基于毛细管负压理论的纤维混凝土早期水平收缩试验

何化南，代向阳

(大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024)

0 引 言

新浇筑的混凝土梁、楼板、桥面板等构件在高温、大风、干燥等恶劣环境下，极易产生塑性收缩裂缝，这主要是因为混凝土内部毛细管负压的发展而引起的混凝土塑性收缩开裂[1-2]。在酷热干燥的环境中，由于混凝土表面的水分蒸发速率大于其内部的泌水速率，这种差异在混凝土内部产生了毛细管负压，水分蒸发过快引起毛细孔弯液面曲率半径越来越小，造成毛细管负压越来越大，在混凝土表面产生了较大的收缩力，引起材料早期塑性收缩[3-6]。由于混凝土早期处于弹塑性状态，当混凝土的自由收缩遇到钢筋等阻碍时，在混凝土内部产生拉应力，当其拉应力大于混凝土早期本身的抗拉强度时，便易形成早期塑性裂缝，这样就为腐蚀性介质进入混凝土内部提供了渗透和迁移的通道，加速了外部环境对混凝土内部的侵蚀，严重影响了混凝土结构的耐久性[2,7-14]。Wittmann[15]通过试验研究发现，随着毛细管负压的发展，混凝土的塑性收缩也开始发展，当毛细管负压达到最大值时，塑性收缩也不再发展。Slowik等[6]对混凝土塑性阶段的毛细管负压进行了较为系统的研究，发现当毛细管负压达到某一特定值时，空气开始在局部进入毛细孔，此时混凝土出现第1条微裂缝，这个过程称为“air-entry”，即“空气进入”，相对应的毛细管负压值称为“air-entry value”，即“空气进入值”；随后毛细孔中的水重新分布，混凝土内部的毛细管负压继续增大，当混凝土出现多处裂缝时，毛细孔中的水不能够继续维持平衡，毛细管负压达到最大值并逐渐减小至0，此时毛细管负压的空气进入值可作为早期塑性收缩开裂风险的指标，对于研究混凝土早期塑性收缩开裂有着重要的意义。钱觉时等[16]提出电阻率可以用于表征混凝土早期开裂，通过实时监测混凝土的电阻发展过程，若某一时刻混凝土的电阻突然增大，就有可能出现了局部开裂的情况，这种变化规律对于不同配合比或原材料的混凝土都是相似的。洪天从等[17]通过试验研究同样指出，早期混凝土界面过渡区出现微裂缝会导致混凝土电阻增大。本文借鉴Slowik等[6，16]学者的思路，将毛细管负压和电阻测量结合在一起，采用工程中常用的聚丙烯纤维作为早期收缩阻裂材料，进行了纤维混凝土早期毛细管负压、电阻以及水平收缩等试验，研究了纤维体积率、纤维长度等参数对混凝土内部早期毛细管负压的空气进入值以及水平收缩的影响，进而分析纤维对混凝土早期塑性收缩的作用机理，为进一步研究提供一定的科学指导。

1 试验概况

1.1 原材料及配合比

粗骨料为5～10 mm粒径且级配良好的石灰石碎石，细骨料为河沙中砂，水泥采用大连市小野田水泥厂生产的P.O42.5R普通硅酸盐水泥，纤维为常州市天怡工程纤维有限公司及江苏博特新材料有限公司生产的聚丙烯纤维，弹性模量为6.5 GPa，抗拉强度为630 MPa。所有混凝土基体的配合比见表1。

表1混凝土配合比Tab.1Mix Proportion of Concrete

1.2 试验分组

为更好地研究纤维体积率、纤维长度对混凝土早期毛细管负压发展及水平收缩的影响，试验研究分为10组，如表2所示，表中编号ρf，lf分别为纤维体积率、纤维长度，字母后面的数字代表数量。

