高性能纖維膨脹混凝土抗裂性能研究

檀小龍，劉 輝，余文文

(安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

高性能混凝土是一種新型高技術混凝土［1］，大都是通過降低水膠比、摻加礦物摻合料來提高混凝土中水泥石的密實度，改善混凝土界面薄弱區結構形態，從而達到高強高性能目的。一般來講，與普通混凝土相比，其早期自收縮、溫度收縮、干燥收縮大、彈性模量高、徐變能力小;當混凝土收縮受到約束時，會引發很大的自應力［2］。所以，高強高性能混凝土有著比普通混凝土更大的開裂趨勢。本文研究了聚丙烯纖維及膨脹劑對高性能混凝土的抗裂性能的影響。

1 混凝土早期抗裂性能研究

1.1 開裂機理

混凝土的強度與工作性能的好壞關鍵在塑性階段，塑性階段的水化反應、體積變化等一切復雜反應對后期的性能影響很大。混凝土內部的微裂縫主要在塑性階段形成，嚴格控制好混凝土塑性階段的裂縫至關重要。

塑性階段混凝土的開裂主要是混凝土的收縮引起。混凝土表面的大空隙及粗孔中自由水蒸發不會引起混凝土的收縮，但在混凝土塑性階段，在混凝土的表面會形成上部彎曲的毛細管，混凝土內部的水份會通過這些毛細管向外面移動，在表面張力的作用下，以水珠形式存在于混凝土表面，當風力或溫度作用使其蒸發掉，內部的水份再由毛細通道移動，補充蒸發掉的水珠，如此循環，如同一個微型水泵。混凝土內部的水分不停地被抽走，導致混凝土在內壓力作用下開裂，被稱為毛細管微泵開裂機理。毛細孔壓力可通過下列方程計算［3］:

式中:ΔP為曲面兩側的壓力差，σ為氣體與液體界面的表面張力，γ為毛細孔半徑，α為固體與液體的接觸角度。

1.2 試驗原材料

水泥:C40采用淮南八公山水泥廠生產的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，C50采用蚌埠海螺水泥廠生產的海螺牌P.O 42.5R普通硅酸鹽水泥，C70選用寧國海螺水泥廠生產的海螺牌P.O 52.5R早強型普通硅酸鹽水泥。

粗細骨料:粗骨料為粒徑5～31.5mm連續級配的石灰巖和粒徑5～20mm連續級配的玄武巖。細骨料采用河沙，細度模數Mx=2.9，級配合格。堆積密度為1540kg/m3，含泥量為1.6%。

礦渣:選用合肥鋼鐵集團建材有限公司生產的比表面積為3500 cm2/g、密度為2.89g/cm3的礦渣。

外加劑:采用NF型高效減水劑，減水率≥10%。

膨脹劑:采用UEA－IV型膨脹劑。

聚丙烯纖維:由武漢天匯纖維材料有限公司生產的強不裂水泥混凝土防裂纖維，其物理性能參數如表1。

?

1.3 混凝土配合比

本次試驗采用兩組試件，一組為C40普通混凝土，一組為C50高性能混凝土，試件配比如表2所示。

?

1.4 試驗方法及結果

對于混凝土早期抗裂性的評價，主要有平板約束性試驗、單軸約束收縮試驗與干縮試驗，平板約束性試驗又有加拿大疊合板約束法、美國ACI－544大板法和德國角方法［4］。綜合試驗室的條件和實際情況，最終選擇改進式的美國ACI－544大板法。美國ACI－544大板法采用 914mm×610mm×19mm試件，但在本次試驗中，改為直徑600mm，高100mm的圓環模板。模板底部墊有塑料膜，以減少對試件收縮變形的阻力。試模周圍有兩圈金屬釘，用于限制收縮變形。試件澆筑后放在室內環境溫度約為22℃，相對濕度為50%，將1000W的鎢燈放在試件上方1.5 m處，連續照明4 h，電風扇一臺風速為4.5 m/s，放在試模邊150mm處，連續吹24 h。

24 h后，利用DJCK－2型裂縫測寬儀測量混凝土裂縫寬度，根據裂縫寬度將裂縫分為5級，每一級對應一權數，用每一級寬度的裂縫長度乘以相應的權數，再相加起來的總和稱為開裂指數。開裂指數愈小，抗裂性愈優越，按下式計算裂縫降低率:

式中:H為裂縫降低率，Amcr為普通混凝土的裂縫總面積，Afcr為纖維膨脹混凝土的裂縫總面積。

測得的試驗結果如表3所示。

?

