混凝土是一种重要的土木工程材料，因其应用广泛，在实际应用中需考虑环境因素的影响。硫酸盐影响混凝土的耐久性[1-2]。而纤维混凝土作为建筑材料的研究热点，可有效提高混凝土抗硫酸盐侵蚀性[3]。覃源等[4]、Meng等[5]、Wang等[6]探究纤维混凝土的耐久性，发现硫酸盐溶液浓度影响混凝土的耐久性，且纤维混凝土比普通混凝土具有更好的抗硫酸盐侵蚀性能。王振山等[7-8]研究不同盐溶液下玄武岩纤维的耐腐蚀性能。结果表明：添加玄武岩纤维能够提高混凝土的耐腐蚀性能。Guo等[9]研究在聚丙烯(PP)纤维、聚乙烯醇(PVA)纤维和硅灰石(WS)混杂下，偏高岭土聚合物的抗硫酸盐腐蚀性能。研究表明：有机纤维和无机矿物超细纤维的混杂使用，可以有效抵抗硫酸盐环境对混凝土的侵蚀。Özkan等[10]、Wang等[11]研究不同掺量的玄武岩纤维与PVA纤维对混凝土基体的影响。结果表明：玄武岩与PVA纤维质量比为3∶1时，试样的抗压强度最高，且在较小变形时两种纤维的混杂对力学性能的改善更有效。徐超[12]研究碳纤维、钢纤维和玻璃纤维等对混凝土的影响。结果表明：掺入纤维后，混凝土的抗渗性提高，且混掺纤维效果优于单掺纤维。混杂纤维的加入改善混凝土的力学性能，其改善效果优于单纤维掺入[13]，但在硫酸盐侵蚀环境下对玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维混凝土方面的研究较少。本实验为研究玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响，以C40混凝土为基体，设计并制备了不同纤维掺量的玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维混凝土试件，探究系列玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维混凝土抗硫酸盐腐蚀性能。1实验部分1.1主要原料粗骨料，5~20 mm碎石，表观密度2 655 kg/m3，堆积密度1 435 kg/m3，含泥量0.2%，锦州市温滴楼石厂；细骨料，属于中砂，细度模数2.44，表观密度2 660 kg/m3，堆积密度1 549 kg/m3，含泥量2.2%，含水率3.2%，锦州市小凌河砂；普通硅酸盐水泥，强度等级为P·O42.5，各项物理指标满足GB 175—2007[14]，渤海水泥（葫芦岛）有限公司；聚乙烯醇(PVA)纤维，长度为12 mm，河北强宏防腐材料有限公司；玄武岩纤维(BF)，长度为6 mm，山东森泓工程材料有限公司。表1为混凝土配合比。表2为纤维性能参数。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.002.T001表1混凝土配合比Tab.1Mix proportion of concrete参数水水泥砂石数值2004086731195kg·m-3kg·m-310.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.002.T002表2纤维性能参数Tab.2Fiber performance parameters纤维密度/（g·cm-3）弹性模量/GPa抗拉强度/MPaPVA1.3352450BF2.692~1103000~35001.2仪器与设备微机控制电液伺服压力试验机，YAS-5000，长春科新试验仪器有限公司；全自动混凝土硫酸盐干湿循环试验机，NJ-LSY，北京耐久伟业科技有限公司。1.3样品制备按JGJ/T 221—2010[15]进行制备，将BF和PVA纤维分别以0.2%、0.4%和0.6%的体积掺量，单掺或以不同比例混掺入混凝土基体，制备单掺BF混凝土、单掺PVA纤维混凝土及BF-PVA混杂纤维混凝土，进行抗压强度试验和抗硫酸盐腐蚀试验。抗压强度试验1组，抗硫酸盐腐蚀试验2组，每组含3个试件。表3为纤维混凝土试件的试验方案。OC是普通混凝土，BC为BF混凝土，PC为PVA纤维混凝土，BPC为BF-PVA混杂纤维混凝土。