表2试验分组Tab.2Test Groups

1.3 试验方法

1.3.1 混凝土内部毛细管负压测试方法

毛细管负压测试原理是基于毛细管中水势的不平衡及再平衡过程中毛细管负压的变化来测量的[6,12,18]。测试系统包括陶土头、聚碳酸酯管、压力传感器、四通道变送器以及数据采集系统IMC。陶土头和聚碳酸酯管连接为整体，把无空气水灌入聚碳酸酯管及陶土头至充满，埋入新搅拌好的混凝土试件内部距外表面8 cm处，且振捣密实，在测试中就可以根据连接陶土头的压力传感器得到混凝土内部的毛细管负压值。

1.3.2 混凝土早期电阻测试方法

混凝土早期电阻测试和毛细管负压测试在同一试件中进行，在试件两端各放置1片电极片并外接导线，利用台式万用表测量混凝土试件的电阻，然后通过数据采集软件将测得的电阻值传输到计算机。当空气渗透进混凝土后，颗粒在某些位置仅由水套相互连接，导电性明显低于水饱和阶段，通过电阻的突变，再结合毛细管负压发展曲线，就可以得到毛细管负压Paev值。毛细管负压与电阻测试装置示意图见图1。

1.3.3 混凝土早期水平收缩测试方法

根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)，混凝土早期水平收缩的测试方法采用非接触法，原理为激光测距，所用仪器为高精度激光位移传感器、电源箱、数据采集系统IMC以及计算机。本方法采用尺寸为100 mm×100 mm×515 mm的棱柱体试件，实验室内温度为20 ℃±3 ℃，相对湿度为60%±5%，同时在试件侧面放置大功率电风扇，使混凝土表面风速达到5.5 m·s-1，加速混凝土表面的水分蒸发及早期塑性收缩。非接触法混凝土收缩测定原理示意图如图2所示。

2 试验结果分析

2.1 毛细管负压理论及其发展曲线分析

毛细管负压的产生是由于混凝土毛细孔中水分的蒸发速率和泌水速率之差引起的，当水分蒸发速率大于泌水速率时，会在混凝土内部引起毛细管负压，且两者之差越大，毛细管负压发展越快[6]，毛细管负压发展曲线及塑性收缩过程如图3所示。

新拌混凝土浇筑完毕时，混凝土中的颗粒由于重力作用趋于下沉，混凝土中的自由水向上运动，造成了泌水(图3中A阶段)。当混凝土表面的水分蒸发速率大于其内部的泌水速率时，在混凝土表面出现弯月面，水分的过快蒸发引起毛细孔弯月面曲率半径越来越小，造成了混凝土内部毛细管负压的较快发展(图3中B阶段)。毛细管负压的出现引起混凝土内部颗粒趋于紧密，导致混凝土产生塑性收缩，且随着毛细管负压的越来越大，混凝土的塑性收缩也越来越大(图3中C阶段)。当混凝土的自由收缩遇到粗骨料等阻碍时，极易造成开裂，空气便通过裂缝进入混凝土内部，然后混凝土内部毛细孔中的水重新平衡，毛细管负压继续增大，随着裂缝的开展，空气越来越多地进入到混凝土内部，毛细管负压达到最大值，之后开始逐渐减小至0(图3中D阶段)。

2.2 混凝土早期毛细管负压与电阻及水平收缩曲线分析

以素混凝土为例，进行混凝土早期毛细管负压与电阻及水平收缩曲线分析，毛细管负压与电阻发展曲线见图4(a)，毛细管负压与水平收缩发展曲线见图4(b)。

从图4(a)可以看出，素混凝土早期的毛细管负压发展曲线与理论曲线相一致，在试验开始的前30 min，混凝土主要发生早期塑性沉降和泌水，然后随着混凝土表面的水分蒸发速率大于其内部的泌水速率，混凝土内部的毛细管负压得到快速发展，在200 min左右时达到最大值-66.47 kPa，之后逐渐减小至0。另外，混凝土的电阻亦随时间逐渐变大，在130 min左右时电阻出现突增，说明混凝土内部出现局部开裂，此时对应的毛细管负压值可认为是空气进入值，即Paev=-33.14 kPa。

