纤维种类对砂浆圆环抗裂性能影响

陈洪文

(中交一航局第一工程有限公司，天津300456)

随着高性能水泥基材料在工程上的广泛应用，工程裂缝问题越来越受到人们的关注。纤维的掺入可明显改变水泥基材料收缩开裂性能，因此纤维增强水泥基材料成为近年来土木工程领域研究热点［1］。纤维增强水泥基材料，是以水泥浆、砂浆或混凝土为基材，以金属材料、无机材料或有机纤维为增强材料组成的一种水泥基复合材料。它是将短而细，具有高抗拉强度、高极限延伸率、高抗碱性等良好性能的纤维均匀地分散在混凝土基体中形成的一种新型建筑材料［2］。本文在水泥基材料掺入钢纤维和2 种聚丙烯纤维，并采用圆环试验方法比较不同纤维对水泥基材料抗裂性能的影响。

1 原材料与试验方法

水泥:采用中国水泥厂生产的海螺牌P.O42.5 水泥;砂:中砂，细度模数为2.6，质量符合GB/T14685－93 建筑用砂国家标准;石:5mm～25mm 连续级配，质量符合GB/T14685－93 建筑卵石碎石国家标准;水:清洁饮用水。纤维:本试验共使用3种纤维，其中聚丙烯纤维2 种(以聚丙烯纤维Ⅰ和聚丙烯纤维Ⅱ区分)，钢纤维1 种，其基本物理性能见表1。

本文所采用的混凝土早龄期收缩开裂试验方法是参考美国西北大学S.P.Shah 教授等提出的圆环法［3］。试件尺寸为:内钢环内径为275mm，内钢环外径305mm，外钢环内径为375mm，高为140mm，内外环均由钢材制作。底面为420mm ×420mm 的正方形钢板，厚度为10mm。模具示意图如图1 所示。具体试验方法如下:将拌合好的混凝土浇筑在两同心钢环之间，机械振动成型，同时进行插捣，以排出大气泡和模板表面大的空隙。成型后，将试件连同模具一起移至标养室养护，养护48h 后拆外环模，并在混凝土环上表面涂刷一层水玻璃，以防止混凝土环上表面水分蒸发。记录裂缝的最早出现时间、裂缝数量、长度和宽度及其随时间发展情况。

表1 3种纤维基本物理性能

表2 不同纤维圆环试验配合比 /kg

本次试验为砂浆圆环试验，成型基准砂浆、聚丙烯纤维Ⅰ砂浆、聚丙烯纤维Ⅱ和钢纤维砂浆砂浆圆环试件进行对比试验。配合比见表2。

图1 圆环模具示意图

2 试验结果与分析

各组砂浆圆环试件开裂时间及裂缝数量如表3 所示。除基准砂浆圆环试件始终是一条贯穿裂缝外，其余掺纤维各组砂浆圆环均为2 条宽度不一的贯穿裂缝，分为主裂缝和次裂缝。主裂缝宽度随龄期发展显著增加，次裂缝宽度随龄期发展没有明显变化。由表3 可以看出，4 组圆环试件的开裂时间顺序依次为:基准砂浆、聚丙烯纤维Ⅰ砂浆、聚丙烯纤维Ⅱ砂浆和钢纤维砂浆。结果可见纤维的掺入可明显延迟初始裂缝的出现;在常用掺量下，钢纤维对圆环初始裂缝出现的延迟效果优于聚丙烯纤维。

表3 各组砂浆圆环试件开裂时间及裂缝数量

由于各组纤维圆环试件次裂缝宽度随龄期无明显发展，因此本试验主要研究和对比了各圆环试件主裂缝宽度随时间的发展情况，如图2 所示。

由图2 可以看出，聚丙烯纤维与钢纤维地掺入均可有效减小主裂缝宽度并延缓其发展趋势。其中钢纤维的作用效果要强于聚丙烯纤维，这与纤维对初始裂缝出现时间的影响相一致。根据纤维增强复合机理，纤维可以和基体共同作用承受由于收缩引起的拉应力，提高试件破坏所需的断裂能。应用混合定律，可得到纤维增强水泥砂浆在基体开裂前的应力见式(1)。

