基于平板法纖維混凝土早期抗裂性能試驗研究

周茗如，樊樂濤，于景龍，侯紅紅

(1.蘭州理工大學甘肅省土木工程防災減災重點實驗室，蘭州 730050；2.西部土木工程防災減災教育部工程研究中心，蘭州 730050；3.蘭州交通大學土木工程學院，蘭州 730070)

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基于平板法纖維混凝土早期抗裂性能試驗研究

周茗如1,2，樊樂濤1，于景龍3，侯紅紅1

(1.蘭州理工大學甘肅省土木工程防災減災重點實驗室，蘭州 730050；2.西部土木工程防災減災教育部工程研究中心，蘭州 730050；3.蘭州交通大學土木工程學院，蘭州 730070)

通過平板約束試驗研究整體式聚丙烯纖維混凝土、整體式鋼纖維混凝土、層布式混雜纖維混凝土、整體式混雜纖維混凝土的早期抗裂性能，并與基準混凝土進行對比研究。結果表明：摻加纖維的混凝土，其早期開裂時間延遲，裂縫條數、最大裂縫寬度、裂縫總長度、單位面積裂縫的數量、總裂縫面積均有不同程度的減小，纖維摻入混凝土中能顯著改善混凝土的早期抗裂性能；在纖維摻入的混凝土中，纖維摻入方式不同，混凝土抗裂效果也不同。經對比分析，混雜纖維混凝土的抗裂性能要優于單摻纖維混凝土；層布式混雜纖維混凝土的抗裂效果要好于整體式混雜纖維混凝土。

纖維混凝土； 早期開裂； 混雜纖維； 混凝土抗裂性能

1 引 言

混凝土作為目前用量最大的一種建筑材料，現已廣泛用于工業與民用建筑、水利、城市建設、農林、交通及海港等工程，并且在今后相當長一段時間內，其依然會成為建筑業中的主導材料。作為重要建筑材料，其最大缺點就是易產生裂縫[1-3]。目前，混凝土結構裂縫問題，尤其是混凝土早期裂縫，已經成為混凝土工程中最為普遍的技術問題，引起工程界的普遍重視。長期以來,許多專家和學者不斷探索改善混凝土結構裂縫問題的各種措施和有效途徑,纖維增強混凝土便是其中重要途徑之一[4]。纖維的主要作用在于增強、增韌、阻裂3個方面。大量研究表明，在混凝土中摻入纖維能起到阻裂、增強、增韌的作用，而混雜纖維混凝土，既能發揮不同纖維的優勢，又能體現他們的協同效應，可明顯改善單一纖維增強復合材料的若干性能，可有效抑制早期裂縫的開展[5,6]。本文對在混凝土中單摻聚丙烯纖維(PPF)、單摻鋼纖維(SF)、摻加兩種纖維(SF+PPF)以及不同摻加制作方法(層布式、整體式)對混凝土的影響進行研究，并與基準混凝土進行對比，探討纖維的加入對混凝土的影響。

2 實 驗

2.1 原材料

水泥選用甘肅祁連山水泥公司生產的42.5普通硅酸鹽水泥,其性能試驗結果見表1；粗集料采用蘭州化隴商砼公司提供的碎石，表觀密度為2660 kg/m3；細集料采用蘭州安寧河砂，細度模數為3.18，屬中砂，表觀密度為2581 kg/m3；粉煤灰采用蘭州二熱廠生產的Ⅱ級粉煤灰；纖維：聚丙烯纖維(PPF)由河北省某聚丙烯纖維工廠提供，鋼纖維(SF)由衡水市某鋼纖維加工廠提供，纖維實物見圖1，其主要物理性能分別見表2；減水劑采用蘭州華隴商砼公司提供的減水率為18%的羥系減水劑；水采用蘭州地區自來水。所選用原材料均符合現行國家及相應行業標準的規定。

圖 1 試驗用纖維實物圖Fig. 1 Experiment with fiber physical map

強度等級凝結時間/min初凝終凝定性抗壓強度/MPa3d28d抗折強度/MPa3d28d42.5155243合格17.947.33.856.51

表2 纖維的物理性能Tab.2 Physical properties of fiber

2.2 配合比

試驗所設計的基準混凝土強度等級為C40,選用聚丙烯纖維、鋼纖維為研究對象。其中:M0為基準混凝土；PP0.3、PP0.5分別為聚丙烯纖維體積摻量為0.3%和0.5%的整體式聚丙烯纖維混凝土；SF0.6、SF0.9分別為鋼纖維體積摻量為0.6 %和0.9%的整體式鋼纖維混凝土；PP0.3-SF0.3～PP0.5-SF0.5分別為聚丙烯纖維與鋼纖維混雜的整體式纖維混凝土；PPC0.3-SFC0.3～PPC0.5-SFC0.5分別為聚丙烯纖維與鋼纖維混雜的層布式纖維混凝土；其混凝土配合比見表3。