从图4(b)可以看出，素混凝土早期的水平收缩随着其内部毛细管负压的增大而迅速增大，当毛细管负压达到最大值时，混凝土早期水平收缩变形达到2 mm左右，之后毛细管负压逐渐减小。混凝土早期水平收缩并没有停止，而是以较小速率缓慢增加，当毛细管负压最终减小至0后，混凝土早期水平收缩变形达到2.4 mm左右，然后趋于稳定。

2.3 纤维对混凝土早期毛细管负压Paev的影响分析

不同纤维体积率混凝土早期毛细管负压与电阻发展曲线见图5，不同纤维长度混凝土早期毛细管负压与电阻发展曲线见图6。

从图4和图5可以看出，纤维掺入混凝土有效减缓了其内部毛细管负压的发展速率，并显著降低了毛细管负压的极限值，尤其当纤维体积率为0.133%时，毛细管负压的极限值明显低于素混凝土，达到-52.1 kPa，但当纤维体积率超过0.133%时，纤维在搅拌过程中容易结团，不能在混凝土内部均匀分布，阻碍了混凝土内部水分向上泌出，降低了混凝土的泌水速率，导致毛细管负压极限值变大。结合混凝土的电阻发展曲线可以看出，素混凝土早期内部出现局部开裂的时间在130 min左右，掺入纤维后混凝土早期内部出现局部开裂的时间集中在150～170 min，可见纤维掺入混凝土延缓了混凝土早期内部发生局部开裂；同时随着纤维体积率的增加，混凝土早期内部毛细管负压的Paev值先增大后减小且均高于素混凝土，尤其当纤维体积率为0.067%～0.1%时，Paev值达到40 kPa，明显高于素混凝土的34.8 kPa，也间接地表明，纤维能够延缓混凝土内部局部开裂的时间。

同时从图4(a)、图5(c)和图6可以看出，在纤维体积率和纤维直径一定时，随着纤维长度增大，混凝土早期内部毛细管负压的发展速率及极限值整体上均呈现出逐渐降低的趋势，混凝土早期发生局部开裂的时间相比素混凝土整体上延迟了，毛细管负压的Paev值呈现出先增大后减小的趋势，在纤维长度为10～18 mm时，Paev达到41 kPa左右，高于素混凝土的34.8 kPa。

综上所述，当纤维体积率为0.067%～0.1%，纤维长度为10～30 mm时，纤维能够均匀地分散在混凝土中，其混凝土内部毛细管负压的Paev值达到40 kPa左右，相比于素混凝土提高较大，此时聚丙烯纤维显著地提高了混凝土抵抗局部开裂的能力，即提高了混凝土早期的抗裂强度。

2.4 纤维参数与毛细管负压Paev的关系

2.4.1 纤维体积率和长度与毛细管负压Paev的关系

纤维体积率、纤维长度与毛细管负压Paev的对应关系见表3，不同纤维参数与毛细管负压Paev的关系见图7。

从图7可以看出，随着纤维体积率、纤维长度的增大，其混凝土内部早期毛细管负压的Paev值均呈现出先增大后减小的趋势，可见纤维体积率、纤维长度存在最优值，与毛细管负压的Paev值可认为具有二次函数关系，故采用二次多项式对数据进行拟合。将与纤维体积率ρf和纤维长度lf对应的Paev分别记为Paev(ρf)和Paev(lf)，拟合曲线分别见图7(a)，(b)，拟合函数表达式分别见公式(1)和公式(2)，判定系数分别为R2=0.65和R2=0.79，根据回归计算可得到纤维体积率和纤维长度的最优值分别为0.076%和19.34 mm，此时混凝土内部毛细管负压的Paev值最大，聚丙烯纤维对混凝土早期的抗裂强度提高效果最佳，混凝土抵抗早期局部开裂的能力最强。

表3纤维参数与毛细管负压PaevTab.3Fiber Parameters and Negative Capillary Pressure Paev

(1)

(2)

