混凝土(包括高性能砂浆)是目前应用最广泛的建筑材料之一,有着良好的抗压性能,但抗裂性和韧性较差,在外界环境或荷载作用下易产生裂缝,进而影响结构或构件的耐久性。为了抑制或延缓混凝土裂缝的开展并提高其韧性,通常在混凝土中掺入合适的纤维以形成力学性能较好的纤维增强混凝土复合材料,这是目前改善混凝土材料性能的最有效方法之一。对于采用单一纤维(如钢纤维、PVA纤维、耐碱玻璃纤维及聚丙烯纤维等)从不同角度来提高混凝土材料的性能,国内外学者已开展了一系列研究 ^[1,2,3,4]。这些研究表明,不同纤维对混凝土各性能指标影响程度不一采用某单一纤维不能全面提高混凝土各性能指标。因此,需考虑采用不同纤维从不同结构层次上复合增强混凝土材料的力学性能。

　　 关于不同纤维混掺增强混凝土材料的力学性能,国内外学者从不同角度开展了相关研究,如Sukontaukkul等 ^[5]研究了钢-聚丙烯混杂纤维对混凝土材料力学性能的影响; Kim等 ^[6]和Ahmed等 ^[7]分别针对不同形状的钢纤维和不同长度的聚乙烯醇纤维混杂后对混凝土力学性能的影响; 国内华渊等 ^[8]、邓宗才等 ^[9]、夏冬桃等 ^[10]也就混杂纤维对混凝土的基本力学性能、疲劳性能及抗冲击性能等的影响开展了相关研究。这些研究表明,混凝土中加入适量的混杂纤维后可表现良好的正混杂效应,优于单一纤维增强效果。尽管上述研究对考虑了不同纤维混掺对混凝土材料力学性能的增强效果,但之前的研究中大多数采用同一尺度纤维(如厘米级纤维)相互混掺杂,较少考虑纤维不同尺度对混凝土力学性能的影响; 而近期曹名莉等 ^[11]、张聪等 ^[12]和吴耀青等 ^[13]的研究结果表明,不同尺度的纤维可以在不同结构层次上对混凝土力学性能进行增强。为此,本文选用强度高、稳定性好且耐久性能优越的微米级纤维(碳酸钙晶须)和厘米级纤维(PVA纤维)作为混凝土材料的掺和物,对单掺、复掺下高性能细骨料混凝土复合材料的抗压、抗折及劈拉性能进行试验,研究不同尺度纤维对细骨料混凝土力学性能的影响。

　　 根据课题组的前期研究结果 ^[13,14],混凝土配合比设计为水泥∶水∶砂∶粉煤灰∶减水剂=1∶0.35∶1.62∶0.2∶0.015; 采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥、普通河砂(Ⅱ区中砂)、二级粉煤灰、JM-PCA(Ι)型减水剂和自来水人工拌和而成。需要指出的是,本试验基体材料中不含粗骨料,尽管最大骨料粒径实际在砂的范围内,但其抗压强度在50MPa以上,已达到甚至超过普通混凝土材料强度,且远高于普通砂浆,因此本文称之为“细骨料混凝土”。

　　 碳酸钙晶须的相对密度为2.9g/cm³,平均直径为1.5μm,长径比约为25; 外观为白色粉末,微观形态呈针状纤维,如图1所示。厘米级纤维采用聚乙烯醇(PVA)纤维,纤维长度为12mm,具体性能指标见表1。

　　 根据课题组前期研究成果 ^[14,15],试验中碳酸钙(CaCO₃)晶须体积掺量取1.2%和2.4%(对应的质量掺量分别为5%和10%)两种,PVA纤维体积掺量取1%,1.6%和2%三种。为比较不同纤维掺入对混凝土力学性能的影响程度,试验中还设计了未掺纤维的混凝土试件对比组。试验共设计了9组纤维增强混凝土试件,各参数如表2所示。表中CF表示未掺纤维的基准组; CFCW1表示混凝土中掺入1.2%的碳酸钙晶须的试件组; CFCW2表示混凝土中掺入2.4%的碳酸钙晶须的试件组; CFCW1-P1表示混凝土中掺入1.2%的碳酸钙晶须和1%的PVA纤维的试件组; 其他试件组的符号含义以此类推。

　　 纤维增强细骨料混凝土试件的制作和力学性能试验参照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70—2009)进行。抗压和劈拉试件的尺寸为70.7mm×70.7mm×70.7mm,抗折试件尺寸为40mm×40mm×160mm,每组试件均浇筑3个。