式中:σ—拉应力;c—复合材料;f—纤维;m—基体;ρf—体积掺量。

图2 不同纤维砂浆圆环试件主裂缝宽度随时间变化图

考虑到三维乱向分布纤维中纤维方向性、纤维有效长度和界面粘结性能的影响，修正后的纤维增强水泥砂浆在基体开裂前的应力见式(2)、(3)。

或

式中:ηθ—乱向纤维方向性;ηl—纤维长度有效系数;ηb—界面粘结系数;Ef—纤维弹性模量;ξ—拉应变。

由式(3)，得到顺向连续纤维混凝土的极限抗拉强度见式(4)。

根据表2 本试验配合比计算可得，钢纤维和聚丙烯纤维在砂浆中的体积率分别为0.77%和0.17%。根据表1 中纤维物理性能，计算可得 聚丙烯纤维混凝土极限抗拉强度为:

钢纤维混凝土的极限抗拉强度为:

二者相减，得σc2－σc1=1.611εmuGPa－0.006σmu＞0。由此可见在纤维顺向连续分布假设条件下，钢纤维砂浆极限抗拉强度大于聚丙烯纤维砂浆，钢纤维砂浆抗裂能力优于聚丙烯纤维砂浆，这也验证了试验结果。

根据纤维间距理论［5］，由于纤维拉应力的作用，在接近于裂缝的纤维周围会产生一定范围的粘结应力分布。裂缝尖端若要发展，必须克服纤维对它的约束和阻挡，这就迫使裂缝只能绕过纤维或将纤维拔出或拉断，才能得到继续发展。这就势必需要消耗更多的能量来克服纤维的阻碍作用。因此纤维的掺入提高了水泥砂浆的抗裂性能。单位面积内的纤维数越多，纤维间距越小，纤维对裂缝的约束越强，抗裂强度提高的效果也越好。由于在常用掺量下，钢纤维混凝土的纤维间距与聚丙烯纤维的纤维间距不同，其对裂缝的约束作用不同，导致所需的断裂能不同，因此钢纤维砂浆和聚丙烯纤维砂浆的抗裂性能不同。2 种聚丙烯纤维砂浆初裂时间以及主裂缝宽度随时间变化不一致。这说明同种纤维对砂浆抗裂性地提高不仅取决于纤维体积率，而且和纤维的直径、长度以及表面特性有关，前者适用复合材料理论，后者适用纤维间距理论。

3 结 论

本文通过对掺不同种类纤维砂浆与未掺纤维的普通砂浆圆环收缩开裂性能的研究，并结合纤维增强复合材料混合定律计算分析，得到以下结论:掺聚丙烯纤维和掺钢纤维均能提高水泥基材料抗收缩开裂性能。掺钢纤维相比掺聚丙烯纤维更能显著提高水泥基材料阻裂、止裂的能力。掺聚丙烯纤维Ⅱ砂浆抗裂性弱于掺聚丙烯纤维Ⅰ砂浆。

［1］龚益，徐至钧.纤维混凝土与纤维砂浆施工应用指南［M］.中国建材工业出版社，2005.

［2］王志钊.聚丙烯纤维混凝土综合性能试验研究［D］.浙江:浙江大学硕士学位论文，2004.

［3］Grzybowski M，Shah S P.Shrinkage cracking of reinforced concrete［J］.ACI Materials Journal，1990，87(2):138－148.

［4］徐至钧.纤维混凝土技术及应用［M］.北京:中国建筑工业出版社，2003.

［5］姚武，封志辉.聚丙烯纤维对水泥砂浆干缩开裂的影响［J］.建筑材料学报，2006，9(3):357－360.