復(fù)合纖維混凝土的早期抗裂性能

王志杰 魏子棋 朱敢平 史瑞瑾

（1.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031；2.天津軌道交通集團(tuán)有限公司，天津 300380；3.玖青新材料科技（上海）有限公司，上海 200062）

自混凝土材料問(wèn)世以來(lái)，各種裂縫一直影響著其服役壽命。在混凝土成型初期，由于溫度、濕度、風(fēng)速、泌水性等因素的影響會(huì)產(chǎn)生塑性收縮形成裂縫［1］，而這種不起眼的微觀損傷將為混凝土后期成型乃至服役過(guò)程中各種有害介質(zhì)的傳遞提供通道，極大影響其成型后的強(qiáng)度以及耐久性能。

在混凝土中摻入纖維能延遲首條裂縫產(chǎn)生的時(shí)間，并能使最大裂縫寬度和裂縫總面積明顯減少［2-3］。將聚丙烯纖維、纖維素纖維、鋼纖維等按照特定比例摻雜入混凝土基體之中，能夠有效改善混凝土的抗裂性能［4-6］。單一纖維混凝土往往僅能體現(xiàn)所摻纖維的部分性能，而混雜纖維混凝土通過(guò)合理的材料和摻量設(shè)計(jì)，能使多種纖維取長(zhǎng)補(bǔ)短、相互激勵(lì)，產(chǎn)生“正混雜效應(yīng)”，顯著改善混凝土性能［7-10］。

本文通過(guò)3 種纖維混凝土早期抗裂試驗(yàn)，探究如何利用纖維性能的互補(bǔ)產(chǎn)生更大的正混雜效應(yīng)，在節(jié)約材料的同時(shí)提高混雜纖維早期抗裂性能。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料及配合比

試驗(yàn)采用利森P. O 42.5 水泥；粗骨料為都江堰5～25 mm 碎石；細(xì)骨料為樂(lè)山河沙，細(xì)度模數(shù)2.6；粉煤灰為F 類(lèi)Ⅱ級(jí)；纖維材料包含纖維素纖維CTF-960（以下簡(jiǎn)稱(chēng)CTF）、聚乙烯醇纖維PF-2000（以下簡(jiǎn)稱(chēng)PF）、復(fù)合微筋纖維VS-3000（以下簡(jiǎn)稱(chēng)VS），見(jiàn)圖1；外加劑為高性能減水劑（JFL-2C）和防腐阻銹抗裂防水劑（CFA-ZF）。摻和料為粉煤灰和礦粉。纖維材料物理力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表1，配合比見(jiàn)表2。水灰比為0.49。

圖1 纖維材料

表1 纖維材料物理力學(xué)性能參數(shù)

表2 材料配合比

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與測(cè)試方法

在混凝土中摻入CTF，PF，VS，采取早期抗裂試驗(yàn)探究混雜纖維對(duì)于混凝土耐久性的影響。試驗(yàn)采取正交組合，分為16 組，見(jiàn)表3。每組2 個(gè)試件，共32 個(gè)試件。

表3 早期抗裂試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

早期抗裂試驗(yàn)采用刀口誘導(dǎo)約束法，試件呈平面薄板型，尺寸800 mm×600 mm×100 mm。試驗(yàn)裝置為鋼制模具，四邊與底板通過(guò)螺栓固定，內(nèi)設(shè)7根裂縫誘導(dǎo)器，見(jiàn)圖2。

圖2 早期抗裂試驗(yàn)裝置

試件裂縫的名義總面積Acr為

式中：n為試件裂縫數(shù)量；ωi，max為第i條裂縫的最大寬度，mm；li為第i條裂縫的長(zhǎng)度，mm。

裂縫降低系數(shù)ηcr為

式中：Amcr為素混凝土試件的總開(kāi)裂面積；Afcr為纖維混凝土試件的總開(kāi)裂面積。

試驗(yàn)在混凝土澆筑（24±0.5）h 時(shí)測(cè)量裂縫。根據(jù)所測(cè)裂縫數(shù)據(jù)計(jì)算混凝土試件的總開(kāi)裂面積，并按式（1）和式（2）計(jì)算試件的裂縫降低系數(shù)，以每組2 個(gè)試件裂縫降低系數(shù)的平均值作為該組試驗(yàn)結(jié)果。

2 結(jié)果分析

2.1 纖維單摻

混雜纖維混凝土早期抗裂性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。裂縫數(shù)量、最大裂縫長(zhǎng)度、最大裂縫寬度均取每組2個(gè)試件中的最大值，總開(kāi)裂面積取平均值。

