混杂纤维混凝土早龄期抗裂性能试验研究

邢 通，曹晨杰，宋丽莎，孙 丽，霍洪媛

(华北水利水电学院土木与交通学院，河南郑州450045)

混凝土出现早期裂缝主要是因为混凝土表面水分蒸发、散失，内部水分向表面迁移，使得混凝土内部出现拉应力.当混凝土内部的塑性收缩产生的应变超过极限拉应变时，混凝土内部就会出现裂缝.混凝土的早期抗裂性能关系到混凝土结构的使用寿命，而掺入纤维可以使其抗裂能力得到提高.吴中伟院士曾经指出，复合化是今后提高混凝土等水泥基材料性能的主要途径，而纤维增强是核心［1］.混凝土本身具有多相、多组分、多尺度层次的非均质结构特征，单掺纤维增强作用有限，而掺入不同尺度和不同性能的纤维混杂增强，可以使其在混凝土中不同结构和不同性能层次上逐级阻裂与强化，从而提高混凝土材料的性能［2］.目前国际上一致认为纤维混凝土是提高混凝土早期抗裂性和韧性的有效方法之一［3］.将高弹性模量的钢纤维和低弹性模量的聚丙烯纤维混杂应用于高性能混凝土中，充分发挥“正混杂效应”是混凝土领域新的研究热点.《纤维混凝土结构技术规程》(CECS 38∶2004)中增加了有关合成纤维混凝土的内容，但对混杂纤维混凝土还没有规范性文件［4］.

笔者在混杂纤维混凝土配合比三元叠加法试验研究的基础上，通过对钢－聚丙烯混杂纤维混凝土的早期抗裂性能的试验研究，分析纤维的不同掺量对混杂纤维混凝土早龄期抗裂性能的影响，为纤维混凝土结构技术规程的完善提供试验依据，为实际工程提供参考.

1 试验概况

试验采用42.5普通硅酸盐水泥，连续级配碎石(粒径5～20 mm)，天然河砂(细度模数3.3)，钢板剪切型钢纤维平均长度41.03 mm、等效直径0.866 mm、长径比46，束状单丝聚丙烯纤维长度19 mm、密度0.91 g/cm3.混凝土外加剂采用聚羧酸系高性能减水剂(减水率15% ～25%)，指标符合《混凝土外加剂规范》(GB 8076—2008)的要求［5］.

选取CF40，CF50两个强度等级和下列掺量组合:钢纤维体积分数一定(体积分数为1.0%，裹浆厚度 1 mm)，聚丙烯纤维掺量分别为 0.0，0.3，0.6，0.9，1.2，1.5 kg/m3;聚丙烯纤维掺量一定(掺量为0.9 kg/m3)，钢纤维体积分数分别为 0.0%，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%;

参照《纤维混凝土试验方法标准》(CECS 13∶2009)进行混杂纤维混凝土早龄期抗裂性能对比试验［6］.试件尺寸为 600 mm ×600 mm ×63 mm 的平面薄板，模具边框用63 mm×40 mm×6.3 mm的槽钢制作，边框内设直径φ6、间距60 mm的双排栓钉，栓钉长度分别为50，100 mm间隔布置;模底板采用厚度不小于20 mm的密度板，底板上铺双层塑料薄膜隔离层.浇筑试块时，将拌和料沿钢模边缘螺旋式向试模中心进行浇筑，至其自动流满整个钢模，然后沿试模表面快速刮平试件.浇筑振实抹平后立即开始暴露试验，在温度20℃ ±5℃，相对湿度不大于60%的环境中，每个试件各用1台电风扇吹试件表面，风向平行于试件表面，电风扇功率不小于100 W，试件上表面风速为4～5 m/s.裂缝观测在浇筑成型24 h后开始.

