在工程上应用比较广泛的纤维主要分为4类:钢纤维、玻璃纤维、碳纤维以及合成纤维, 其中合成纤维又分为聚乙烯 (PE) 、聚乙烯醇 (PVA) 、聚丙烯 (PP) 、聚丙烯腈 (PAN) 纤维等。其中, 前3种纤维都属于高弹性模量纤维, 在混凝土中添加纤维能显著提高混凝土材料的强度 (抗拉、抗压、抗弯) 、韧性、延性、抗冲击疲劳性能和变形模量。其中, 碳纤维的增强增韧效果最好, 但价格也最高;玻璃纤维价格低但耐碱性能差, 易被混凝土中的碱性环境腐蚀;合成纤维通常都是低弹性模量纤维, 在混凝土中主要起阻裂增韧、抗磨抗渗作用, 增强效果不明显, 甚至还会降低抗压强度, 但价格低廉、施工方便, 因此在路面工程中和抵抗早期开裂领域得到广泛应用。

纤维的掺入会降低混凝土拌合物的流动性, 增加拌合物的搅拌难度, 分散效果差甚至降低混凝土性能^[1], 因此, 良好的分散性能对保证纤维混凝土正常使用至关重要。在不改变原材料的情况下, 纤维的分散性能主要取决于分散拌合工艺的不同, 施工工艺的优劣直接决定了纤维混凝土的使用性能。而目前关于纤维混凝土的分散拌合工艺研究主要还是针对单种纤维, 对多种纤维混杂的拌合工艺研究还不够, 亟需对混杂纤维不同拌合方法进行比较和研究。

投放方法直接影响纤维混凝土质量和生产效率, 对于一些分散性能好的纤维, 可不经分散直接投放到搅拌机中搅拌, 对于其他类型纤维, 需采取相应的分散措施, 否则容易出现纤维结团和分散不均的现象。

常用的纤维分散方法可分为物理分散方法和化学分散方法2类, 物理分散方法主要有超声分散方法和机械分散方法2种。其中, 超声分散方法主要应用于纳米、微米级粒子的悬浮液, 而且该方法使用能耗大, 大批量使用成本过高, 不适用于工程实践, 目前该方法主要应用于实验室。

化学分散方法即选用一种或多种分散剂提高纤维的分散效率, 分散剂主要是通过改善分散体系稳定性及流变性来发挥作用。不同分散剂对混凝土中纤维的分散机理和分散效果不尽相同, 按分散剂的种类及其分散机理可分为以下几种。

1) 在液体中能电解的物质, 如六偏磷酸钠、氯化钠、硝酸钾、柠檬酸钠等, 电解后产生的离子对合成纤维产生选择性吸附, 使纤维带上正电荷或负电荷, 在布朗运动中两粒子碰撞时产生排斥作用阻止凝聚现象发生, 从而实现纤维分散。

2) 长链高分子聚合物, 如阿拉伯树胶、油酸、聚乙二醇等, 形成一层高分子保护膜, 包围单丝, 亲液基团伸向水中, 并具有一定的厚度, 这一壳层增加了两粒子间最接近的距离, 减小了范德华力的相互作用, 从而使分散体系得以稳定。从流体力学方面来看, 长链高分子聚合物的加入改变了悬浮液的流变性, 降低雷诺数, 将悬浮液的流动状态转为有序, 由此限制了纤维在水中的运动, 减少由于纤维之间的相互运动和接触产生的絮聚现象。

3) 离子型高分子聚合物, 如聚丙烯酸钠等, 在单丝纤维之间既形成电荷斥力, 又形成空间位阻效应, 减少纤维之间絮聚。

分散剂的选择需根据纤维表面的化学结构、官能团等分析确定, 同时也应考虑分散剂本身对混凝土各项性能的不利影响。此外, 分散剂虽然可以提高纤维的分散效果, 但也只是技术措施之一, 配合合理的搅拌方式才能获得最佳的分散效果。

目前工程中主要采用的纤维分散方法是机械分散方法, 即主要借助机械剪切力与撞击力等使团聚的纤维束在介质中被打散、分散。机械分散方法根据不同打散方式可分为研磨、普通球磨、振动球磨、机械搅拌等。机械搅拌的冲击、剪切和拉伸揉搓等作用可对纤维束产生强烈的分散效果, 是这几种分散方法中比较实用的一种。机械分散方法通常是采用纤维分散机进行分散, 纤维分散机依据其机械动作原理可分为振动式、摇摆式、筛筒旋转式和离心式等^[2]。纤维分散机通常直接安装于搅拌机, 搅拌时, 将纤维分散加入, 工程上大多也选择此类方法对纤维进行预分散。

