混杂纤维及矿物掺合料对混凝土力学性能的影响

The Impact of Hybrid Fibers and Mineral Additives on the Mechanical Properties of Concrete

摘要

为减轻结构自重，实际工程中常采用较小截面尺寸的混凝土板。为确保其抗弯、抗裂性能，选取锚固良好的端钩形钢纤维（hooked sbeel fiber，HSF）、能明显降低混凝土塑性收缩并且可大幅减少裂缝数量和宽度的聚丙烯纤维（polypropylene fiber，PPF）、可改善混凝土的流动性和后期强度的粉煤灰（flg ash，FA）以及高火山灰活性的微硅灰（silica fume，SF），作为改善混凝土力学性能的材料。采用正交试验法来探讨这4种材料因素共同作用时对混凝土力学性能的影响。通过极差分析，确定各材料因素的影响显著性顺序及较优的掺量组合。在此基础上补充单因素试验，对正交试验结果进行验证及补充，试验结果相吻合并得到4种因素的最佳掺量组合。研究结果表明，HSF掺量对抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度影响程度显著。单因素试验分析进一步得到端钩形钢纤维和聚丙烯纤维的最佳掺量的体积分数分别为0.36%和0.15%，相较于0%体积分数时，分别可以使混凝土抗压强度增长30.26%、劈裂抗拉强度增长12.79%；粉煤灰和微硅灰的最佳掺量质量分数分别为5%和7.5%，相较于0%质量分数时，分别可以使混凝土抗压强度增长4.17%和18.19%。对最佳掺量组进行扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）分析其力学性能和水化产物之间的关系，得到该组水化产物更致密，PPF可以更好地发挥其桥接增强作用。

Abstract

In order to minimize the self-weight of the structure， it is common practice in engineering projects to utilize concrete slabs with reduced cross-sectional dimensions. To enhance the flexural strength and resistance to cracking of concrete， this study selected well-anchored end-hooked steel fibers （HSF）， polypropylene fibers （PPF） that can significantly mitigate plastic shrinkage and reduce the number and width of cracks， fly ash （FA） that can improve the fluidity and long-term strength of concrete， and silica fume （SF） with high volcanic ash activity as materials to improve the mechanical properties of concrete. This research employed the orthogonal test method to examine the influence of these four material factors on the mechanical properties of concrete when they interact simultaneously. The significance order of each factor’s influence and the optiimal dosage combination were determined through range analysis. On this basis， the single-factor test was employed to verify and supplement the findings of the orthogonal test. The results from both tests were matched and the optimal dosage combinations for the four factors was obtained. The findings of the study indicated that the dosage of HSF had a significant impact on the compressive strength， flexural strength， and split tensile strength of the concrete. The single-factor test analysis further identified that the optimummixing of HSF and PPF were 0.36% and 0.15% by volume， respectively. These proportions led to an enhancement in compressive strength by 30.26% and an increase in splitting tensile strength by 12.79%， in comparison to 0% by volume. The mass fraction of optiumu admixture of FA and SF were 5% and 7.5%， respectively. They can imcrease the compressive strength of concrete by 4.17% and 18.19%， respectively， compared with 0% mass fraction. Scanning electron microscopy （SEM） was conducted on the optimal dosage group to investigate the correlation between mechanical properties and hydration products. The results indicated that the hydration products in this group exhibited greater density， thereby facilitating the enhanced bridging role of the PPF.

Graphical abstract

关键词

胶凝材料 / 混杂纤维 / 正交试验 / 单因素分析 / 微观分析

Key words

Cement-based materials / hybrid fibers / orthogonal test / single-factor analysis / micro analysis

0 引言

随着超高层建筑、大跨结构和装配式结构的快速发展，混凝土作为结构组成的重要材料，对其材料特性的要求越来越高。高强混凝土是一种通过使用外加剂和矿物掺合料的新型材料，能够使水泥的水化反应更充分，同时利用工业废渣降低水泥用量、减少碳排放等解决环境问题^［1］。高强混凝土存在抗拉强度低、韧性差和易开裂等固有缺点，在实际工程的使用中，具有一定局限性^［2］。为改善上述缺点，将2种或2种以上纤维作为增韧的材料加入高强混凝土中^［3］，以提高其抗拉、抗折和抗冲击性能^［4］。

