纖維增強(qiáng)自密實(shí)輕骨料混凝土早期抗裂性能試驗(yàn)

董健苗 曹嘉威 王留陽 余浪 王慧敏

摘要：通過應(yīng)力誘導(dǎo)平板開裂試驗(yàn)，研究不同摻量劍麻纖維、耐堿玻璃纖維及兩者1：1混雜纖維增強(qiáng)自密實(shí)輕骨料混凝土早期抗裂性能，結(jié)果表明：3種摻入方式均能有效抑制自密實(shí)輕骨料混凝土裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展，隨著纖維摻量的增加，早期抗裂性能逐漸提升，當(dāng)摻量達(dá)到2.0kg/m³時(shí)，可視裂縫基本消失，混雜纖維協(xié)同工作產(chǎn)生的阻裂效果優(yōu)于單摻情況，綜合考慮自密實(shí)輕骨料混凝土的力學(xué)、工作性能和早期抗裂性能，得出混雜纖維的適宜摻量為1.0kg/m³。

關(guān)鍵詞：纖維;自密實(shí)輕骨料混凝土;混雜效應(yīng);早期開裂;阻裂機(jī)理

中圖分類號(hào)：TU528.572DOI：10.16375/j.cnki，cn45-1395/t，2020.02.005

0引言

現(xiàn)有普通混凝土具有自重大、抗拉強(qiáng)度低、質(zhì)脆韌性差，施工時(shí)需要振搗等缺點(diǎn)，這使得施工噪音大、成本高，混凝土易產(chǎn)生裂縫，使用壽命變短，目前已有研究表明：由非荷載效應(yīng)產(chǎn)生的混凝土裂縫占結(jié)構(gòu)總裂縫的80%，因此，提高混凝土的耐久性能、延長其使用壽命的重要解決手段是提高混凝土的韌性與抗?jié)B性能，纖維增強(qiáng)自密實(shí)輕骨料，混凝土SCLC（self-compacting lightweight aggregate concrete）采用輕骨料（陶粒）代替普通粗骨料，使其自重小于1950kg/m³，并參考《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T283—2012）中的配合比設(shè)計(jì)方法，通過添加纖維、粉煤灰和高效減水劑來提高其力學(xué)及工作性能，SCLC同時(shí)具備了輕骨料混凝土和自密實(shí)混凝土的優(yōu)點(diǎn)，并克服了骨料的離析浮沉問題，但是，對自密實(shí)輕骨料混凝土采取的降低水膠比、摻加礦物摻合料等技術(shù)手段增大了其收縮開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

中國工程院院士吳中偉曾指出：纖維三維亂象分布于混凝土基體內(nèi)部是使其高性能化的核心手段，目前已有較多國內(nèi)外學(xué)者設(shè)計(jì)了SCLC配合比，并研究其力學(xué)、耐久性能，以及纖維混凝土早期抗裂性能、阻裂機(jī)理和纖維混雜效應(yīng)，王新忠等研究了不同長度、摻量的玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土的早期抗裂性能，結(jié)果表明：玄武巖纖維混凝土早期收縮裂縫隨纖維長度增加先減小后緩慢增加;隨纖維體積摻量增加而減小，并且長度18mm、體積摻量0.2%的玄武巖纖維阻裂效果最佳，聞洋等研究聚乙烯醇（PVA）纖維對混凝土抗裂性能的影響，結(jié)果表明：PVA纖維能有效抑制早期塑性裂縫的產(chǎn)生，且選用長度8mm、摻量為1.4kg/m³的聚乙烯醇纖維時(shí)早期抗裂性能表現(xiàn)最佳，另外，關(guān)于纖維增強(qiáng)SCLC在實(shí)際構(gòu)件中的承載力研究及應(yīng)用也陸續(xù)出現(xiàn)報(bào)道，但是目前關(guān)于混雜纖維自密實(shí)輕骨料混凝土早期收縮開裂特性的試驗(yàn)研究尚鮮有報(bào)道。

廣西劍麻纖維資源豐富，其質(zhì)地堅(jiān)韌，富有彈性，耐腐蝕摩擦，具有較高的抗拉強(qiáng)度，經(jīng)濟(jì)性能良好，被廣泛應(yīng)用于天然纖維高性能復(fù)合材料領(lǐng)域，而劍麻加工工廠產(chǎn)生大量劍麻纖維邊角料，造成資源浪費(fèi)，耐堿玻璃纖維防火耐腐蝕，具有較高的抗拉強(qiáng)度和彈性模量，故選用劍麻纖維、耐堿玻璃纖維及兩者1：1混雜纖維增強(qiáng)自密實(shí)輕骨料混凝土，采用《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50082-2009）中規(guī)定的早期抗裂試驗(yàn)及抗裂指標(biāo)計(jì)算方法，得出纖維增強(qiáng)SCLC早期抗裂性能各項(xiàng)指標(biāo)，全面對比分析兩種纖維的摻加方式及摻量對SCLC早期開裂的影響。

