层布式混杂纤维混凝土渗透性及孔隙率试验研究

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normal style="TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none" align=left>关键词：层布式混杂纤维混凝土；渗透性；孔隙率；耐久性

normal style="TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none" align=left>0 前言

normal style="TEXT-INDENT: 18pt; TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none; mso-char-indent-count: 2.0" align=left>钢纤维混凝土具有优良的抗弯拉、耐磨性、抗疲劳、抗冲击性能[1]，将其应用于公路路面工程中，可大大提高路面板的抗折强度，延长路面使用寿命。但钢纤维混凝土造价较高且搅拌困难，施工难度大，难以大量推广使用。层布式钢纤维混凝土力学性能与钢纤维混凝土相近，但成本明显降低。层布式钢纤维即在混凝土路面的顶面和底面一定厚度采用钢纤维混凝土，而中间层采用素混凝土的结构形式。采用层布式钢纤维混凝土后，中间部分素混凝土的韧性、抗裂性能及抗渗性能较差，成了薄弱环节[2]。依据前期研究成果，为充分发挥各种纤维的物理力学性能，通过不同的纤维之间的混杂，使各纤维之间产生正混杂效应[3]，课题组提出了适用于公路路面的层布式混杂纤维增强混凝土这种新的复合混凝土结构材料。目前应用最广泛的是用钢纤维和有机纤维混杂，常用的有机纤维有聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维。力学性能试验[4～5]显示，层布式混杂纤维混凝土在强度增强上，钢纤维起主要作用，聚丙烯纤维起次增强作用。混杂纤维混凝土研究[6～8]表明，应用各种不同弹性模量的纤维来增强纤维混凝土的耐久性极具发展前景。到目前为止，对全混杂纤维的耐久性有少量研究，而新结构形式层布式混杂纤维混凝土的耐久性研究还是空白。孔隙率对混凝土的强度有着决定性的影响，孔径、孔形以及孔隙分布排列也对混凝土的强度有影响，并且对混凝土密实度有主要影响，而混凝土的密实度与该类结构的耐久性直接相关。本文对层布式混杂纤维混凝土的渗透性及孔隙率进行了试验研究，并和素混凝土及层布式钢纤维混凝土的耐久性进行了比较分析。

normal style="TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none" align=left>1 试件制作和试验方法

normal style="TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none" align=left>1. 1 原材料

normal style="TEXT-INDENT: 18pt; TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none; mso-char-indent-count: 2.0" align=left>水泥：32.5级普通硅酸盐水泥

normal style="TEXT-INDENT: 18pt; TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none; mso-char-indent-count: 2.0" align=left>粗骨料：粒径value="5" UnitName="mm">5mm～value="20" UnitName="mm">20mm连续级配细石

normal style="TEXT-INDENT: 18pt; TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none; mso-char-indent-count: 2.0" align=left>细骨料：中粗砂，细度模数为2.5

normal style="TEXT-INDENT: 18pt; TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none; mso-char-indent-count: 2.0" align=left>钢纤维：剪切型钢纤维，长径比约为58

normal style="TEXT-INDENT: 18pt; TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none; mso-char-indent-count: 2.0" align=left>聚丙烯纤维：Fibermesh纤维网

normal style="TEXT-INDENT: 18pt; TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none; mso-char-indent-count: 2.0" align=left>水：清洁的自来水

normal style="TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none" align=left>1. 2 混凝土的配合比及试件制作

normal style="TEXT-INDENT: 18pt; TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none; mso-char-indent-count: 2.0" align=left>混凝土配合比按抗折强度4.5MPa进行设计，根据计算及试配，采用的混凝土配合比为(kg/ m3)：

normal style="TEXT-INDENT: 18pt; TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none; mso-char-indent-count: 2.0" align=left>水泥∶石子∶砂子∶水=350∶1369∶644∶180

normal style="TEXT-INDENT: 18pt; TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none; mso-char-indent-count: 2.0" align=left>为探讨钢纤维和聚丙烯纤维在层布式纤维混凝土中各自的效用，本试验采用的混凝土的配合比不变，聚丙烯纤维采用体积率为0.12%(value="1" UnitName="kg">1.0kg/m3)，钢纤维采用体积率为1.4%[钢纤维在混杂层(厚value="2" UnitName="cm">2cm)的掺量为value="109.2" UnitName="kg">109.2kg/m3。