在高强混凝土中，微硅灰能有效地提高掺合物的黏聚性，提高水泥浆体的抗压强度，加速水泥水化使得放热峰提前^［5-6］。粉煤灰和微硅灰的复掺有利于提高其抗压强度，提升效果与微硅灰掺量呈正相关^［7］。在纤维混凝土中，聚丙烯纤维具有高韧性和柔性，在提高延展性和减少开裂方面有较好的约束作用^［8］。钢纤维具有高模量和高强度，可以显著改善混凝土的抗压强度^［9］。钢-聚丙烯混杂纤维对混凝土产生增强、增韧的效果优于单一纤维^［10-11］。混杂纤维与水泥浆之间的界面黏结力和机械啮合力可以约束基体变形和错位运动，提高混凝土的均匀性和抗裂性^［12］。

目前，众多学者将纤维材料和胶凝材料按不同比例融合，提高高强混凝土的力学性能。Zhang等^［13］分别研究了端钩形钢纤维、光滑纤维和聚丙烯纤维对含粉煤灰的轻质高强混凝土（lightweight cementitious composite，LCC）的机械性能和密度的影响，得到纤维的加入降低了LCC的脆性。Aleksandrova等^［14］研究得到7.5%的二氧化硅和20%粉煤灰组成的矿物添加剂对钢纤维高强度混凝土机械性能的提升显著。Cui等^［15］通过改变钢纤维和聚丙烯纤维的体积分数和长径比，得到二者在混合纤维高强混凝土（hybrid fibrer reinforced concrete，HFRC）中的正协同效应，表现出更好的延展性。Zhang等^［16］使用单一矿物掺合料（粉煤灰或微硅灰）掺入钢纤维混凝土中，得到粉煤灰和微硅灰在不同程度上增强了混凝土流动性，完全水化的致密基体降低了孔隙率，并且有助于加强钢纤维和水泥基体之间的黏结，提高了力学性能。Li等^［17］通过正交试验得到粉煤灰、硅灰、玄武岩纤维和聚丙烯纤维的优化组合，并对力学性能、孔隙特性和微观结构进行了分析。

在大跨度钢混组合梁的实际工程中，为减轻桥面铺装的自重，可以考虑减小混凝土的截面尺寸。随着混凝土板的截面尺寸减小，混凝土抗弯性能、抗裂性能差等固有缺点会更加显著，因此加入钢-聚丙烯混杂纤维和矿物掺合料（粉煤灰和微硅灰）可进行改善^［18-19］。混杂纤维形成的三维交错支撑网络，能够有效限制混凝土内部裂纹的扩展，减少开裂，提高混凝土的延展性；颗粒细小、活性高的矿物掺合料则可以增加施工和易性，提高混凝土密实度。因此，为在实际工程中同时考虑上述4种材料因素的影响，本研究通过设计正交试验，确定上述4种因素的4种水平对HFRC力学性能的影响顺序及较优掺量组合。创新性地设计单因素试验，对正交试验结果进行验证及补充，得到4种材料因素的最佳掺量组合。结合扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）试验，从微观层面进一步研究4种材料因素共同作用对强度的影响规律及水化机理。为推广混杂钢纤维和聚丙烯纤维在高强度混凝土工程上的应用提供参考。

1 试验设计

1.1 原材料

试验所用的胶凝材料为P·O42.5普通硅酸盐水泥、一级粉煤灰（fly ash，FA）和95级微硅灰（silica fume，SF）。胶凝材料的化学成分见表1。

为满足新拌混凝土坍落度要求，采用聚羧酸型高性能减水剂。试验中使用的端钩形钢纤维（hooked steel fibey，HSF）和聚丙烯纤维（polypropylene fiber，PPF）的外观形貌和主要参数分别如图1和表2所示。粗骨料采用5~20 mm连续级配碎石。细骨料选用直径0~5 mm的天然河砂，细度模数为2.71。

1.2 混凝土配合比

本研究正交试验包括以下4个影响因素：HSF、PPF、FA和SF，每种影响因素选择4个水平，正交试验设计表选择L16（4⁴）。本研究HSF和PPF掺量为体积分数，FA和SF掺量为质量分数，矿物掺合料的掺入方式为替代部分水泥。正交试验因素及水平表见表3。具体配合比见表4。

正交试验设计仅为一种等效结果，是对最优条件的估计，需要进一步的试验来精准确定最优条件，因此补充单因素试验^［20］。单因素试验中仅改变HSF、PPF、FA和SF掺量中的1个影响因素，其余3个影响因素保持不变。基于对正交试验的补充，本研究设计16组单因素对比试验，4种因素掺量设计见表5。

