不同纤维大坝混凝土的变形性能和抗裂性分析

刘艳霞，刘晨霞，纪国晋，陈改新

(中国水利水电科学研究院结构材料研究所，北京100038)

不同纤维大坝混凝土的变形性能和抗裂性分析

刘艳霞，刘晨霞，纪国晋，陈改新

(中国水利水电科学研究院结构材料研究所，北京100038)

选用PVA1、PVA2和PP三种不同厂家生产的纤维，通过试验研究了纤维对大坝混凝土力学性能和变形性能的影响，并对混凝土抗裂性进行了分析。结果表明，掺入三种纤维后混凝土的抗压强度、劈拉强度和轴拉强度均不同程度地降低；与基准混凝土相比，纤维混凝土干缩值均略有增加，自生体积变形收缩减小，且180 d龄期后纤维混凝土的变形均由微收缩型转变为微膨胀型，表明纤维可以抑制混凝土的自生体积收缩，有利于提高混凝土的抗裂性能；各加荷龄期PVA1纤维混凝土的徐变均大于相应基准混凝土，PVA2和PP纤维混凝土的徐变小于或等于基准混凝土；不同纤维对大坝混凝土抗裂性的改善效果不同，本研究采用的PVA1纤维对抗裂性的改善作用最优。在工程具体应用时需结合试验进行纤维材料优选。

纤维混凝土；力学性能；变形性能；抗裂性能

混凝土裂缝是水工混凝土建筑物最普遍、最常见的病害之一，绝大多数的混凝土建筑物都会发生开裂破坏。裂缝对水工混凝土建筑物的危害程度不一，严重的裂缝不仅危害建筑物的整体性和稳定性，还会导致其他病害的发生和发展，如渗漏溶蚀、环境水的侵蚀、冻融破坏的扩展及混凝土碳化和钢筋锈蚀等[1]。尤其是随着我国大型水利水电工程的建设，高坝大库越来越多，坝体受力条件越来越复杂，对大坝混凝土抗裂性能的要求也越来越高。因此，对筑坝混凝土材料的要求也很高，既要求混凝土具有良好的施工和易性，又要保证硬化混凝土的各项性能满足设计要求，并在满足其各项性能指标的前提下提高抗裂性能，增加大坝混凝土的抗裂能力储备。

纤维加入水泥基材料中，可提高水泥基材料的抗裂性能、韧性及抗冲耐磨性能等[2-5]，因此纤维在水工混凝土中得到了广泛的应用。不同的纤维对混凝土性能的影响不同，本研究选用两个厂家生产的聚乙烯醇纤维(PVA纤维)及另一厂家生产的聚丙烯纤维(PP纤维)，通过试验对掺不同厂家和类型有机纤维的大坝混凝土性能进行研究，并与不掺纤维的基准混凝土性能进行对比，以分析比较不同类型和模量的有机纤维对大坝混凝土力学性能、变形性能和抗裂性能的影响。

表2 混凝土配合比单位体积材料用量

注：配合比编号中，字母JZ代表基准混凝土，其余字母代表纤维种类。

表3 混凝土抗压强度试验结果

1 原材料及配合比

试验用水泥为符合国家标准GB200—2003《中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥》的42.5中热硅酸盐水泥，粉煤灰为符合国家标准GB/T1596—91《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的I级粉煤灰。水泥和粉煤灰的化学成分见表1。试验用粗、细骨料为斑状玄武岩骨料。细骨科的饱和面干密度和饱和面干吸水率分别为2 750 kg/m3和0.88%，粗骨料粒径分为小石(5～20 mm)、中石(20～40 mm)、大石(40～80 mm)和特大石(80～150 mm)共四个级配，其饱和面干密度分别为2 909、2 941、2 914、2 921 kg/m3，饱和面干吸水率分别为0.46%、0.33%、0.20%和0.18%。外加剂为缓凝高效减水剂和松香类引气剂。