normal style="TEXT-INDENT: 18pt; TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none; mso-char-indent-count: 2.0" align=left>对层布式钢纤维混凝土和层布式混杂纤维混凝土试件，制作时在模具的底部浇注value="1.5" UnitName="cm">1.5cm厚的混凝土，然后由人工均匀撒布一层钢纤维，加入混凝土，振动密实后在混凝土距模具顶部value="1.5" UnitName="cm">1.5cm， 再由人工撒布一层钢纤维，振捣密实，收浆抹平。不掺钢纤维的混凝土试件，直接往模具中加入混凝土，振捣密实，收浆抹平。

normal style="TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none" align=left>1. 3 抗渗性能对比试验

normal style="TEXT-INDENT: 18pt; TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none; mso-char-indent-count: 2.0" align=left>抗渗性是指混凝土抵抗压力水渗透的能力。混凝土耐久性的各破坏过程几乎均与水有极为密切的关系，因此抗渗性便成为评价混凝土耐久性的重要指标。

normal style="TEXT-INDENT: 18pt; TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none; mso-char-indent-count: 2.0" align=left>目前，抗渗试验通常参照GBJ82-85规定进行，采用抗渗标号来评价混凝土的抗渗能力，抗渗标号是以标准试验方法测得的标准试件渗水时的最大水压力来计算获得。S的计算公式为:

normal style="TEXT-INDENT: 18pt; TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none; mso-char-indent-count: 2.0" align=left>S=10H-1

normal style="TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none" align=left>式中，S—抗渗标号；H—6个试件中3个顶面渗水时的压力。

normal style="TEXT-INDENT: 18pt; TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none; mso-char-indent-count: 2.0" align=left>本试验采用顶面直径为value="175" UnitName="mm">175mm，底面直径为value="185" UnitName="mm">185mm，高为value="150" UnitName="mm">150mm的圆台试件。试件以6个为一组，养护龄期28d。试验水压从0.1MPa开始施加，每隔8h增加0.1MPa ，当试件中有3个试件顶面渗水时即停止试验。抗渗试验结果见表1。

normal style="TEXT-INDENT: 18pt; TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none; mso-char-indent-count: 2.0" align=left>

normal style="TEXT-INDENT: 18pt; TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none; mso-char-indent-count: 2.0" align=left>抗渗试验显示，层布式钢纤维混凝土的抗渗性能比素混凝土的低，而层布式混杂纤维混凝土的抗渗性能比素混凝土高，比层布式钢纤维混凝土的高很多。层布式钢纤维混凝土的渗水高度比素混凝土的高31.7%，层布式混杂纤维混凝土的渗水高度比素混凝土的低21.3%，渗水高度比层布式钢纤维混凝土的低40.3%。试件劈开后的湿水面显示，层布式钢纤维混凝土在层布钢纤维的部位湿润度更大，有一个试件在混凝土层布钢纤维的下面有部分混凝土未湿水的情况下，钢纤维混凝土部分已横向贯通，说明层布钢纤维的部位是抗渗的薄弱环节，而层布式混杂纤维混凝土抗渗性很好，因此在层布式钢纤维混凝土中加聚丙烯纤维对结构的耐久性有提高作用。

normal style="TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none" align=left>1. 4 孔隙率测试试验

normal style="TEXT-INDENT: 18pt; TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none; mso-char-indent-count: 2.0" align=left>多孔固体材料的物理性能，特别是强度和耐久性，主要取决于材料的孔隙结构，因此评估多孔材料的空隙结构特征对于全面准确地了解材料的物理性能具有相当重要的意义。多年来，在评估水泥净浆，砂浆或混凝土中孔隙大小分布的问题上主要采用压汞法。

normal style="TEXT-INDENT: 18pt; TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none; mso-char-indent-count: 2.0" align=left>试验样品从抗渗试验劈开后的断面上多个不同的位置取得。对层布式构件在层布处取样， 每种形式混凝土各取3组样品，试验前放在烘箱内保持温度105℃～value="110" UnitName="℃">110℃烘至少24h。孔隙率试验结果见表2。

