国产某PVA纤维对混凝土早期开裂和干燥收缩的影响

张 云 杰

(内蒙古工业大学 矿业学院，内蒙古 呼和浩特 010051)

纤维混凝土广泛应用于我国各地的桥梁工程、水工建筑物中[1-3]。纤维的掺加可显著改善混凝土的工作性能，目前国内外学者对纤维混凝土的抗裂性能进行了研究并取得了大量成果。Qi C等[4]研究了不同掺量的聚丙烯纤维对混凝土早期开裂的影响，掺加聚丙烯纤维使混凝土早期裂缝宽度大幅降低。Sivakumar等[5]对混杂纤维混凝土的收缩开裂进行了研究，在混凝土内掺加纤维可明显减少收缩裂缝，且非金属纤维含量的增加可以在削弱混凝土部分工作性能的同时显著提升其抗裂性能。邢通等[6]对不同掺量钢-聚丙烯纤维混凝土的早期开裂进行了研究，混杂纤维可以发挥出正混杂效应，提高早期抗裂能力。唐明等[7]采用平板法对聚丙烯纤维混凝土早期开裂状态进行了研究，结果表明：随着纤维掺量的增加、纤维长度的增长，其对混凝土的抗裂性能提升也越大。

PVA纤维模量高、强度高、耐酸碱，目前受到了广泛关注和研究，掺加PVA纤维可以大幅度提高混凝土的抗拉能力、增强混凝土的抗裂性和耐久性[8-16]，延长结构的使用寿命。目前国内PVA纤维混凝土多数为日本产，因其产量低且需进口，价格居高不下。关于国产PVA纤维早期抗裂和收缩性能的研究较少，本文通过改变纤维长度和掺量对纤维混凝土的早期抗裂性能和干燥收缩性能进行研究，为PVA纤维的工程应用提供参考。

1 试验概况

1.1 原材料及混凝土配合比

试验采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，矿物掺和料采用Ⅱ级粉煤灰；细骨料采用中砂，粗骨料采用粒径在5.0 mm～31.5 mm之间的石子；减水剂采用聚羧酸减水剂；试验拌合用水为自来水。试样的水胶比为0.37，水泥、粉煤灰、砂和石子的用量分别为353 kg/m3、67 kg/m3、712 kg/m3和1 068 kg/m3，减水剂用量为42 kg，纤维混凝土的纤维体积掺量为0.9%、1.2%和1.6%。

国产PVA纤维选用内蒙古双欣高分子材料技术研究院有限公司生产的高强高弹纤维SX-1，纤维长度为8 mm和12 mm，直径为0.015 m，密度为1.2 g/cm3，弹性模量为42 GPa，断裂伸长率为7%，抗拉强度为1 600 MPa。

试验分组编号为C-L-ω，其中，C为混凝土试件，L为纤维长度，ω为纤维掺量。例如，掺加纤维长度8 mm、纤维掺量0.9%的PVA纤维混凝土试件编号为C-8-0.9，其他试验与组别同理，普通混凝土试件编号为PC。

1.2 试件制备

早期抗裂性能对比试验参照《纤维混凝土试验方法标准》[17](CECS13:2009)进行，试件尺寸为1 000 mm×1 000 mm×60 mm，混凝土浇筑进模具后，在24 h内测量裂缝，裂缝长度取两端直线距离，精确到5 mm。裂缝宽度取裂缝最大宽度，使用裂缝显微镜测量，精确到0.01 mm。

干燥收缩试验参照规范接触法进行，采用尺寸为100 mm×100 mm×515 mm的棱柱体试件，测量混凝土试件浇筑后自然养护至1 d、3 d、7 d、14 d、28 d、56 d、90 d相应龄期所产生的收缩值。

2 试验结果与分析

2.1 裂缝形态分析

PVA纤维混凝土早期开裂裂缝形态如图1所示，其中(a)为8 mm纤维组，(b)为12 mm纤维组。图2为普通混凝土早期开裂裂缝形态。普通混凝土组和8 mm组试件的裂缝中，有部分裂缝分布在试件中央，且发展方向各异。12 mm组试件的裂缝均全部或部分与试件约束方向垂直，主要分布在试件边缘，此类裂缝可以认为均由栓钉诱发而成， 12 mm PVA纤维的掺加提升了混凝土试件的开裂阈值。早期裂缝参数见表1。

试件中出现了数根长裂缝，例如PC组14号裂缝、C-8-1.2组6号裂缝、C-12-1.2组4号裂缝、C-12-1.6组3号裂缝,它们呈现出多处各自发展的短裂缝相连接与合流的趋势，转折较为生硬，在很小的区域内产生具明显棱角的转折。裂缝都是向着结构最脆弱处发展的，而两条不同起源、长度较短、发展方向没有发生过变化的短直裂缝趋向同一片区域，可以说明该区域是混凝土的薄弱区域，其内部可能因结构密实性差、均匀性差而储存了大量等待释放的断裂能。试件上呈“彡”型分布的微小的纺锤形裂隙，为混凝土初开裂的形态，当这些裂隙发展、连接为裂缝时，同样会合流为一条具有分支的长裂缝。

