硅灰聚丙烯纤维改性自密实混凝土力学性能

　　摘 要：为了明晰硅灰和聚丙烯纤维对C30自密实混凝土抗压和劈裂强度的影响规律，用硅灰替代水泥质量的6%，9%、12%，并掺入体积分数分别为0.1%、0.2%、0.3%的聚丙烯纤维，对自密实混凝土展开力学性能改性试验研究。试验结果表明：3d龄期混凝土的抗压强度和劈裂强度随硅灰掺量的增加呈先增后减趋势;纤维掺量为0.1%0.2%、0.3%时，3d和龄期混凝土的抗压强度均高于基准混凝土的抗压强度;纤维掺量为0.2%、硅灰替代率为9%时，28 d龄期混凝土的抗压强度和劈裂强度分别达到了最大值50.1 MPa和5.213 MPa，综合考虑C30自密实混凝土的抗压强度和劈裂强度，建议使用硅灰替代率为9%的水泥和掺量为0.2%的聚丙烯纤维进行自密实混凝土力学性能改性。

　　关键词：硅灰;聚丙烯纤维;自密实混凝土;抗压强度;劈裂强度

　　Abstract: In order to clarify the influence of silica fume and polypropylene fibers on the compressive and splitting strength of C30 self-compacting concrete, experimental study on mechanical modification of self-compacting concrete by using silica fume to replace 6%, 9%, 12% of cement mass and mixing polypropylene fibers with volume fractions of 0. 1%, 0. 2%, 0.3%. The test results show that the compressive and splitting strength of the 3-day-age concrete increase first and then decrease with the increase of the amount of silica fume. When the fiber content is 0.1% , 0. 2% and 0.3% , the compressive strength of 3-day-age and 28-day-age concrete are higher than that of benchmark concrete. When the fiber content is 0. 2% and the silica fume replacement rate is 9%, the compressive and splitting strength of the 28-day-age concrete reach the maximum value of 50. 1 MPa and 5. 213 MP respectively. Considering the compressive and splitting strength of C30 self-compacting concrete, it is recommended to use 9% silica fume cement and 0. 2% polypropylene fibers to modify the mechanical performance of self-compacting concrete.

　　Keywords: silica fume; polypropylene fiber; self-compacting concrete; compressive strength; splitting strength

　　自密实混凝土是我国当前工程建设中运用较广的一种高性能混凝土1]。目前，研究人员对混凝土力学性能展开了多维度研究。张吉松等2通过不同比例混合的粉煤灰和硅灰替代水泥制备混凝土，研究显示粉煤灰和硅灰混合后替代水泥量50%的情况下，基本能达到和基准混凝土一致的性能。宋力等[3)通过正交试验得出在硅灰掺量达到10%时，混凝土的抗压强度达到最大，并通过软件分析发现硅灰的掺入会显著影响混凝土的早期强度。胡红梅等[1将石灰石粉和硅灰复配掺进混凝土内，发现当二者掺量在一定范围内且满足比例条件时会提高混凝土的强度。Li等5-6]研究硅灰自密实混凝土力学性能，了解到硅灰掺入混凝土内有助于提高混凝土抗压、抗拉强度。郭荣鑫等[7研究聚丙烯纤维对轻骨料混凝土力学性能的影响，结果显示，不同的纤维掺量和长度对混凝土强度的影响有所不同。周玲珠等[3采用掺量不同的减水剂和胶集比与高掺量聚丙烯纤维复合配置混凝土，发现纤维掺量过高会降低混凝土的塌落扩展度和抗压强度。龙武剑等将钢纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯纤维掺进混凝土中，研究发现钢纤维可以改善混凝土28 d龄期抗压强度，而聚丙烯纤维和聚乙烯纤维则会降低其28 d龄期抗压强度。王均等[10]将数值分析和非线性回归相结合，研究发现掺进适量混合镀铜微丝纤维和纳米碳纤维有助于提高混凝土抗压和劈拉强度。