1試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)材料

水泥：廣西魚峰有限公司生產(chǎn)的P，C 32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，相關(guān)性能達(dá)標(biāo);粉煤灰：來賓電廠生產(chǎn)的I級(jí)粉煤灰，化學(xué)成分見表1;細(xì)骨料：廣西柳州生產(chǎn)的河砂，為中砂，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)為細(xì)度模數(shù)2.6.堆積密度1657kg/m³，表觀密度2600kg/m³，級(jí)配合格;粗骨料：河南宏達(dá)濾料有限公司生產(chǎn)的900級(jí)非燒結(jié)粉煤灰圓球型陶粒，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表2;減水劑：蘇州弗克技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑，減水率為30%;纖維：廣西劍麻集團(tuán)生產(chǎn)的劍麻纖維，呈束狀米黃色單絲，內(nèi)部腔體中空且不規(guī)則，長沙建材有限公司生產(chǎn)的短切耐堿玻璃纖維，相關(guān)參數(shù)見表3.兩種纖維的外觀形貌如圖1、圖2所示。

1.2纖維增強(qiáng)自密實(shí)輕骨料混凝土配合比

根據(jù)JGJ/T283-2012《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中的自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)了強(qiáng)度等級(jí)為C30的自密實(shí)輕骨料混凝土（SCLC30），陶粒體積摻量為0.42.水灰比為0.38.30%的粉煤灰取代率，PC減水劑摻量為1%，具體用量為：陶粒658kg/m³、河砂633kg/m³、水泥350kg/m³、粉煤灰150kg/m3、水190kg/m³、PC減水劑5kg/m³，耐堿玻璃纖維、劍麻纖維單絲直徑分別為30um、304um，長度均為10mm，單一纖維及1：1混雜纖維摻量分別為0.5kg/m³、1.0kg/m³、1.5kg/m³、2.0kg/m3.

1.3試驗(yàn)方法

根據(jù)GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》內(nèi)要求規(guī)定的早期抗裂試驗(yàn)方法，選用該規(guī)范規(guī)定的早期開裂模具，對SCLC進(jìn)行刀口約束，該模具呈平面薄板狀，尺寸為100mmX600mmx800mm，具體試驗(yàn)裝置如圖3所示，用上述配合比配制SCLC進(jìn)行澆筑抹平，成型30min后用調(diào)節(jié)風(fēng)扇，風(fēng)速為5m/s左右，風(fēng)向平行于試件表面，24h后通過裂縫觀測儀、鋼尺等觀測裂縫的數(shù)量、長度及寬度，

采用規(guī)范中的各項(xiàng)開裂指標(biāo)來評(píng)價(jià)SCLC的早期抗裂性能，包括每根裂縫的平均開裂面積、單位面積裂縫數(shù)目、單位面積總開裂面積、裂縫總長、最大裂縫寬度和裂縫降低系數(shù)作為纖維增強(qiáng)SCLC的開裂評(píng)價(jià)指標(biāo)，探究兩種纖維的摻量及摻入方式對SCLC早期開裂特性的影響并對阻裂機(jī)理進(jìn)行分析，計(jì)算公式如下：

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1纖維增強(qiáng)自密實(shí)輕骨料混凝土早期開裂試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)采用上述自密實(shí)輕骨料混凝土配合比摻量，共制作SCLC試件12組，不摻纖維對照組試件1組，耐堿玻璃纖維簡稱GF，劍麻纖維簡稱F，1：1混雜纖維簡稱HF，按上述試驗(yàn)方法對各組試件進(jìn)行觀測與計(jì)算，具體數(shù)據(jù)及開裂指標(biāo)見表4.開裂指標(biāo)變化趨勢如圖4所示，

