聚丙烯纖維對(duì)混凝土塑性沉降的影響

何化南，楊碧成，杜彥成

(大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116023)

聚丙烯纖維對(duì)混凝土塑性沉降的影響

何化南，楊碧成，杜彥成

(大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116023)

聚丙烯纖維摻入混凝土后能夠有效地抑制早期塑性裂縫，但對(duì)混凝土的塑性沉降裂縫的影響還未深入探究。為研究聚丙烯纖維對(duì)混凝土早期塑性沉降裂縫的影響，通過(guò)對(duì)纖維混凝土的早期塑性不均勻沉降試驗(yàn)，考察不同纖維摻量下，距鋼筋不同位置各點(diǎn)的混凝土塑性沉降的特性，從而探究纖維對(duì)混凝土早期塑性沉降裂縫的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：混凝土的塑性沉降發(fā)展很快，試驗(yàn)開(kāi)始后大約70 min便會(huì)穩(wěn)定下來(lái)，纖維的摻入并未很好地抑制混凝土的塑性沉降，反而加速了混凝土的塑性沉降速度以及加大了塑性沉降量，且鋼筋處的塑性沉降差也增大了，惡化了混凝土的早期塑性沉降裂縫。

纖維混凝土；塑性沉降；裂縫；激光位移傳感器；固結(jié)理論

新澆筑好的混凝土在自重作用下，會(huì)產(chǎn)生泌水塑性沉降現(xiàn)象[1]，在工程中，當(dāng)混凝土界面存在高度差，或混凝土內(nèi)部鋼筋的存在，極易致使沉降速度不一致，導(dǎo)致不均勻沉降，造成開(kāi)裂形成了塑性沉降裂縫[2-3]。而該裂縫為外部腐蝕性介質(zhì)提供了通道，加速了鋼筋的腐蝕，惡化了結(jié)構(gòu)的耐久性[4-6]。

混凝土的早期塑性裂縫主要是由水分的蒸發(fā)和塑性沉降共同作用產(chǎn)生的[7]，以往在混凝土的早期塑性裂縫的研究中，研究人員多采用在混凝土內(nèi)部摻加纖維來(lái)解決混凝土的早期塑性開(kāi)裂[8-10]，且以往學(xué)者僅研究纖維對(duì)塑性收縮裂縫的影響，未單獨(dú)全面研究纖維對(duì)塑性沉降的影響，但塑性沉降裂縫也是混凝土早期塑性裂縫的重要組成部分，例如，韓國(guó)有40%的塑性裂縫是塑性沉降裂縫[11]。另外，針對(duì)纖維是如何影響混凝土的塑性沉降這個(gè)問(wèn)題，有學(xué)者認(rèn)為，纖維能夠有效地阻礙骨料的不均勻沉降[12]，但并未進(jìn)行試驗(yàn)進(jìn)行科學(xué)的論證。Qi C等[10]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，纖維摻入混凝土后能夠有效地抑制混凝土的塑性沉降，但該試驗(yàn)并未排除由于水分蒸發(fā)引起的塑性收縮對(duì)塑性沉降的影響這一因素。因此，本文借鑒Kwak H G等[1]對(duì)混凝土塑性沉降的測(cè)試方法，通過(guò)在新澆筑的混凝土表面覆蓋一層潤(rùn)滑油，剔除了由于水分蒸發(fā)產(chǎn)生的干燥收縮對(duì)塑性沉降產(chǎn)生的影響，且因自收縮大多發(fā)生在初凝之后[13]，而本試驗(yàn)在初凝之前已幾乎結(jié)束，因而本試驗(yàn)也不受自收縮的影響。故本試驗(yàn)在排除其他因素對(duì)塑性沉降的影響下，能夠較為科學(xué)地探究纖維對(duì)塑性沉降的影響，為進(jìn)一步研究提供一定的參考。

本試驗(yàn)采用工程中常用的聚丙烯纖維為試驗(yàn)用纖維，利用激光位移傳感器詳細(xì)研究了纖維摻入混凝土后對(duì)混凝土的早期塑性不均勻沉降的影響，進(jìn)而判斷纖維對(duì)混凝土的早期塑性沉降裂縫的作用效果。

