纤维对水工粉煤灰混凝土性能的影响

摘 要：纤维可以改善混凝土性能，因而在工程中得到了广泛应用。对掺不同品种纤维的水工粉煤灰混凝土基本力学性能、变形性能、抗冲磨强度、抗裂性能进行了研究，结果表明，掺入不同品种的纤维后，混凝土极限拉伸值、抗冲磨强度、平板抗裂性均有所提高，纤维对混凝土早龄期干缩具有较好的抑制作用。

关键词：纤维；粉煤灰混凝土；抗冲磨；抗裂性

中图分类号：TU528 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）31-0037-03

高性能混凝土（HPC）是水泥基材料的发展方向，更是水泥基材料的未来，被称为“21世纪混凝土”[1]。粉煤灰资源丰富、价格低廉，且含有大量的活性成分，优质粉煤灰合理地应用于混凝土中，不但能代替部分水泥，节省工程造价，而且能够改善和提高混凝土的性能，是高性能混凝土中的理想掺合料[2]。在现代混凝土中，粉煤灰与水泥、集料、水、外加剂同样重要，已成为混凝土中的一个组份[3]。复合化是水泥基材料高性能化的主要途径，纤维增强是其核心[4]。纤维增强在复合化中占突出地位，纤维的掺入能够显著提高混凝土抗拉强度、抗裂性、延性、韧性、抗冲击及抗剪性能[5-7]。本文主要探讨在粉煤灰混凝土中掺入改性聚乙烯醇KS-1500（PVA1）纤维、聚乙烯醇（PVA2）纤维和聚丙烯（PP）纤维，对水工粉煤灰混凝土性能的影响。

1 试验

1.1 原材料

水泥为华新（昭通）堡垒42.5中热硅酸盐水泥，比表面积为342m2/kg，密度为3.22g/cm3，标准稠度为24.1%。粉煤为宣威电厂I级粉煤灰，比表面积为386m2/kg，表观密度为2.32g/cm3，细度为6.8%，需水量比为93%。外加剂采用江苏博特JM-PCA高效减水剂，减水率为27%，浙江龙游ZB-1G引气剂。纤维为江苏能力科技有限公司生产的改性聚乙烯醇纤维KS-1500，四川维纶厂生产的聚乙烯醇纤维和张家港方大纤维有限公司生产的聚丙烯纤维，纤维厂家及力学性能检测结果见表1。骨料为玄武岩人工粗、细骨料，其中细骨料的细度模数为 2.89，石粉含量为 12.4%。

掺粉煤灰混凝土的试验配合比及拌和物性能见表2。试验结果表明，在保证混凝土坍落度、含气量一致的情况下，掺入纤维后，JM-PCA减水剂的掺量应增加0.1%，ZB-1G引气剂的掺量可保持不变。

1.2 试验方法

混凝土力学性能、变形性能和热学性能的试验方法按照DL/T 5150-2001《水工混凝土试验规程》进行，混凝土力学性能试件的尺寸为150mm×150mm×150mm，混凝土极限拉伸值采用翼形外夹试件，用位移传感器测量极限拉伸值；混凝土干缩试件的尺寸为100mm×100mm×515mm，测量仪器为卧式弓形螺旋测微仪；混凝土绝热温升采用JR-4型混凝土绝热温升测试仪进行。

混凝土抗裂性的试验方法采用CCES 01-2005《混凝土结构耐久性设计与施工指南》附录A2推荐的平板法。试验装置的试模尺寸为600mm×600mm×63mm，由放置在周边的L形钢筋网提供约束，试模内部底面上铺一层塑料薄膜以减少对混凝土的约束，试件浇注后，用太阳灯和电风扇让其快速脱水，收缩24h后测定裂缝长度和宽度。

