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第37 卷第5期2023年9 月文章编号：16 7 1-3559(2 0 2 3)0 5-0 59 9-0 8济南大学学报（自然科学版）Journal of University of Jinan(Science and Technology)Vol.37 No.5Sept.2023D0I:10.13349/ki.jdxbn.20221206.001硅灰掺量对纤维混凝土力学性能影响试验研究周代昱，谢群，赵鹏，鞠好学，张鸿（1.济南大学土木建筑学院，山东济南2 50 0 2 2；2.山东商业职业技术学院乡村振兴产业学院，山东济南2 50 10 3）摘要：为了探究硅灰替换水泥掺入纤维混凝土后，纤维混凝土抗压、抗折、抗初裂冲击和抗破坏冲击等性能的优劣，在掺加硅灰的质量分数为0、5%、7.5%、10%时，对纤维素纤维与聚乙烯纤维体积质量均为0.9 kg/m的纤维混凝土试件进行破坏分析与力学性能分析。结果表明：当硅灰质量分数为5.0%时，纤维混凝土的抗压强度、抗破坏冲击耗能达到最佳，分别为53.5MPa、9 417.6 k J；当硅灰质量分数为7.5%时，纤维混凝土的抗初裂冲击耗能为6 6 2 1.8 kJ,达到最佳；硅灰的掺加使纤维混凝土的抗折强度减小，掺量过大会导致纤维混凝土力学性能劣化。关键词：纤维混凝土；硅灰；力学试验；抗压强度；抗折强度；抗冲击性能中图分类号：TU528文献标志码：A开放科学识别码（OSID码）：可Experimental Research on Influences of Silica Fume Content onMechanical Properties of Fibre ConcreteZHOU Daiyu,XIE Qun,ZHAO Peng,JU Haoxue,ZHANG Hong(1.School of Civil Engineering and Architecture,University of Jinan,Jinan 250022,Shandong,China;2.Rural Revitalization Industry School,Shandong Institute of Commerce and Technology,Jinan 250103,Shandong,China)Abstract:To explore advantages and disadvantages of compressive behaviour,flexural performance,initial crack impactresistance,and destructive impact resistance of fibre concrete after replacing cement with silica fume,in the case of silicafume mass fraction of 0,5%,7.5%,and 10%,destructive analysis and mechanical properties analysis of fibre concretespeciments with both cellulose fibre and polyethene fibre mass concentration of 0.9 kg/m3 were conducted.The resultsshow that when the silica fume mass fraction is 5.0%,the compressive strength and destructive impact resistance