1 試驗(yàn)概況

1.1 材料性能

原材料：42.5R大連小野田水泥；碎石5 mm～10 mm；中砂；常州市天怡工程纖維有限公司生產(chǎn)的聚丙烯纖維，纖維參數(shù)如表1所示。

表1 纖維參數(shù)

1.2 試驗(yàn)分組

為詳細(xì)研究纖維摻量對(duì)混凝土不均勻沉降的影響，設(shè)計(jì)了5組試驗(yàn)，且每組均試驗(yàn)兩遍。詳細(xì)分組如表2所示。

表2 試驗(yàn)分組

1.3 試驗(yàn)方法

因混凝土的塑性沉降發(fā)生在混凝土的塑性狀態(tài)，即當(dāng)時(shí)混凝土處于一種流動(dòng)或半流動(dòng)狀態(tài)，無(wú)法采用傳統(tǒng)的接觸式位移計(jì)，故本實(shí)驗(yàn)采用Panasonic公司生產(chǎn)的HG-C1030型號(hào)高精度非接觸激光位移傳感器測(cè)量位移，其詳細(xì)參數(shù)如表3所示。同時(shí)，為能夠記錄混凝土塑性沉降全過(guò)程曲線(xiàn)，采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)IMC讀取數(shù)據(jù)并記錄在計(jì)算機(jī)中。

表3 激光位移傳感器詳細(xì)參數(shù)

試驗(yàn)裝置以及混凝土試件示意圖分別如圖1、圖2所示，激光位移測(cè)試架放置在一個(gè)穩(wěn)固的基座上，防止外界擾動(dòng)影響。被測(cè)試的試件放置在測(cè)試架的底板上，該試件為剛澆筑好的新拌混凝土，尺寸為300 mm×150 mm×150 mm，且在試件中間放置一根Φ16的帶肋鋼筋，距混凝土表面25 mm，用于阻礙混凝土的自由沉降，形成不均勻沉降，并在混凝土表面鋪放3 mm厚的工業(yè)潤(rùn)滑油以封閉混凝土表面，防止水分的蒸發(fā)而引起毛細(xì)管負(fù)壓的變化，因?yàn)槊?xì)管負(fù)壓也會(huì)引起混凝土塑性收縮，干擾了混凝土的早期塑性沉降測(cè)試。測(cè)試架上安置了6個(gè)激光位移傳感器，以測(cè)試混凝土表面的沉降量。其中1號(hào)測(cè)試點(diǎn)測(cè)試的是鋼筋處的混凝土表面沉降位移，2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)測(cè)試點(diǎn)分別測(cè)試的是距離鋼筋30 mm、60 mm、90 mm、120 mm處的混凝土表面沉降位移。然而，由于混凝土上方鋪設(shè)了一層潤(rùn)滑油，激光無(wú)法在混凝土表面形成較好的反射，難以精確地測(cè)量位移變化，為此，把6 mm×6 mm×6 mm大小的橡皮方塊放置到混凝土表面作為激光反射點(diǎn)，高出了3 mm厚的油層，通過(guò)測(cè)試橡皮方塊的沉降來(lái)表示該處混凝土表面的沉降。另外，為使橡皮更好地反射激光，在激光反射面貼上鋁箔紙，且橡皮加上鋁箔紙的重量為0.5 g，對(duì)混凝土的塑性沉降影響可以忽略不計(jì)。