表3 混凝土配合比Tab.3 Mix proportion of concrete /kg·m-3

2.3 試驗方案

2.3.1 試驗儀器

(1)裂縫觀測儀及其它設備

應用平板試驗法，在混凝土板成型24 h后，記錄首條裂縫出現的時間，并用裂縫觀測儀，觀測裂縫的寬度和長度，查出裂縫的條數。本試驗采用海創高科公司生產的HC-U8系列多功能混凝土超聲波檢測儀檢測裂縫的寬度、深度；兩個1000 W碘鎢燈；風速5～7 m/s的風扇；棉線數米。

(2)平板試模

本試驗模具的內框尺寸為600 mm×600 mm×63 mm的方形板。試模由底板、模框和鋼筋框架構成，模板底部襯有塑料薄膜，以減小底模對試件收縮變形的影響；邊框內設有兩排共14個φ10 mm×100 mm的雙排螺釘(螺紋通長)伸向錨具內側，裝置中布置螺紋鋼筋以阻止混凝土與周邊框架脫離，但不限制框架中混凝土的自由塑性收縮，保證裂縫出現在平板區間內，每個邊框有14根螺紋鋼筋，分二層布置，上層和下層各為7根；平板抗裂試驗模具如圖2所示。

2.3.2 試件制作

基準混凝土：將試模置于平整地板上，試模底板鋪設塑料薄膜，按確定的配合比拌制受檢混凝土拌合物，然后將混凝土拌合物均勻地澆筑在模框內，用平板振搗器將其振搗密實并抹平試件表面；整體式纖維混凝土：將試模置于平整地板上，試模底板鋪設塑料薄膜，按確定的配合比拌制受檢混凝土拌合物，制備整體式纖維混凝土時，為使纖維能均勻分布，先將纖維與砂、石、水泥干拌1～1.5 min，再加水濕拌，攪拌時間較普通混凝土延長1～2 min，將混凝土拌合物均勻地澆筑在模框內，用平板振搗器將其振搗密實并抹平試件表面[7,8]；層布式混雜纖維混凝土：先在板底鋪20 mm厚的混凝土(整體式聚丙烯纖維混凝土)層，并用橡膠錘夯實，再人工撒布下層鋼纖維，再澆筑中間層混凝土(整體式聚丙烯纖維混凝土)到距平板頂部20 mm處，并用橡膠錘夯實，人工撒布上層鋼纖維，再澆筑最上層混凝土，澆筑完成，將試件放在振動臺上振動至密實，抹平成型[9]；每一組配合比一組試件，共13組試件。

試件成型后置于溫度為25 ℃，相對濕度一定的環境中，在試件上方0.8 m處用兩個1000 W碘鎢燈給試件表面加熱，同時用風速為5～7 m/s的風扇直吹試件表面，并保持風向與試件表面平行，以使風扇能以5～7 m/s的風速經過受檢混凝土表面[10]；保持成型養護24 h。試驗過程如圖3所示。

圖 2 平板抗裂試驗模具Fig. 2 Tablet cracking test mold

圖3 混凝土抗裂性能試驗過程Fig.3 Crack resistance of concrete testing procedures

2.3.3 試驗方法

試件澆注完成后即開始計時，記錄第一條裂縫的出現時間；試件成型養護24 h后，用HC-U8系列多功能混凝土超聲波檢測儀觀測裂縫的開展情況，平板法測試混凝土抗裂性能的評價指標主要有開裂時間、24 h試件的裂縫平均面積 、24 h試件單位面積裂縫的數量b、24 h試件裂縫面積比c。

2.4 抗裂效果評定標準

以24 h試件的裂縫平均面積α、單位面積裂縫的數量b、試件裂縫面積比c作為評價混凝土塑性抗裂性的標準[11-13]；根據裂縫的平均面積的大小、單位面積裂縫的數量、試件裂縫面積比對抗裂進行分級，值越大，說明混凝土抗裂性能越差，反之，則抗裂性能越好；抗裂性能劃分等級如表4。