　　 多纤维复合增强混凝土试件的制作步骤大致如下:先将PVA纤维进行人工预分散待用,然后把称好的砂、水泥、粉煤灰倒入搅拌机干拌2min,再加入碳酸钙晶须后搅拌2min; 将溶有减水剂的水倒入搅拌机后搅拌4min,然后将PVA 纤维沿着搅拌桶旋转的方向缓慢加入,全部加入后再搅拌15min; 将搅拌均匀的混凝土拌合物分2层浇入相应模具内并振捣密实,初凝后移进养护室养护28d后进行试验。抗压和劈拉试验在WEW型微机控制万能试验机上进行,抗折试验在DKZ-5000型水泥电动抗折试验机上进行。

　　 试件抗压、抗折和劈拉强度分别按式(1),(2)和(3)计算:

　　 $f{}_{\text{c}}=\frac{F}{A}(1)$

　　 式中:f_c为细骨料混凝土立方体抗压强度,MPa; F为试件破坏荷载,N; A为试件实际受压面积,mm²。

　　 $f{}_{\text{f}}=\frac{1.5FL}{b{}^3}=0.234\times 10{}^{-2}F(2)$

　　 式中:f_f为细骨料混凝土抗折强度,MPa; L为试件夹具支座间的距离,取100mm; b为试件正方形截面的边长,mm。

　　 $f{}_{\text{t}}=\frac{2F}{\text{π}A{}_1}=1.27\times 10{}^{-4}F(3)$

　　 式中:f_t为细骨料混凝土劈拉强度,MPa; A₁为试件劈裂面面积,mm²。

　　 图2和图3分别给出了普通细骨料混凝土CF组和纤维增强细骨料混凝土CFCW1-P1.6组在抗压和劈拉试验中的典型破坏形态。由图2可看出,普通混凝土材料呈脆性,受压后表层混凝土沿受力方向脱落并在试件中部出现“颈缩”现象,破坏时试件整体呈锥形,如图2(a)所示; 采用纤维增强的混凝土材料,由于纤维的填充、桥联等作用使得混凝土抗裂性和韧性提高,试件在压力作用下未出现表层脱落现象,尽管试件周边的混凝土有向外鼓出的趋势,但最终裂而不散,裂缝处可观测到PVA纤维拉断,如图2(b)所示。

　　 相比抗压试验,劈拉试验中普通细骨料混凝土CF组和纤维增强细骨料混凝土CFCW1-P1.6组的破坏形态也有明显区别。普通细骨料混凝土CF组在达到极限荷载时会出现非常明显的脆性断裂现象,试件通常一裂为二、不能保持完整性,如图3(a)所示; 而纤维增强细骨料混凝土CFCW1-P1.6组的劈裂破坏则表现出一定的延性,劈裂破坏时试件仍能保持完整性,仅在劈裂面处形成一道贯穿的裂缝,而且裂缝宽度随着纤维掺量的增多而变小,如图3(b)所示。由图2和图3的破坏形态对比可看出,适量掺入纤维对于改善普通混凝土材料的韧性和脆性破坏特征有明显的益处。需要说明的是,本节未单独给出仅掺碳酸钙晶须和PVA纤维的混凝土试件的破坏形态,这是由于单掺PVA纤维的试件破坏形态与复掺两种纤维的试件破坏情况基本一致,无明显差别; 而单掺碳酸钙晶须的试件,尽管其极限强度有所提高,但由于晶须的长度非常短,在宏观裂缝的抑制效果上作用较小,因而试件破坏形态与普通细骨料混凝土试件相似。

　　 为探讨不同纤维掺入对高性能细骨料混凝土力学性能的影响,表3给出了各组试件力学性能试验结果。表中各试件的抗压、抗折及劈拉强度值分别按式(1),(2)和(3)进行计算,且每组强度值均为3个试件的平均值。由表3可以看出,采用纤维增强后混凝土材料的抗压、抗折及劈拉强度均有不同程度的提高,力学性能有所改善; 但不同纤维掺入对混凝土强度的影响程度存在差异,单掺碳酸钙晶须时混凝土抗压、抗折及劈拉强度提高幅度较小,碳酸钙晶须和PVA纤维复掺时混凝土抗压、抗折及劈拉强度提高明显。

　　 图4给出了单掺碳酸钙晶须时细骨料混凝土抗压、抗折及劈拉强度随碳酸钙晶须掺量增加的变化趋势。由图可看出,随着碳酸钙晶须体积掺量由0增至2.4%,细骨料混凝土的抗压、抗折及劈拉强度总体上呈先升后降的趋势; 相对于未掺碳酸钙晶须的基准组试件(CF组试件),掺入1.2%碳酸钙晶须试件(CFCW1组试件)的抗压、抗折和劈拉强度分别提高了0.54%,2.6%和6.5%; 当碳酸钙晶须体积掺量增至2.4%时,试件的抗压、抗折及劈拉强度均出现了不同程度的降低。出现上述变化规律的原因主要是,细骨料混凝土中存在凝胶孔、砂浆间隙及空洞等微细观结构,当碳酸钙晶须掺量较低时,微米级的晶须在细骨料混凝土拌合物中能较均匀分散,可以对混凝土的微细观缺陷起填充和桥联作用,因而使得混凝土材料的力学性能有所提高。当碳酸钙晶须掺量较高时,会产生团聚现象,从而影响了混凝土的密实性,导致混凝土材料的抗压、抗折、劈拉强度均略有下降。

