玻璃纖維對混凝土收縮開裂性能的影響研究

玻璃纖維對混凝土收縮開裂性能的影響研究

王原原，孫仁娟，武新勝，胡益彰，郝巍

(山東大學土建與水利學院，濟南 250061)

摘要：測試了玻璃纖維對水泥砂漿抗折強度、抗壓強度以及干燥收縮性能的影響規律，在此基礎上，利用平板法研究了玻璃纖維摻量對混凝土早期塑性開裂性能的作用，并通過混凝土的初始開裂時間、最大裂縫寬度、單位面積總開裂面積評價其影響效果。當水泥砂漿中摻加體積摻量為1.0%的玻璃纖維時，其28 d抗折強度接近10 MPa，干燥收縮率為890×10`(-6)；當混凝土中摻加0.25%的玻璃纖維時，混凝土初始開裂時間和最大裂縫寬度明顯降低，單位面積總開裂面積降低幅度接近80%；體積摻量增加到0.5%時，玻璃纖維能夠完全抑制混凝土早期裂縫的形成。實驗結果表明，玻璃纖維能夠增強水泥砂漿的抗折強度，明顯抑制水泥砂漿和混凝土的干燥收縮以及早期裂縫的形成和發展。

關鍵詞：玻璃纖維；力學性能；干燥收縮；塑性開裂

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.04.003

Abstract:The influence of glass fiber on flexural strength, compressive strength and drying shrinkage performance of cement mortar was tested. Based on this, the method of plate was used to study the effect of the amount of doped glass fiber and superplasticizer on early plastic cracking performance of concrete, which is evaluated through the initial cracking time, maximum crack width, the total crack area per unit area of concrete. When glass fiber volume fraction in cement mortar is 1.0%, its 28 d flexural strength can be close to 10 MPa, and the shrinkage rate is 0.089%.When volume fraction of glass fiber is 0.25%, the initial cracking time and maximum crack width decreased obviously, and the total crack area per unit area of concrete can reduce close to 80%; when volume fraction increases to 0.5%, glass fiber can completely inhibit the formation of concrete early crack. The experimental results show that，glass fiber can enhance the flexural strength of cement mortar, and inhibit drying shrinkage of cement mortar and early crack formation and development of cement significantly.

收稿日期：2015-05-07.

作者簡介：王原原(1989-)，碩士生.E-mail:wangyuanyuansddx@163.com

Study on Effects of Glass Fiber to the Plastic Shrinkage Cracking

Properties in Concrete

WANGYuan-yuan,SUNRen-juan,WUXin-sheng,HUYi-zhang,HAOWei

(School of Civil Engineering, Shandong University,Ji′nan 250061,China)

Key words:glass fiber;mechanical properties;drying shrinkage;plastic cracking

混凝土在澆筑成型時容易產生早期塑性收縮開裂，而收縮裂縫的形成直接關系到混凝土的耐久性，對結構的安全性產生巨大的影響。研究表明[1-5]，在混凝土中加入纖維，如PVA纖維、PP纖維、碳纖維等，能夠明顯提高其強度韌性，有效抑制塑性收縮裂縫的形成和發展，增強混凝土結構的耐久性。因此，纖維混凝土作為一種新型復合建筑材料，近年來在一些實際工程中被廣泛應用。玻璃纖維具有導電性低、耐堿性好、耐化學腐蝕性高等特點，同時與水泥基體具有良好的粘結性能，可以有效地提高水泥砂漿的物理力學性能，顯著克服混凝土材料在凝結硬化過程中收縮大、易開裂的缺點，提高混凝土結構的使用性能。

通過一系列的室內試驗研究了不同體積摻量玻璃纖維對水泥砂漿強度和收縮性能的影響，在此基礎上進行了混凝土早期塑性開裂實驗，測試了混凝土初始開裂時間、單位面積裂縫數目、裂縫最大寬度等性能指標，分析了玻璃纖維對改善混凝土抗塑性開裂性能的影響，從而為實際工程中玻璃纖維的應用提供參考和依據。

1實驗設計

1.1　原材料

水泥砂漿強度、干燥收縮測試所用水泥采用中聯水泥有限公司生產的基準水泥，混凝土早期塑性開裂實驗所用水泥為濟南山水集團生產的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。實驗用細集料為河砂，細度模數為2.92，粗集料為普通碎石，減水劑采用聚羧酸高效減水劑。實驗用水為自來水。玻璃纖維為泰山玻璃纖維有限責任公司生產，纖維長度為12 mm，其參數值見表1。

表1　玻璃纖維性能參數

1.2　方法

水泥砂漿的攪拌、成型及強度測試按照GBT—17671—1999[6]《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》進行。水泥砂漿干燥收縮實驗方法嚴格依據JTG E30—2005[7]《公路工程水泥及水泥混凝土實驗規程》。干縮砂漿試件在標準養護(溫度為(20±2) ℃，相對濕度為95%)24 h后脫模，脫模后繼續在20 ℃水中養護2 d后用比長儀測初始度，放入干縮養護箱(溫度為(20±3)℃，相對濕度為(50±4)%)中養護至測試齡期進行試驗。水泥混凝土塑性開裂實驗按照GB/T 50082—2009[8]《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的平板開裂實驗方法進行。混凝土的攪拌按照先拌合再加入玻璃纖維的順序進行。