energyconsumption are the best,which are 53.5 MPa and 9 417.6 kJ respectively.When the silica fume mass fraction is7.5%,the initial crack impact resistance energy consumption is the best,which is 6 621.8 kJ.The addition of silicafume will reduce the flexural strength of fibre concrete,and excessive silica fume will lead to the deterioration of themechanical properties of fibre concrete.Keywords:fibre concrete;silica fume;mechanical test;compressive strength;flexural strength;impact resistance混凝土属于典型的脆性材料，因此避免混凝土产生脆性破坏是十分重要的。掺加纤维和矿物掺合收稿日期：2 0 2 2-0 5-11基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目（52 10 8 2 14）；山东省住房城乡建设科学技术计划项目（2 0 2 0-K5-18）；建筑结构加固改造与地下空间工程教育部重点实验室开放课题项目（MEKL202006）第一作者简介：周代昱（19 9 8 一），男，山东潍坊人。硕士研究生，研究方向为固废再生与混凝土材料制备。E-mail：157 9 7 2 2 47 6 q q.c o m。通信作者简介：谢群（19 7 9 一），男，山东聊城人。教授，博士，博士生导师，研究方向为新材料结构、新型装配式结构、工程结构抗灾。E-mail:cea_。网络首发地址：https:/ 0 2 2-12-0 6 T14:59:32600物掺合料具有较大的细度，可以降低混凝土孔隙率从而提高混凝土强度。纤维的成本普遍高于矿物掺合料的成本,纤维掺量与混凝土强度的关系具有明显的拐点1-4，说明当纤维掺量增加到一定数量后，混凝土强度的上升趋势减缓或出现下降趋势。适宜的纤维掺量可以充分发挥纤维的力学性能，同时要避免搅拌过程中出现结团、聚集、分散不均的现象。硅灰是一种矿物掺合料，又称辅助胶凝材料。研究硅灰掺量对混凝土力学性能的影响是广受关注的研究热点。余强等5 研究了硅灰掺量（质量分数，以下同）为0、3%、6%、9%、12%的混凝土抗压强度与抗折强度,结果表明，抗压强度随着硅灰掺量的增加而增大，抗折强度在硅灰掺量为9%时达到最大。张雄等6 研究了硅灰分别掺加到混凝土基相和界面中对混凝土力学性能的影响，发现抗压强度在基相中硅灰掺量为9%时达到最大。阎培渝等7 研究了硅灰掺量为0、5%、10%的混凝土抗压强度，发现混凝土抗压强度随着硅灰掺量的增加而增大，硅灰掺量为0 5%时的抗压强度增大5%10%，与Wu等8 研究超高性能混凝土基体所得的结论一致，但是掺加钢纤维后，硅灰掺量为5%10%的混凝土的抗压强度明显增大。Karthikeyan等9 研究了硅灰掺量为4.5%、9.5%、14.5%的混凝土力学性能，发现硅灰掺量为9.5%的混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度和弯曲强度最大。张笑等10 研究了硅灰掺量为8%2 0%的混凝土抗压强度，发现硅灰掺量为10%12%的混凝土抗压强度最大。