2.2結(jié)果分析

纖維自密實(shí)輕骨料混凝土是一種由水泥、粉煤灰、粗細(xì)集料、纖維及減水劑組成，經(jīng)水充分?jǐn)嚢韫袒笮纬傻姆莿蛸|(zhì)材料，是一種固、液、氣三相集合而成的微晶體結(jié)構(gòu)，其攪拌成型初期，內(nèi)部水分逐漸隨著水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行和干濕梯度而損失，在化學(xué)收縮和干燥收縮過程中基體內(nèi)部將產(chǎn)生微裂縫，本試驗(yàn)通過應(yīng)力約束誘導(dǎo)早期微裂縫開裂，故在刀口處將產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)?shù)犊诟浇⒘芽p處應(yīng)力大于基體的抗拉強(qiáng)度時(shí)，早期微裂縫將會(huì)向外逐漸延伸，各裂縫匯聚貫通發(fā)展成為宏觀裂縫，最終導(dǎo)致試件的開裂，與自密實(shí)輕骨料混凝土基體相比，耐堿玻璃纖維和劍麻纖維抗拉強(qiáng)度較高，當(dāng)纖維穿過裂縫或位于裂縫開展路徑上時(shí)，裂縫擴(kuò)展將會(huì)受阻、尺寸被限制，抑制其發(fā)展成為宏觀裂縫，從而提高自密實(shí)輕骨料混凝土抗裂性能，故纖維自密實(shí)輕骨料混凝土開裂是一個(gè)由微觀到宏觀的、多層次多尺度的漸進(jìn)過程，單一性能的纖維難以契合其開裂過程。

根據(jù)表4及圖4試件開裂數(shù)據(jù)及各項(xiàng)開裂指標(biāo)結(jié)果可知：1）在兩種纖維單摻及混摻情況下，纖維增強(qiáng)的自密實(shí)輕骨料混凝土相比對照組裂縫數(shù)量均大幅減少，裂縫總長及最大裂縫寬度值顯著降低，隨著纖維摻量的增加，各項(xiàng)開裂指標(biāo)呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢，裂縫降低系數(shù)η逐漸上升，2）纖維摻量為0.5kg/m³時(shí)，單摻及混摻的各項(xiàng)開裂指標(biāo)均出現(xiàn)陡降現(xiàn)象，相比對照組，部分開裂指標(biāo)降低率為50%左右，阻裂效果良好;纖維摻量增加到1.5kg/m3時(shí)，各項(xiàng)開裂指標(biāo)降低約90%，η己達(dá)90%左右;至2.0kg/m³時(shí)，可見裂縫基本消失，阻裂效果十分顯著.3）根據(jù)SCLC的早期（24h）抗裂性能三級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（CECS 38-2004《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》），除了單摻耐堿玻璃纖維0.5kg/m³組（η為68.38%）的SCLC早期抗裂等級(jí)為二級(jí)（≥為55%-70%），其余各試驗(yàn)組都達(dá)到最佳的一級(jí)（η≥70%）。

在同一纖維摻量下，對比兩種纖維單摻及混摻試件各項(xiàng)開裂指標(biāo)可知：1）纖維摻量為0.5kg/m³時(shí)，混雜纖維自密實(shí)輕骨料混凝土試件的開裂指標(biāo)與單摻試件相比較為接近，在此摻量下未取得最佳的混雜效果，2）纖維摻量為1.0-1.5kg/m³時(shí)，混雜纖維試件各項(xiàng)開裂指標(biāo)均低于單摻試件，其中單位面積裂縫數(shù)量6減少尤為明顯，僅為單摻試件的50%，3）在混雜纖維摻量為2.0kg/m³時(shí)各項(xiàng)開裂指標(biāo)均為0.η達(dá)到100%，從SCLC早期抗裂性能角度己產(chǎn)生較為優(yōu)異的混雜效果，

2.3纖維與水化產(chǎn)物界面微觀結(jié)構(gòu)觀測及阻裂機(jī)理分析

根據(jù)開裂指標(biāo)結(jié)果及前期力學(xué)性能試驗(yàn)，選取劍麻纖維摻量為2.0kg/m³、耐堿玻璃纖維摻量為1.5kg/m³、混雜纖維摻量為1.0kg/m³，摻入水灰比為0.38的水泥凈漿中，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d，取樣后使用掃描電鏡（SEM）放大1000倍觀測纖維與水泥水化產(chǎn)物界面結(jié)構(gòu)，SEM照片如圖5所示。

由圖5（a）可以發(fā)現(xiàn)，耐堿玻璃纖維從基體中拔出后未斷裂，且表面無損傷，仍為光滑平整的圓條狀結(jié)構(gòu);且耐堿玻璃纖維與水泥基材料界面過渡處空隙不明顯，粘結(jié)情況良好，未被水泥基材料中富CH的堿性環(huán)境影響，從圖5（b）可看出劍麻纖維由單絲豎向聚集而成，表面形貌凹凸不平整，中空且吸水的特性導(dǎo)致其界面處孔隙較多;吸水的特性還導(dǎo)致劍麻纖維表面及中空腔體內(nèi)存在較多水化產(chǎn)物顆粒，提升了劍麻纖維與水泥基材料的界面粘結(jié)強(qiáng)度，從圖5（c）可以看出劍麻纖維己從基體中拔出;耐堿玻璃纖維穿插在基體內(nèi)部，表面有水化產(chǎn)物附著;混雜纖維在基體內(nèi)分散較均勻，兩種纖維之間的界面及纖維與基體的過渡界面均能較好地結(jié)合，兩者協(xié)同工作抑制原生裂縫及荷載裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展。