1.3 试验方案

力学性能测试按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》，正交试验和单因素试验测试100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件抗压强度与劈裂抗拉强度，测试100 mm×100 mm×400 mm棱柱体试件抗折强度。对最佳配合比组进行SEM试验，观察微观形貌，进一步分析4种因素对力学性能的影响。

2 结果及分析

2.1 正交试验分析

正交试验测试指标为抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度。R为各因素的极差，根据R大小可判断各因素对各指标影响程度的主次顺序。正交试验的极差分析见表6。k为各因素水平对应的试验指标总和的平均值，反映试验指标的变动幅度，k最大值对应该因素的最优水平。根据k绘制主效应图，如图2所示。

混杂纤维高强混凝土的抗压强度随着HSF体积分数和FA质量分数的不同具有显著变化。其中，HSF体积分数对抗压强度为增强效果，FA质量分数对抗压强度为负面效果。PPF体积分数和SF质量分数与抗压强度无显著影响。4种因素对其抗折强度均存在主效应。随着4种因素的不同水平，其抗折强度具有显著变化。PPF体积分数对抗折强度为负面效果，SF质量分数对抗折强度为增强效果。劈裂抗拉强度随着HSF体积分数的不同具有显著变化，而PPF体积分数、FA质量分数、SF质量分数的主效应量值在均值附近波动。根据上述正交试验分析得到，4种因素的较优组合为A3B3C2D4。

2.2 HSF对力学性能影响

根据图3可得，加入HSF之后对混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度均有显著提高。随着HSF体积分数的增加，混凝土力学性能均呈现先提高后降低的趋势。相较于0% HSF体积分数的试件，当掺入0.36% HSF体积分数时，混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度提高幅度最大，增长率分别为30.26%、24.51%和16.88%。HSF体积分数继续增大后，力学性能的提高幅度均降低，劈裂抗拉强度的增长幅度降为6.9%。这是由于在混凝土受拉区，跨越微裂缝的纤维承担“次筋作用”、纤维与骨料间的机械咬合力以及纤维与混凝土之间的黏结应力，三者的共同作用下增加了轴向拉应力承载能力。在轴心受压时，HSF能够有效地抑制桥接裂缝，传递、分散应力从而提高混凝土抗压强度。在劈裂受拉时，靠近劈裂面上的端钩形钢纤维除了承担上述作用外还承受剪压作用，从而对劈裂面施加了约束。当三维乱向分布端钩形钢掺量增加后，钢纤维的堆叠导致钢纤维与混凝土基体的黏结程度降低，原有的微裂缝更容易扩展。

2.3 PPF对力学性能影响

根据图4可得，PPF体积分数从0%增至0.15%时，对力学性能的增强效果逐渐变大，增强效果从大到小依次为劈裂抗拉强度、抗压强度和抗折强度。PPF体积分数为0.15%时，以上3种力学性能分别增强12.79%、9.28%、2.77%。PPF能够在混凝土内部形成一种三维网络结构，当混凝土内部产生微裂缝时，其桥接作用和裂缝的阻滞效应对混凝土的劈裂抗拉强度和抗压强度产生积极影响。当PPF体积分数为0.2%时，对抗压强度出现负效应，强度下降11.59%；劈裂抗拉强度的增长幅度降低至8.75%；抗折强度增幅略有降低，增强2.14%。这是由于当PPF体积分数过大时，纤维会在混凝土内部产生过多的薄弱区，同时聚结成团的聚丙烯纤维之间的摩擦力也会使其增强效果减弱。

2.4 FA对力学性能影响

根据图5可得，在FA质量分数为5%时，由于其可以填充混凝土的孔隙，改善其密实性，使得FA的掺入会略微提高混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度，但这种影响并不明显；FA质量分数增加至10%时抗压强度降幅显著，较0% FA质量分数降低12.93%，劈裂抗拉强度和抗折强度变化不明显；随着FA质量分数的继续增加至15%，混凝土劈裂抗拉强度和抗折强度，较0%质量分数混凝土出现大幅度下降，分别降低17.05%和10.18%。这说明粉煤灰需要吸收更多的水才能充分分散和溶解，从而减缓强度的发展，劣化混凝土力学性能。因此在早期阶段，混凝土中水化产物较少，导致抗压强度以及劈裂抗拉强度相对较低。