表1 水泥和粉煤灰的化学成分 %

试验采用3个厂家的两种有机纤维，分别为聚乙烯醇纤维PVA1、PVA2和聚丙烯纤维PP，推荐掺量为0.9 kg/m3。三种纤维的密度分别为1.28、1.30、0.90 g/cm3，抗拉强度分别为1 565、1 315、703 MPa，弹性模量分别为38.0、30.4、6.0 GPa，断裂延伸率分别为8.0%、8.1%、23.1%。其中，PVA1纤维的抗拉强度和弹性模量最高，PP纤维的抗拉强度和弹性模量最低，但断裂延伸率最大。

基准混凝土及掺纤维混凝土的配合比见表2。四级配粗骨料的比例为特大石∶大石∶中石∶小石=30∶30∶20∶20。掺纤维混凝土与基准混凝土在用水量相同的情况下，通过调整缓凝高效减水剂掺量使和易性相同。混凝土坍落度控制在30～50 mm，含气量控制在4.5%～5.5%。

2 试验结果及讨论

2.1 混凝土力学性能

(1)抗压强度。混凝土的抗压强度试验结果见表3。由表3可知，掺不同纤维混凝土各龄期抗压强度均低于基准混凝土，其中，PVA1纤维混凝土的抗压强度比最小，7、28、90、180 d抗压强度分别为基准混凝土的82.6%、91.2%、89.3%和93.3%。随着龄期增加，PVA1纤维混凝土抗压强度比与PVA2和PP纤维混凝土抗压强度比之间的差距逐渐缩小，180 d龄期时三种纤维混凝土的抗压强度比差别不大。

表4 混凝土劈拉试验结果

(2)劈拉强度。混凝土劈拉强度试验结果见表4。从表4可以看出，掺纤维后混凝土的劈拉强度降低，这与抗压强度变化趋势一致。在90 d龄期前，PVA1和PP纤维混凝土的劈拉强度比均小于PVA2纤维混凝土的劈拉强度比；但在180 d龄期时，PVA1纤维混凝土的劈拉强度比大于PVA2和PP纤维混凝土的劈拉强度比。

(3)轴拉强度。混凝土轴拉强度试验结果见表5。由表5可以看出，掺纤维混凝土28、90 d轴拉强度均低于基准混凝土，其中，掺PP和PVA2纤维混凝土的轴拉强度下降幅度较大，而PVA1纤维混凝土的轴拉强度下降幅度最小。与抗压强度相比，掺纤维后混凝土的轴拉强度降低比值低于抗压强度，且随着龄期增长，纤维混凝土与基准混凝土的轴拉强度比呈增加趋势，到180 d龄期时，掺纤维混凝土的轴拉强度已接近或超过基准混凝土。

表5 混凝土轴拉强度试验结果

2.2 混凝土变形性能

(1)极限拉伸值。混凝土极限拉伸值试验结果见表6。与基准混凝土相比，掺PVA1纤维混凝土不同龄期的极限拉伸值均大于基准混凝土，而掺PVA2纤维混凝土的极限拉伸值较基准混凝土略有下降，掺PP纤维混凝土的极限拉伸值与基准混凝土相当或略有提高。对比抗拉强度结果，掺纤维后混凝土的抗拉强度都有不同程度的下降，而极限拉伸值变化则相反，这说明掺入纤维后，混凝土承受单位拉应力荷载下的变形能力增强，即混凝土的抗裂能力提高。其中掺PVA1纤维对抗裂性的改善效果最优。

表6 混凝土极限拉伸值试验结果

(2)干缩。混凝土的干缩试验结果如图1所示。从图1可以看出，各配合比混凝土28 d龄期干缩率为190.3×10-6～221.4×10-6，90 d干缩率为317.7×10-6～360.4×10-6；至140 d龄期后，基准混凝土和掺纤维混凝土的干缩基本稳定，360d干缩率为400.9×10-6～439.9×10-6。三种纤维混凝土不同龄期的干缩均大于基准混凝土，但不同纤维品种之间的差别不大。