搅拌纤维混凝土可使用普通混凝土搅拌机, 但强制式搅拌机的搅拌效果更好。对于纤维混凝土, 采用水平双轴型搅拌机更适合;当不含粗骨料时, 还可采用行星式搅拌机;当纤维掺量较高、搅拌难度增加时, 需要较大功率搅拌机。搅拌机的选择应根据相关规范和工程实践, 根据施工条件、搅拌量、纤维性质决定, 对于不常见纤维, 应通过试拌决定。

根据投料顺序的不同, 目前纤维混凝土采用的拌合方法一般可分为以下3类。

1) 第1类称为干拌法 (也称为先掺法) 将短切纤维、砂、石搅拌均匀后, 再将胶凝材料、减水剂一起搅拌均匀, 最后加入水搅拌成型。干拌法主要分3个阶段:①第1阶段 将纤维、砂、碎石混合搅拌;②第2阶段 在第1阶段基础上加入水泥和外加剂再搅拌;③第3阶段 在完成第2阶段的基础上加入水和掺和物再搅拌。搅拌设备宜采用强制式搅拌机, 典型的拌合流程如图1所示。

2) 第2类称为湿拌法 (也称为后掺法) 先将砂、碎石和胶凝材料搅拌均匀后, 再加入水一起搅拌均匀, 最后加入短切纤维搅拌成型。湿拌法也分为3个阶段:①第1阶段 先将砂、碎石和胶凝材料混合搅拌均匀;②第2阶段 将水和外加剂加入搅拌;③第3阶段 加入纤维。典型的拌合流程如图2所示。

3) 第3类称为水泥裹砂法 如图3所示, 先将纤维与砂拌合, 加入部分水拌合, 再加入胶凝材料和减水剂拌合, 最后再加入碎石拌合均匀后加入剩余水, 拌合至均匀后入模、振捣, 相比于湿拌法与干拌法, 水泥裹砂法分次投料, 又称二次投料法。

不同纤维具有不同性质, 其在混凝土中的掺量存在一定的较优区间。对于钢纤维, 钢纤维体积率较低 (V_f≤2%) 时, 多采用干拌法;纤维体积率中等 (2%<V_f≤5%) 时, 通常采用湿拌法;钢纤维体积率较高 (V_f>5%) 时需采用注浆法制备钢纤维混凝土^[3]。对于PVA纤维, 当纤维体积率<0.5%时, 多采用先掺法^[4,5,6];当纤维体积率≥0.5%时, 多采用后掺法^[7,8,9]。对于聚丙烯纤维混凝土多采用先掺法^[10,11,12]。龚爱民等^[13]认为在水泥基体中对于聚丙烯纤维, 干拌法比湿拌法有利于纤维分散, 这是因为干拌法中纤维在水泥和砂中被强烈分散, 从而分散性好, 而湿拌法中, 如纤维加入前没有被充分分散, 加入后其易被水泥浆包裹而结团, 难以在搅拌中打散纤维团, 影响纤维在砂浆中的分散效率。玄武岩^{[14,15,16,17]}、碳纤维^[18,19,20]等和聚丙烯纤维类似, 大都采用干拌法, 可见干拌法在纤维混凝土中更具普适性。

在实际工程中, 各种方法的使用没有严格的界限, 先掺法因操作简便在工程中得到广泛应用, 其中可通过增加搅拌时间和分批投料等措施提高其分散纤维的能力, 从而进行更高体积掺量纤维混凝土的搅拌。但先掺法要求纤维自身具有良好的分散性能, 增加搅拌时间会导致较软骨料颗粒脱角、破碎以及纤维弯曲或折断, 增加投料批次操作程序复杂, 降低生产效率。后掺法主要应用于纤维掺量较高的情况。先掺法的关键是充分利用骨料的分散作用, 而当纤维掺量较高时, 工作性能差, 不易搅拌, 骨料分散效果有限, 后掺法的纤维在拌合物中搅拌时间较短, 能有效减少长时间搅拌纤维结团现象, 纤维后掺减少了纤维给拌合增加的困难, 使混凝土各材料在加入前已搅拌充分。

