混雜纖維混凝土早齡期抗裂性能試驗(yàn)研究

邢 通，曹晨杰，宋麗莎，孫 麗，霍洪媛

(華北水利水電學(xué)院土木與交通學(xué)院，河南鄭州450045)

混凝土出現(xiàn)早期裂縫主要是因?yàn)榛炷帘砻嫠终舭l(fā)、散失，內(nèi)部水分向表面遷移，使得混凝土內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力.當(dāng)混凝土內(nèi)部的塑性收縮產(chǎn)生的應(yīng)變超過極限拉應(yīng)變時(shí)，混凝土內(nèi)部就會(huì)出現(xiàn)裂縫.混凝土的早期抗裂性能關(guān)系到混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，而摻入纖維可以使其抗裂能力得到提高.吳中偉院士曾經(jīng)指出，復(fù)合化是今后提高混凝土等水泥基材料性能的主要途徑，而纖維增強(qiáng)是核心［1］.混凝土本身具有多相、多組分、多尺度層次的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，單摻纖維增強(qiáng)作用有限，而摻入不同尺度和不同性能的纖維混雜增強(qiáng)，可以使其在混凝土中不同結(jié)構(gòu)和不同性能層次上逐級(jí)阻裂與強(qiáng)化，從而提高混凝土材料的性能［2］.目前國際上一致認(rèn)為纖維混凝土是提高混凝土早期抗裂性和韌性的有效方法之一［3］.將高彈性模量的鋼纖維和低彈性模量的聚丙烯纖維混雜應(yīng)用于高性能混凝土中，充分發(fā)揮“正混雜效應(yīng)”是混凝土領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn).《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 38∶2004)中增加了有關(guān)合成纖維混凝土的內(nèi)容，但對(duì)混雜纖維混凝土還沒有規(guī)范性文件［4］.

筆者在混雜纖維混凝土配合比三元疊加法試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，通過對(duì)鋼－聚丙烯混雜纖維混凝土的早期抗裂性能的試驗(yàn)研究，分析纖維的不同摻量對(duì)混雜纖維混凝土早齡期抗裂性能的影響，為纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程的完善提供試驗(yàn)依據(jù)，為實(shí)際工程提供參考.

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)采用42.5普通硅酸鹽水泥，連續(xù)級(jí)配碎石(粒徑5～20 mm)，天然河砂(細(xì)度模數(shù)3.3)，鋼板剪切型鋼纖維平均長度41.03 mm、等效直徑0.866 mm、長徑比46，束狀單絲聚丙烯纖維長度19 mm、密度0.91 g/cm3.混凝土外加劑采用聚羧酸系高性能減水劑(減水率15% ～25%)，指標(biāo)符合《混凝土外加劑規(guī)范》(GB 8076—2008)的要求［5］.

選取CF40，CF50兩個(gè)強(qiáng)度等級(jí)和下列摻量組合:鋼纖維體積分?jǐn)?shù)一定(體積分?jǐn)?shù)為1.0%，裹漿厚度 1 mm)，聚丙烯纖維摻量分別為 0.0，0.3，0.6，0.9，1.2，1.5 kg/m3;聚丙烯纖維摻量一定(摻量為0.9 kg/m3)，鋼纖維體積分?jǐn)?shù)分別為 0.0%，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%;

參照《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 13∶2009)進(jìn)行混雜纖維混凝土早齡期抗裂性能對(duì)比試驗(yàn)［6］.試件尺寸為 600 mm ×600 mm ×63 mm 的平面薄板，模具邊框用63 mm×40 mm×6.3 mm的槽鋼制作，邊框內(nèi)設(shè)直徑φ6、間距60 mm的雙排栓釘，栓釘長度分別為50，100 mm間隔布置;模底板采用厚度不小于20 mm的密度板，底板上鋪雙層塑料薄膜隔離層.澆筑試塊時(shí)，將拌和料沿鋼模邊緣螺旋式向試模中心進(jìn)行澆筑，至其自動(dòng)流滿整個(gè)鋼模，然后沿試模表面快速刮平試件.澆筑振實(shí)抹平后立即開始暴露試驗(yàn)，在溫度20℃ ±5℃，相對(duì)濕度不大于60%的環(huán)境中，每個(gè)試件各用1臺(tái)電風(fēng)扇吹試件表面，風(fēng)向平行于試件表面，電風(fēng)扇功率不小于100 W，試件上表面風(fēng)速為4～5 m/s.裂縫觀測(cè)在澆筑成型24 h后開始.