從表3可以看出，摻有聚丙烯纖維與膨脹劑的高性能混凝土開裂指數明顯小于普通混凝土，裂縫總長減少62%，抗裂性能比普通混凝土好得多。普通混凝土在小于0.5mm、0.5mm與1mm之間、1mm與2mm之間的裂縫長度相差不大，而高性能纖維膨脹混凝土明顯有一個梯度，小于0.5mm的裂縫減少37%;0.5mm與1mm之間的裂縫減少60%;1mm與2mm之間的裂縫減少92%，說明高性能纖維膨脹混凝土能有效抑制大裂縫的生成，能使裂縫細化。

2 硬化混凝土的抗裂性能研究

2.1 混凝土配合比

配合比如下表4所示。

?

2.2 試驗方法

高性能纖維膨脹混凝土硬化后的抗裂性能貢獻情況，也是必須要研究的問題。對于硬化后混凝土來說，韌性指標比強度指標更能反應出混凝土的抗裂性能，混凝土具有更好的韌性，其極限拉應力或極限伸長率就會提高，更能抵抗裂縫的生成。

本試驗采用大連理工大學的剩余強度法，它是檢測混凝土防裂性能的一項重要試驗方法，采用三分點加載簡支梁測試形式。試件為100mm×100mm×515mm，棱柱體試件與加載塊和支承塊接觸的試件表面平滑，沒有突起、凹陷、孔洞或刻痕。加載面和支承面必須為圓柱體，同時垂直于試件的縱軸。試驗裝置安放好后，試件接觸面墊有厚度均勻(厚度=6.4mm，寬度=25～50mm，長度≥試件寬度)的皮質襯墊，沒有超過0.38mm的空隙。加載速率為0.8 MPa/min，直到斷裂出現再停止加載。試件分為J、F、U、FU四組。加載方式見圖1所示。

圖1 三分點法混凝土抗彎試驗裝置

極限抗彎應力按下式計算

式中:ffc，m為混凝土的抗彎應力(MPa)，Fmax為破壞荷載(N)，L為支座間距(mm)，b為試件截面寬度(mm)，h為試件截面高度(mm)。

當截面采用100mm×100mm的試件時，要乘以0.82的系數。

2.3 試驗結果及分析

混凝土抗彎試驗結果見表5。

?

荷載—撓度曲線如下圖2。

從混凝土的荷載—撓度曲線中可以看出:

圖2 混凝土的荷載—撓度曲線

(1)當混凝土中摻有聚丙烯纖維時，其抗彎應力比基準混凝土提高了27.8%，而且破壞曲線平滑，說明混凝土韌性好，聚丙烯纖維對混凝土有明顯的增韌作用。

(2)混凝土強度越高，其抗彎性能越好，FU70比FU50的抗彎應力提高了13%，混凝土強度高，則混凝土密實、連續，相應地其抗拉、抗彎性能就好。但其彈性模量相應地也高，在荷載作用下，其變形率小，若不摻聚丙烯纖維，其韌性會很差。

(3)不摻聚丙烯纖維與膨脹劑的JC50的荷載—撓度曲線明顯不同于其它混凝土，其彈性模量高，在荷載作用下，混凝土變形量小，呈脆性，韌性差。

(4)荷載—撓度曲線并不是一平滑曲線，會出現時而平滑，時而曲折，有時變化會很急促，說明混凝土中會存在固有的裂縫，這些裂縫在試驗中，有的會被擠壓，體積減小，有的被拉伸增大。

3 結論

(1)聚丙烯纖維的加入能減少高性能混凝土的干縮率、減少塑性階段與硬化后混凝土的裂縫的產生，提高抗裂性能。而且聚丙烯纖維性能穩定、成本低、易于攪拌，能廣泛地用于各種建設工程中。

(2)膨脹劑化學反應的產物，體積增大，能有效地補償混凝土的收縮，使混凝土更加致密。特別在限制條件下，膨脹劑的膨脹作用能使混凝土顆粒產生相向變形，使混凝土密實，強度提高。

(3)在聚丙烯纖維與膨脹劑雙摻情況下，會產生復合效應。聚丙烯纖維對膨脹劑的膨脹有限制作用，避免了膨脹劑的過度膨脹。膨脹劑的膨脹作用會使聚丙烯纖維與水泥基體粘結更牢固。聚丙烯纖維與膨脹劑復合作用能夠減少或細化裂縫，填補孔隙，密實微觀結構。雙摻比單摻更能提高混凝土的抗裂性能。

［1］李玉琳.高性能混凝土的抗裂性能試驗研究［J］.工程質量，2003(6):35－38

［2］魯統衛.深凍結井井壁高強高性能混凝土抗裂性能試驗研究［J］.建井技術，2009，30(6):15 －19

［3］孫道勝.聚丙烯纖維增強膨脹混凝土及其在道面工程中的應用［D］.南京工業大學，2004

［4］鄧宗才.高性能合成纖維混凝土［M］.北京:科學出版社，2003