传统的拌合工艺通常采用将各骨料一起投入到搅拌机, 水泥和水相遇后, 很快形成大小不一的未被水化完全的水泥团粒, 在搅拌过程中, 绝大部分水泥在骨料的摩擦和撞击作用下被打散, 但部分水泥团粒处于粗骨料背面不容易被破坏, 待浇筑硬化后, 黏附在粗骨料间隙中的水泥团粒发展成未充分水化的空腔, 成为混凝土的薄弱区域。而二次投料工艺先将砂、水泥和水一起搅拌, 由于砂尺寸相对于水泥团块较小, 水泥团粒在搅拌过程中易被打碎, 并使之黏附在砂表面, 加入粗骨料后更易混合均匀。二次投料工艺使水泥充分水化, 提高了混凝土强度^[21], 但相对于传统拌合工艺, 其搅拌程序较复杂, 在现场不易操作。

对于不同长度的纤维, 纤维越长拌合物的流动性降低越多, 对搅拌过程不利^[22,23], 可以通过添加减水剂等调节, 但当纤维掺量较高时, 添加剂的调节能力有限, 此时纤维过早放入搅拌将使拌合物较难搅拌, 不利于材料分散, 此时采用后掺法掺入纤维, 即其他材料都已搅拌均匀后再添加纤维较有利。

纤维结团是一种基于搅拌过程中的各种力学作用之间的平衡状态, 如物理交织、化学键力、剪切力以及破坏性的湍动力, 只有综合考虑并平衡各因素的影响, 才有可能从根本上改善材料的分散性能。现有关于纤维拌合工艺的研究多是针对掺加单种纤维, 对掺加混杂纤维和多种材料的混凝土拌合工艺研究还比较缺乏。随着工程中对混凝土的要求越来越多样化, 掺加多种材料的复合型混凝土材料将是未来发展趋势之一, 有必要对这种混凝土的施工工艺进行研究。

混凝土在浇筑和硬化过程中, 由于水分流失和水化反应不充分等因素, 内部会产生一些空隙和孔洞, 形成混凝土的初始缺陷, 其尺寸通常在纳米和微米层次。初始缺陷在受到荷载 (包括外部荷载、温度及内部自生应力等) 作用下, 当荷载超过混凝土材料局部的抗拉强度, 该部分率先开裂, 形成初始的微裂缝, 裂纹尺寸为微米层次。微裂纹沿原生孔隙和缺陷、材料的薄弱面扩展, 区域形成一个微裂缝网络, 微裂缝之间有分岔、相交等现象, 沿裂缝扩展方向即微裂缝的主方向, 在微裂缝扩展过程中, 各裂缝互相抑制、竞争^[24]。随着微裂缝密度不断变大, 微裂缝汇聚形成宏观裂缝, 宏观裂缝区域混凝土已完全失去承载力, 已经肉眼可见, 为毫米层次, 如图4所示。为了平衡不断增加的集中应力, 未断裂区逐渐达到荷载强度极限, 当宏观裂缝增加到一定密度, 汇聚成一个贯穿混凝土构件的主裂缝, 造成构件的破坏失效。

为实现混凝土的多尺度抗裂, 在掺加多种材料后, 如何在搅拌过程中使之均匀分散并保证其工作性能至关重要。掺加多种材料和纤维, 在总体上可以看成纤维总掺量的增加, 这势必会减少拌合物的流动度, 致使混凝土较难拌合, 为使混凝土拌合达到较好效果, 可从2方面改善施工工艺:①改善纤维在加入混凝土拌合物前的分散性能, 即纤维进入水泥或砂浆前尽量不结团;②针对材料的不同尺度, 根据其性质的不同, 考虑各材料在混凝土拌合过程中的相互作用, 调节各材料的加入次序, 使各添加材料在拌合物中分散更均匀, 与基体材料结合更紧密。

针对第①方面, 设计采用新型加料分散装置, 将不同尺度的添加材料添加入分散装置, 材料加入装置后, 在装置内初步被机械打散, 符合要求尺寸的材料筛分后进入下一层装置, 再进一步被打散分离, 通过这样分层次、分尺寸的筛分和分散可以逐步地投入符合要求的材料。在各添加材料加入混凝土拌合物前, 先放入加料分散装置, 材料可以分散更均匀, 减少在加入混凝土拌合过程中的结团和打球现象, 保证材料的工作性能, 避免产生新的缺陷。