混凝土抗冲磨性能的试验按照DL/T 5150-2001《水工混凝土試验规程》的水下钢球法，试件尺寸为φ300mm×100mm，抗冲磨性能以抗冲磨强度来表示。

2 结果分析与讨论

2.1 纤维对粉煤灰混凝土强度与极限拉伸值的影响

纤维种类对粉煤灰混凝土强度的影响见图1-图3，对混凝土极限拉伸值的影响见图4。

试验结果表明，在粉煤灰混凝土中掺入不同种类的纤维后，相比较于未掺加纤维的粉煤灰混凝土试件：

（1）28d龄期的抗压强度降低的幅度偏大，PVA1纤维混凝土和PVA2纤维混凝土在10%左右，PP纤维混凝土降低了14%；其他龄期的抗压强度略有降低，在3%左右；不同种类的纤维混凝土抗压强度都呈现出前期的抗压强度降低的幅度大于后期。

（2）28d龄期时PVA2纤维混凝土劈拉强度提高了3%，其他龄期时，PVA1纤维混凝土和PVA2纤维混凝土的劈拉强度都有降低，同龄期PVA2纤维混凝土的劈拉强度降低的幅度大于PVA1纤维混凝土；PP纤维混凝土劈拉强度前期降低的幅度较大，7d龄期时为6%，28d龄期时为21%，后期劈拉强度略有降低。不超过1%。

（3）PVA2纤维混凝土180d龄期时抗拉强度降低了6%，其他各龄期，掺不同种类纤维的混凝土抗拉强度都提高了，其中PVA1纤维混凝土提高的幅度最大，28d龄期时为20%，90d龄期时为14%，180d龄期时为3%，前期提高的幅度大于后期。

（4）PVA1纤维混凝土和PP纤维混凝土各龄期的极限拉伸值都提高了，PVA1纤维混凝土提高的幅度明显大于PP纤维混凝土，同种纤维混凝土不同龄期比较，前期提高的幅度大于后期；PVA2纤维混凝土各龄期的极限拉伸值都略有降低，在2%左右。

纤维的掺入和混凝土形成了薄弱的界面过渡区，导致抗压强度下降，后期因为粉煤灰效应的发挥，增强了混凝土抗压强度，从而掺入不同种类的纤维后，混凝土抗压强度呈现出后期降低幅度小于前期的趋势。PVA1纤维、PVA2纤维和PP纤维抗拉强度高，具有较好的延性，掺入混凝土中，能有效提高混凝土的抗拉强度和极限拉伸值强度。PVA1纤维相较于PVA2纤维和PP纤维，其抗拉强度更大，弹性模量更高，所以PVA1纤维对混凝土抗拉强度和极限拉伸值的提高幅度更大。比较 3 种不同品种纤维，PVA1纤维的改善效果更好。

2.2 纤维对粉煤灰混凝土干缩的影响

纤维种类对粉煤灰混凝土干缩的影响见图5。

试验结果表明，掺入不同品种的纤维后，混凝土干缩变形减小，且对混凝土早龄期干缩的抑制效果更显著，但不同纤维品种之间的差异不明显。

毛细管张力理论[9]表明：在混凝土中掺入纤维，纤维的乱向分布可以起到骨架的作用，降低了混凝土表面的析水，从而提高了水泥砂浆的保水能力，延长了水泥砂浆的孔隙中出现表面张力的时间，所以纤维能够有效的地减小其干缩率。

2.3 纤维对粉煤灰混凝土抗冲磨强度的影响

纤维种类对混凝土抗冲磨强度的影响见表3。

试验结果表明：掺入纤维后，混凝土不同龄期抗冲磨强度有一定程度的增加，增长幅度在15%左右；纤维种类对混凝土抗冲磨强度影响的差异较小。

粉煤灰的颗粒一般都很小，在混凝土中可起微集料作用，充填在微小的孔隙中，同时，受到水泥水化生成的氢氧化钙的激发，粉煤灰会逐渐发生水化作用生成胶凝物质C-S-H，物理充填和水化反应物充填共存，可使混凝土更加致密，从而提高混凝土的抗冲磨强度。相较于粉煤灰混凝土，纤维的抗拉强度大，弹性模量高，在粉煤灰混凝土中掺入纤维可降低混凝土的脆性，从而进一步提高混凝土的抗冲模强度。

