基于試驗(yàn)分析的聚丙烯纖維混凝土抗裂性研究

張 磊，張永存，晁鵬超

基于試驗(yàn)分析的聚丙烯纖維混凝土抗裂性研究

張 磊1，張永存2，晁鵬超2

(1.河南省石漫灘水庫管理局，河南 舞鋼462500；2.河南城建學(xué)院 土木與交通工程學(xué)院，河南 平頂山467036)

通過混凝土環(huán)向約束試驗(yàn)和自由收縮試驗(yàn)，對聚丙烯纖維混凝土的抗裂性進(jìn)行分析研究。按一定配合比制作四組C30混凝土試件，一組不摻纖維，其他三組分別按0.5 kg/m3、1.0 kg/m3、1.5 kg/m3的比例摻入纖維。試驗(yàn)結(jié)果表明：摻入聚丙烯纖維能明顯減小混凝土裂縫寬度和收縮變形，提高混凝土的抗裂性，特別是對混凝土早期抗裂性的影響更顯著；但隨著纖維摻量的增加，混凝土抗裂性的增長速率下降，混凝土抗壓強(qiáng)度也隨之降低；纖維摻量為1.0 kg/m3的混凝土抗收縮、抗裂效果最好，同時對混凝土強(qiáng)度影響最小。

聚丙烯纖維；混凝土；收縮變形；抗裂性；試驗(yàn)分析

混凝土由于抗拉強(qiáng)度低，很容易出現(xiàn)裂縫，而裂縫的出現(xiàn)會影響到結(jié)構(gòu)的完整性、剛度和耐久性，嚴(yán)重的還會威脅到結(jié)構(gòu)的安全使用。如何采取措施減少或避免混凝土開裂一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題?；炷练呛奢d因素造成的裂縫主要是混凝土體積干燥收縮變形引起的，在干燥炎熱或大風(fēng)天氣，剛澆筑后的混凝土由于內(nèi)部毛細(xì)孔隙內(nèi)水分的蒸發(fā)，不可避免地會產(chǎn)生很大的體積收縮變形，在內(nèi)外約束作用下，混凝土又不能自由地收縮，從而就會在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生收縮應(yīng)力，當(dāng)收縮拉應(yīng)力達(dá)到或超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時，就會在混凝土內(nèi)部或表面產(chǎn)生各種各樣的收縮裂縫[1-2]。

聚丙烯纖維是一種柔性纖維，近年來在工程中應(yīng)用較多，其適量摻入可以改善混凝土的物理力學(xué)性能，包括強(qiáng)度、沖擊韌性、耐磨性能、抗凍性、抗?jié)B性等。本文在參考了大量相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一系列實(shí)驗(yàn)方法，按一定配合比制作混凝土試件進(jìn)行收縮變形試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來分析聚丙烯纖維對混凝土收縮變形和抗裂性的影響。

1 原材料和試驗(yàn)方法

(1)試驗(yàn)所用原材料性能

①水泥：采用“可利爾”牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥，水泥安定性合格，其各項(xiàng)性能指標(biāo)見表1。

表1 水泥各項(xiàng)性能指標(biāo)

②粉煤灰：采用“可利爾”牌Ⅱ級粉煤灰，其各項(xiàng)性能指標(biāo)見表2。

表2 粉煤灰各項(xiàng)性能指標(biāo)

③減水劑：采用聚羧酸型減水劑，減水率可達(dá)30%。

④細(xì)骨料：采用天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.9，連續(xù)級配，含泥量0.6%，泥塊含量0.1%。

⑤粗骨料：采用連續(xù)級配的普通石灰?guī)r碎石，粒徑范圍5～25 mm，表觀密度2 689kg/m3，含泥量0.3%，泥塊含量0.1%，含水量5%，針片狀顆粒含量6%，壓碎指標(biāo)5%，堿含量0.5%。

⑥聚丙烯纖維：采用單線束纖維，如圖1所示，其各項(xiàng)性能指標(biāo)如表3所示。

表3 聚丙烯纖維的各項(xiàng)性能指標(biāo)