1.3　配合比設計

制備水泥砂漿的灰砂比為1∶2，水灰比確定為0.45。測試了玻璃纖維體積摻量(0.5%、1.0%)對水泥砂漿抗壓強度、抗折強度、干燥收縮的影響。試驗研究玻璃纖維摻量(0.25%，0.5%)對混凝土早期塑性開裂的影響,混凝土配合比如表2所示。

表2　混凝土配合比設計

2結果分析

2.1　玻璃纖維對水泥砂漿強度的影響

玻璃纖維對水泥砂漿抗折強度的影響如圖1所示。由圖1可知，摻加玻璃纖維后，水泥砂漿的7 d和28 d抗折強度均有所提高，7 d和28 d抗折強度分別提高了18.2%、11.6%。這是由于玻璃纖維能夠和水泥砂漿有效地粘結，增強水泥基體對纖維的握裹作用，從而在砂漿內部形成一種均勻分布的亂向支撐體系，當纖維水泥砂漿受到荷載破壞產生微小裂縫時，纖維能橫跨裂縫起到橋接作用，增強水泥砂漿的抗折破壞性能。由圖2可知，玻璃纖維對水泥砂漿的抗壓強度沒有明顯的影響，這是因為在纖維水泥砂漿的壓力作用由水泥砂漿基體承擔，玻璃纖維對水泥砂漿抗壓強度的影響有限。

2.2　玻璃纖維對水泥砂漿干燥收縮的影響

玻璃纖維對水泥砂漿5 d、7 d、10 d、14 d、21 d、28 d收縮率的影響變化如圖3所示。由圖3可知，玻璃纖維能夠降低水泥砂漿的干燥收縮率，在28 d測試齡期，普通水泥砂漿的收縮率為1 040×10-6，摻加 0.5%、1.0%的玻璃纖維后，水泥砂漿的干縮率分別為970×10-6、890×10-6，分別比未摻加玻璃纖維降低了6.7%、14.4%。這是因為玻璃纖維在水泥基材料中形成亂向支撐體系，減少基體中水分的散失途徑，同時改善混凝土的孔結構，降低其收縮應力。

2.3　玻璃纖維對混凝土塑性開裂的影響

實驗測試了玻璃纖維體積摻量對混凝土早期塑性開裂性能的影響。混凝土早期開裂實驗結果如圖4所示，表3為混凝土的塑性開裂性能指標。由表可知，普通混凝土的初始開裂時間為70 min, 單位面積總開裂面積為703.1 mm2/m2，玻璃纖維能夠延遲混凝土的初始開裂時間，纖維混凝土表面形成不連續的收縮裂縫，單位面積裂縫總面積和裂縫數目也明顯縮減，最大裂縫寬度也呈減小趨勢，當玻璃纖維體積摻量增大到0.5%，混凝土完全沒有裂縫形成，只有微細裂紋產生。相對于普通混凝土，摻加0.25%玻璃纖維混凝土的單位面積裂縫總面積和裂縫數目分別減少了78.1%、68.6%，最大裂縫寬度也從0.480 mm降低到0.391 mm，由此可見，玻璃纖維抑制混凝土的早期開裂效果明顯。

表3　混凝土的塑性開裂性能指標

實驗編號初始開裂時間/min單位面積裂縫數目/(條·m-2)裂縫最大寬度/mm每條裂縫平均開裂面積/(mm2·條-1)單位面積總開裂面積/(mm2·m-2)17072.90.4809.643703.12>24022.90.3916.709153.73無開裂,只有微細裂紋

3結論

a.玻璃纖維能夠增大水泥砂漿的抗折強度，且在一定范圍內，纖維摻量越多，抗折強度越大，當體積摻量為1.0%時，28 d抗折強度提高了11.6%。玻璃纖維對水泥砂漿的抗壓強度沒有明顯的影響。

b.玻璃纖維能夠降低水泥砂漿的收縮率，且纖維體積摻量越大，水泥砂漿的干縮率越小，玻璃纖維體積摻量為1.0%時，28 d收縮率降低了14.4%。

c.玻璃纖維能夠明顯抑制混凝土的早期塑性開裂，與普通混凝土相比，玻璃纖維體積摻量為0.25%的混凝土單位面積裂縫總面積和單位面積裂縫數分別減少78.1%、68.6%，混凝土最大裂縫寬度為0.391 mm；當體積摻量增大到0.5%時，混凝土完全沒有裂縫產生，只有微細裂紋。

參考文獻

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[7]JTG E 30—2005,公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程[S].

[8]GB/T 50082—2009,普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準[S].