　　 基于图4中各强度指标随碳酸钙晶须掺量的变化规律,碳酸钙晶须增强细骨料混凝土的抗压、抗折及劈拉强度和碳酸钙晶须掺量的关系可统一采用下式表示:

　　 $f{}_{\text{x}}=f{}_{\text{x}0}(1+\alpha {}_{\text{c}\text{w}\text{x}}\lambda {}_{\text{c}\text{w}}+\beta {}_{\text{c}\text{w}\text{x}}\lambda {}_{\text{c}\text{w}}^2)(4)$

　　 式中:f_x统一为碳酸钙晶须增强混凝土材料的抗压强度f_c、抗折强度f_f、劈拉强度f_t; f_x0统一为未掺碳酸钙晶须的基准试件的抗压强度f_c0、抗折强度f_f0和劈拉强度f_t0; λ_cw为碳酸钙晶须含量特征值,定义为碳酸钙晶须体积含量V_cw、长度l_cw的乘积与晶须直径d_cw的比,即λ_cw=V_cwl_cw/d_cw; α_cwx,β_cwx统一为碳酸钙晶须增强混凝土强度影响系数,抗压、抗折和劈拉时分别取α_cwc(β_cwc),α_cwf(β_cwf)以及α_cwt(β_cwt),对本文试验数据进行拟合后按表4取值。

　　 采用式(4)计算得到的碳酸钙晶须增强混凝土强度值如图4所示,由图可知,计算值与试验值基本一致。

　　 图5给出了单掺PVA纤维时细骨料混凝土抗压强度、抗折强度及劈拉强度随PVA纤维体积掺量增加的变化趋势。由图可看出,随PVA纤维体积掺量由0逐渐增至2%,混凝土抗压强度呈现先增后减的趋势; 而抗折强度、劈拉强度则呈持续增加趋势,但增加幅度在PVA纤维体积掺量达到1.6%后有所减缓。PVA纤维增强混凝土的抗压强度最大提高幅度出现在纤维体积掺量为1.6%时,约提高11%; 而抗折强度和劈拉强度最大提高幅度则出现在掺量2%时,分别提高20%和35%。由此可见,PVA纤维掺量对混凝土各强度指标的影响规律不一,短切纤维对抗压强度的影响更多依赖其对混凝土细微观孔隙的填充作用; 但PVA纤维体积掺量过多时,易在混凝土中形成团聚现象,影响混凝土的均匀性和密实度,造成抗压强度降低; 而纤维对抗折、劈拉强度的影响则主要依靠其桥联、拉结作用。

　　 由图4和图5的试验结果比较可看出,厘米级PVA纤维对混凝土强度的影响程度明显大于微米级碳酸钙晶须,这表明混凝土力学性能受纤维尺度的影响较大,在抑制宏观裂缝开展和极限强度指标提高上,厘米级纤维更具优势。需要说明的是,尽管PVA纤维体积掺量越大,混凝土的抗折、劈拉性能越好,但掺量过大后混凝土的工作性能降低,当PVA纤维体积掺量大于2%时,混凝土基体成型较困难。综合考虑PVA纤维增强混凝土的工作性能和力学性能,本试验中PVA纤维体积掺量为1.6%时最佳,混凝土抗压强度、抗折强度及劈拉强度分别提高11%,15%和32%。

　　 根据图5中混凝土抗压、抗折及劈拉强度随PVA纤维体积掺量的变化趋势,PVA纤维增强混凝土的强度计算公式仍可采用式(4)的形式进行表达,即:

　　 $f{}_{\text{x}\text{p}}=f{}_{\text{x}0}(1+\alpha {}_{\text{p}\text{f}\text{x}}\lambda {}_{\text{p}\text{f}}+\beta {}_{\text{p}\text{f}\text{x}}\lambda {}_{\text{p}\text{f}}^2)(5)$