圖1 試驗(yàn)所用聚丙烯纖維

(2)試驗(yàn)方法

通過環(huán)向約束試驗(yàn)，對混凝土的早期收縮開裂趨勢進(jìn)行直接評估；同時，通過自由收縮試驗(yàn)，對混凝土的早期收縮性能進(jìn)行分析研究。

①環(huán)向約束試驗(yàn)

環(huán)向約束試驗(yàn)裝置參考了Karl Wiegrink收縮開裂試驗(yàn)裝置的形式和尺寸[3]，采用內(nèi)徑275 mm、外徑345 mm、高140 mm的試驗(yàn)裝置，具體形式見圖2。

該裝置由一個厚20 mm的鋼制內(nèi)環(huán)和一個用薄鐵皮彎制而成的外環(huán)模組成，在一塊木板上事先固定一個厚約10 mm的PVC墊圈，然后把鋼內(nèi)環(huán)安置在墊圈內(nèi)側(cè)，把薄鐵環(huán)安置在墊圈外側(cè)。在內(nèi)外環(huán)之間澆筑新拌混凝土，確保混凝土振搗密實(shí)，盡可能地排出里面的氣泡。在溫度20±2℃、相對濕度95%以上的環(huán)境條件下對澆筑好的混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)成型。養(yǎng)護(hù)24 h后，拆除外環(huán)鐵模，保留內(nèi)環(huán)鋼模，并在試件頂面涂刷水玻璃保護(hù)層以防止水分的蒸發(fā)，然后把試件放入一個溫度20±2℃、相對濕度60±5%的干燥室內(nèi)。

當(dāng)混凝土發(fā)生干燥收縮變形時，環(huán)形混凝土試件由于受到內(nèi)鋼環(huán)的約束限制作用不能自由收縮，因此會在試件內(nèi)產(chǎn)生一定的收縮應(yīng)力，當(dāng)收縮拉應(yīng)力達(dá)到混凝土此時的抗拉強(qiáng)度時，就會在試件表面產(chǎn)生收縮裂縫。剛開始采用一個裂縫觀察鏡(量程10 mm，精度0.1 mm)每隔12 h對混凝土環(huán)外表面是否開裂進(jìn)行觀察，記錄下裂縫開始出現(xiàn)的時間，裂縫出現(xiàn)后，采用裂縫測寬儀(量程2 mm，精度0.02 mm)測量試件外表面的最大裂縫寬度，并如實(shí)記錄下裂縫的擴(kuò)展延伸情況。

圖2 環(huán)形約束試驗(yàn)裝置(單位：mm)

②自由收縮試驗(yàn)

根據(jù)文獻(xiàn)[5]，采用標(biāo)準(zhǔn)干縮試驗(yàn)方法對混凝土的早期自由收縮變形進(jìn)行測試。制作尺寸為100 mm×100 mm×515 mm的標(biāo)準(zhǔn)棱柱體試件進(jìn)行試驗(yàn)，本套試驗(yàn)裝置由混凝土試件、位移傳感器及數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)組成，詳見圖3。位移傳感器采用電容式數(shù)字千分尺，測量精度為0.001 mm，測量過程中，試件兩端與事先固定在試模上的千分尺相接觸，千分尺的測量數(shù)據(jù)被一臺具有32個通道的SZ-DA型數(shù)據(jù)采集儀采集并儲存到計(jì)算機(jī)中[4-5]。

