纤维混凝土发展至今, 已经有很多人分别做过不同种类纤维对混凝土物理及力学性能影响的研究试验, 极大地丰富了纤维混凝土文献库。然而多数可参考文献仅针对某特定纤维或混凝土的某特定性能, 而相关文献综述又过于概括, 没有对具体纤维混凝土的性能做对比试验。因此, 希望将几种常见的纤维对混凝土主要的物理及力学指标的影响做比较, 本文讨论了PP (聚丙烯) 、PAN (聚丙烯腈) 和2种不同的PVA (聚乙烯醇) 4种纤维对混凝土分散性、收缩性能及抗压、抗折强度的不同影响。

胶凝材料:P·O42.5水泥;细骨料:10～20目砂、20～40目砂和40～70目砂按2∶3∶1的质量比混合;粗骨料:碎石, 最大粒径19.0mm, 4.75～9.5mm占50%, 9.5～19.0mm占50%, 连续级配;外加剂:BASF 聚羧酸减水剂;水:饮用水;纤维:各种纤维性能参数如表1所示。

混凝土强度等级C35, 配合比 (kg/m³) 为:水泥∶砂∶石∶水∶减水剂=400∶722∶1 084∶180∶0.5。

本试验纤维的分散性研究采用观察法;收缩性能采用100mm×100mm×515mm混凝土试件, 按照CECS13∶2009《纤维混凝土试验方法标准》中接触法进行测定;抗压强度采用100mm×100mm×100mm混凝土试件, 按照GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测定;抗折强度采用100mm×100mm×400mm混凝土试件, 按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测定。收缩性能、抗压及抗折强度试验均考虑4种不同纤维, 每种纤维都有0.2%, 0.5%, 1.0% 3种体积率, 试验具体分组情况如表2所示。

收缩、抗压及抗折试验数据如表3所示。

本试验通过观察分析4种纤维在混凝土中的分散性。试验结果表明, 在纤维体积率较小的情况下, 4种纤维都能较好地均匀分布于混凝土中。然而, 当纤维体积率达到1%甚至更大时, PP纤维依然能很好地分散于混凝土中, 2种PVA纤维和PAN纤维的分散性变差。

根据ACI经验公式, 混凝土的收缩与龄期有如下关系^[1,2,3,4]:

$y=\frac{bt}{a+t}(1)$

式中:y为收缩值;t为龄期;a为参数;b为最终收缩值, 对于相同配合比、相同养护条件及试件尺寸的材料, 其也可视为参数。

若材料1的收缩性能明显优于材料2, 则材料1收缩值的绝对值 (y₁) 始终小于等于材料2 (y₂) , 即:

$|y{}_1|\le |y{}_2|(2)$

记材料1和材料2的a, b值分别为a₁, b₁, a₂, b₂, 可得^[2]:

$\left|\frac{b{}_1}{a{}_1}\right|\le \left|\frac{b{}_2}{a{}_2}\right|(3)$

令$C=\left|\frac{b}{a}\right|$, 则有下式:

$C{}_1\le C{}_2(4)$

若式 (4) 成立, 则式 (2) 成立。因此, 可以通过比较混凝土试件C值的大小从数值上判断混凝土试件的收缩性能, C值可以作为表征混凝土早期收缩性能的指标。

本试验试件收缩值随龄期关系如图1所示。

为方便起见, 现对式 (1) 求倒数得^[2]:

$\frac{1}{y}=\frac{a}{bt}+\frac{1}{b}(5)$

令B=a/b, A=1/b, Y=1/y, T=1/t, 得:

$Y=B{\rm T}+A(6)$

整理数据, 由式 (6) 进行线性回归, 得C值。本试验C值如表4所示。

由第2～13组与第1组比较可知, 掺加PP纤维、PVA (针状) 纤维、PVA (絮状) 纤维和PAN纤维后, 混凝土的收缩相对较小, 收缩性能优于素混凝土。这可能是因为纤维在混凝土内部形成的三维体系能阻隔水分散失的通道, 减少或延缓水分的散失, 减小毛细管收缩应力。由第2～4组, 第5～7组, 第8～10组与第11～13组相互比较可知, PAN纤维混凝土的收缩最小, PP纤维混凝土次之, PVA (针状) 纤维混凝土再次, PVA (絮状) 纤维混凝土的收缩最大;由第2～4组或第8～10组或第11～13组比较可知, 随着PP、PVA (针状) 、PAN纤维掺量增加, 纤维混凝土的收缩越来越小;由第5～7组比较可知, 在小掺量情况下, 随着纤维掺量增加, PVA (絮状) 纤维混凝土的收缩越来越小, 而纤维掺量较大时, 混凝土的收缩反而增大, 这可能是由于纤维掺量较大, 导致混凝土的流动性、纤维的分散性变差, 纤维并没有充分形成有效的三维体系, 因而不能有效减小毛细管收缩应力, 混凝土的收缩性能也就变差^[5,6]。

试验测得的抗压强度平均值如图2所示。由图2可知, 在纤维体积率<0.2%的情况下, 4种纤维对混凝土的抗压强度均没有明显的提升作用;随着纤维体积率的增大, 混凝土的抗压强度有一定的提升, 其中PAN纤维的效果较显著, 2种PVA纤维的效果不明显, PP纤维反而降低了混凝土的抗压强度;当纤维体积率继续增大时, 纤维对混凝土的抗压强度提升作用不再增加, 其中PAN纤维掺量的增加降低了混凝土的抗压强度。

纤维之所以能一定程度地提升混凝土的抗压强度, 是因为纤维加入混凝土中经搅拌后呈三维乱向分布状态, 构成一种三维乱向支撑体系, 有助于提高混凝土受外力作用时能量的吸收^[5,6]。然而, 当纤维体积率过大时, 混凝土的流动性和分散性变差, 纤维的加入不仅没有形成一种有效的支撑体系来提高混凝土的抗压强度, 而且成团的纤维增加了混凝土的内部缺陷, 从而造成混凝土抗压强度的减小。

试验测得的抗折强度平均值如图3所示。

由图3可知, 在纤维体积率<0.2%的情况下, 4种纤维对混凝土的抗折强度均没有明显的提升作用;随着纤维体积率的增大, 混凝土的抗折强度有一定提升, 其中PAN纤维的效果较显著, 2种PVA纤维的效果不明显, PP纤维反而降低了混凝土的抗折强度;当纤维体积率继续增大时, 纤维对混凝土的抗折强度提升作用不再增加, 其中PAN纤维掺量的增加降低了混凝土的抗折强度。

纤维之所以能一定程度地提升混凝土的抗折强度, 是因为纤维加入混凝土中经搅拌后呈三维乱向分布状态, 纤维与水泥基体的界面之间会形成机械啮合力和吸附黏结力^[6]。同纤维对抗压强度的影响一样, 当纤维体积掺率过大时, 混凝土的流动性和分散性变差, 成团的纤维增加了混凝土的内部缺陷, 从而造成混凝土抗折强度减小。

1) 在纤维体积率较小的情况下, 4种纤维都能较好地均匀分布于混凝土中。当纤维体积率达到1%甚至更大时, PP纤维依然能很好地分散于混凝土中, 2种PVA纤维和PAN纤维的分散性变差。

2) 在纤维体积率较小的情况下, 4种纤维的掺入都能一定程度地优化混凝土的收缩性能;当纤维掺量达到1%甚至更大时, 纤维对混凝土收缩性能的优化基本不变, PAN纤维反而会降低混凝土的收缩性能;4种纤维中PAN纤维的效果最显著, PP纤维次之, 2种PVA纤维对混凝土收缩性能的影响不显著。

3) 在纤维体积率较小的情况下, 4种纤维都一定程度地提高了混凝土的抗压强度和抗折强度;当纤维掺量达到1%甚至更大时, 纤维对混凝土抗压及抗折强度的优化作用不再增加, PAN纤维反而会降低混凝土的抗压及抗折强度;4种纤维中PAN纤维的效果最显著, 2种PVA纤维次之, PP纤维理论上仍有一定效果。