表1 配合比参数组合

2 试验结果及分析

2.1 裂缝名义面积和裂缝降低系数结果及分析

用直尺及读数显微镜读出裂缝的长度和宽度.根据裂缝长度和宽度计算试件的裂缝名义总面积.在钢纤维体积分数为1%时，其基准对比试件为不掺加聚丙烯纤维的钢纤维混凝土试件;同样，在聚丙烯纤维掺量为0.9 kg/m3时，基准对比试件为不掺加钢纤维的试件，由此计算出裂缝降低系数.聚丙烯纤维和钢纤维掺量对裂缝名义总面积和裂缝降低系数的关系分别如图1和图2所示.

图1 聚丙烯纤维不同掺量时裂缝名义总面积和降低系数的变化

图2 钢纤维不同掺量时裂缝名义总面积和降低系数的变化

从图1可以看出，在钢纤维掺量为1%时，随着聚丙烯掺量的增加，裂缝面积明显减小，混杂纤维混凝土的早期抗裂性能随着聚丙烯纤维掺量的增加而提高.当聚丙烯纤维掺量仅为0.3 kg/m3时，两个强度的混凝土的裂缝面积均有一定的减小，CF40和CF50混凝土的裂缝降低系数分别为19.1%和15.9%;当聚丙烯纤维掺量为1.5 kg/m3时，裂缝降低系数分别为83.9%和81.1%.由此可以看出，聚丙烯纤维对提高混杂纤维混凝土的早期抗裂性能有明显作用.混凝土基体在早龄期强度较低，受到水泥水化反应产生的水泥浆体自收缩拉应力和干缩拉应力共同作用时，极易产生微裂缝.钢纤维的弹性模量较高，能桥接在宏观裂缝上，传递裂缝两侧的应力，降低裂缝端部的应力集中，从而有效阻止宏观裂缝的扩展.聚丙烯纤维的弹性模量较低，与混凝土早期的低弹性模量变形更加协调，能够阻滞微裂缝的发生与发展.同时，聚丙烯纤维单丝短细、根数多、呈三维乱向分散于颗粒较小的骨料与水泥砂浆体内，可以在极大程度上跨越微裂缝而起到分散裂缝形成的应力集中和阻滞、消弱裂缝继续开展的有利作用，降低混凝土基体内部收缩裂缝和收缩变形，进一步起到了调整混凝土基体内部细观结构、提高基体密实度的作用.随着聚丙烯纤维掺量的增加，单位体积内聚丙烯纤维的根数也相应增多，对混凝土基体的细观阻裂和限裂作用也就越显著.

从图1还可以看出，CF40，CF50强度的混凝土，在聚丙烯纤维掺量为0.9～1.5 kg/m3时，裂缝降低系数均只下降了18%左右，裂缝减少的速度明显比之前缓慢.产生这种现象的原因是聚丙烯纤维的阻裂和限裂作用是基于其能够均匀分散于混凝土内，由于聚丙烯纤维细软，容易弯曲结团，当掺量达到一定值后将会难以分散，从而影响聚丙烯纤维的阻裂作用.

从图2可以看出，混杂纤维混凝土在聚丙烯纤维掺量为0.9 kg/m3时，随着钢纤维掺量的不断增加，其裂缝面积也都呈现出减小的趋势，即混杂纤维混凝土的早期抗裂性能随着钢纤维掺量的增加而增加.在掺入体积分数为0.5%的钢纤维时，裂缝降低系数就有很大的提高，两种强度等级混凝土分别提高33.3%和22.0%.这说明聚丙烯纤维与钢纤维混杂具有耦合阻裂效应.在钢纤维体积分数大于1.0%时，裂缝降低系数曲线的增速变慢.裂缝降低系数都达到最大值，CF40出现在钢纤维体积分数为1.5%时，CF50出现在钢纤维体积分数为2.0%时.在钢纤维体积分数为1.5%和2.0%之间，裂缝降低系数并没有明显的提高，说明钢纤维体积分数存在合理有效值.