Smarzewski11 研究了硅灰掺量为0 2 5%的混凝土抗压强度，发现硅灰掺量为10%的混凝土劈裂抗拉强度增大2 6%，抗压强度增大13%；当硅灰掺量为10%25%时，混凝土抗压强度基本没有变化，而劈裂抗拉强度开始减小。Okoye等12 研究了硅灰掺量为0 40%的粉煤灰基地聚物混凝土的力学性能，发现混凝土抗压强度随着硅灰掺量的增加而增大；当硅灰掺量为0 2 0%时，抗弯强度和抗拉强度变化较小；当硅灰掺量为2 0%40%时，抗弯强度和抗拉强度急剧增大。Golafshani 等13 在研究硅灰混凝土最佳配合比设计时，发现当硅灰掺量为2 2.2%时，混凝土抗压强度最大。Adil等14 研究了硅灰掺量对透水混凝土抗压强度的影响，发现硅灰掺量为5%的混凝土抗压强度最大；硅灰掺量超过5%会增加混凝土的黏稠性，提高孔隙率，从而导致混凝土抗压强度减小。Gencel 等15 研究了硅灰掺量对玄武岩纤维增强泡沫混凝土抗压强度的影响，发现当硅济南大学学报（自然科学版）灰掺量为15%时，混凝土抗压强度增大46%。Xie等16 研究了硅灰掺量对纤维混凝土抗压强度的影响，发现当硅灰掺量为5%时，聚丙烯纤维混凝土和钢纤维混凝土的抗压强度分别增大2 1.5%、9.1%，当硅灰掺量为10%时，抗压强度分别增大2 6.3%、44.6%。纤维采用体积质量均为0.9 kg/m、长度分别为18、5 6 mm的聚乙烯纤维(PEF)与纤维素纤维（C F)的组合。PEF具有良好的延性与高强度、大模量的特点，可以抑制混凝土宏观裂缝的开展。CF具有天然的亲水性与高强度、大模量的特点，与混凝土裹握性良好，可以抑制混凝土微观裂缝的开展。本文中在硅灰掺量为0、5.0%、7.5%、10.0%的条件下，探究硅灰掺量对纤维混凝土抗压、抗折、抗初裂冲击和抗破坏冲击等性能的影响。1试件制备1.1原原料试验用原料包括：拌合水，选用济南市自来水；水泥，选用山东省诸城市杨春水泥有限公司生产的杨春山水牌强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，3d抗折、抗压强度分别为5.5、2 7.4MPa，2 8 d抗折、抗压强度分别为8.6、49.8 MPa；细骨料，选用济南市当地的中砂河沙，细度模数为2.6 3，孔径为6 30 m标准筛的累积筛余质量分数为49.7 9%，级配区为区；粗骨料，选用双粒径级配的玄武岩碎石，粒径分别为3 10、10 2 0 mm的玄武岩碎石的质量比为8：12；减水剂，选用江苏省苏州弗克技术股份有限公司生产的FOX-C1029型聚羧酸减水剂粉剂，减水率为36%；PEF，选用广东省东莞市盛芯特殊绳带有限公司生产的牌号为ZTD77的纤维；CF，选用山东省泰安源顺建材有限公司生产的片状纤维；硅灰，选用河南义翔新材料科技公司生产的灰色硅灰，二氧化硅质量分数为9 2%。试验用纤维的基本力学性能指标如表1所示，试验用纤维的照片如图1所示。1.2配合比按混凝土强度等级为C35设计混凝土配合比，混凝土2 8 d抗折强度设计为4.5MPa。未掺加硅灰、PEF和CF的混凝土对照组命名为A组，仅掺加PEF和CF的混凝土对照组命名为B组，硅灰掺量为5.0%的纤维混凝土试验组命名为C组,硅灰掺量为7.5%的纤维混凝土试验组命名为D组,硅灰掺量为10.0%的纤维混凝土试验组命名为E组。不同混凝土的质量配合比如表2 所示。第37 卷第5期周代昱，等：硅灰掺量对纤维混凝土力学性能影响试验研究表1试验用纤维的基本力学性能指标名称直径/um聚乙烯纤维22纤维素纤维20601长度/mm抗拉强度/MPa初始弹性模量/CPa183.3605600断裂伸长率%1153.5715.0(a)聚乙烯纤维表2 不同混凝土的质量配合比体积质量/(kg/m)混凝土玄武岩碎石编号水水泥河沙粒径为3 10 mmA组142.2B组142.2C组142.2D组142.2E组142.2注：PEF为聚乙烯纤维；CF为纤维素纤维。