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刘 峰
（江西省水利水电建设集团有限公司，江西 南昌 330200）
在水利工程的建设中，混凝土浆料是修建各种水工建筑物的重要材料，其强度和各方面物理性质直接决定了工程竣工后的服役年限和安全运营[1，2]。然而当前普通注浆材料存在诸多缺陷，浆料成型后的建筑强度低，抗冻抗腐蚀性低等问题突出，给水利工程的安全运行带来阻碍[3，4]。纤维增强混凝土是由水泥、砂浆或混凝土和不连续、离散、均匀分散的合适纤维组成的复合材料，纤维增强是改善混凝土力学性能的有效手段，向混凝土中添加小短纤维有助于弥合混凝土基体中的裂缝，显著改善了混凝土的拉伸性能，减少了收缩和收缩裂缝[5]。不同类型的纤维对混凝土有不同的影响。
童伟光 等[6]通过落锤冲击试验对聚丙烯纤维混凝土进行试验研究，分析比较了纤维形态、长度以及掺量对混凝土抗冲击性能的影响规律和增强机理；
张晓丽 等[7]从基体性能和纤维表面特征2个方面分析改性纤维-混凝土界面黏结性能的机理及影响；
俞亚楠 等[8]进行不同体积掺量SFC 抗压强度、劈裂抗拉强度及抗折强度性能试验，分析得出剑麻纤维的最佳掺量；
薛志成 等[9]采用等效应变假定理论，建立玄武岩纤维混凝土单轴受拉损伤演化方程；
杨凌 等[10]揭示竹纤维含量和长度对混凝土力学性能的影响，提出了3 种含量和3 种规格竹纤维长度的竹纤维混凝土试件进行28 d 抗压、抗折、抗拉强度试验。文章采用一种城市垃圾中的纺织纤维作为研究对象，采用室内试验研究了纤维混凝土的抗压强度、抗弯强度、密度，以及耐腐蚀性，得到了最优参量，研究成果可为相关工程提供参考。
1.1 原材料
本研究中使用的材料包括硅酸盐水泥、细骨料、粗骨料、水、纺织纤维和酸。采用P·O 42.5 硅酸盐水泥，质量符合现行国家标准GB 175《通用硅酸盐水泥》的要求，水泥比重测试为3.15，实验用细骨料的比重为2.13，细骨料的粒度分布如图1 所示，粗骨料使用当地可用的标称尺寸为20 mm 的碎花岗岩骨料，骨料的比重为2.6，使用的织物（纺织）纤维主要是从废品中获得的棉材料，切碎纤维的平均长度和直径分别为1.8 cm 和0.53 cm，平均密度为1.53 g/cm3。
图1 细骨料的粒度分布
1.2 试样制备
制样时先将纺织纤维粉碎成所需尺寸（图2），并添加到水泥和沙子的混合物中，并彻底搅拌混合，使用的纺织纤维百分比为水泥重量的0%、1%、2%和3%。在本研究中，使用体积配合比设计方法，设计了28 d 时达到25 N/mm2目标抗压强度的混凝土。水泥、细骨料和粗骨料的配合比分别为1∶1.77∶4.13，使用的水灰比为0.5，试样尺寸为150 mm×150 mm×150 mm 的立方体，按照水利工程混凝土性能的要求制备和养护立方体，在7 d、14 d和28 d进行测试。本次试验共测试了108个立方体，为了确定纺织纤维对混凝土性能的影响，进行了以下试验：
图2 试验用纺织纤维
①对含有0%、1%、2% 和3%纺织纤维添加剂的混凝土进行抗压强度试验；
②在150 mm ×150 mm×450 mm 的矩形梁上进行了添加0%、1%、2%和3%纺织纤维添加剂的混凝土抗弯强度试验；
③在150 mm×300 mm 长的圆柱体上，在第7 d、14 d 和28 d 对掺有0%、1%、2%和3%纺织纤维添加剂的混凝土进行劈裂拉伸试验。
此外还进行了质量损失和抗压强度损失试验，以确定含有0%、1%、2%和3%纺织纤维添加剂的混凝土的耐久性。该试验在混凝土立方体试件上进行。制备这些立方体并在水中固化28 d，之后将每种混合物中的3 个立方体浸入2%盐酸（HCl）介质中，并将另外3 个相应的立方体浸入水中。为了最大限度地减少蒸发，在整个试验期间将这些试样覆盖。在27 d 的时间内，每隔3 d 采集每个样本的重量。在酸浸27 d 后，对试样进行抗压强度测试。