在試模的底部及周邊安放有一層3mm厚的聚四氟乙烯滑板，采用潤滑劑粘貼上一層塑料薄膜，潤滑劑用以減小測量過程中的摩擦，試驗(yàn)過程中要確保密封完好。然后分兩次在試模內(nèi)澆筑混凝土，先澆筑50 mm厚，用振動器振動密實(shí)，把一個電阻應(yīng)變計(jì)埋置于試件當(dāng)中，導(dǎo)線引出試件之外。再澆筑第二層50 mm厚的混凝土，并振動密實(shí)，抹平混凝土表面，用塑料薄膜進(jìn)行密封以防水分蒸發(fā)。棱柱體試件和混凝土環(huán)形試件應(yīng)該在相同條件下同時進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。拆模后，立即觀測并記錄混凝土試件的初始情況，然后把試件放入一個溫度20±2℃、相對濕度60±5%的干燥室內(nèi)，測量試件在不同齡期(3 d、4 d、5 d、7 d、14 d、21 d、28 d)的收縮應(yīng)變，齡期從試件放入干燥室開始計(jì)算。

圖3 混凝土自由收縮裝置(單位：mm)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過環(huán)向約束試驗(yàn)和自由收縮試驗(yàn)，分析研究了聚丙烯纖維混凝土的早期收縮變形性能和抗裂性能。試驗(yàn)中，基準(zhǔn)混凝土(JZC)按預(yù)先設(shè)計(jì)好的配合比制作成強(qiáng)度等級為C30的混凝土試件，以基準(zhǔn)混凝土配合比為基礎(chǔ)，分別按0.5 kg/m3、1.0 kg/m3、1.5 kg/m3的比例摻入聚丙烯纖維制成聚丙烯纖維混凝土試件XC1、XC2和XC3，各組試件配合比詳見表4，抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果見圖4，環(huán)向約束試驗(yàn)結(jié)果和自由收縮試驗(yàn)結(jié)果分別見圖5和圖6。

表4 各組混凝土試件配合比

圖4各齡期混凝土抗壓強(qiáng)度圖5混凝土最大裂縫寬度隨時間變化曲線

從環(huán)向約束試驗(yàn)結(jié)果可以看出，聚丙烯纖維混凝土和基準(zhǔn)混凝土幾乎同時開裂，但在每一齡期最大裂縫寬度都比基準(zhǔn)混凝土小。摻入0.5 kg/m3、1.0 kg/m3、1.5 kg/m3的聚丙烯纖維，可使混凝土7 d的裂縫寬度分別減小25%、50%、50%，使28 d的裂縫寬度分別減小9.2%、21.7%、23.6%。這說明，在混凝土中摻入適量聚丙烯纖維，可以明顯改善混凝土早期的收縮開裂問題，提高混凝土的抗裂性。從自由收縮試驗(yàn)結(jié)果可以看出，和基準(zhǔn)混凝土相比，

圖6 混凝土收縮應(yīng)變隨時間變化曲線

摻入0.5 kg/m3、1.0 kg/m3、1.5 kg/m3的聚丙烯纖維，可以使試件3 d的收縮變形分別減小12.6%、19.5%、26.3%；28d的收縮變形分別減小5.1%、12.5%、18.4%。纖維摻量從0.5 kg/m3增加到1.0 kg/m3，裂縫寬度和收縮變形的減小率增加比較明顯，而當(dāng)纖維摻量從1.0 kg/m3再增加到1.5 kg/m3時，裂縫寬度減小率變化并不明顯，所以存在一個纖維最佳摻量的問題。從圖4可以看出，纖維摻量小于1.0 kg/m3時，對混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度影響不大，而當(dāng)纖維摻量從1.0 kg/m3增大到1.5 kg/m3時，混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度下降較多。所以，本次試驗(yàn)聚丙烯纖維最佳摻量應(yīng)該在1.0 kg/m3左右。

聚丙烯纖維具有直徑小、數(shù)量多、間距小、分散性好、彈性模量高、與水泥基材料黏結(jié)力強(qiáng)等特點(diǎn)。在混凝土中摻入聚丙烯纖維之后，大量細(xì)小的纖維在混凝土內(nèi)分散開來，呈三維亂向分布狀態(tài)，對混凝土形成一種加筋體系，減小了失水面積，對水分遷移產(chǎn)生抑制作用，從而減小了孔隙水消耗所產(chǎn)生的毛細(xì)孔張力。另外，由于纖維和混凝土基材之間的界面吸引內(nèi)聚作用，使得混凝土的抗拉強(qiáng)度和抗塑性變形能力明顯增強(qiáng)，混凝土凝結(jié)硬化過程中微裂紋的擴(kuò)展和延伸受到纖維的約束和限制作用，微裂紋尖端的應(yīng)力集中現(xiàn)象減弱，收縮應(yīng)力所引起的能量被大量吸收，從而提高了混凝土的抗裂性。因此，在混凝土中摻入聚丙烯纖維能減小混凝土的塑性收縮變形，顯著增強(qiáng)混凝土的韌性，減少混凝土早期收縮變形所產(chǎn)生的裂紋和裂縫[6-8]。