（1）在冬季浇筑大体积混凝土时，若外界温度较低，采取保温措施后仍产生温度裂缝，需采用导热系数大的材料进行配置混凝土施工，降低混凝土内外温差，减小因此而产生的温度应力，从而有效降低大体积混凝土温度裂缝的产生。

表1 PVA纤维混凝土的早期裂缝参数

长裂缝的第二种成因是短裂缝的持续发展，即短裂缝在发展过程中，不断抵达混凝土内部的应力集中区域，引起该区域开裂、释放能量，并利用被释放出的能量继续发展。这种长裂缝形态上的特征比较明显：转折较为平缓、没有明显的棱角，但是转折处裂缝宽度大幅增加，将裂缝扩展为裂口。例如C-12-1.2组的4号裂缝，在试件边缘起的第二个转折处，裂缝宽度骤增，达到了该组试件的最大裂缝宽度0.3 mm。同时，在第三个转折处裂缝宽度也达到了0.29 mm。

(a) 8 mm组试件

(b) 12 mm组试件 图1 PVA纤维混凝土早期开裂裂缝形态

图2 普通混凝土早期开裂裂缝形态

2.2 裂缝长度与宽度分析

C-8-0.9的最大裂缝长度为370 mm，相比PC下降了33.9%，最大裂缝宽度同样从0.26 mm下降到0.24 mm。C-8-1.2的最大裂缝长度为360 mm，最大裂缝宽度依旧小于PC。C-8-1.6的最大裂缝长度为310 mm，相比PC下降了44.6%，最大裂缝宽度也仅为0.22 mm。总体来说，随着纤维掺量的增加，最大裂缝长度和最大裂缝宽度均呈现减小的趋势，C-8-1.6表现出了最优的控制裂缝长度、宽度发展的性能。

C-1.2-0.9的最大裂缝长度为330 mm，相比PC下降了41%，最大裂缝宽度为0.26 mm，与PC相同。而C-12-1.2和C-12-1.6的最大裂缝长度相比C-12-0.9反而开始增长，分别为400 mm和500 mm，最大裂缝宽度也随之增加到0.3 mm，恢复到了PC的水平。总体来说，C-12组内，随着纤维掺量的增加，最大裂缝长度呈现先减小后增加的趋势，而最大裂缝宽度则出现了增长的现象。

以上数据分析说明在混凝土中掺加8 mm PVA纤维比掺加12 mm PVA纤维能更好地控制裂缝长度。同时，纤维混凝土的优势之一是控制裂缝长度和宽度，裂缝越细，代表纤维对混凝土阻裂能力的提升越大，对混凝土耐久性的提升也越大，即掺加8 mm PVA纤维相比掺加12 mm对更有助于提升混凝土的耐久性。

2.3 单位面积上的总开裂面积与裂缝降低系数

不同纤维长度和掺量的PVA纤维混凝土单位面积上的总开裂面积和裂缝降低系数如图3所示。

图3 PVA纤维混凝土总开裂面积和裂缝降低系数

随着纤维掺量的增加，C-8组和C-12组的PVA纤维混凝土单位面积上的总开裂面积均呈现下降趋势，在掺加PVA纤维后，单位面积上的总开裂面积迅速下降到138.7 mm2，裂缝降低系数达到51%，充分说明了PVA纤维的掺加对控制混凝土早期开裂的显著效果。随着掺量的增加，单位面积上的总开裂面积虽然仍在降低但降速有所减小，裂缝降低系数曲线同样趋于水平，这说明更多纤维的掺加对抗裂性能的提升并不明显，掺量对抗裂性能的影响不大。另一方面，各纤维掺量组的裂缝降低系数都表现出12 mm组高于8 mm组的趋势，并且随着掺量的增加，这种差距越来越大。总体来说，纤维的掺加对混凝土早期抗裂性能提升巨大，但这种提升随着纤维长度、掺量的增加逐渐减弱。

2.4 纤维参数与裂缝面积的关系

Thomas Voigt[18]提出并实验证明了纤维混凝土中纤维长径比和掺量的乘积与纤维混凝土开裂的关系。设纤维长径比与掺量百分比的乘积为参数L，表2列出了各组试验的参数L、裂缝名义总面积与裂缝平均名义面积，图4为其关系曲线。

表2 各组试验参数、裂缝名义总面积、裂缝平均名义面积

图4 参数L与裂缝名义总面积和裂缝平均名义面积的关系曲线

结合裂缝形态及开裂趋势的分析，可以认为是较小的裂缝合并成为大裂缝，使裂缝数量减少，使PVA纤维混凝土试件在总开裂面积降低的同时，每根裂缝的平均面积保持在一定的水平。