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.002.T003表3纤维混凝土试件的试验方案Tab.3Test scheme of fiber concrete specimens试件编号混杂比纤维总掺量/%纤维掺量占比/%试件编号混杂比纤维总掺量/%纤维掺量占比/%BFPVABFPVAOC—000BPC21∶10.40.200.20BC1—0.20.200BPC31∶10.60.300.30BC2—0.40.400BPC41∶20.20.060.13BC3—0.60.600BPC51∶20.40.130.26PC1—0.200.20BPC61∶20.60.200.40PC2—0.400.40BPC72∶10.20.130.06PC3—0.600.60BPC82∶10.40.260.13BPC11∶10.20.100.10BPC92∶10.60.400.201.4性能测试与表征抗压强度测试：按GB/T 50081—2002[16]进行测试。抗硫酸盐腐蚀测试：按GB/T 50082—2009[17]进行测试，共两组试验，一组15次循环，一组30次循环，循环1 次/d，循环结束，分别称重并测试其抗压强度。混凝土抗压强度耐腐蚀系数计算公式为：Kf=fcnfc0×100% （1）式（1）中：Kf为抗压强度耐腐蚀系数；fcn为经N次干湿循环后混凝土抗压强度，MPa；fc0为同龄期标准养护下试件抗压强度，MPa。混凝土质量变化率计算公式为：Km=Mn-M0M0×100% （2）式（2）中：Km为经N次干湿循环后试件质量变化率，正值表示质量增加，负值表示质量减少；M0为试件干湿循环前质量，kg；Mn为试件干湿循环后质量，kg。2结果与讨论2.1纤维对混凝土抗压强度的影响图1为不同混凝土试件破坏形态。从图1可看出，普通混凝土在受压破坏时，表面出现裂缝并立即发生大块脱落。而掺入BF后，混凝土试件形态较完整，只有表面出现碎屑脱落；掺入PVA纤维后，混凝土试件出现贯穿裂缝，没有块体脱落现象。而在掺入混杂纤维时，试件既没有大块脱落，也没有形成较大裂缝，只是产生了一些小裂缝。这说明纤维使混凝土的破坏形态发生了改变，由脆性破坏变为延性破坏，混杂纤维对混凝土破坏的改善效果更明显。图1不同混凝土试件破坏形态Fig.1Failure modes of different concrete specimens10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.002.F1a1(a)OC10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.002.F1a2(b)BC10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.002.F1a3(c)PC10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.002.F1a4(d)BPC图2为不同混凝土的抗压强度。从图2a可以看出，除了BPC1与BPC7的抗压强度超过OC试样，其余试样的抗压强度均低于OC试样。PC3试样的抗压强度最小，为40.07 MPa。从图2b可以看出，单掺纤维混凝土时，混凝土抗压强度明显减小，这说明两种纤维均对混凝土抗压强度起负增长作用。当试件为混杂纤维混凝土，混凝土抗压强度较单掺混凝土的下降率小。当纤维总掺量为0.2%，BF与PVA混杂比为2∶1和1∶1时，基体混凝土的抗压强度均有少许提升，这说明混杂纤维改善混凝土抗压强度优于单掺纤维。当PVA纤维所占纤维比例相同时，随着纤维总掺量的增加，混凝土的抗压强度逐渐减小。说明在一定范围内，纤维总掺量越少，混凝土抗压强度越好。随着纤维掺量的增加，纤维在混凝土中形成团聚，改变了混凝土基体内部结构的均匀性和致密程度，使混凝土的抗压强度下降[18]。当纤维总掺量相同时，混凝土的抗压强度随着PVA纤维掺量的增加，呈现波浪式的变化。当BF与PVA混杂比为2∶1，改善混凝土抗压强度效果最好。图2不同混凝土的抗压强度Fig.2Compressive strength of different concrete10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.002.F2a1(a)混凝土抗压强度平均值10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.002.F2a2(b)混凝土抗压强度结果分析以BF和PVA纤维掺量作为自变量，对混凝土抗压强度进行三维拟合曲面，图3为抗压强度拟合曲面，其拟合函数为：Z1=46-17x2-22y2 (0≤x≤1,0≤y≤1)（3）式（3）中：Z1为抗压强度，MPa；x为BF掺量，%；y为PVA纤维掺量，%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.002.F003图3抗压强度拟合曲面Fig.3Fitting surface of compressive strength从图3可看出，试验数据基本在拟合曲面附近，表明抗压强度预测曲面拟合精度较高(R2=0.96)，曲面呈现“上凸伞状”。