表4 抗裂性能劃分等級Tab.4 Crack resistance division level

試件的裂縫平均面積宜按下式確定：

(1)

試件單位面積裂縫的數量b宜按下式確定：

(2)

試件裂縫面積比c宜按下式確定：

c=α×b

(3)

式中：N-裂縫總條數；Wi-第i條裂縫的最大寬度，精確至0.01 mm；Li-第i條裂縫的長度，精確至1 mm；A-底板面積。

3 結果與討論

圖4為試件種類與初裂時間的關系柱狀圖。由圖4可知，體積摻量分別為0.3%和0.5%的整體式聚丙烯纖維混凝土和體積摻量分別為0.6%和0.9%的整體式鋼纖維混凝土，比基準混凝土的初裂時間增加了16.0%、33.3%和6.6%、20.0%，當聚丙烯纖維摻量從0增加到體積摻量的0.3%時，混凝土初裂時間提高顯著;當聚丙烯纖維體積摻量從0.3%增加到0.5%時，混凝土初裂時間亦有明顯提高；相對與基準混凝土，整體式混雜纖維混凝土的初裂時間增加了40.0%、56.0%、53.3%、60.0%、層布式混雜纖維混凝土的初裂時間增加了76.0%、78.6%、81.3%、90.6%；但是，不管是對于整體式混雜纖維混凝土還是層布式混雜纖維混凝土，隨著纖維摻量的不同，初裂時間變化不大，說明：混凝土初裂時間對纖維摻量的變化不太敏感；在纖維摻量相同的情況下，層布式混雜纖維混凝土相比于整體式混雜纖維混凝土，混凝土初裂時間增加了25.7%、14.5%、18.2%、19.1%。

圖4 試件種類與初裂時間的關系Fig.4 Relationship specimen type and time of the first crack

抗裂性能試驗結果如表5。由表5的抗裂性能試驗結果分析可知：相對于基準混凝土，無論是單摻還是混摻，纖維混凝土的裂縫條數N、最大裂縫寬度W、裂縫長度L、裂縫平均面積α、單位面積裂縫的數量b以及裂縫面積比c明顯減小;基準混凝土裂縫條數N為5條、最大裂縫寬度W為0.7 mm、裂縫長度L為293 mm、裂縫平均面積α為205.1 mm2、單位面積裂縫的數量b為13.8 N/m2、裂縫面積比c為2830.3 mm2/m2，單摻纖維混凝土最少裂縫條數N為2條、最小裂縫寬度W為0.32 mm、裂縫長度L為121 mm、裂縫平均面積α為38.7 mm2、單位面積裂縫的數量b為5.5 N/m2、裂縫面積比c為212.8 mm2/m2，混雜纖維混凝土最少裂縫條數為1條、裂縫寬度最低達到了0.16 mm、裂縫長度為82 mm、裂縫平均面積α為13.1 mm2、單位面積裂縫的數量b為2.7 N/m2、裂縫面積比c為35.3 mm2/m2，混雜纖維混凝土與單摻纖維混凝土相比，最大裂縫寬度W、裂縫長度L、裂縫平均面積α、單位面積裂縫的數量b以及裂縫面積比c分別減小了50.0%、32.2%、66.1%、50.9%、83.4%；說明，纖維混凝土能有效抑制混凝土裂縫的開展，同時，混雜纖維混凝土的抗裂效果要優于單摻纖維混凝土。