normal style="TEXT-INDENT: 18pt; TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none; mso-char-indent-count: 2.0" align=left>孔隙率试验显示，素混凝土孔隙率最高，层布式钢纤维混凝土次之，层布式混杂纤维混凝土最低。层布式钢纤维混凝土的总孔隙率比素混凝土的总孔隙率低39.9%，层布式混杂纤维混凝土的孔隙率比素混凝土低43.9%，比层布式钢纤维低6.6%。各种形式混凝土的孔径范围基本分布在6 ×10-3μm～10μm之间， 而以0.03μm～0.2μm孔径的孔隙占了大部分，大于0.2μm孔径的孔隙很少，而孔径在6×10-3μm～0.03μm的孔隙界于以上两种之间，同时素混凝土绝大多数孔径的体积率均较两种层布式纤维混凝土的大，而孔径在0.03μm到0.2μm的孔隙的主体分布，层布式混杂纤维混凝土比层布式钢纤维略低。说明加入钢纤维和聚丙烯纤维提高了混凝土内部的密实度。

normal style="TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none" align=left>1. 5 试验结果分析

normal style="TEXT-INDENT: 18pt; TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none; mso-char-indent-count: 2.0" align=left>由以上试验可见，层布式混杂纤维混凝土的抗渗性能远高于层布式钢纤维混凝土和素混凝土。究其原因，可作如下分析:液体(气体)在混凝土中的扩散途径主要有以下几种:①水泥浆体; ②骨料通道;③浆体与骨料、纤维界面处的通道。混凝土的渗透性主要取决于第②与第③途径。一般来说混凝土结构越致密，阻碍液体向其内部流动的能力越强，越能有效防止物质向内扩散，则抗渗能力越高、耐久性越好。混杂纤维有效地抑制了混凝土早期收缩微裂缝和离析裂纹的发生和发展，减少了混凝土内部裂缝的连通;此外大量细小纤维的均匀分布形成的网状结构对骨料起了骨架承托作用，首先抑制了毛细管的发展，减少了混凝土的表面析水和骨料下沉离析，使得混凝土内部孔隙减少、减小，有害孔数量减少，孔连通性能降低，防止混凝土快速失水产生裂缝， 延缓了塑性收缩裂缝出现的时间;同时，在混凝土开裂后，纤维的抗拉作用阻止了裂缝的进一步发展，使裂缝变成多而窄的多发形态。混凝土抗渗性能由此得以大大提高。同时钢纤维的掺入对混凝土裂缝的进一步扩展也起到约束作用，这将延缓混凝土的破坏，增强混凝土韧性，延长混凝土使用寿命，从而间接提高密实性，并增强混凝土的体积稳定性。但层布式钢纤维采用撒布后， 虽经过振捣，但撒布处纤维密集，纤维与混凝土的粘结处可能界面增多，因而影响了混凝土的抗渗性，虽然钢纤维约束了混凝土的开裂，但界面处却增多了缝隙，因而钢纤维间混凝土的孔隙率虽然不高，但整体抗渗性能却较差。层布式混杂纤维混凝土优良的抗渗性显示，采用该形式对混凝土的耐久性有很大意义。

normal style="TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none" align=left>

normal style="TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none" align=left>2 结论

normal style="TEXT-INDENT: 18pt; TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none; mso-char-indent-count: 2.0" align=left>(1) 层布式混杂纤维混凝土的抗渗性最好， 其次是素混凝土，层布式钢纤维混凝土较差。

normal style="TEXT-INDENT: 18pt; TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none; mso-char-indent-count: 2.0" align=left>(2) 层布式混杂纤维混凝土的孔隙率较层布式刚纤维混凝土和素混凝土都低。而且小直径孔所占比例较多，孔隙分布也最均匀。

normal style="TEXT-INDENT: 18pt; TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none; mso-char-indent-count: 2.0" align=left>(3) 与层布式钢纤维混凝土相比，层布式混杂纤维混凝土的力学增强作用是有限的，但其在耐久性上的正混杂增强效果显著。

normal style="TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none" align=left>

normal style="TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none" align=left>参考文献

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normal style="MARGIN-LEFT: 18pt; TEXT-INDENT: -18pt; TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none; mso-char-indent-count: -2.0" align=left>[ 2] 卢哲安， 罗国荣， 陈应波， 等. 上下层布钢纤维混凝土抗折强度及增强机理研究. 武汉理工大学学报(自然科学版). 2001 ，23(1)

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normal style="MARGIN-LEFT: 18pt; TEXT-INDENT: -18pt; TEXT-ALIGN: left; mso-layout-grid-align: none; mso-char-indent-count: -2.0" align=left>[ 4] 袁海庆，陈景涛，等. 层布式钢纤维-聚丙烯腈纤维混凝土力学性能试验研究. 武汉理工大学学报(自然科学版). 2003 ，25(4)

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