表4 混雜纖維混凝土早期抗裂性能試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表4，統(tǒng)計(jì)3 種纖維單摻時(shí)裂縫數(shù)量、最大裂縫長(zhǎng)度、最大裂縫寬度與素混凝土數(shù)據(jù)的比值，見(jiàn)圖3。

圖3 3種纖維單摻時(shí)裂縫情況與素混凝土對(duì)比

由圖3可見(jiàn)，3種纖維單摻均能有效減少混凝土早期裂縫的數(shù)量。盡管對(duì)于裂縫長(zhǎng)度的控制效果不明顯，但裂縫寬度卻有較大改善，即纖維的摻入使得收縮裂縫朝著“小、細(xì)”方向發(fā)展。由于纖維自身特性不同，其阻裂效果也不一致。

結(jié)合表1中纖維長(zhǎng)徑比以及單摻纖維時(shí)混凝土裂縫降低系數(shù)（圖4）進(jìn)行分析。

圖4 單摻纖維時(shí)混凝土裂縫降低系數(shù)

由圖4 可知：①PF 對(duì)于混凝土早期收縮裂縫的控制效果最佳，隨著摻量提高，裂縫降低系數(shù)為81.96%，且此時(shí)未必達(dá)到峰值，受限于此次摻量組合的設(shè)置其性能也許尚未完全發(fā)揮。PF 之所以早期控裂效果好，可能是因?yàn)槠溟L(zhǎng)徑比最大、尺寸小，可有效增大纖維與混凝土基體間的摩擦力，同時(shí)阻礙裂縫發(fā)展。②CTF 控制早期收縮裂縫的效果次之。摻量1.5 kg/m3時(shí)裂縫降低系數(shù)最大，其值為41.1%，此后裂縫降低系數(shù)持續(xù)降低，可能是由于高摻量下CTF 在混凝土中不易均勻分散，聚合成團(tuán)，致使混凝土內(nèi)部薄弱界面增加，有利于裂縫發(fā)展。③VS對(duì)早期收縮裂縫控制效果最差。摻量2.0 kg/m3時(shí)裂縫降低系數(shù)最大，其值僅36.93%。VS 摻量較小時(shí)有一定的阻裂作用，但摻量提高后VS 反而促進(jìn)裂縫發(fā)展。主要是由于VS 長(zhǎng)徑比小，且其尺寸相比CTF、PF 大很多，其“短、粗”特性對(duì)于早期抗裂無(wú)益，反而會(huì)使其與混凝土接觸界面增大，有利于裂縫的發(fā)展。

鑒于此，單摻時(shí)第8 組（PF 摻量3.5 kg/m3）效果最佳，與素混凝土相比最大裂縫寬度降低75%，裂縫數(shù)量降低37.5%，裂縫總面積降低81.96%。

2.2 纖維混摻

1）混雜效應(yīng)增強(qiáng)系數(shù)

為了定量研究3種纖維混摻對(duì)于混凝土耐久性能的影響，借鑒纖維對(duì)于混凝土強(qiáng)度混雜效應(yīng)的相關(guān)研究［11-12］，引入混凝土耐久性混雜效應(yīng)增強(qiáng)系數(shù)R。

式中：η為混摻時(shí)纖維對(duì)裂縫降低的貢獻(xiàn)率，數(shù)值上等同于裂縫降低系數(shù)；ηi為單摻i纖維時(shí)混凝土的裂縫降低系數(shù)（i纖維的單摻摻量與混摻中i纖維的摻量相等）；φi為混摻時(shí)i纖維質(zhì)量摻量所占纖維總質(zhì)量摻量百分比；Mi為混摻時(shí)i纖維的質(zhì)量摻量；M為混摻時(shí)纖維總質(zhì)量摻量。

R＞0 時(shí)，定義為正混雜效應(yīng)；R＜0 時(shí)，定義為負(fù)混雜效應(yīng)。

2）混雜效應(yīng)分析

將纖維混摻5 種組合的試驗(yàn)結(jié)果代入式（3）—式（5）可得R，見(jiàn)表5?？梢?jiàn)：與素混凝土相比，CTF，PF，VS 的混摻可增長(zhǎng)混凝土的抗裂性能；雙摻和三摻對(duì)早期抗裂性能均能產(chǎn)生正混雜效應(yīng)。

表5 纖維混摻5種組合R對(duì)比

纖維混摻5種組合與單摻最優(yōu)配比的裂縫降低系數(shù)對(duì)比見(jiàn)圖5。

圖5 纖維混凝土裂縫降低系數(shù)