表1 配合比參數(shù)組合

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 裂縫名義面積和裂縫降低系數(shù)結(jié)果及分析

用直尺及讀數(shù)顯微鏡讀出裂縫的長度和寬度.根據(jù)裂縫長度和寬度計(jì)算試件的裂縫名義總面積.在鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，其基準(zhǔn)對(duì)比試件為不摻加聚丙烯纖維的鋼纖維混凝土試件;同樣，在聚丙烯纖維摻量為0.9 kg/m3時(shí)，基準(zhǔn)對(duì)比試件為不摻加鋼纖維的試件，由此計(jì)算出裂縫降低系數(shù).聚丙烯纖維和鋼纖維摻量對(duì)裂縫名義總面積和裂縫降低系數(shù)的關(guān)系分別如圖1和圖2所示.

圖1 聚丙烯纖維不同摻量時(shí)裂縫名義總面積和降低系數(shù)的變化

圖2 鋼纖維不同摻量時(shí)裂縫名義總面積和降低系數(shù)的變化

從圖1可以看出，在鋼纖維摻量為1%時(shí)，隨著聚丙烯摻量的增加，裂縫面積明顯減小，混雜纖維混凝土的早期抗裂性能隨著聚丙烯纖維摻量的增加而提高.當(dāng)聚丙烯纖維摻量僅為0.3 kg/m3時(shí)，兩個(gè)強(qiáng)度的混凝土的裂縫面積均有一定的減小，CF40和CF50混凝土的裂縫降低系數(shù)分別為19.1%和15.9%;當(dāng)聚丙烯纖維摻量為1.5 kg/m3時(shí)，裂縫降低系數(shù)分別為83.9%和81.1%.由此可以看出，聚丙烯纖維對(duì)提高混雜纖維混凝土的早期抗裂性能有明顯作用.混凝土基體在早齡期強(qiáng)度較低，受到水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的水泥漿體自收縮拉應(yīng)力和干縮拉應(yīng)力共同作用時(shí)，極易產(chǎn)生微裂縫.鋼纖維的彈性模量較高，能橋接在宏觀裂縫上，傳遞裂縫兩側(cè)的應(yīng)力，降低裂縫端部的應(yīng)力集中，從而有效阻止宏觀裂縫的擴(kuò)展.聚丙烯纖維的彈性模量較低，與混凝土早期的低彈性模量變形更加協(xié)調(diào)，能夠阻滯微裂縫的發(fā)生與發(fā)展.同時(shí)，聚丙烯纖維單絲短細(xì)、根數(shù)多、呈三維亂向分散于顆粒較小的骨料與水泥砂漿體內(nèi)，可以在極大程度上跨越微裂縫而起到分散裂縫形成的應(yīng)力集中和阻滯、消弱裂縫繼續(xù)開展的有利作用，降低混凝土基體內(nèi)部收縮裂縫和收縮變形，進(jìn)一步起到了調(diào)整混凝土基體內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)、提高基體密實(shí)度的作用.隨著聚丙烯纖維摻量的增加，單位體積內(nèi)聚丙烯纖維的根數(shù)也相應(yīng)增多，對(duì)混凝土基體的細(xì)觀阻裂和限裂作用也就越顯著.

從圖1還可以看出，CF40，CF50強(qiáng)度的混凝土，在聚丙烯纖維摻量為0.9～1.5 kg/m3時(shí)，裂縫降低系數(shù)均只下降了18%左右，裂縫減少的速度明顯比之前緩慢.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是聚丙烯纖維的阻裂和限裂作用是基于其能夠均勻分散于混凝土內(nèi)，由于聚丙烯纖維細(xì)軟，容易彎曲結(jié)團(tuán)，當(dāng)摻量達(dá)到一定值后將會(huì)難以分散，從而影響聚丙烯纖維的阻裂作用.

從圖2可以看出，混雜纖維混凝土在聚丙烯纖維摻量為0.9 kg/m3時(shí)，隨著鋼纖維摻量的不斷增加，其裂縫面積也都呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，即混雜纖維混凝土的早期抗裂性能隨著鋼纖維摻量的增加而增加.在摻入體積分?jǐn)?shù)為0.5%的鋼纖維時(shí)，裂縫降低系數(shù)就有很大的提高，兩種強(qiáng)度等級(jí)混凝土分別提高33.3%和22.0%.這說明聚丙烯纖維與鋼纖維混雜具有耦合阻裂效應(yīng).在鋼纖維體積分?jǐn)?shù)大于1.0%時(shí)，裂縫降低系數(shù)曲線的增速變慢.裂縫降低系數(shù)都達(dá)到最大值，CF40出現(xiàn)在鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)，CF50出現(xiàn)在鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí).在鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為1.5%和2.0%之間，裂縫降低系數(shù)并沒有明顯的提高，說明鋼纖維體積分?jǐn)?shù)存在合理有效值.