单掺纤维时，混凝土抗压强度随着纤维掺量的增加呈现非线性减小。当BF与PVA纤维混掺，在一定范围内，混杂纤维对混凝土抗压强度起负增长作用，这与强度结果规律一致，且PVA纤维的负增长作用更强。2.2纤维对混凝土耐硫酸盐腐蚀性能影响2.2.1强度损失采用式（1）将试验结果进行换算，得到不同龄期混凝土抗硫酸盐腐蚀强度损失。图4为不同龄期混凝土抗硫酸盐腐蚀强度损失。图4混凝土抗硫酸盐腐蚀强度损失情况Fig.4Sulfate corrosion resistance strength loss of concrete10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.002.F4a1(a)混凝土15 d抗硫酸盐腐蚀的强度损失10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.002.F4a2(b)混凝土30 d抗硫酸盐腐蚀的强度损失从图4a可以看出，在15 d干湿循环试验中，对于单掺BF或者单掺PVA，混凝土的抗压强度耐腐蚀系数均随纤维掺量的增长而先增加后减小。当BF与PVA的掺量分别0.4%，纤维混凝土的抗硫酸盐腐蚀最佳，但掺入BF纤维的混凝土的抗硫酸盐腐蚀系数小于1，而掺入PVA纤维的混凝土的抗硫酸盐腐蚀系数大于1，且PVA纤维的不同掺量下耐硫酸盐腐蚀系数均大于1，表明PVA纤维对混凝土强度抗硫酸盐腐蚀具有显著的抑制作用，而BF是在一定掺量下才具有最佳的抑制效果。BF与PVA混杂纤维的加入，使混凝土抗压强度耐腐蚀系数均大于1，说明3种混杂比均对混凝土抗压强度耐硫酸盐系数起正向作用。BPC5组的系数最大，其Kf值约为115.4%。从图4b可以看出，30 d干湿循环试验中，标养普通混凝土强度为46.3 MPa，BPC7组的抗压强度耐硫酸盐效果最佳，其Kf值约为96.8%。综合分析15 d与30 d耐硫酸盐腐蚀试验结果，可推荐BPC7组为最优混杂比试件。为了更直观地看出混凝土抗硫酸盐耐腐蚀系数变化结果，以PVA所占纤维掺量为变量，将图4的不同龄期下的混凝土抗硫酸盐腐蚀强度损失数据进行整理，素混凝土由于未掺纤维，故不再整理。图5为混凝土抗压强度耐腐蚀系数。图5混凝土抗压强度耐腐蚀系数Fig.5Corrosion resistance coefficient of concrete compressive strength10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.002.F5a1(a)混凝土15 d抗压强度耐腐蚀系数10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.002.F5a2(b)混凝土30 d抗压强度耐腐蚀系数从图5a可以看出，纤维的掺入对于混凝土15 d抗压强度耐腐蚀系数有明显的提升作用。在任意纤维掺量下，当混杂比为1∶2（即PVA所占总纤维比例为2/3=0.67）时，混凝土15 d抗压强度耐腐蚀系数最大。随纤维总掺量的增加，耐腐蚀系数先增加后减小，最佳掺量为0.4%，且随着PVA纤维所占比例的增加，耐腐蚀系数呈先增加后减小的趋势，且单掺PVA纤维混凝土的耐腐蚀系数大于单掺BF混凝土，这说明在混凝土15 d干湿循环试验中，混杂纤维的效果要优于单一纤维，PVA纤维的效果要优于BF。从图5b可以看出，掺入纤维能够显著提升混凝土30 d抗压强度耐腐蚀系数。在适量纤维总掺量下，混杂比为2∶1（即PVA所占总纤维比例为1/3=0.33）的混杂纤维混凝土耐腐蚀系数最好。当PVA纤维所占比例为1，即为单掺PVA纤维混凝土时，混凝土30 d抗压强度耐腐蚀系数随着纤维总掺量的增加而增加；而在单掺BF混凝土以及混杂纤维混凝土中，耐腐蚀系数随着纤维总掺量的增加而减小。随着PVA纤维所占比例的增加，耐腐蚀系数呈先增加后减小的趋势，且单掺BF混凝土的耐腐蚀系数大于单掺PVA纤维混凝土，这说明在混凝土30 d干湿循环试验中，混杂纤维的效果要优于单一纤维，BF的效果要优于PVA纤维。