超薄混凝土抗裂性能研究

袁登瓊，張東長(zhǎng)，王進(jìn)勇

（招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067）

超薄水泥混凝土是指厚度為50～100mm之間的混凝土，英文名為Ultra-thin Whitetopping，簡(jiǎn)稱UTW[1]，主要用于路面的維修罩面工程。超薄水泥混凝土罩面是基于對(duì)現(xiàn)有水泥混凝土路面板的充分利用，該罩面混凝土的最小厚度8cm，達(dá)到恢復(fù)路面標(biāo)高并實(shí)現(xiàn)快速通車的目的[2-4]。

由于UTW厚度較薄，粗骨料粒徑較小，砂漿在硬化的過(guò)程中容易引起早期開裂。為提高UTW的抗裂性能，研究摻加聚丙烯纖維和鋼纖維，并進(jìn)行了對(duì)比分析研究。

1 纖維在砂漿、混凝土中的阻裂機(jī)理分析

素砂漿、混凝土在澆筑后的24h內(nèi)，若處于干熱或有風(fēng)的環(huán)境中，由于表面水分的急劇蒸發(fā)，極易產(chǎn)生大量的塑性收縮裂縫。低摻量的聚丙烯腈纖維可明顯減少塑性態(tài)混凝土、砂漿的表面析水量與集料的沉降。這主要是由于均布于混凝土中的數(shù)以千萬(wàn)計(jì)的細(xì)小纖維可消除混凝土、砂漿中的析水通道。在混凝土發(fā)生塑性收縮時(shí)，纖維可使混凝土因收縮而引起的內(nèi)應(yīng)力下降并阻止微裂擴(kuò)展成為大裂縫[5，6]。

非連續(xù)纖維在砂漿、混凝土中主要起阻裂作用，其阻裂效果很大程度上取決于纖維的平均間距（S）值與單位體積纖維混凝土中纖維的根數(shù)（N）值。S值與N值可分別由下式導(dǎo)出：

式中：S——纖維平均間距，mm；

d——纖維直徑，mm；

Vf——纖維體積摻率，%；

γ——纖維密度，g/cm3；

W——單方纖維混凝土中纖維的重量，kg/m3；

N——單方纖維混凝土中纖維的根數(shù)，根/m3；

l——每根纖維的長(zhǎng)度，mm。

根據(jù)以上公式，表1分別列出當(dāng)聚丙烯腈纖維摻量為1.0kg/m3、鋼纖維體積率為1.0%時(shí)，兩種纖維混凝土中的S值與N值。

表1 兩種纖維中的S值與N值

由表1可知，縱然聚丙烯腈纖維在纖維混凝土中的單方重為鋼纖維的1.6%，但其S值要比后者小98.7%，而N值要為后者的2.0×104倍，可以看出聚丙烯腈纖維在混凝土中的阻裂作用應(yīng)優(yōu)于鋼纖維。

2 試驗(yàn)方法

參照《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS38:2003）[7]，采用大板試驗(yàn)法。試件尺寸為600mm×600mm×20mm，模板底部襯有一層聚乙烯塑料薄膜，以減小底板對(duì)試件收縮變形的影響，模具邊框用高20mm的等肢角鋼制作，邊框內(nèi)設(shè)φ6間距60mm的單排栓釘，栓釘長(zhǎng)度為100mm，用于限制收縮變形。同時(shí)成型纖維砂漿和對(duì)比用基體試件各1個(gè)為一組試件，試件澆筑、振實(shí)、抹平后立即用聚乙烯塑料薄膜覆蓋。

試件成型2h后取下塑料薄膜，取出一組試件，試驗(yàn)環(huán)境溫度20±2℃，相對(duì)濕度不大于60%。成型后4h、5h、6h和24h分別觀察1次裂縫數(shù)量、寬度和長(zhǎng)度。

首先，對(duì)每條肉眼可見裂縫編號(hào)，用鋼尺測(cè)量其長(zhǎng)度，記為每條裂縫長(zhǎng)度li；再用讀數(shù)顯微鏡（分度值為0.01mm）測(cè)讀裂縫寬度，取裂縫中點(diǎn)附近裂縫寬度代表該裂縫最大寬度，記為每條裂縫的名義最大裂縫寬度Wimax。

3 評(píng)價(jià)方法

用每條裂縫名義最大裂縫寬度乘以相應(yīng)裂縫長(zhǎng)度定義為裂縫名義面積，再相加起來(lái)的總和稱為裂縫名義總面積（Acr），表達(dá)式為：

式中：A1——裂縫名義總面積，mm2；

li——第i條裂縫長(zhǎng)度，mm；

Wimax——第i條裂縫最大寬度，mm。

對(duì)比用的基體試件裂縫名義總面積與纖維砂漿試件裂縫名義總面積之差與基體試件裂縫名義總面積的比值定義為裂縫降低系數(shù)，表達(dá)式為：

式中：η——裂縫降低系數(shù)。

纖維砂漿早齡期阻裂效能等級(jí)按表2評(píng)定。

4 試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

4.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)原材料為水泥、砂、水、聚丙烯纖維、鋼纖維。材料要求如表2所示。

表2 纖維砂漿早齡期阻裂效能等級(jí)

4.1.1 水泥

水泥標(biāo)號(hào)為P·O42.5R，符合《水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F30—2003）的指標(biāo)要求，試驗(yàn)用水泥性能見表3、表4。