圖1 試驗(yàn)裝置圖

纖維混凝土在攪拌過(guò)程中，為了使纖維更好地分散在混凝土中，采用如下攪拌工藝：先加入沙子，石子和少量的水，攪拌均勻后，加入纖維，攪拌至纖維較好分散在骨料中，最后把水泥和剩下的水一起倒入攪拌桶中，攪拌充分至均勻。把攪拌好的混凝土澆筑在準(zhǔn)備好的模具中，模具中間放置一根Φ16的帶肋鋼筋。待新拌混凝土澆筑振搗完畢后，并使混凝土的表面距模具的上沿5 mm,立即把試件搬至激光位移測(cè)試架底板上，并在混凝土表面放3 mm厚的潤(rùn)滑油，待潤(rùn)滑油鋪滿(mǎn)混凝土的表面時(shí)，馬上打開(kāi)激光傳感器測(cè)試位移變化。混凝土振搗完畢到開(kāi)始試驗(yàn)經(jīng)歷在3 min內(nèi)，時(shí)間較短，故對(duì)塑性沉降的影響可以忽略不計(jì)。試驗(yàn)開(kāi)始到沉降穩(wěn)定大約為70 min左右，為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，整個(gè)試驗(yàn)進(jìn)行至120 min達(dá)到初凝后試驗(yàn)完畢。試驗(yàn)在無(wú)風(fēng)恒溫的室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行以保證不受外界干擾。

圖2 混凝土試件示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 固結(jié)理論

固結(jié)理論起先廣泛應(yīng)用在土體領(lǐng)域中，即土體在外界荷載作用下，產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，導(dǎo)致孔隙中的水緩慢排出，進(jìn)而造成土體壓縮，產(chǎn)生沉降，隨著超靜孔隙水壓力的消散直至完全消失，孔隙中水的排出也趨于結(jié)束，土體的壓縮和沉降也趨于穩(wěn)定[14]。Powers T C[15]率先把固結(jié)理論應(yīng)用到混凝土領(lǐng)域，隨后很多學(xué)者把固結(jié)理論應(yīng)用到混凝土領(lǐng)域中[16-18]，由于新拌混凝土在裝模、振搗后呈現(xiàn)出流動(dòng)狀態(tài)，與飽和土具有相近的物理特性，含水率高，塑性指數(shù)較大，具有較高的壓縮性，在自重的作用下，混凝土中的固體顆粒趨于緊密和下沉，引起混凝土中自由水的向上排出，且自由水向上排出有兩種途徑[19-20]，均勻排出以及通過(guò)孔隙通道向上排出，同樣混凝土在自重作用下，孔隙中水產(chǎn)生了超靜孔隙水壓力，導(dǎo)致孔隙中水的排出。隨著自重作用下混凝土固體顆粒越來(lái)越緊密以及超靜孔隙水壓力的慢慢消散，顆粒周?chē)淖杂伤约翱紫吨械乃呐懦鲆糙呌诮Y(jié)束，混凝土早期的塑性沉降也趨于穩(wěn)定。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 各組試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)各組中的各個(gè)激光點(diǎn)位的最終沉降量的平均值進(jìn)行了詳細(xì)列表，如表4所示，其中各個(gè)點(diǎn)處的沉降對(duì)應(yīng)著圖1中的激光測(cè)試點(diǎn)處的沉降，負(fù)數(shù)表示向下發(fā)生位移變化，即沉降位移。

表4 各組中各點(diǎn)的最終沉降量

由表4中可以發(fā)現(xiàn)，各組數(shù)據(jù)中沉降最大點(diǎn)均為4號(hào)點(diǎn)(距鋼筋處90 mm)，而最小沉降點(diǎn)為1號(hào)點(diǎn)(鋼筋處)。最大的沉降點(diǎn)與最小的沉降點(diǎn)形成了較大的沉降差，而較大的沉降差易在混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力而引起裂縫，分析可知，由于混凝土內(nèi)部鋼筋的存在，極易形成塑性沉降裂縫。

2.2.2 素混凝土塑性沉降結(jié)果與分析

因篇幅有限，且纖維混凝土的塑性沉降過(guò)程與素混凝土的較為一致，故只列出素混凝土各點(diǎn)的塑性沉降過(guò)程曲線(xiàn)圖以及沉降結(jié)果示例圖，如圖3及圖4所示。

圖3 素混凝土各點(diǎn)的沉降過(guò)程曲線(xiàn)