图6为混凝土30 d抗压强度耐腐蚀系数拟合曲面，其拟合函数为：Z2=89.4+348.73x-249.74x2+236.52x3-982.04y+5045.84y21+3x-10.76y+55.1y2(0≤x≤1,0≤y≤1)（4）式（4）中：Z2为混凝土30 d抗压强度耐腐蚀系数。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.002.F006图6混凝土30 d抗压强度耐腐蚀系数拟合曲面Fig.6Fitting surface of corrosion resistance coefficient of compressive strength for concrete with 30 d从图6可以看出，试验数据均在拟合曲面附近，说明拟合精度较高(R2=0.92)，混凝土30 d抗压强度耐腐蚀系数预测曲面形似“倒V”状，存在最佳的纤维混杂比，且BF掺量在0.1%~0.%，PVA掺量在0~0.1%，说明此范围纤维的正混杂效应达到最佳，这与图4的分析相符合。2.2.2质量损失采用式（2）换算试验结果，得到不同龄期混凝土抗硫酸盐质量损失程度。图7为混凝土抗硫酸盐腐蚀质量变化情况。从图7a可以看出，在15 d干湿循环试验中，与标养及硫酸养护下普通混凝土质量相比，均只有BC1组纤维混凝土的质量几乎不变，BPC1组、BPC4组的纤维混凝土的质量增加。BPC5组纤维混凝土的质量变化率最大，约为0.8%，BC3组的质量变化率最小，约为-0.1%。从图7b可以看出，在30 d干湿循环试验中，与标养及硫酸养护下普通混凝土质量相比，均只有PC2组纤维混凝土的质量持平，BPC1组、BPC7组的纤维混凝土的质量增加，BPC4组的质量变化率最大，约为0.5%。图7混凝土抗硫酸盐腐蚀质量变化情况Fig.7Mass change of concrete in sulfate corrosion resistance10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.002.F7a1(a)混凝土在15 d抗硫酸盐腐蚀质量变化10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.002.F7a2(b)混凝土在30 d抗硫酸盐腐蚀质量变化为了更直观地看出混凝土质量变化趋势，以PVA所占纤维掺量为变量，将不同龄期下混凝土抗硫酸盐腐蚀质量变化数据进行整理，素混凝土由于未掺纤维，故不再整理。图8为混凝土质量变化率。从图8a可以看出，纤维的掺入对混凝土15 d质量变化有明显的改善作用。随着PVA纤维比例的增加，混凝土质量变化率呈先增加后减小的趋势，且曲线右端远高于左端，说明PVA纤维对混凝土质量变化率的影响较明显。混杂比1∶2时PVA纤维所占比例为0.67，混杂比为1∶2时，混凝土的质量变化率最大，说明混杂纤维的效果要优于单掺纤维。从图8b可看出，纤维的掺入对混凝土30 d质量变化有一定的改善作用，但总体效果不如15 d干湿循环试验，纤维总掺量为0.2%，混杂比为1∶2的纤维混凝土质量变化率最大。图8混凝土质量变化率Fig.8Mass change rate of concrete10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.002.F8a1(a)混凝土15 d抗硫酸盐腐蚀质量变化率10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.002.F8a2(b)混凝土30 d抗硫酸盐腐蚀质量变化率图9为混凝土30 d质量变化率拟合曲面。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.002.F009图9混凝土30 d质量变化率拟合曲面Fig.9Fitting surface of mass change rate of concrete with 30 d质量变化率拟合函数为：Z3=0.048+1.03x-0.4y1-1.47x+37x2-10.32y+28.06y2-25.6y3(0≤x≤1,0≤y≤1)（5）式（5）中，Z3为混凝土30 d质量变化率，%。从图9可以看出，试验数据均在拟合曲面上，说明拟合精度较高(R2=0.97)。但由于试验数据数值较小，形似“棋盘面”，波动极小，混凝土30 d质量变化率皆在0左右。