2.2 試件裂縫形態(tài)及分析

圖3和圖4分別為兩種強(qiáng)度下，聚丙烯纖維摻量為0.9 kg/m3時(shí)，鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為最小0.0%和最大2.0%時(shí)的裂縫情況，以及鋼纖維體積分?jǐn)?shù)1.0%時(shí)，聚丙烯纖維為最小摻量0.0 kg/m3和最大摻量1.5 kg/m3的裂縫形態(tài)圖.

從圖3和圖4可以看出，隨著纖維摻量的不斷增加，試件的裂縫從寬、長形態(tài)調(diào)整為細(xì)、短形態(tài)，裂縫條數(shù)減少.單摻聚丙烯纖維時(shí)，聚丙烯纖維分散在混凝土基體中，搭接在混凝土微裂縫的兩端而阻礙、限制微裂縫的產(chǎn)生，但對(duì)裂縫產(chǎn)生后的抑制效果不明顯，其試件裂縫延伸較長，如圖3(a)與圖4(a)所示.當(dāng)再摻入鋼纖維后，鋼纖維在混凝土中微觀范圍內(nèi)能起到類似“加筋”作用，同時(shí)連接裂縫起到了結(jié)構(gòu)性增強(qiáng)作用，有效阻止了裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)大，兩者的共同作用使得裂縫條數(shù)和寬度明顯減少，如圖3(b)與圖4(b)所示.同樣，單摻鋼纖維時(shí)，鋼纖維阻礙裂縫發(fā)展的作用得到體現(xiàn)，裂縫長度較短，但其微觀阻裂性能不如聚丙烯纖維，故條數(shù)較多，如圖3(c)與圖4(c)所示;摻加聚丙烯纖維后，聚丙烯纖維能明顯減少微裂縫的條數(shù)，裂縫的寬度也隨著二者摻量的增加而減小，如圖3(d)與圖4(d)所示.

3 結(jié)語

通過對(duì)一定條件下的混雜纖維混凝土早齡期抗裂性能對(duì)比試驗(yàn)，研究了不同聚丙烯纖維摻量下的混雜纖維混凝土的早齡期裂縫的發(fā)展情況，以及不同鋼纖維摻量下的混雜纖維混凝土的早齡期裂縫的發(fā)展情況，并分析其裂縫形態(tài).試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼－聚丙烯纖維混雜對(duì)混凝土的早齡期抗裂性能具有協(xié)同提高作用.

1)鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，隨著聚丙烯纖維摻量每級(jí)等同增加0.3 kg/m3的情況下，裂縫面積明顯減小，混雜纖維對(duì)混凝土中裂縫的阻裂效應(yīng)越來越好.聚丙烯纖維摻量為0.9～1.5 kg/m3時(shí)，裂縫降低系數(shù)的增速較之前緩慢.

2)聚丙烯纖維摻量固定在0.9 kg/m3時(shí)，隨著鋼纖維摻量的增加，混雜纖維混凝土的早期抗裂性能也相應(yīng)提高.摻入鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為1.5% ～2.0%時(shí)，裂縫降低系數(shù)則沒有太明顯的提高.

3)對(duì)混凝土的阻裂效果，單摻0.9 kg/m3聚丙烯纖維優(yōu)于單摻體積分?jǐn)?shù)為1.0%的鋼纖維;混雜纖維的限裂效果優(yōu)于單摻一種纖維.

4)結(jié)合混雜纖維混凝土試件的表面裂縫分布形態(tài)來看，鋼纖維的阻裂和限裂作用表現(xiàn)得更為宏觀，聚丙烯纖維的阻裂和限裂作用表現(xiàn)得更為微觀，兩者結(jié)合可以協(xié)同阻裂和限裂，從而使混凝土裂縫由寬、長形態(tài)調(diào)整為細(xì)、短形態(tài).

［1］吳中偉，廉慧珍.高性能混凝土［M］.北京:中國鐵道出版社，1999.

［2］趙晶，蔡新華，王偉哲，等.混雜纖維混凝土抗裂及抗?jié)B性能試驗(yàn)研究［C］∥第十一屆全國纖維混凝土學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.大連:大連理工大學(xué)出版社，2004.

［3］鄧宗才.高性能合成纖維混凝土［M］.北京:科學(xué)出版社，2003.

［4］中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì).CECS 38∶2004纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2004.

［5］中國建筑材料聯(lián)合會(huì).GB 8076—2008混凝土外加劑［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

［6］中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì).CECS 13∶2009纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2010.