1.3施工工艺与试件制备片状CF须进行预分散处理，工艺如下：1)将片状CF浸泡软化1d。2)将质量分数为0.5%的KH-550型硅烷偶联剂水溶液、河沙与片状CF以质量比为10:4:1进行混合。3)使用水泥净浆搅拌机高速搅拌2 h,使混合物呈乳白色浆液状。4)将搅拌物加到拌合水中分散成均匀的悬浊液，使CF从片状转为单丝形态。在分散PEF时,PEF之间相互摩擦产生静电作用,使得PEF之间带有同种电荷而相互排斥，导致排列散乱，同时PEF在与其他物体接触时会转移电荷，使得PEF之间产生吸引作用。上述现象加剧了(b)纤维素纤维图1试验用纤维的照片PEF粒径为10 2 0 mm332.3789.5332.3789.5316.3789.5308.3789.5300.3789.5CF473.7710.5473.7710.5473.7710.5473.7710.5473.7710.5纤维的混乱分散，是纤维结团的主要原因。为了解决该问题，需要将PEF纤维与水泥或硅灰等胶凝材料进行干拌处理，搅拌工艺如下：1)将PEF掺入水泥和硅灰中干拌10 min，以减小静电的影响,形成纤维水泥基干料。2)依次将纤维水泥基干料、细骨料和粗骨料倒入搅拌桶干拌30 s，防止尖锐的粗骨料划伤PEF。3)将混有CF悬浊液的拌合水均匀倒入搅拌筒，湿拌2 min,其间掺人减水剂并观察拌合物的流动性。4)卸料测量落度，并装模振实。5）成型2 4h拆模并标准养护2 8 d。1.4温混凝土落度检测沿混凝土堆体1/3高度处顺时针均匀敲打5次硅灰聚羧酸减水剂1.50.90.90.90.90.90.90.90.92.016.62.024.91.733.21.5602侧壁后无崩落现象，认为混凝土黏聚性良好。堆体底部无泌水，认为混凝土保水性良好。5组混凝土均满足上述要求，混凝土落度测量示意图如图2所示。奶落度标尺图2 混凝土落度测量示意图根据国家标准CB/T500802016普通混凝土拌合物性能试验方法标准【17 ，混凝土拌合物落度值应修约至5mm。A 组混凝土试件落度为30 mm，B组混凝土试件落度为35mm，C 组混凝土试件落度为35mm，D 组混凝土试件落度为2 5mm，E组混凝土试件落度为30 mm。由上述结果可知，5组混凝土试件落度范围为10 40mm，均为低塑性混凝土，满足混凝土浇筑对落度的要求。2试件破坏分析2.1力学试验方法混凝土力学试验包括轴压试验、四点弯曲试验和抗冲击试验。轴压试验采用江苏省无锡东仪制造科技有限公司生产的30 t全自动混凝土压力试验机，混凝土试块采用体积为10 0 mm的立方体试块。四点弯曲试验采用10 t美特斯万能试验机，混凝土试块采用尺寸为40 0 mm100mm100mm（长度宽度高度）的棱柱体试块。抗冲击试验采用自制试验仪器，符合中国工程建设协会标准CECS132009纤维混凝土试验方法标准18 中的要求。抗冲击试件为直径是150 mm、高度是6 0 mm的圆柱体试块。检测指标为抗初裂冲击耗能和抗破坏冲击耗能，公式18 为W,=N,mgh,W,=N2mgh,济南大学学报（自然科学版）式中：W1为抗初裂冲击耗能；N1为初裂冲击次数；m为冲击球锤质量，取值为5kg；g 为重力加速度，取值为9.8 m/s；h 为冲击高度，取值为6 0 0 mm；W，为抗破坏冲击耗能；N为破坏冲击次数。每组混凝土各包括3个试件，抗压试验以0.5MPa/s的速率均匀加载，四点弯曲试验以0.5mm/s的速率均匀加载。2.2宏观破坏分析2.2.1轴压试验破坏分析混凝土试件轴压破坏图如图3所示。由图可知，A组试件裂缝以长裂缝为主，且裂缝开展不均匀。试件属于局部破坏，无法充分发挥骨料的强度性能。B组试件裂缝以长裂缝为主，趋于整体分布，试件抗压强度增大。