黃兆龍.混凝土性質(zhì)與行為.詹氏書局.2001:276~279[3]黃兆龍,