2.2 试件裂缝形态及分析

图3和图4分别为两种强度下，聚丙烯纤维掺量为0.9 kg/m3时，钢纤维体积分数为最小0.0%和最大2.0%时的裂缝情况，以及钢纤维体积分数1.0%时，聚丙烯纤维为最小掺量0.0 kg/m3和最大掺量1.5 kg/m3的裂缝形态图.

从图3和图4可以看出，随着纤维掺量的不断增加，试件的裂缝从宽、长形态调整为细、短形态，裂缝条数减少.单掺聚丙烯纤维时，聚丙烯纤维分散在混凝土基体中，搭接在混凝土微裂缝的两端而阻碍、限制微裂缝的产生，但对裂缝产生后的抑制效果不明显，其试件裂缝延伸较长，如图3(a)与图4(a)所示.当再掺入钢纤维后，钢纤维在混凝土中微观范围内能起到类似“加筋”作用，同时连接裂缝起到了结构性增强作用，有效阻止了裂缝的进一步扩大，两者的共同作用使得裂缝条数和宽度明显减少，如图3(b)与图4(b)所示.同样，单掺钢纤维时，钢纤维阻碍裂缝发展的作用得到体现，裂缝长度较短，但其微观阻裂性能不如聚丙烯纤维，故条数较多，如图3(c)与图4(c)所示;掺加聚丙烯纤维后，聚丙烯纤维能明显减少微裂缝的条数，裂缝的宽度也随着二者掺量的增加而减小，如图3(d)与图4(d)所示.

3 结语

通过对一定条件下的混杂纤维混凝土早龄期抗裂性能对比试验，研究了不同聚丙烯纤维掺量下的混杂纤维混凝土的早龄期裂缝的发展情况，以及不同钢纤维掺量下的混杂纤维混凝土的早龄期裂缝的发展情况，并分析其裂缝形态.试验结果表明，钢－聚丙烯纤维混杂对混凝土的早龄期抗裂性能具有协同提高作用.

1)钢纤维体积分数为1.0%时，随着聚丙烯纤维掺量每级等同增加0.3 kg/m3的情况下，裂缝面积明显减小，混杂纤维对混凝土中裂缝的阻裂效应越来越好.聚丙烯纤维掺量为0.9～1.5 kg/m3时，裂缝降低系数的增速较之前缓慢.

2)聚丙烯纤维掺量固定在0.9 kg/m3时，随着钢纤维掺量的增加，混杂纤维混凝土的早期抗裂性能也相应提高.掺入钢纤维体积分数为1.5% ～2.0%时，裂缝降低系数则没有太明显的提高.

3)对混凝土的阻裂效果，单掺0.9 kg/m3聚丙烯纤维优于单掺体积分数为1.0%的钢纤维;混杂纤维的限裂效果优于单掺一种纤维.

4)结合混杂纤维混凝土试件的表面裂缝分布形态来看，钢纤维的阻裂和限裂作用表现得更为宏观，聚丙烯纤维的阻裂和限裂作用表现得更为微观，两者结合可以协同阻裂和限裂，从而使混凝土裂缝由宽、长形态调整为细、短形态.

［1］吴中伟，廉慧珍.高性能混凝土［M］.北京:中国铁道出版社，1999.

［2］赵晶，蔡新华，王伟哲，等.混杂纤维混凝土抗裂及抗渗性能试验研究［C］∥第十一届全国纤维混凝土学术会议论文集.大连:大连理工大学出版社，2004.

［3］邓宗才.高性能合成纤维混凝土［M］.北京:科学出版社，2003.

［4］中国工程建设标准化协会.CECS 38∶2004纤维混凝土结构技术规程［S］.北京:中国计划出版社，2004.

［5］中国建筑材料联合会.GB 8076—2008混凝土外加剂［S］.北京:中国标准出版社，2009.

［6］中国工程建设标准化协会.CECS 13∶2009纤维混凝土试验方法标准［S］.北京:中国计划出版社，2010.