　　 式中:各符号的含义与式(4)相类似。其中,α_pfx,β_pfx为PVA纤维增强混凝土强度影响系数,按表5取值。

　　 采用式(5)计算得到的PVA纤维增强混凝土的强度值与试验值比较结果如图5所示,由图可知,二者吻合较好。

　　 图6给出了复掺碳酸钙晶须和PVA纤维的细骨料混凝土各强度指标随纤维掺量的变化趋势。根据图4中混凝土强度变化规律,复掺中碳酸钙晶须按最佳体积掺量取值,取1.2%,而PVA纤维的体积掺量分别取1%,1.6%和2%,其中混凝土中PVA纤维体积掺量超过2%后较难成型。由图6可知,相对于未掺碳酸钙晶须的基准组试件(CF组试件),复掺后混凝土抗压强度、抗折强度及劈拉强度最大提高幅度分别达14%,44%和48%,提高幅度明显高于单掺碳酸钙晶须或PVA纤维的混凝土强度。这表明不同尺度(微米级和厘米级)纤维在混凝土不同结构层次上起到了填充和桥联等增强作用,使得混凝土各强度指标出现了不同程度的提高。由图还可以看出,随着复掺纤维中PVA纤维体积掺量的增加,混凝土抗折强度呈持续上升趋势,而抗压强度、劈拉强度则呈先升后降趋势。这进一步说明,纤维掺量对混凝土力学性能的影响存在着正负增强效应,控制合适的掺量才能有效提高混凝土的各强度指标。综合考虑碳酸钙晶须和PVA纤维对细骨料混凝土各强度指标的影响,本研究中碳酸钙晶须和PVA纤维的最佳体积掺量分别为1.2%,1.6%。

　　 根据图6中复掺碳酸钙晶须和PVA纤维混凝土的抗压强度、抗折强度及劈拉强度变化趋势,并考虑两种纤维的相互影响,采用以下表达式统一反映纤维复合增强混凝土的抗压、抗折和劈拉强度。

　　 f_xcp=f_x0(1+α_cwx′λ${}_{\text{c}\text{w}}^2$+β_pfx′λ${}_{\text{p}\text{f}}^2$+γ_cpxλ_cwλ_pf) (6)

　　 式中:各符号的含义与式(4)和(5)相类似。其中,α_cwx′,β_pfx′及γ_cpx分别为与碳酸钙晶须和PVA纤维相关的混凝土强度影响系数,根据本文试验结果可按表6取值。

　　 采用式(6)计算得到的复掺碳酸钙晶须和PVA纤维的混凝土各强度值与试验值比较如图6所示。由图可知,二者吻合较好。需要说明的是,式(4),(5)和(6)均是基于本文试验结果分析提出,因而主要适用于与本文参数相当纤维增强细骨料混凝土强度计算; 如需扩大上述公式的适用范围,则需要更多的相关试验数据,有待进一步研究。

　　 为明确碳酸钙晶须和PVA纤维增强细骨料混凝土的微观结构形貌,图7给出了不同纤维增强混凝土基体的电镜扫描图。图7(a)为碳酸钙晶须嵌入混凝土基体的形态。 由图可见,晶须与基体的结合较好,基体破坏时晶须顶部发生了断裂,说明碳酸钙晶须可承受一定的拉力,对细微裂缝的发展起一定的抑制作用。图7(b)为基体中PVA纤维断裂形貌。 PVA纤维表面上覆有大量的水化产物,表明具有亲水性的PVA纤维能与基体较好结合; 此外,图中还可见明显的纤维被剥离和拉断痕迹,反映了PVA纤维通过剥离、滑动和拉出等方式对混凝土基体产生桥联作用。由此可见,将微米级的碳酸钙晶须与厘米级的PVA纤维结合掺入细骨料混凝土,既可抑制细微裂缝的出现又可控制宏观裂缝的发展,进而提高混凝土的抗拉性能和韧性 ^[16]。但是,纤维掺量过多时,容易引起团聚现象(图7(c)),这不仅影响基体的均匀性,还会因纤维之间的相互接触点过多导致更多孔隙的出现,并造成基体强度下降。

　　 (1)掺入适量的碳酸钙晶须或PVA纤维均可提高混凝土的力学性能,但不同纤维对强度提高的幅度不同,PVA纤维对混凝土强度提高幅度明显优于碳酸钙晶须,混凝土抗压强度、抗折强度和劈拉强度最多可分别提高11%,20%和35%。

　　 (2)复掺碳酸钙晶须和PVA纤维的混凝土力学性能明显优于单掺一种纤维,复掺纤维后混凝土的抗压强度、抗折强度和劈拉强度最大提高幅度分别为14%,44%和48%。表明两种不同尺度纤维可在不同结构层次上改善混凝土的力学性能。

　　 (3)采用纤维增强后,混凝土基体的脆性破坏特性明显改善,但微米级碳酸钙晶须对破坏形态的影响程度明显低于厘米级的PVA纤维; 而且PVA纤维体积掺量的控制对混凝土力学性能的改善尤为重要,掺量过大时反而会出现负增强效应。