2.5 SF对力学性能影响

根据图6可得，SF质量分数为2.5%时对劈裂抗拉强度和抗压强度影响较小，分别为提高0.65%和降低2.32%。当微硅灰质量分数较低时，不足以激活水泥中的钙离子，导致稀释水泥浆体的总体积，水化反应减缓或不充分，填充孔隙的效果不明显，从而影响混凝土的强度发展。SF质量分数为2.5%和5%时，抗折强度变化不明显，较SF质量分数0%的混凝土均能增长13.88%和12.92%。当SF质量分数为7.5%时，抗压强度和劈裂抗拉强度增长幅度减小，分别增强18.19%和13.71%。随着SF质量分数的逐渐增加，因其具有细小粒径及化学活性的特点，既可以填充水泥颗粒间的空隙提高密实度，也能促进水化反应。微硅灰中的SiO₂也可以和水化过程产生的Ca（OH）₂发生泊松反应，生成额外的C-S-H，使混凝土的应力分布更均匀。

根据正交试验结果的极差分析和补充试验的单因素分析，得到4种因素的最佳掺量依次为：HSF体积分数0.36%、PPF体积分数0.15%、FA质量分数5%、SF质量分数7.5%。4种因素的最佳掺量组相较于空白对照组，抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度分别增长31.90%、25.59%和40.86%。

3 SEM微观试验及分析

3.1 SEM仪器及样品

SEM微观测试采用Apreo S场发射扫描电子显微镜，对最佳配合比组的样品进行测试。测试结果及局部放大图如图7所示。

3.2 微观分析

由于PPF的存在及其疏水性，使得PPF与基体的连接处有一定水汽通道，未被拔出的PPF和水泥基体黏结紧密，且孔道周围水化产物密实均匀。在混凝土基体中PPF被拔出的一端，与基体的连接处存在较宽、较深的孔隙。这也体现出纤维的桥接作用，即跨越微裂缝PPF可以在混凝土开裂初期承担部分拉应力，延缓裂缝的进一步扩展，从而有效地提高强度。

FA颗粒与水泥基体的连接程度薄弱，在受到外荷载的作用时易脱落并产生贯穿圆孔的裂缝。SF中的SiO₂可以迅速地与水中的Ca²⁺反应，观测到在孔道中有更多的C-S-H生成。SF在填充原有的孔隙的同时，新生成的水化产物也使得骨料周围的混凝土基体更为密实，二者之间的黏结更为牢固，进而提高早期强度。

4 结论

本研究通过4因素4水平的正交试验及单因素试验，以抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度为检测指标，得出混杂钢-聚丙烯纤维高强混凝土的最佳配合比。通过SEM微观试验研究其微观结构，得出如下结论。

1）正交试验结果表明，对于抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度，4种因素影响程度的显著性顺序和较优掺量由大到小分别为：A3、C1、D4、B3；A2、B2、D4、C2；A3、B3、C2、D4。

2）由单因素试验可得，HSF的加入均可提高HFRC力学性能，其体积分数为0.36%时提升效果最显著。PPF体积分数为0.2%时对抗压强度出现负效应，其余均为增强效果。FA质量分数为5%时可提高HFRC的抗压强度，其质量分数大于5%时，随着质量分数的增加，各项力学性能的降低幅度增大。7.5%质量分数的SF可大幅度提高HFRC力学性能。

3）综合正交试验和补充单因素试验，得到4种因素最佳掺量：HSF体积分数为0.36%、PPF体积分数为0.15%、FA质量分数为5%、SF质量分数为7.5%。微观试验表明，在最佳掺量组内有致密的C-S-H凝胶，拔断的PPF能够承担部分应力。

本研究结果表明，体积分数为0.36% HSF和0.15% PPF的加入能够显著地提高混凝土力学性能，但实验室和实际工程中的坍落度试验表明，三维交错的混杂纤维会降低混凝土流动度。在混杂纤维混凝土的基础上，使用颗粒细小的矿物掺合料取代水泥，不仅能够降低材料成本，达到绿色环保的环境效益，更能提高新拌混凝土的和易性，有效降低混凝土的孔隙率，提高其密实度。随着力学性能和耐久性的提高，结构构件的截面尺寸得到减小，进而减轻结构自重，实现大跨径桥梁等大型工程的发展。

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基金资助

黑龙江省自然科学基金项目(E2017003)

蓝谷至胶东国际机场快速通道工程资助(HKF230500003)