由表5和圖5可見(jiàn)：

①CTF 和PF 混摻，從12 組到13 組CTF 摻量增加0.2 kg/m3時(shí)R減小了0.266；從13組到14組PF摻量增大1.5 kg/m3時(shí)R反而增大了0.025，可見(jiàn)CTF 對(duì)R的貢獻(xiàn)更大。

②對(duì)比13 和15 組，摻入VS 后，3 種纖維共同作用發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì)，促進(jìn)裂縫降低系數(shù)增大38.74%，且摻量2.0 kg/m3的VS 對(duì)R貢獻(xiàn)可高達(dá)0.365；對(duì)比14 和16 組，摻量2.5 kg/m3的VS 對(duì)R貢獻(xiàn)僅有0.135，即低摻量的VS對(duì)R貢獻(xiàn)更大。

③盡管CTF，VS 單摻時(shí)表現(xiàn)一般，甚至VS 反而會(huì)促進(jìn)裂縫發(fā)展，但混雜時(shí)CTF，VS 可與PF 互相補(bǔ)強(qiáng)，充分發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì)增強(qiáng)阻裂效果。此外，CTF，VS 摻量較小時(shí)阻裂效果更好。12 和15 組分別為雙摻與三摻時(shí)總摻量最低的組合，但其R最高，且與同類(lèi)型摻雜情況相比裂縫降低系數(shù)不低，尤其15組的裂縫降低系數(shù)與16 組僅相差3.08%，但總摻量卻減少了2 kg/m3。因此，建議采用15組的纖維配合比。

3 混雜纖維混凝土阻裂機(jī)理分析

由于水泥砂漿與骨料之間存在較薄弱的接觸界面以及受毛細(xì)水的影響，混凝土在成型過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)分布的微裂紋?；炷羶?nèi)部水分蒸發(fā)的不一致導(dǎo)致不均勻的體積收縮，促使微裂紋進(jìn)一步發(fā)展為裂縫。

根據(jù)表1 數(shù)據(jù)，PF 尺寸較小，且長(zhǎng)徑比在三者中最大，在混凝土中均勻分散時(shí)形成亂向支撐體系，其可減緩微裂紋端部的應(yīng)力集中，避免微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，減少裂縫源數(shù)量，大大降低裂縫面積，如圖6所示。此外，亂向支撐體系也可有效保持泌水性，減小不均勻體積收縮。

圖6 纖維混雜增強(qiáng)機(jī)理

VS 長(zhǎng)徑比最小，尺寸最大。高摻量的VS 摻入混凝土后，大幅增加了纖維與水泥砂漿的接觸面積，可能導(dǎo)致在接觸界面產(chǎn)生更多的裂縫，因此VS 對(duì)混凝土早期抗裂性能起負(fù)作用。

CTF 對(duì)早期收縮裂縫有一定控制效果，但遠(yuǎn)不如PF。

CTF，PF，VS 各有特性，單摻時(shí)對(duì)早期收縮裂縫的控制效果不同，混摻時(shí)3 種纖維能優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。CTF 與PF能共同遏制微裂紋的擴(kuò)展，而在微裂紋不斷擴(kuò)展形成裂縫時(shí)，VS 可充分發(fā)揮纖維的“橋接”作用，與其他2 種纖維的性能形成互補(bǔ)，發(fā)揮出較好的混雜增強(qiáng)效應(yīng)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)早期抗裂試驗(yàn)對(duì)纖維混凝土早期抗裂性能進(jìn)行研究，得出結(jié)論如下：

1）單摻時(shí)，3 種纖維中PF 對(duì)混凝土早期收縮裂縫控制效果最佳，纖維摻量3.5 kg/m3時(shí)裂縫降低系數(shù)可達(dá)81.96%；CTF 對(duì)早期收縮裂縫有一定控制效果，但遠(yuǎn)不如PF；VS 由于尺寸最大、長(zhǎng)徑比最小會(huì)促使裂縫的產(chǎn)生，對(duì)混凝土早期抗裂性能起負(fù)作用。

2）雙摻、三摻均能對(duì)混凝土早期抗裂性能產(chǎn)生正混雜效應(yīng)。CTF，PF 能共同遏制早期微裂紋的擴(kuò)展，VS能在微裂紋擴(kuò)展形成裂縫時(shí)發(fā)揮“橋接”作用，與其他2 種纖維的性能形成互補(bǔ)，發(fā)揮出較好的混雜增強(qiáng)效應(yīng)。

3）按CTF 摻量1.2 kg/m3、PF 摻量2.0 kg/m3、VS 摻量2.0 kg/m3進(jìn)行混摻能產(chǎn)生最佳的正混雜效應(yīng)，在節(jié)約成本的同時(shí)極大增強(qiáng)混凝土的早期抗裂性能。