C组试件破坏主要集中在边角部区域，呈现方形破坏特征。硅灰的掺加使得其中的活性二氧化硅与水泥水化产物氢氧化钙发生火山灰反应，化学方程式为SiO,+Ca(OH)2=CaSiO,+H,0,(a)A组(b)B组(c)C组(d)D 组(1)(e)E组(2)图3混凝土试件轴压破坏图第37 卷(3)第5期因此试件中间局部强度大于四周局部强度，从而进一步增大了混凝土试件整体的抗压强度。氢氧化钙属于可溶性碱，部分溶解于混凝土内部毛细孔中的水。随着水分的流动和蒸发，氢氧化钙在混凝土试件表面析出，并与空气中二氧化碳反应生成碳酸钙，试样表面出现泛碱，化学方程式为CO,+Ca(OH),=CaCO,+H,O 。(4)随着硅灰掺量的增加，活性二氧化硅无法完全反应，加上水泥用量的减少使得水化硅酸钙等水化产物明显减少，导致混凝土试件强度出现减小趋势。2.2.2四点弯曲试验破坏分析混凝土试件抗折破坏图如图4所示。由图可知：周代昱，等：硅灰掺量对纤维混凝土力学性能影响试验研究603A组试件发生突然破坏,在跨中1/3区域内断裂成2个部分。试件抗折强度越大，断裂后释放的能量也越多,在破坏过程中纤维的拔出吸收了一部分能量，因此开裂时的裂缝宽度可以作为判断混凝土抗折强度的依据。B组试件破坏裂缝发展充分，宽度最大,因此抗折强度也最大。从B一E组试件裂缝宽度的变化可知，抗折强度随着硅灰掺量的增加而逐渐减小。2.2.3混凝土抗冲击试验混凝土试件抗冲击破坏图如图5所示,其中受冲击荷载作用，试件红圈内部区域为直接冲击区，外部区域为间接冲击区。混凝土试件冲击受力分析如图6 所示，其中直接冲击区的试件不仅受落锤产生的冲击力，还受间接冲击区试件产生的环状约束作用，混凝土试件单元体应力状态为三向受压状态。间接冲击区的试件受直接冲击区试件的膨胀作用，(a)A组(a)A组(b)B组(b)B组(c)C组(c)C 组(d)D组(d)D组(e)E组图4混凝土试件抗折破坏图(e)E组图5混凝土试件抗冲击破坏图604济南大学学报（自然科学版）第37 卷拉应力约束区混凝土压应力悬臂梁悬臂梁悬臂梁图6 混凝土试件冲击受力分析圆心产生环向拉应力。由于混凝土属于各向异性材料，地基抗拉强度远小于抗压强度，因此冲击试件的损伤受拉应力控制。混凝土试件损伤过程分析如图7 所示。由图可知,受混凝土脆性特征的影响,A组试件内部缺陷被放大，导致裂缝的出现存在较大的随机性，因此A组试件的损伤破坏为局部破坏，无法充分发挥混凝土粗骨料基体的强度。纤维的掺入抑制了混凝土的脆性开裂特征，使得混凝土的损伤过程变得有规律可循。由图7(a)可知：在试件的间接冲击区出现受拉破坏后，混凝土试件出现应力重分布。外部冲击荷载促使裂缝加速开展，因此荷载转化为垂直于开裂面的等效作用力。受约束混凝土的范围逐渐减小，裂缝从外部边缘逐渐发展到圆心。此时裂缝两侧的混凝土等效为2 个悬臂梁，未开裂区域等效为地基。在混凝土刚度较大的情况下，悬臂梁的根部出现裂缝。由图7(b)可知,由于等效地基的刚度并非无穷大，因此裂缝向地基内部斜向延伸而非界面断裂。由图7(c)可知,随着刚度的减小,2 条斜向裂缝逐渐向中间靠拢，最终合并为1条裂缝。由此可知,B、C、D 组试件符合高刚度损伤模型,E组试件符合低刚度损伤模型。3力学性能结果与分析混凝土力学性能包括抗压强度、抗折强度、抗开裂冲击耗能和抗破坏冲击耗能。经力学试验测试后，混凝土力学性能如表3所示。3.1硅灰掺量对纤维混凝土抗压强度的影响图8 所示为硅灰掺量对纤维混凝土抗压强度的影响。由图可知：纤维混凝土抗压强度随着硅灰掺量的增加先增大后减小；当硅灰掺量从0 增至5.0%悬臂梁地基(a)等效受力模型悬臂梁高刚度地基(b）高刚度损伤模型悬臂梁低刚度地基（c）低刚度损伤模型图7 混凝土试件损伤过程分析时，抗压强度增大7.0%；当硅灰掺量继续增至10.0%时，抗压强度又减小9.3%；由此可知，当硅灰掺量为5.0%时,抗压强度最大,并且过量的硅灰对纤维混凝土抗压强度的劣化作用大于增强效果。