建筑技术丨PVA–BF混杂纤维混凝土配置及在大体积混凝土工程中的应用

1 试验设计

1.1 试验材料

水泥：P·O 42.5级普通硅酸盐水泥，水泥性能指标见表1。粉煤灰：Ⅰ级粉煤灰。矿粉：S95级超细粉。石子：5~25 mm连续粒级碎石子。机制砂：经人工机械破碎的石灰岩质体。减水剂：聚羧酸系高性能减水剂，液体。消泡剂：聚醚高性能混凝土消泡剂，液体。纤维：聚乙烯醇纤维（简称PVA），玄武岩纤维（BF），纤维参数指标见表2。水：拌和自来水。

表1 水泥性能指标

表2 纤维参数指标

1.2 试验设备

试验设备主要有60 L单卧轴强制式混凝土搅拌机、混凝土压力试验机、50 Hz试模振动台。

1.3 参考标准

PVA–BF混杂纤维混凝土相关研究依据标准包括CECS13：2009《纤维混凝土试验方法标准》、GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》、GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》、GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》。

1.4 研究方法

水化放热采用TAM Air水化微量热仪测定；抗裂性能试件尺寸为800 mm×600 mm×100 mm，测定混凝土浇筑24 h开始测试最大裂缝长度、最大裂缝宽度和总开裂面积等。

2 结果与分析

2.1 C40普通混凝土配合比设计

本试验研究PVA–BF混杂纤维混凝土抗压强度等级为C40，经计算得到C40普通混凝土配合比，见表3。在C40普通混凝土配合比基础上，进行PVA–BF混杂纤维混凝土研究，针对混凝土在大体积基础工程中应用进行性能研究。

表3 C40普通混凝土配合比    kg/m³

2.2 PVA–BF混杂纤维混凝土配制及性能研究

通过C40普通混凝土配合比设计，得出混凝土配合比。通过在混凝土中掺加PVA–BF混杂纤维，研究对混凝土综合性能的影响。试验研究PVA–BF混杂纤维掺量指体积掺量。

2.2.1　PVA–BF混杂纤维对混凝土流动性能及力学性能影响

试验通过掺加PVA–BF混杂纤维研究对混凝土耐久性能的影响规律，试验中混杂纤维掺量质量比为BF∶PVA=1∶1，体积掺量分别为0.0 %、0.15 %、0.30 %、0.45 %、0.60 %，研究对于混凝土流动性能及力学性能影响。试验配合比见表4。PVA–BF混杂纤维为体积掺量，试验结果如图1所示。

表4 PVA–BF混杂纤维混凝土试验配合比

（a）

（b）

图1 PVA–BF混杂纤维对混凝土流动性能及力学性能影响

（a）坍落度影响；（b）28d抗压强度影响

由图1试验结果可以得出：图1（a）中，随着PVA–BF混杂纤维掺量增加，混凝土坍落度呈现先增大、后减小趋势。当PVA–BF混杂纤维掺量为0.15时，坍落度达到最大值240 mm，同时掺量由0 %增加至0.6 %，坍落度降低17.1 %。图1（b）中，随着PVA–BF混杂纤维掺量增加，混凝土3d抗压强度先减小、后增大，PVA–BF混杂纤维掺量为0.15 %时达到最小值28.75 MPa，PVA–BF混杂纤维掺量为0.60 %时达到最大值32.44 MPa。随着PVA–BF混杂纤维掺量增加，混凝土28 d抗压强度先增大后减小，PVA–BF混杂纤维掺量为0.45 %时达到最大值53.65 MPa。

由试验可知，PVA–BF混杂纤维在一定程度上能够降低混凝土力学性能，主要是由于混杂纤维掺加到混凝土中会增强水泥浆体与骨料之间的联结，形成的致密的网状体，阻止了浆体大范围流动，进而降低了混凝土流动性能。

同时，掺加PVA–BF混杂纤维会对力学性能产生有利影响，主要是由于纤维对水泥浆体起到良好的分散与粘结作用，增强混凝土基体整体性，提高混凝土强度指标。

2.2.2　PVA–BF混杂纤维对混凝土水化热及抗裂性能影响

由于本研究的混凝土应用于大体积基础工程中，对大体积混凝土而言，水化热以及抗裂是两项重要指标，直接影响大体积混凝土的综合稳定性。因此，本部分研究PVA–BF混杂纤维对混凝土水化热及抗裂性能的影响，试验配合比同表4，试验结果如图2、图3所示。