图3 和图4 分别给出了不同纤维含量下，混凝土抗压强度和密度变化规律。如图3 所示，总体上随着养护天数的增加，混凝土强度增长明显，当纤维含量为2%时，混凝土强度由16.43 N/mm2直接增长至24 N/mm2。另一方面，随着纤维含量的增加，混凝土强度同样出现了增长，但存在临界值。在养护第7 d 时，织物纤维从0%增加到2%时候，混凝土的强度由15.67 N/mm2增加到16.43 N/mm2，然后在织物纤维含量为3%时略有下降，降低至16.29 N/mm2。通过图4 可以看出第7 d、14 d 和28 d 随织物纤维含量的变化。由图4 可知，随着固化时间的延长以及纺织面料纤维含量的增加，混凝土密度也会增加。密度作为混凝土设计过程的一部分非常重要，因为混凝土的单位重量是混凝土强度分类的重要指标，而且密度更高的混凝土通常提供更高的强度。
图3 不同纤维含量混凝土抗压强度变化
图4 不同纤维含量凝土密度变化
图5 给出了含量0%、1%、2%和3%纺织纤维的混凝土的抗弯强度。由图5 可知，混凝土弯曲强度通常随养护龄期的增加而增加。当养护天数为7 d 时，纤维含量的增加使弯曲强度从0%时 的3.57 N/mm2增加到1%时的3.94 N/mm2，纤维含量为2%时为4.12 N/mm2，纤维含量为3%时为4.5 N/mm2。当养护天数为14 d 时，纤维含量分别从0%、1%和2%时的3.82 N/mm2、4.05 N/mm2增加至5.58 N/mm2，然后在纤维含量为3%时下降到4.61 N/mm2。28 d 时的趋势类似，在纤维含量为0%、1% 和2% 时，分 别 从5.18 N/mm2、5.37 N/mm2增加至6.41 N/mm2，在纤维含量为3%时，下降到5.66 N/mm2。因此，使用纺织纤维可以增加混凝土内的粘结力，因此有助于减少裂缝，提高耐久性。
图5 不同含量纺织纤维混凝土的抗弯强度
图6 给出了含量0%、1%、2%和3%纺织纤维的混凝土的劈裂强度。由图6 可知，当混凝土养护天数为7 d 时,1%的纤维含量具有最佳劈裂强度，但混凝土养护天数为14 d 时，纤维含量对劈裂强度无明显影响；
而对于养护28 d 的混凝土的劈裂抗拉强度，同样是1%的纤维含量具有最佳劈裂强度。此外，还可看到随固化时间的增加，劈裂抗拉强度同样出现明显增长。
图6 不同含量纺织纤维混凝土的劈裂强度
混凝土的耐久性通常表示为混凝土在使用寿命期间对劣化环境的抵抗力。在此期间，混凝土可能会接触工业中的酸性废水和地下管道中的污水，从而暴露在侵蚀性化学环境中。由于水泥混凝土通常不具有良好的耐酸蚀性，因此会导致重量损失、混凝土开裂以及混凝土因强度损失而退化。本次主要研究了织物纤维在酸性介质中的行为，测定了试样在2%盐酸中浸泡27 d 的重量，结果如表1 所示。由表1 可知，织物纤维含量越高，混凝土重量损失越大，减重是耐酸性的指标，减重率越高，耐酸性越低。当纤维含量为0%时，混凝土质量减少了0.052 kg，含量为1%、2%、3%时分别减少了0.039 kg、0.059 kg、0.063 kg。
表1 在2%盐酸中浸泡27 d 后混凝土重量
图7 给出了含有织物纤维的混凝土在2%盐酸中浸泡27 d 后的抗压强度结果。由图7 可知，与浸泡在酸中之前的试样相比，所有暴露在酸性环境中的试样的抗压强度都有所降低，其抗荷载能力较低。27 d 后，0%的纤维含量损失46.6%，在盐酸中的强度以及纤维含量为1%、2%和3%时，强度损失分别为47.5%、47%和54.4%。抗压强度的降低可归因于混凝土基体结构因酸侵蚀而劣化。可以推断，0%的织物含量混凝土具有最好的耐酸性，其次是2%的织物含量。
图7 混凝土在2%盐酸中浸泡27 d 后的抗压强度
使用纤维作为建筑材料改良剂能够较大程度上改善混凝土性能，并降低施工成本。为增强水利工程中混凝土的物理力学性能，采用一种城市垃圾中的纺织纤维作为研究对象，并通过室内试验研究了纤维混凝土的抗压强度、抗弯强度、密度，以及耐腐蚀性。结果表明，对于混凝土抗压强度和抗弯强度，织物纤维2%时候最佳为16.43 N/mm2，养护28 d 混凝土抗弯强度为6.41 N/mm2，而对于混凝土劈裂强度，1%的纤维含量具有最佳劈裂强度。此外，通过测定试样在2%盐酸中浸泡27 d 的重量得出，当纤维含量为0%时，混凝土质量减少了0.052 kg，含量为1%、2%、3%时分别减少了0.039 kg、0.059 kg、0.063 kg。
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