在膠凝材料用量、水灰比、粗細(xì)骨料用量一定的情況下，要達(dá)到相同的坍落度指標(biāo)，減水劑用量應(yīng)該隨著纖維摻量的增加而增加。而減水劑量的增加又會在一定程度上增大混凝土的收縮變形，導(dǎo)致聚丙烯纖維的抗裂作用有一部分被減水劑的不利影響抵消了，所以理論上應(yīng)該存在一個合理的纖維摻量范圍。

3 結(jié)論

(1)在混凝土中摻入適量聚丙烯纖維，可以提高混凝土的韌性，依靠界面間的相互作用，吸收收縮應(yīng)力產(chǎn)生的能量，抑制微裂紋的擴(kuò)展和延伸，顯著減小混凝土的早期收縮變形和收縮裂縫寬度，提高混凝土的抗裂性。

(2)隨著聚丙烯纖維摻量的增加，要保持不變的流動性，需要增加減水劑的用量，導(dǎo)致纖維的抗裂作用一部分被減水劑的不利影響所抵消，并且混凝土的抗壓強(qiáng)度也會隨著聚丙烯纖維摻量的增加而在一定程度上減小。所以要達(dá)到最好的抗裂效果，應(yīng)該確定纖維在混凝土中的最佳摻入量。

(3)按本次試驗(yàn)配合比制作的C30混凝土試件，其最佳聚丙烯纖維摻量在1.0 kg/m3左右，試驗(yàn)表明，該摻量對混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度幾乎沒有影響，但抗裂效果顯著。與不摻纖維的基準(zhǔn)混凝土相比，其7 d、28 d的最大裂縫寬度分別減小了50%和21.7%，3 d、28 d的收縮應(yīng)變分別減小了19.5%和12.5%，顯然，聚丙烯纖維對混凝土早期抗裂性能的影響更顯著。

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[2] 李田,劉西拉.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性分析與設(shè)計(jì)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1999.

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Crackresistanceofpolypropylenefiberconcretebasedonexperimentalanalysis

ZHANG Lei1,ZHANG Yong-cun2,CHAO Peng-chao2

(1.AdministrationofShimantanReservoir,Wugang462500,China; 2.SchoolofCivilandTransportationEngineering,HenanUniversityofUrbanConstruction,Pingdingshan467036,China)

The crack resistance of polypropylene fiber reinforced concrete was analyzed through concrete ring restraint test and free shrinkage test.Four groups of C30 concrete specimens were prepared according to a certain ratio.One group was not doped with fiber.The other three groups were mixed with fiber according to the proportion of 0.5 kg/m3,1.0 kg/m3,1.5 kg/m3respectively.The results show that the incorporation of polypropylene fiber can significantly reduce the crack width and shrinkage deformation of concrete,and improve the crack resistance of concrete,especially the early crack resistance of concrete .But with the increase of fiber content,the growth rate of concrete crack resistance decreased,and concrete compressive strength will be reduced at the same time.The concrete with the fiber content of 1.0 kg/m3has the best anti-shrinkage and anti-crack effect,and has the least effect on concrete compressive strength at the same time.

polypropylene fiber; concrete; shrinkage deformation; crack resistance; experimental analysis

2017-03-20

河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(17A560017)

張 磊(1987—)，男，河南舞鋼人，工程師。

1674-7046(2017)03-0073-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.03.013

TU528.07

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