图1 掺纤维混凝土干缩曲线

图2 混凝土自生体积变形随龄期变化过程曲线

(3)自生体积变形。混凝土的自生体积变形试验结果见图2。从图2可以看出，基准混凝土和纤维混凝土的自生体积变形在20 d龄期前均为微膨胀型，此后依次变为微收缩型，在80 d龄期后试件的自生体积变形均表现为收缩逐渐减小，并逐渐向膨胀型转变，130～180 d龄期时PP、PVA1和PVA2纤维混凝土的自生体积变形依次由收缩型转变为膨胀型，而基准混凝土在360 d龄期时的自生体积变形仍为微收缩型。截至360 d龄期，混凝土的自生体积变形已基本稳定，基准混凝土的自生体积变形为-2.1×10-6，纤维混凝土的自生体积变形为3.0×10-6～6.9×10-6。同龄期下三种纤维混凝土的自生体积收缩变形均小于基准混凝土，说明纤维的掺入抑制了混凝土的自生体积收缩，有利于提高大坝混凝土的抗裂性能。

(4)徐变。徐变试验按《水工混凝土试验规程》中有关规定进行。徐变试件尺寸为φ150 mm×450 mm的圆柱体，试件中心埋设电阻式应变计。纤维混凝土和基准混凝土的徐变试验结果如图3。由图3可以看出，在7、28、90 d和180 d加荷龄期时，PVA1纤维混凝土的徐变均大于相应基准混凝土的徐变，而PVA2和PP纤维混凝土的徐变小于或接近基准混凝土的徐变，即PVA1纤维混凝土的徐变变形相对较大，对混凝土抗裂性有利。

图3 混凝土的徐变变形曲线

2.3 混凝土抗裂性分析

影响混凝土抗裂性的因素较多，从各项性能影响看，提高混凝土的抗裂性能包括提高混凝土的抗拉强度和极限拉伸值、提高混凝土的徐变度以最大程度的松弛应力、降低混凝土的弹性模量、提高混凝土的自生体积膨胀变形或掺膨胀材料补偿收缩、降低混凝土的绝热温升等方面[6]。从以上试验结果可以看出，纤维掺入后，混凝土的抗拉强度有不同程度的降低，干缩略有增加，但极限拉伸值提高，徐变增大，弹模略有降低。有机合成纤维的掺入对大坝混凝土的抗裂性既有有利的一面，又有不利的一面。因此，如何合理评价纤维对混凝土抗裂性影响不能仅看某一个参数。一般综合评价水工混凝土的抗裂性采用抗裂指数K(或系数)表征，K考虑了对抗裂性有利有弊的不同影响因素的组合。

我国从20世纪以来提出过不同的计算公式，本次研究没有对骨料和胶凝材料用量与品种进行对比，为简化计算，首先采用20世纪60年代抗裂指数，计算公式如下[4]

(1)

式中，RL为混凝土轴拉强度，MPa；εp为混凝土极限拉伸值，10-6；EC为混凝土拉伸弹性模量，MPa；εs为混凝土干缩率，10-6。用式(1)计算的不同纤维混凝土的抗裂指数见表7。从计算结果看，掺入纤维后，混凝土的抗裂能力增加，其中PVA1效果最佳，其次为PP纤维，再次为PVA2纤维。

表7 式(1)混凝土抗裂指数计算结果

表8 式(2)混凝土抗裂指数计算结果

其次，采用中国水利水电科学院黄国兴同志提出的抗裂指数计算公式进行计算[5]

(2)

式中，C为混凝土徐变度，10-6/MPa；G为混凝土自生体积变形，10-6；α为混凝土线膨胀系数，10-6/℃；Tr为水化热温升，℃；其余符号同前。

用式(2)计算的混凝土抗裂指数，结果见表8。计算时凝土线膨胀系数和水化热温升值分别取6.3×10-6/℃和26.1 ℃，并忽略纤维对这两个参数的影响。从计算结果看，掺PVA1纤维混凝土的28d抗裂指数与基准混凝土相同，90 d和180 d抗裂指数比基准混凝土略有提高。