表3 水泥物理力學(xué)性能

表4 水泥熟料的化學(xué)成分

4.1.2 細(xì)集料

對(duì)于UTW，細(xì)集料除起填充作用外，還對(duì)水泥混凝土的耐磨性具有舉足輕重的作用，如果細(xì)集料與水泥膠結(jié)性差，罩面的抗滑性會(huì)大大降低，研究采用的細(xì)集料來(lái)自廣東，中砂，細(xì)度模數(shù)為2.9，屬于Ⅱ區(qū)中砂，篩分試驗(yàn)結(jié)果見表5，級(jí)配曲線見圖1。

表5 砂的篩分結(jié)果

4.1.3 聚丙烯腈纖維

收集國(guó)內(nèi)聚丙烯纖維資料，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，采用聚丙烯纖維的技術(shù)參數(shù)見表6。

圖1 中砂級(jí)配曲線

表6 聚丙烯腈纖維技術(shù)參數(shù)

4.1.4 鋼纖維

采用鋼纖維產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)見表7，符合中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS38：2004）規(guī)定的要求。

表7 鋼纖維的技術(shù)參數(shù)

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，混凝土配合比為：水泥400kg/m3，水灰比為0.37，砂率為43%，剛纖維體積率為1.0%，聚丙烯腈纖維體積率為0.085%，早強(qiáng)減水劑為6kg/m3，所成型混凝土28d抗壓強(qiáng)度為48.9MPa，彎拉強(qiáng)度為8.24MPa。

纖維砂漿裂縫的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表8和表9。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，纖維的摻入極大地改善了砂漿的早期抗裂性，裂縫的名義總面積、平均裂縫寬度、裂縫總條數(shù)的數(shù)量都大大減少。

4.2.1 砂漿裂縫名義總面積評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)表8纖維砂漿早期抗裂試驗(yàn)結(jié)果，可以得到素砂漿、聚丙烯腈纖維砂漿、鋼纖維砂漿裂縫名義總面積與時(shí)間的關(guān)系曲線圖見圖2。

由圖2可知，在試件成型后4～15h，素砂漿裂縫名義總面積增長(zhǎng)較快，15h后增長(zhǎng)平緩；而纖維砂漿裂縫名義總面積隨時(shí)間的增長(zhǎng)幅度小于素砂漿，并且聚丙烯腈纖維砂漿增長(zhǎng)幅度更加平緩，接近于直線。聚丙烯腈和鋼纖維砂漿早期裂縫名義總面積分別相對(duì)素砂漿平均降低了77%和43%，表明聚丙烯腈纖維和鋼纖維對(duì)砂漿早期阻裂性能都有提高作用，但前者的作用更加顯著。

表8 纖維砂漿早期抗裂試驗(yàn)結(jié)果

表9 鋼纖維、聚丙烯腈纖維砂漿成型后24h裂縫狀況試驗(yàn)結(jié)果

圖三種砂漿裂縫名義總面積與時(shí)間的關(guān)系曲線

4.2.2 纖維對(duì)裂縫的細(xì)化作用

由表8可知，在試件成型后24h，聚丙烯腈纖維砂漿的最大裂縫寬度是素砂漿的1/4；平均裂縫寬度是素砂漿的27.5%。鋼纖維砂漿的最大裂縫寬度和平均裂縫寬度都大約是素砂漿的1/20，說(shuō)明聚丙烯腈纖維和鋼纖維對(duì)裂縫的細(xì)化作用顯著，纖維砂漿裂縫在發(fā)展時(shí)，開裂面之間纖維的拉力作用，有效地抑制了裂縫寬度的擴(kuò)大，同時(shí)可以看出，聚丙烯腈纖維對(duì)裂縫的細(xì)化作用優(yōu)于鋼纖維。

5 結(jié)論

5.1 鋼纖維和聚丙烯腈纖維對(duì)砂漿的早期塑性開裂都有一定的阻止作用，但聚丙烯腈纖維的阻裂作用和對(duì)裂縫的細(xì)化作用要?jiǎng)儆阡摾w維。聚丙烯腈纖維能有效地降低塑性裂縫的寬度和數(shù)量，纖維的摻量增大，均能進(jìn)一步降低砂漿或混凝土中纖維的間距，增強(qiáng)阻裂效應(yīng)。

5.2 當(dāng)聚丙烯腈纖維體積摻率為0.085%時(shí)，纖維砂漿早期裂縫名義總面積相對(duì)素砂漿降低了77%，阻裂等級(jí)達(dá)到了一級(jí)。當(dāng)鋼纖維體積摻率為1.0%時(shí)，纖維砂漿裂縫名義總面積相對(duì)素砂漿降低了43%，阻裂等級(jí)達(dá)到了三級(jí)。

纖維的阻裂效應(yīng)不僅表現(xiàn)在能阻止可目測(cè)的塑性裂縫的產(chǎn)生，還能有效抑制混凝土內(nèi)部由于失水、水化熱、泌水、收縮、溫差、自干燥引起的微裂縫產(chǎn)生。聚丙烯腈纖維良好的阻裂效應(yīng)實(shí)際上通過(guò)使硬化的混凝土具有更好的整體性，達(dá)到了改善混凝土內(nèi)在品質(zhì)的作用，使混凝土的性能得到了改善[8，9]。

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