不论是增加纤维长度或是增加纤维掺量，都可以降低PVA纤维混凝土早期开裂的裂缝名义总面积，即提高早期抗裂性能，但是在当L值超出一定值后，继续添加纤维无法继续改善纤维混凝土单根裂缝的尺寸或形态，同时可能会使小裂缝发展为大裂缝，进一步削弱纤维混凝土早期抗裂性能。

2.5 机理分析

新浇筑的混凝土在3 h～12 h内处于塑性阶段，当表面失水速率大于内部水分迁移速率时，混凝土内部的毛细管失压，混凝土开始收缩硬化并产生细微裂缝。PVA纤维的掺加改善了混凝土的流变性和均质性，有效阻隔了水分的溢出。纤维与纤维、纤维与骨料之间相互错位交织形成了复杂致密的三维乱向骨架，有效阻止了内部微裂缝的发展，纤维的桥接作用起到了传递荷载的作用，使得微裂缝尖端的应力集中得到释放，削减了应力集中区域，使混凝土内部的应力场均匀。另一方面，纤维的掺加也使得混凝土裂缝需要更多的能量才能继续扩展，这就有效抑制了裂缝长度的发展。当掺加的PVA纤维为12 mm时，虽然裂缝降低系数和限裂效能等级比8 mm纤维表现优异，但加入过长过多的PVA纤维不利于纤维在混凝土内部均匀分散，甚至有可能在内部结团，出现应力集中区域。裂缝一旦出现便有可能受应力集中区域的诱使发展为长裂缝。同时，纤维的结团行为降低了桥接作用，削弱了纤维控制裂缝宽度的能力。这使得掺加12 mm PVA纤维组的最大裂缝长度随掺量逐渐增加甚至接近普通混凝土，最大裂缝宽度超过了普通混凝土。

2.6 干燥收缩性能

图5为PVA纤维混凝土累积收缩值。当掺加纤维长度较小且掺量较少时，即纤维长度为8 mm、纤维掺量为0.9%时，纤维可以很好的发挥自身特性：传递应力以减少混凝土内的应力集中区域，利用纤维与基体界面的黏结力和机械摩擦力桥接混凝土基体，提升混凝土的抗干燥收缩性能。

图5 PVA纤维混凝土累积收缩值

当纤维掺量提升至1.6%时，由图5可知，混凝土在56 d～90 d期间的收缩值相比纤维掺量0.9%时有所下降，但是下降量有限。由此可知，掺加8 mm PVA纤维可以有效提升混凝土的抗干燥收缩性能，但是纤维掺量的进一步提升带来的性能提升较小。当掺加PVA纤维长度为12 mm时，混凝土各阶段收缩值均明显大于同掺量的8 mm纤维混凝土，可以认为8 mm PVA纤维对混凝土抗干燥收缩能力的提升是几乎作用于干燥收缩全阶段的。

对比掺加12 mm PVA纤维的混凝土干燥收缩数据可知，收缩值为0.9%组<1.2%组<1.6%组，随着纤维掺量的增加而增加。可以看出，12 mm PVA纤维的掺加也可以提升混凝土的抗干燥收缩性能，但随着纤维掺量的提升，12 mm纤维混凝土抗干燥收缩性能逐渐下降。12 mm纤维在混凝土基体内起阻裂作用的原理与8 mm纤维相同，但是因12 mm纤维长度较大，其搭建的三维乱向骨架中留出的孔隙较粗，水分更容易从其中逸散。同时，因为这些孔隙尺寸相比8 mm纤维混凝土的孔隙尺寸仅有少量增加，使这些孔隙依然属于毛细孔隙，所以依然能保持一定程度上的阻裂能力。因为这些孔隙自纤维混凝土浇筑时便已存在，所以在每一段干燥收缩试验周期内，8 mm PVA纤维混凝土对混凝土抗干燥收缩能力的提升都是优于12 mm PVA纤维混凝土的，这些微小的优势随着时间的发展累积，在长期的干燥收缩过程中会累积为较大的性能优势。

3 结 论

(1) 掺加国产PVA纤维可以显著提升混凝土的早期抗裂性能，裂缝降低系数均大于0.5。随着纤维掺量的增加，裂缝数量减少、名义开裂面积减小，且裂缝分布集中在模具边缘的预制栓钉附近。

(2) PVA纤维的掺加对混凝土早期抗裂性能提升巨大，混凝土中掺加8 mm长度PVA纤维比掺加12 mm PVA纤维能更好地控制裂缝长度，呈现出随着纤维长度、掺量的增加逐渐减弱的趋势。纤维的掺加使得混凝土裂缝需要更多能量才能继续扩展，有效抑制了裂缝的发展。

(3) PVA纤维的掺加对混凝土抗干燥收缩能力的提升体现在整个干燥收缩阶段，并且8 mm PVA纤维对混凝土抗干燥收缩能力的提升优于12 mmPVA纤维，而纤维掺量的进一步增加带来的性能提升较小。在龄期达到90 d后时，掺加PVA纤维的混凝土收缩值已经几乎可以忽略不计，普通混凝土的收缩值依然明显。

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