2.4 纤维对硅粉混凝土抗裂性能的影响

纤维对混凝土抗裂性能的影响见表4，混凝土平板开裂最大裂缝宽度随时间的变化见图6，裂缝总面积与试件类型的关系见图7。

试验结果表明，粉煤灰基准混凝土的平板抗裂等级为V级，掺入不同种类纤维后，混凝土的平板抗裂等级为I级，且PVA1纤维混凝土全程未开裂，阻裂效果最好。由图6可见，PVA2纤维和PP纤维掺入混凝土中降低了不同时间段内混凝土的最大裂缝宽度，粉煤灰混凝土最大裂缝宽度0.32mm，PVA2纤维混凝土最大裂缝宽度0.15mm，PP纤维混凝土最大裂缝宽度0.11mm，且纤维混凝土出现第一条裂缝的时间明显延迟。裂缝总面积是评价和优化混凝土开裂性能的一项重要指标，由图7可见，PVA1纤维未开裂，另外两种纤维混凝土较粉煤灰混凝土裂缝总面积显著降低，PVA2纤维混凝土降低了76%，PP纤维降低了84%。因此，纤维能显著提高混凝土抗裂性能，不同纤维阻裂能力的顺序为：PVA1纤维>PVA2纤维>PP纤维。

纤维抗拉强度大，弹性模量高，分散性良好，纤维加入混凝土中能有效提高混凝土的韧性；同时纤维数量众多，在混凝土中均匀分布，能有效改善混凝土内部的应力分布，降低微裂缝尖端的应力集中，从而有效地消耗微裂缝扩展的能量，从而有限提高混凝土的抗裂能力。

3 结论

（1）掺入不同种类的纤维后，混凝土的抗压强度和劈拉强度都有降低，混凝土抗压强度呈现出前期降低幅度大于后期的趋势；混凝土抗拉强度都有提高，PVA1纤维混凝土提高的幅度最大，且呈现出前期大于后期趋势；PVA1纤维混凝土和PP纖维混凝土各龄期的极限拉伸值都提高了，PVA1纤维混凝土提高的幅度较大，PVA2纤维混凝土各龄期的极限拉伸值都略有降低。

（2）纤维对混凝土干缩有一定的抑制效果，特别是早龄期混凝土的干缩。

（3）纤维能提高混凝土抗冲模强度，纤维种类对混凝土抗冲磨强度影响的差异较小。

（4）掺入纤维有效抑制了混凝土的早期塑性开裂，提高了混凝土的耐久性；不同纤维阻裂能力的顺序为：PVA1纤维>PVA2纤维>PP纤维。

参考文献：

[1]吴中伟.绿色高性能混凝土与科技创新[J].建筑材料学报，1998（01）：1-7.

[2]钱觉时.粉煤灰特性与粉煤灰混凝土[M].北京科学出版社，2002.

[3]杨华全，李文伟.水工混凝土耐久性的研究和应用[M].北京：中国电力出版社，2004.

[4]吴中伟.纤维增强——水泥基材料的未来[J].混凝土与水泥制品，1999（01）：5-6.

[5]PASSUELLO A， MORICON G， SHAH S P. Cracking behavior of concrete with shrinkage reducing admixtures and PVA fibers[J]. Cement and Concrete Composites， 2009，31（10）：699-704.

[6]袁勇，邵晓芸.合成纤维增强混凝土的发展前景[J].混凝土，2000（12）：3-7.

[7]阎利，万朝均，王绍东，等.聚丙烯纤维增强混凝土概述[J].新型建筑材料，2003（01）：52-54.

[8]Bazant Z P，Xi Y. Drying creep of conerete：constitutive model and experiments separating itsmechanisms[J].Materialsand Structures，1994，

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