2.3混杂纤维对混凝土抗硫酸盐腐蚀的影响机制2.3.1机理分析图10为PVA-BF混杂纤维作用微观机理示意图。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.002.F010图10PVA-BF混杂纤维作用微观示意图Fig.10Microscopic diagram of PVA-BF hybrid fiber从图10可以看出，纤维对混凝土基体抵抗硫酸盐腐蚀的作用通过阻裂和提高机体抗渗性实现。硫酸盐侵蚀初期，适量的纤维可以提高混凝土基体抗渗性能。而PVA纤维属于低弹性模量纤维，可以阻止混凝土内部微裂隙的产生和发展，所以PVA纤维对侵蚀初期耐腐蚀系数的影响较大[19]。随着基体内硫酸盐溶液的增多，基体裂缝逐渐增多增大，PVA纤维达到极限抗拉强度而屈服，主要由高弹性模量的BF阻止大裂缝的产生和发展[20]。在混凝土15 d干湿循环试验中，混凝土基体质量普遍有所增加，由于试件在溶液中浸泡发生水化反应生成钙矾石，使得质量增加。随着试件在溶液中浸泡时间的增长，生成的钙矾石逐渐增多，在30 d干湿循环试验中，混凝土体积逐渐膨胀开裂，导致部分颗粒脱落，质量较前者试验略有减小。而掺入纤维后，一方面使水化产物连接更加紧密，另一方面，抑制了混凝土的开裂，减少了颗粒脱落，因此纤维混凝土的质量更大。而当纤维总掺量过高时，混凝土强度和质量均降低，这是由于随着纤维掺量的增多，纤维在混凝土内部容易产生团聚，从而影响纤维发挥作用。2.3.2纤维混杂效应系数引入纤维混杂效应系数，从理论角度评估两种纤维对混凝土抗压强度的混杂效应。混凝土抗压强度混杂效应系数计算公式为[21]：M=f0-(f1η1+f2η2)（6）fi=SiS （7）式（6）、式（7）中：M为纤维混杂效应系数；Si为单掺i纤维混凝土的抗压强度，MPa（i=0时为混掺纤维混凝土的抗压强度）；S为普通混凝土的抗压强度，MPa；ηi为混掺时i纤维所占的纤维体积分数。混凝土抗硫酸盐腐蚀循环后，抗压强度混杂效应系数计算公式为：M=l0-(l1η1+l2η2)（8）li=KfiKf （9）式（8）、式（9）中：M为纤维混杂效应系数；Kfi为单掺i纤维混凝土的抗压强度耐腐蚀系数（i=0时为混掺纤维混凝土的抗压强度耐腐蚀系数）；Kf为普通混凝土的抗压强度耐腐蚀系数；ηi为混掺时i纤维所占纤维体积分数。当M0，为正混杂效应；M0时，为负混杂效应。对不同条件下的纤维混杂效应系数计算，图11为计算结果。从图11可以看出，不同纤维组合的混杂效应非常复杂，并不能简单地预测出其准确趋势，因为每根纤维的断裂抑制机制和基体内每根纤维之间的相互作用没有统一的模型[22]。然而不同条件下纤维的混杂效应系数均大于0，说明混杂纤维混凝土的性能比单掺纤维混凝土效果好，均为正混杂效应。表明短纤维和长纤维混合使用比单掺纤维更能提高混凝土的耐久性，结合使用BF和PVA纤维比单独使用任何一种纤维更有效果。图11不同条件下的纤维混杂效应系数Fig.11Synergistic coefficients of fibers under different conditions10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.002.F11a1(a)30 d硫酸盐循环下混杂效应系数10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.002.F11a2(b)15 d硫酸盐循环下混杂效应系数10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.002.F11a3(c)正常养护下混杂效应系数3结论（1）混凝土抗压强度随着纤维总掺量的增加呈降低趋势，同一掺量下，混杂纤维混凝土的抗压强度大于单掺纤维混凝土。（2）在硫酸盐侵蚀初期，纤维对混凝土抗压强度耐腐蚀系数有明显的提升作用；随着硫酸盐侵蚀周期的增长，纤维混凝土抗压强度耐腐蚀系数有所下降，但仍高于素混凝土。（3）纤维体积掺量在0~0.6%时，BF与PVA纤维混杂比为1∶2的混凝土基体质量增长最显著，其中，15 d干湿循环试验中纤维掺量为0.4%的混凝土质量增长最大，30 d干湿循环试验中纤维掺量为0.2%的混凝土质量增长最大。（4）引入纤维混杂效应系数对不同条件下混凝土抗压强度进行分析。纤维混杂效应系数均大于0，为正混杂效应，表明混杂纤维混凝土的性能优于单掺纤维混凝土，与分析相吻合。