圖4 素混凝土沉降結(jié)果示意圖

從圖中3可以發(fā)現(xiàn)，混凝土的塑性沉降發(fā)展過(guò)程較快，時(shí)間約為70 min，主要由于此時(shí)的混凝土處于塑性狀態(tài)，在自重作用下，混凝土中的自由水以及孔隙水出現(xiàn)了超靜水壓力，并在超靜水壓力的作用下隨之快速排出，即混凝土發(fā)生了泌水，產(chǎn)生了塑性沉降。但70 min后便會(huì)穩(wěn)定下來(lái)，因自重作用下混凝土固體顆粒越來(lái)越緊密以及超靜孔隙水壓力的慢慢消散，顆粒周?chē)淖杂伤约翱紫吨械乃呐懦鲆糙呌诮Y(jié)束，混凝土早期的塑性沉降也趨于穩(wěn)定，不再發(fā)生沉降，試驗(yàn)進(jìn)行到120 min亦不再沉降，而此時(shí)混凝土發(fā)生了初凝硬化，產(chǎn)生了強(qiáng)度，終止了混凝土的塑性沉降。

從圖3以及圖4中可以看出，混凝土沉降曲線(xiàn)關(guān)于鋼筋對(duì)稱(chēng)，其中1號(hào)點(diǎn)(鋼筋處)的沉降最小，沉降量為69.6 μm，隨著距離鋼筋越遠(yuǎn)，混凝土的沉降越大，而最大沉降為4號(hào)點(diǎn)，距鋼筋9 cm處，沉降量為1 295.5 μm。1號(hào)點(diǎn)與4號(hào)點(diǎn)之間過(guò)大的沉降差在鋼筋上方的混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，極易使鋼筋上的混凝土處產(chǎn)生塑性沉降裂縫，且試驗(yàn)結(jié)果亦出現(xiàn)較大的裂縫。由于1號(hào)點(diǎn)為鋼筋處，塑性沉降裂縫會(huì)加速了鋼筋的銹蝕，嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)的耐久性。

2.2.3 纖維摻量對(duì)纖維混凝土塑性沉降的影響

圖5中我們可以看出：通過(guò)比較不同纖維摻量下最大沉降(4號(hào)點(diǎn)的沉降)之間的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，纖維摻量從0.0 kg/m3增加到0.3 kg/m3時(shí)，其沉降量幾乎沒(méi)有變化，因纖維摻入量過(guò)少，故對(duì)混凝土的沉降并未產(chǎn)生太大的影響，但最大沉降差(1號(hào)點(diǎn)與4號(hào)點(diǎn)之間的沉降差)卻出現(xiàn)了降低，可能是因?yàn)?號(hào)點(diǎn)的沉降量過(guò)小，容易產(chǎn)生誤差，致使最大沉降差出現(xiàn)了降低。但當(dāng)纖維摻量超過(guò)0.3 kg/m3增加到0.9 kg/m3(工程中常用摻量)時(shí)，卻加大了混凝土的最大沉降以及最大沉降差，惡化了混凝土的塑性沉降裂縫。當(dāng)纖維摻量增加到1.2 kg/m3時(shí)，其塑性沉降量和沉降差均出現(xiàn)回落，但亦大于素混凝土。通過(guò)上面兩項(xiàng)重要指標(biāo)的分析發(fā)現(xiàn)，纖維摻量的增加到正常摻量時(shí)不僅沒(méi)有較好地抑制混凝土的塑性沉降，反而加重了混凝土的塑性沉降以及不均勻沉降。