悬臂梁悬臂梁第5期抗压强度抗折强度抗初裂冲击抗破坏冲击编号/MPaA组43.6B组50.0C组53.5D组50.3E组48.56050.050403020100图8 硅灰掺量对纤维混凝土抗压强度的影响3.2硅灰掺量对纤维混凝土抗折强度的影响图9 所示为硅灰掺量对纤维混凝土抗折强度的影响。由图可知：纤维混凝土抗折强度随着硅灰掺量的增加而减小；当硅灰掺量从0 增至5.0%时，抗折强度减小7.4%；当硅灰掺量继续增至10.0%时，抗折强度又减小18.0%。由此可知，硅灰掺量的增大加剧了纤维混凝土抗折强度的劣化。65.4543210图9 石硅灰掺量对纤维混凝土抗折强度的影响3.3硅灰掺量对纤维混凝土抗冲击耗能的影响图10 所示为硅灰掺量对纤维混凝土抗冲击耗能的影响。由图可知：随着硅灰掺量的增加,纤维混凝土抗冲击耗能先增大后减小；抗破坏冲击对应的最佳硅灰掺量为5.0%，抗初裂冲击对应的最佳硅周代昱，等：硅灰掺量对纤维混凝土力学性能影响试验研究表3混凝土力学性能/MPa耗能/KJ4.02.158.25.45 562.45.05248.44.86 621.84.13 482.653.550.305.0硅灰的质量分数/%5.04.805.0硅灰的质量分数/%60510000抗初裂冲击耗能抗破坏冲击耗能耗能/kJ80008044.26 0008 232.640009 417.67455.63 678.848.57.510.04.17.510.020000图10 硅灰掺量对纤维混凝土抗冲击耗能的影响灰掺量为7.5%。由此可知，随着硅灰掺量的增加，硅灰对纤维混凝土抗冲击性能的劣化是从抗破坏冲击性能开始的；当硅灰掺量大于5.0%时,纤维混凝土抗冲击耗能急剧增大。3.4公式拟合基于3.1一3.3节中的分析结果,利用Origin软件进行多项式拟合，硅灰掺量拟合曲线如图11所示。Y,=0.013X2+0.003X+5.387,5.655L548850Y,=0.038X3-0.734X2+3.430.X+5049决定系数R2=1482硅灰的质量分数/%(a)抗压强度与抗折强度11 000Y,=-139.086X2+936.698X+8 229.55110000决定系数R2=0.9999490008:000700060005 000400030000X一硅灰的质量分数；Yi一抗压强度；Y,一抗折强度；Ys一抗破坏冲击耗能。(b)抗破坏冲击耗能图11硅灰掺量拟合曲线0决定系数R2=0.976954624硅灰的质量分数/%5.0硅灰的质量分数/%8687.510.05.45.24.44.24.01010606由图可知，拟合曲线的决定系数均大于0.9 7 5,因此可信度较高。抗压强度拟合曲线与抗破坏冲击耗能拟合曲线预测出的极值点为后续试验缩减了研究范围，具有参考价值。4结论本文中通过对4组纤维混凝土进行力学性能分析,研究硅灰掺量对纤维素纤维与聚乙烯纤维体积质量均为0.9 kg/m的纤维混凝土力学性能的影响，得到如下结论：1)当硅灰掺量为5.0%时，纤维混凝土抗压强度和抗破坏冲击性能达到最佳。2)当硅灰掺量为7.5%时，纤维混凝土抗初裂冲击性能达到最佳。3)掺加硅灰会减小纤维混凝土的抗折强度。4)硅灰掺量过大会导致纤维混凝土力学性能劣化。参考文献：1晏麓晖，张玉武，朱林超高分子量聚乙烯纤维混凝土的基本力学性能J国防科技大学学报，2 0 14，36（6）：43.2MA W L,QIN Y,LI Y L,et al.Mechanical properties 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