2.4.2 纤维参数与毛细管负压Paev的关系

公式(1),(2)能够分别反映纤维体积率和纤维长度与混凝土内部早期毛细管负压Paev值的物理变化规律，有一定的科学指导作用，但工程中若纤维长度或纤维体积率改变，公式(1)，(2)便不再适用，因此具有很大的局限性。实际工程中纤维体积率和纤维长度是同时存在的变量，需要建立一个综合考虑这2个参数的系统公式，为工程应用以及学术研究提供可靠的指导。本文将纤维体积率ρf和纤维长度lf的乘积设为参数G，与其对应的Paev记为Paev,G，计算结果见表4，不同纤维参数G与毛细管负压Paev的关系见图8。

表4纤维参数G与毛细管负压Paev,GTab.4Fiber Parameter G and Negative Capillary Pressure Paev,G

从图8中可以看出，毛细管负压的Paev,G值与参数G亦具有二次函数关系，同样采用二次多项式对数据进行拟合，拟合函数表达式见式(3)，判定系数R2=0.73，计算得到参数G的最优值为1.85，即ρflf=1.85时，聚丙烯纤维混凝土抵抗早期局部开裂的能力最强。

Paev,G=-1.34G2+4.96G+36.10G≥0

(3)

参数G综合考虑了纤维体积率和纤维长度2个因素，式(3)能够较好地解决工程中的应用技术问题，但通过式(3)只能确定纤维体积率和纤维长度乘积的最优值，无法同时确定二者的最优值，存在一定的缺陷，仍需进一步探索。

对表3中的数据进行非线性曲面拟合，拟合结果见图9，拟合的非线性曲面函数表达式见式(4)，判定系数R2=0.58。对式(4)进行求极值计算可同时得到纤维体积率和纤维长度的最优值分别为0.075%和19.25 mm，此时混凝土内部毛细管负压的Paev值最大达到41.06 kPa，聚丙烯纤维混凝土抵抗早期局部开裂的能力最强。

8.94×10-3lf+1.71×10-2ρflf+1)

ρf>0；lf>0

(4)

式中：P为素混凝土毛细管负压的Paev值，拟合值为32.85 kPa。

2.5 纤维对混凝土早期水平收缩的影响分析

不同纤维体积率和纤维长度对混凝土早期水平收缩的影响分别见图10(a)和10(b)。

从图10(a)可以看出：纤维掺入混凝土时混凝土早期水平收缩变形的发展速率及最大值明显低于素混凝土，随着纤维体积率从0.033%增加到0.133%，混凝土的早期水平收缩速率越来越慢，且水平收缩的最大值越来越小，尤其当纤维体积率为0.1%和0.133%时，混凝土早期水平收缩的最大值为0.68 mm，明显低于素混凝土的水平收缩最大值2.48 mm，水平收缩降低了72.6%；当纤维体积率超过0.133%时，纤维在搅拌过程中容易结团，难以在混凝土内部均匀分布，导致其早期水平收缩发展速率变快，且水平收缩最大值增大到0.92 mm。同时从图10(b)可以看出，在纤维体积率、纤维直径一定时，随着纤维长度从6 mm增加到40 mm，其混凝土的早期水平收缩速率越来越慢，水平收缩的最大值从0.79 mm减小到0.39 mm。

综上所述，当纤维体积率为0.1%～0.133%，纤维长度为30～40 mm时，纤维能够均匀地分散在混凝土中，此时混凝土早期的水平收缩变形最小，聚丙烯纤维对混凝土早期的水平收缩抑制效果最好。

3 结 语

(1)随着纤维体积率增加，纤维在混凝土内部形成三维网状结构，提高了混凝土早期的抗裂强度，并有效地抑制了混凝土早期的水平收缩变形。

(2)纤维体积率和纤维直径一定，纤维长度为10～30 mm时，纤维与混凝土之间黏结良好，混凝土早期局部开裂及水平收缩变形得到有效的抑制。

(3)根据综合考虑纤维体积率和纤维长度与Paev关系的拟合公式，计算求得纤维体积率和纤维长度的最优值分别为0.075%和19.25 mm。

(4)纤维参数的最佳组合建议为，纤维体积率取0.1%，纤维长度取18 mm，此时纤维混凝土早期毛细管负压的Paev值达到41.1 kPa，抵抗局部开裂的能力最强，同时早期水平收缩变形得到较好的抑制，水平收缩最大值相比素混凝土降低72.6%。