圖5 不同纖維摻量下最大沉降以及最大沉降差的變化

混凝土的早期塑性沉降是由于自由水以及孔隙中的水排出導(dǎo)致的，隨著較多的纖維摻入混凝土后，均勻地亂向分布在混凝土中，能夠有效地連通孔隙以及連通混凝土內(nèi)部和外界，起到良好的輸水通道作用，加速了孔隙中水向外排出以及加大了排出量，故加大了混凝土的塑性沉降以及不均勻沉降。董祥等[21]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，聚丙烯纖維以及鋼纖維與水泥基體均存在一定的間隙，并未緊密貼合在一起。根據(jù)Maso對(duì)集料和水泥基界面的假說(shuō)[22]，混凝土經(jīng)澆筑振搗之后，集料，纖維表面會(huì)形成一層水膜，而聚丙烯纖維為非極性材料，表面憎水，與水泥基界面形成一層較厚的水膜。且本試驗(yàn)的塑性沉降發(fā)生在混凝土的初凝之前，水泥中的化合物還未充分進(jìn)入到水膜層中發(fā)生水化反應(yīng)，因而混凝土中水分能夠在纖維界面形成的水膜層中較好地流動(dòng)，故纖維能夠較好地提供輸水通道作用，進(jìn)而纖維摻入混凝土后反而加重了混凝土的塑性沉降。

3 結(jié) 論

綜上可以發(fā)現(xiàn)，纖維并未較好地抑制混凝土的塑性沉降，是因?yàn)樵摾w維較細(xì)，在長(zhǎng)度方向幾乎沒(méi)有剛度，其在混凝土的亂向分布是無(wú)法起到阻礙骨料不均勻沉降作用，反而是起到提供輸水通道作用，加快了內(nèi)部水分的排出，加大了混凝土的塑性沉降以及沉降差，加重了混凝土的塑性沉降裂縫。

(1) 新澆筑好的混凝土在自重作用下，其內(nèi)部自由水以及孔隙水出現(xiàn)了超靜水壓力，并在超靜水壓力的作用下隨之快速排出，發(fā)生了泌水，產(chǎn)生了塑性沉降，且塑性沉降發(fā)展很快，混凝土的幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)均在大約70 min時(shí)便會(huì)穩(wěn)定下來(lái)。

(2) 鋼筋處(1號(hào)點(diǎn))沉降最小，隨著距離鋼筋越遠(yuǎn)，混凝土的沉降越大，距鋼筋90 mm處(4號(hào)點(diǎn))沉降最大，之間形成了較大的沉降差，且因沉降曲線(xiàn)關(guān)于鋼筋對(duì)稱(chēng)，故在鋼筋上方的混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，并在鋼筋上方形成裂縫。

(3) 在排出水分蒸發(fā)引起的塑性收縮對(duì)塑性沉降的影響下，隨著纖維摻量增加到0.9 kg/m3(工程中常用摻量)，反而加大了混凝土的塑性沉降以及鋼筋處的不均勻沉降，進(jìn)而加重了塑性沉降裂縫。但當(dāng)纖維摻量超過(guò)0.9 kg/m3達(dá)到1.2 kg/m3時(shí)，可能因纖維摻量過(guò)多，反而阻止孔隙中水的自由排出，造成了混凝土塑性沉降的降低以及減輕了沉降差。

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Influence of Polypropylene Fiberon on Plastic Settlement of Concrete

HE Huanan, YANG Bicheng, DU Yancheng

(StateKeyLaboratoryofCoastalandOffshoreEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian,Liaoning116023,China)

Polypropylene fiber can effectively inhibit the early plastic cracks of concrete after mixing with concrete, but the influence of the fiber on the plastic settlement cracks of concrete is not yet explored in depth. In order to study the effect of polypropylene fiber on the early plastic settlement crack of concrete, the early plastic differential settlement test of fiber concrete was conducted to analyze the effect of different fiber content on the plastic settlement of fiber reinforced concrete at different distances from the steel bar. Then the influence of fiber on the plastic crack of concrete was discussed. The results show that the plastic settlement of concrete develops rapidly and will stabilize about 70 minutes after the start of the test. The plasticity of the concrete is not inhibited by the incorporation of the fiber, but the plastic settlement of the concrete is accelerated and the plastic settlement is increased. The plastic settlement difference of the reinforcement is also increased, which aggravates the early plastic settlement of the concrete crack.

fiber concrete; plastic settlement; crack; laser displacement sensor; consolidation theory

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.004

2016-12-17

2017-01-20

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2015CB057703)

何化南(1972—) ，女，黑龍江哈爾濱人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事混凝土材料研究工作。 E-mail: hehuanandl@ 163.com

TU528.572

A

1672—1144(2017)02—0021—05