（a）

（b）

图2 PVA–BF混杂纤维对混凝土水化热性能影响

（a）水化热影响；（b）纤维掺量与1d、7d水化热拟合曲线

（a）

（b）

（c）

（d）

图3 PVA–BF混杂纤维对混凝土抗裂性能的影响

（a）最大裂缝长度；（b）纤维掺量与与最大裂缝长度拟合；

（c）最大裂缝宽度；（d）纤维掺量与最大裂缝宽度拟合

由试验结果可以得出：图2（a）中，掺加PVA–BF混杂纤维，1 d水化热有所降低，同时随着掺量增加，1 d水化热逐渐降低。随着时间延长，后期水化热在掺量0.15 %时达到最低值，同时掺量为0.30 %、0.60 %时的水化热均高于0 %掺量。图2（b）中，PVA–BF混杂纤维掺量与1 d、7 d水化热拟合曲线，相关系数R2分别为0.96、0.86，表明线性拟合相关性强，水化热变化具有规律性。

由试验结果可以得出：图3（a）中，随着PVA–BF混杂纤维掺量增加，最大裂缝长度先减小后增大，掺量为0.45 %时达到最低值462 mm，降低15.2 %。

图3（b）中，PVA–BF混杂纤维掺量与最大裂缝长度拟合图中相关系数R²为0.97，线性拟合相关性强，表明纤维对最大裂缝长度变化相关性较好。图3（c）中，随着PVA–BF混杂纤维掺量增加，最大裂缝宽度先减小后增大，掺量0.45 %达到最低值0.16 mm，降低49.8 %。

图3（d）中，PVA–BF混杂纤维掺量与最大裂缝长度拟合图中相关系数R²为0.99，线性拟合相关性强，表明纤维对最大裂缝宽度变化相关性较好。

试验充分表明，PVA–BF混杂纤维对混凝土裂缝有“自愈能力”，纤维的力学特性决定了其具有良好的抗拉能力，能分担拉应力，提升混凝土因温度应力出现的拉力裂缝。

2.2.3　大体积基础工程用PVA–BF混杂纤维混凝土最佳配合比

通过上述试验研究，分别得到了PVA–BF混杂纤维不同掺量对混凝土综合性能的影响规律，结合试验结果确定最佳PVA–BF混杂纤维的体积掺量为0.45 %。得到最佳配合比，见表5。

表5 PVA–BF混杂纤维混凝土最佳配合比

2.3 大体积基础工程应用研究

上述试验综合研究了PVA–BF混杂纤维对混凝土综合性能的影响，得出最佳配合比。将PVA–BF混杂纤维混凝土应用到大体积基础工程浇筑中，研究混凝土的工程适应性。试验配合比同表5。

施工时间为秋季施工，大体积基础工程为政府特殊应用防护墙体挡土墙下部基础工程，分段式长方体基础，一次混凝土浇筑的混凝土量为1 500 m³，分多次连续浇筑。

试验测试一次浇筑混凝土留模10组，测试性能取10组平均值。试验性能测试结果见表6。

表6 性能测试结果

由表6测试结果可以得出：经性能测试可知，相比普通混凝土，PVA–BF混杂纤维混凝土浇筑大体积混凝土，水化热有所降低、拉裂性能有所提高、流动性能与力学性能均有提高，满足工程应用要求，优化了大体积基础工程用混凝土综合影响，具有较高的应用价值。

3 结论

本研究做了PVA–BF混杂纤维混凝土配置及在大体积混凝土工程中的应用研究，得出如下结论。

（1）流动性能试验。PVA–BF混杂纤维在一定程度上能够降低混凝土力学性能，主要是由于混杂纤维掺加到混凝土中会增强水泥浆体与骨料之间的联结，形成的致密网状体阻止了浆体大范围流动，进而降低了混凝土流动性能。

（2）力学性能试验。掺加PVA–BF混杂纤维会对力学性能产生有利影响，主要是由于纤维对水泥浆体起到良好的分散与粘结作用，增强了混凝土基体整体性，提高了混凝土强度指标。

（3）水化热及抗裂性能试验。掺加PVA–BF混杂纤维，1 d水化热有所降低，同时随着掺量的增加，1 d水化热逐渐降低。随着时间延长，后期水化热在掺量为0.15 %时达到最低值，同时掺量为0.30 %、0.60 %时的水化热均高于0 %掺量。掺加PVA–BF混杂纤维，能够降低最大裂缝宽度与最大裂缝长度，提高大体积混凝土整体性。

（4）工程应用。PVA–BF混杂纤维混凝土浇筑大体积混凝土，水化热有降低、拉裂性能有提高、流动性能与力学性能均有提高，满足工程应用要求，具有较高的推广价值。