　　综上，硅灰和纤维掺进混凝土中，有助于提高混凝土的劈裂强度，但纤维掺进混凝土内对不同强度混凝土的抗压强度产生的影响有所不同，为了探寻硅灰和聚丙烯纤维对C30自密实混凝土力学性能的影响，本文通过改变硅灰的替代率及聚丙烯纤维的掺量分析硅灰的最佳替代率和聚丙烯纤维的最优掺量，旨在为C30自密实混凝土配合设计提供依据。

　　1试验概况

　　1.1 i原材料

　　本试验采用银川市西夏区赛马水泥有限公司生产的P.042.5 R水泥，其技术性能见表1;细骨料采用细度模数为2.72的河砂，表观密度为2.56×10"kg/m"，含泥量为1.36%;粗骨料粒径为5~20 mm，压碎指标为12，级配良好，其表观密度为2.72×10"kg/m"，吸水率为0.8%;水为自来水;粉煤灰采用灵武电厂的1级粉煤灰，其主要技术性能见表2;聚丙烯纤维主要技术性能见表3;硅灰技术性能见表4。

　　1.2试验方案

　　该试验采用C30自密实混凝土，硅灰替代率分别为6%、9%和12%，对应掺入聚丙烯纤维0.1%、0.2%和0.3%，试验配合比设计方案见表5。抗压和劈裂试验分为4组，每组有16块立方体试件。试件采用尺寸为100 mm× 100 mm × 100 mm的立方体试件。试件制作完成后分组养护3d和28d，测定其抗压和劈裂强度，通过试验结果分析，确定出C30自密实混凝土抗压和劈裂强度的最优配合比。

　　2试验结果及分析

　　2.1 强度分析与机理分析3d和28d龄期混凝土的抗压和劈裂强度试验结果见表6。

　　由表6可知：3d和28 d龄期混凝土的抗压强度和劈裂强度均随着硅灰掺量的增加而增加;相同掺量聚丙烯纤维混凝土的抗压强度和劈裂强度均随着硅灰掺量的增加呈先增后减的变化趋势。

　　在硅灰替代率为9%、聚丙烯纤维掺量为0.2%

　　情况下，3 d龄期混凝土的抗压强度和劈裂强度最大分别为26.0 MPa和3.702 MPa，28d龄期混凝土抗压强度和劈裂强度最大分别为50.1 MPa和5.213

　　MPa;在聚丙烯纤维掺量为0.2%，硅灰替代率为6%、9%、12%时，3d和28d龄期混凝土的抗压强度较基准混凝土分别依次增加了3.6%、5.3%、1.6%

　　和13.4%、19.9%、19.1%;3 d和28 d龄期混凝土劈裂强度较基准混凝土分别依次增加了4.4%、

　　15.9%，15.3%和30.9%、43.7%、37.1%。分析试验数据可知，掺进硅灰有助于显著改善混凝土的劈裂强度，也能在一定程度上提高混凝土的抗压强度，由于硅灰可与混凝土发生集料反应和二次水化反应[11，且硅灰的粒径很小，可充满水泥缝隙，进而减少混凝土孔洞，同时硅灰和水泥水化产物产生反应形成了硅酸凝胶，极大地增强了混凝土的密实度，从而达到了更高的强度。但在硅灰替代率为12%的情况下，混凝土的强度相比于替代率为9%时略有下降[1]，导致混凝土拌合时孔隙增多，强度逐渐降低。

　　由表6还可知，聚丙烯纤维对混凝土抗压强度影响亦表现出先增后减的变化趋势。在聚丙烯纤维掺量为0.2%、硅灰替代率为9%的情况下，3d和28 d龄期混凝土抗压强度最大分别为26.0 MPa和50.1 MPa;当硅灰替代率为9%，聚丙烯纤维掺量为