3 结 论

(1)掺入三种纤维后混凝土的抗压强度、劈拉强度和轴拉强度均不同程度地降低。从轴拉强度看，掺PVA1纤维时降低幅度最小，其次是PVA2和PP纤维。

(2)掺纤维后混凝土的干缩值均略有增加；纤维混凝土和基准混凝土的自生体积变形趋势基本一致，即早期为微膨胀型，后逐渐收缩，约80 d后再次呈膨胀趋势，至180 d龄期时掺纤维混凝土的变形由收缩型转变为微膨胀型。同龄期下掺纤维混凝土的自生体积变形收缩小于基准混凝土；不同加荷龄期的PVA1纤维混凝土的徐变均大于相应基准混凝土的徐变，而PVA2和PP纤维混凝土的徐变小于或等于基准混凝土的徐变。

(3)抗裂性分析结果表明，掺纤维有利于提高大坝混凝土的抗裂性。不同纤维对抗裂性的改善效果不同，因此，在工程应用时需结合试验进行纤维材料的优选。

[1]李金玉, 曹建国. 水工混凝土耐久性的研究和应用[M]. 北京： 中国电力出版社, 2004．

[2]邓东升. 合成纤维对水工混凝土抗裂性能和抗碳化性能的影响[J]. 混凝土, 2005(10): 44- 47．

[3]周明耀, 杨鼎宜, 汪洋. 合成纤维混凝土材料的发展与应用[J]. 水利与建筑工程学报, 2003, 4(1): 1- 4．

[4]王永波, 罗晖. PVA纤维在水泥基材料中作用的研究[J]. 重庆建筑, 2005(7): 62- 64．

[5]计涛, 纪国晋, 王少江, 等. PVA纤维对水工抗冲磨混凝土性能的影响[J]. 东南大学学报:自然科学版, 2010, 40(S2)： 192- 196．

[6]李光伟. 混凝土抗裂能力的评价[J]. 水利水电科技进展, 2001, 21(2)： 10- 14．

[7]中国水利水电科学研究院结构材料所. 大体积混凝土[M]. 北京： 水利电力出版社, 1990．

[8]黄国兴. 试论水工混凝土的抗裂性[J]. 水力发电, 2007, 33(7): 90- 93．

(责任编辑 焦雪梅)

Analysis on Deformation and Anti-cracking Properties of Dam Concrete Mixed with Different Kinds of Fibers

LIU Yanxia, LIU Chenxia, JI Guojin, CHEN Gaixin
(Department of Structures and Materials, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China)

Three kinds of fibers of PVA1, PVA2 and PP from different manufacturers are selected in the study on the mechanical and deformation properties of dam concrete. It is indicated that the compressive strength, splitting tensile strength and axial tensile strength of dam concrete with these three kinds of fibers are all decreased to a varying degree when compared with reference concrete. On the other hand, the dry shrinkage of fiber-reinforced concrete is somewhat increased, while the autogenous volumetric shrinkage is decreased, which suggests that the fibers can restrain the autogenous volumetric shrinkage of dam concrete and consequently improve its anti-cracking properties. At different loading ages, the creep of concrete with fiber PVA1 is higher than that of reference concrete, while the creeps of concrete with PVA2 and PP are less than or almost equal to that of reference concrete. The improvement effects of different fibers on anti-cracking properties of dam concrete are varying. In this study, the effect of fiber PVA1 is best, which prompts that the optimization experiments on fibers should be carried out according to actual project conditions．

fiber-reinforced concrete; mechanical property; deformation property; anti-cracking property

2016-12-15

国家“十三五”重点研发计划项目(2016YFB0303600)；国家973计划重点基础研究发展规划项目(2013CB035901，2013CB035906)；国家自然科学基金项目(51409284)；中国水利水电科学研究院科研专项(SM0145B252014)

刘艳霞(1977—)，女，山东青州人，高级工程师，博士，主要从事水工混凝土性能研究和水工新材料研发．

文献标识码：A 文章编号：0559- 9342(2017)08- 0112- 05