由于本試驗(yàn)劍麻纖維的單絲直徑10倍于耐堿玻璃纖維，劍麻纖維與基體界面處的薄弱面積相對較大;且耐堿玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度與彈性模量大約是劍麻纖維的4-8倍，因此，單摻劍麻纖維產(chǎn)生的抗裂效果不如耐堿玻璃纖維，耐堿玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度和彈性模量相對較高，直徑較小，在一定程度上能提高自密實(shí)輕骨料混凝土的抗拉性能和抗裂性能，起到橋聯(lián)微觀裂縫的作用;直徑較大、彈性模量較低且親水質(zhì)輕的劍麻纖維提高了與水泥基復(fù)合材料的裂后韌性，進(jìn)一步阻止裂縫的擴(kuò)展，適宜摻量的耐堿玻璃一劍麻混雜纖維三維亂向分布在混凝土內(nèi)部，使混凝土在受荷開裂的漸進(jìn)過程中產(chǎn)生協(xié)同作用，達(dá)到增強(qiáng)增韌的雙重效果，因此，纖維摻量為1.0-2.0kg/m³時(shí)，混雜纖維產(chǎn)生的抗裂效果優(yōu)于單摻情況，呈現(xiàn)正混雜效應(yīng);在此范圍內(nèi)隨著纖維摻量的增加，雖然混雜纖維自密實(shí)輕骨料混凝土抗裂性能略有提升，裂縫寬度有所細(xì)化，但SCLC30標(biāo)準(zhǔn)試塊28d劈裂抗拉強(qiáng)度由3.20MPa降低至3.06MPa，其工作性能也開始下降，原因是兩種纖維在基體中分布密度過高、纖維間距過小導(dǎo)致纏繞纖維在SCLC中的分散效果大幅降低，導(dǎo)致其坍落擴(kuò)展度下降，且增加了與基體的界面面積，基體界面處的孔隙增多使其粘結(jié)性能下降，最終導(dǎo)致混凝土力學(xué)性能劣化，總體上呈現(xiàn)出負(fù)混雜效應(yīng)。

3結(jié)論

通過應(yīng)力誘導(dǎo)平板開裂試驗(yàn)研究了耐堿玻璃纖維和劍麻纖維摻入方式及摻量對自密實(shí)輕骨料混凝土早期抗裂性能的影響規(guī)律，并分析了阻裂機(jī)理，得到以下結(jié)論：

1）耐堿玻璃纖維和劍麻纖維單摻及1：1混摻的自密實(shí)輕骨料混凝土試件，誘導(dǎo)裂縫變得短而細(xì)，數(shù)量急劇減少，隨著纖維摻量從0增加到2.0kg/m³，3種摻入方式的試件各項(xiàng)開裂指標(biāo)降低十分明顯，裂縫降低系數(shù)均呈現(xiàn)出快速增長趨勢，幾乎都達(dá)到了一級(jí)阻裂效能等級(jí)，阻裂效果顯著。

2）同一纖維摻量水平時(shí)：劍麻纖維摻量為0.5kg/m³時(shí)產(chǎn)生的裂縫細(xì)化效果最佳，劍麻一耐堿玻璃纖維混雜產(chǎn)生的阻裂效果與單一摻入情況較接近，纖維摻量在1.0-2.0kg/m³時(shí)，混雜纖維試件各項(xiàng)開裂指標(biāo)總體上優(yōu)于單摻試件，總體上呈現(xiàn)出最佳阻裂效果的為混雜纖維試驗(yàn)組，其次為耐堿玻璃纖維，最后是劍麻纖維，得出最優(yōu)混雜纖維摻量為1.0kg/m³。

3）劍麻纖維、耐堿玻璃纖維及兩者混雜纖維均勻分散在基體內(nèi)部時(shí)，能消耗裂縫產(chǎn)生或擴(kuò)展時(shí)的部分能量，抑制微裂縫的延伸和貫通，均起到良好的阻裂增韌效果，由于劍麻纖維和耐堿玻璃纖維不同的力學(xué)性能和特性，兩者在基體內(nèi)三維亂向分布協(xié)同工作，契合多層次多尺度的開裂過程，混雜效果良好。