　　0.1%、0.2%，0.3%时，3 d和28 d龄期混凝土抗压强度较基准混凝土分别依次增加了5.9%、9.7%、7.2%和 10.4%，15.7%.5.8%。产生这种现&由于纤维自身强度较高，阻止混凝土内部产生裂缝。且纤维与硅灰相掺达到一定比例后推动其与混凝土更充分地粘合[1，有效地提高了混凝土的强度。当纤维掺量增至0.3%时，混凝土抗压强度开始降低，由于所掺纤维长度出现变化，在纤维与混凝土拌合时，导致应力分布不均匀，降低了混凝土的强度。

　　机理分析：由于硅灰颗粒细度大，宏观上说可以填满较小的孔隙，增大混凝土的密实程度;硅灰具有很强的火山灰活性且比表面积大，使其水化反应速率极快，且其水化后的产物与水泥水化的产物迅速结合成水化硅酸钙，因此硅灰对混凝土早期强度影响显著;硅灰促使水泥浆与骨料间的细小颗粒形成高强度的空间结构，提高混凝土材料的三向结构性能，促进基体间更好地黏结，从而提高了混凝土的强度。

　　纤维本身与混凝土间的黏结性差，致使混凝土的抗压强度下降，但其劈裂强度得以提高。硅灰改善了其与水泥浆的界面的黏结能力，得以发挥纤维的作用，当纤维掺量较多时，导致混凝土内部存在较大的孔隙，从而对混凝土的强度产生了不利影响，因此，相同掺量硅灰混凝土的抗压强度和劈裂强度随着聚丙烯纤维掺量的增加呈先增后减的变化趋势。

　　2.2 极差分析与最优掺量的确定表7为试验结果的极差分析，因素A指硅灰，因素B指聚丙烯纤维，分析两者对混凝土力学性能的影响。结果表明，聚丙烯纤维掺量对3d龄期混凝土的抗压强度影响显著，而硅灰替代率对3d和28d龄期混凝土的抗压和劈裂强度强度影响较大。表7中K，表示因素A(B)在i条件下，对应掺入4种不同的因素B(A)时所得到的不同龄期混凝土的抗压强度或劈裂强度4组试验数据的均值，如K，=21.6MPa表示当不掺入硅灰时，3d龄期混凝土的抗压强度在纤维掺量为0、0.1%、0.2%和0.3%这4种条件下所得试验数据的均值为21.6 MPa，R为4组试验均值K，.K2、K，、K，中最大值和最小值的差值。

　　由表6和表7分析可知：当硅灰替代率为9%、聚丙烯纤维掺量为0.2%时，3 d和28 d龄期混凝土的抗压强度达到最高，分别为26.0 MPa和50.1 MPa;

　　3d和28d龄期混凝土劈裂强度达到最高，分别为3.702 MPa和5.213 MPa，因此，为了使C30混凝土力学性能达到最优，采取硅灰替代水泥量的9%.

　　并掺入0.2%的聚丙烯纤维。

　　3结论

　　通过改变硅灰的替代率和聚丙烯纤维的掺量，研究了C30自密实混凝土抗压强度和劈裂强度，结论如下：

　　1)纤维掺量相同时，硅灰替代率为6%、9%、12%情况下，混凝土的抗压强度和劈裂强度相比于基准混凝土均提高;硅灰替代率相同时，聚丙烯纤维掺量为0.1%.0.2%、0.3%情况下，混凝土的抗压强度和劈裂强度相比基准混凝土均有所提高。

　　2)纤维掺量为0.2%、硅灰替代率为9%情况下，3d龄期混凝土抗压强度和劈裂强度达到最大值26.0 MPa和3.702 MPa;28 d龄期混凝土的抗压强度和劈裂强度达最大值50.1 MPa和5.213 MPa

　　3)为了提高C30自密实混凝土的抗压和劈裂强度，建议掺入0.2%的聚丙烯纤维，同时使硅灰的替代率达到9%。

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