针对第②方面, 基于混凝土搅拌机理, 可以根据添加材料尺度的不同, 调整加入各材料的次序, 形成新的多尺度材料改性混凝土拌合工艺。普通混凝土中, 水泥石和骨料交界面是整个混凝土结构的薄弱区, 普通混凝土的强度主要取决于水泥石和骨料界面过渡层的强度, 改善界面过渡层的结构和黏结强度是提高混凝土强度及其性质的重要途径。可以通过改变工艺参数, 如先搅拌水泥砂浆改善水泥的分散性, 提高水泥的活性程度, 减少粗骨料截面未充分反应的水泥团粒的数量, 使过渡区的水化反应更充分, 达到增强界面过渡区的目的^[21]。由此可知, 水泥砂浆和粗骨料是2种不同尺度材料, 当混合搅拌时, 容易出现小尺寸材料分散不均匀现象。由此针对不同的添加材料, 根据其尺寸不同, 调节材料的加入次序, 先搅拌小尺寸材料至均匀后, 再逐次加入大尺寸材料, 同时, 对于不同尺寸材料, 可以采取不同搅拌速度, 材料尺寸越小, 搅拌充分所需速度就越高, 如搅拌水泥浆的速度需要比搅拌混凝土的速度高。

对于纳米级材料, 由于粒径相对于混凝土其他材料尺寸小很多, 在混凝土拌合过程中较易分散, 只需确保其在加入混凝土拌合物前分散均匀即可, 通常和添加剂一起混合在水中加入混凝土。对于微米级材料, 其粒径和细骨料相近, 可以将其与细骨料一起加入, 通常是与砂粒一起加入搅拌^{[23,24,25,26]}。对于毫米级的短切合成纤维, 相比于长纤维在搅拌过程中更不易结团, 可以适应长时间搅拌, 先和砂一起加入干拌时, 在搅拌过程中可以利用细骨料的摩擦作用和搅拌机叶片的撞击进一步打散纤维。对于长纤维, 纤维越长对拌合物的流动性越不利^[22], 当纤维掺量较高时, 不宜过早放入搅拌, 其尺寸和粗骨料相近, 可以在搅拌前先与粗骨料干拌再加入混凝土, 如过早加入长纤维, 纤维遇水泥砂浆包裹, 又没有粗骨料分散, 基于其物理交织、化学键力等作用, 易引起纤维絮凝现象。

基于此, 设计出多尺度纤维混凝土的施工工艺流程如图5所示。主要流程为:先将微米级材料与水泥、标准砂一起干拌均匀后, 再加入部分水搅拌, 然后加入水泥、减水剂及纳米级材料的混合物搅拌至规定时间, 再加入碎石和毫米级长纤维干拌后的混合物搅拌, 最后加入剩余水搅拌均匀。

多种纤维的混杂, 尤其是不同性质、不同尺度的纤维混杂, 可以表现出良好的混杂效应, 低强度短纤维可以限制微裂缝的发展, 提高混凝土的早期强度, 高强度长纤维可以桥联宏观裂缝, 增强混凝土的韧性和后期强度。合理调整纤维的配合比, 可使混凝土的性能结合各纤维的特点。

研究表明^[27,28,29], 纳米级材料在混凝土中能明显减少水泥石内部孔洞, 改善水泥石孔结构, 使水泥中的凝胶更加均匀和致密, 能明显降低针状钙矾石的生成, 使水泥石结构更致密、水泥中晶体细化, 从而有效调控水泥水化产物的微观结构, 提高混凝土强度、抗渗性和耐久性。将微米级材料添加到混凝土中能很好地填补混凝土中的微米级空隙, 减少和阻断毛细孔的连通, 增加混凝土的密实性和抗渗能力^[25,26,30]。毫米级纤维可以控制较大裂缝的扩张, 如聚乙烯、聚丙烯和聚乙烯醇短纤维都能有效减少混凝土早期的塑性裂缝^[31,32,33]。

多尺度纤维混凝土的施工工艺基于多种尺度纤维对混凝土中各级别裂缝的控制原理而形成, 对于混凝土在不同阶段的裂缝都会产生有效抗力, 相比于1种纤维或1种尺度纤维对混凝土的改性更具有价值。

基于混凝土中多尺度裂缝的概念提出的多尺度纤维混凝土的施工工艺根据材料尺度和性质的不同, 采用分次投放的方式比一次性投入更合理, 材料搅拌更充分, 能有效避免同时掺加多种材料导致拌合物不宜搅拌、影响材料分散性的问题。这种工艺掺加的材料选择范围广, 根据不同尺度要求, 可根据实际工程需要调整原材料及配合比, 工艺适用性强;需要专门的设备, 适用于工程中大规模多尺度纤维混凝土的施工。