在單摻纖維混凝土中，聚丙烯纖維混凝土的裂縫條數N最少為2條、最大裂縫寬度W為0.32 mm、裂縫長度L為121 mm、裂縫平均面積α為38.7 mm2、單位面積裂縫的數量b為5.5 N/m2、裂縫面積比c為212.8 mm2/m2；鋼纖維混凝土的裂縫條數N最少為3條、最大裂縫寬度W為0.41 mm、裂縫長度L為232 mm、裂縫平均面積α為95.1 mm2、單位面積裂縫的數量b為8.3 N/m2、裂縫面積比c為789.3 mm2/m2，與鋼纖維相比，聚丙烯纖維混凝土的最大裂縫寬度W、裂縫長度L、裂縫平均面積α、單位面積裂縫的數量b以及裂縫面積比c分別減小了21.9%、47.8%、59.3%、33.7%、73.0%；說明整體式聚丙烯纖維混凝土的抗裂效果好于整體式鋼纖維混凝土；同時，隨著纖維摻量的增加，混凝土的裂縫條數N、最大裂縫寬度W、裂縫長度L、裂縫平均面積α、單位面積裂縫的數量b、裂縫面積比c均有所減小。以抗裂效果好的聚丙烯纖維為例：體積摻量為0.3%時，混凝土裂縫條數N最少為3條、最大裂縫寬度W為0.38 mm、裂縫長度L為174 mm、裂縫平均面積α為66.1 mm2、單位面積裂縫的數量b為8.3 N/m2、裂縫面積比c為548.6 mm2/m2，體積摻量為0.5%時，混凝土裂縫條數N最少為2條、最大裂縫寬度W為0.32 mm、裂縫長度L為121 mm、裂縫平均面積α為38.7 mm2、單位面積裂縫的數量b為5.5 N/m2、裂縫面積比c為212.8 mm2/m2，兩者相比，最大裂縫寬度W、裂縫長度L、裂縫平均面積α、單位面積裂縫的數量b、裂縫面積比c分別減少了15.7%、30.4%、41.4%、33.7%、61.2%；說明，隨著纖維摻量的增加，混凝土的抗裂性增強，裂縫變少、變短且變細。

表5 抗裂性能試驗結果Tab.5 Crack resistance test results

對于混雜纖維混凝土，纖維摻入方式不同，混凝土裂縫條數N、最大裂縫寬度W、裂縫長度L、裂縫平均面積α、單位面積裂縫的數量b、裂縫面積比c均有所不同；整體式混雜纖維混凝土的最小裂縫條數N為1條、最大裂縫寬度W為0.26 mm、裂縫長度L為198 mm、裂縫平均面積α為51.4 mm2、單位面積裂縫的數量b為2.7 N/m2、裂縫面積比c為138.7 mm2/m2；層布式混雜纖維混凝土的最小裂縫條數N為1條、最大裂縫寬度W為0.16 mm、裂縫長度L為82 mm、裂縫平均面積α為13.1 mm2、單位面積裂縫的數量b為2.7 N/m2、裂縫面積比c為35.3 mm2/m2；層布式纖維混凝土與整體式纖維混凝土相比，最大裂縫寬度W、裂縫長度L、裂縫平均面積α、單位面積裂縫的數量b、裂縫面積比c分別減少了38.4%、58.5%、74.5%、0%、74.5%；說明，層布式纖維混凝土比整體式纖維混凝土更有利于纖維混凝土的早期抗裂。

4 結 論

(1)纖維的摻入可以有效抑制混凝土的早齡期收縮開裂，隨著摻量的不同，抗裂效果也有差別；

(2)對于整體式單摻纖維混凝土，聚丙烯纖維混凝土的抗裂性能要優于鋼纖維混凝土，兩者比較，最大裂縫寬度W、裂縫長度L、裂縫平均面積α、裂縫面積比c分別減少了21.9%、47.8%、59.3%、33.7%、73.0%；對于混雜纖維混凝土，纖維摻入方式不同，抗裂效果也不同。層布式纖維混凝土相比于整體式纖維混凝土，最大裂縫寬度W、裂縫長度L、裂縫平均面積α、裂縫面積比c分別減少了38.4%、58.5%、74.5%、0%、74.5%;說明,層布式混雜纖維混凝土比整體式混雜纖維混凝土更有利于纖維混凝土的早期抗裂；

(3)在設計的13種混凝土配合比中,層布式混雜纖維混凝土的抗裂性能最好,抗裂等級達到Ⅲ級,接近Ⅱ級,其中,種類為PPC0.5-SFC0.5的混凝土配合比抗裂性能最優。

[1] 王 艷,趙凱月,宋戰平,等.鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土研究進展[J].硅酸鹽通報,2015,34(7):1885-1890.

[2] 王雪芳,吳成泉,鄭建嵐.混雜纖維超高強混凝土抗裂性能試驗研究[J].福州大學學報(自然科學版),2013,41(2):225-228，234.

[3] 李 琳,張亞芳.層布式混雜纖維混凝土力學性能的研究[J].武漢理工大學學報,2011,33(5):129-133.

[4] 黃國棟,馬芹永.混雜纖維混凝土力學性能試驗研究與分析[J].地下空間與工程學報,2010,6(2):329-333,340.

[5] Nassim S, Mahfoud B, Nor E A. Influence of the distribution and orientation of fibres in a reinforced concrete with waste fibres and powders[J].ConstructionandBuildingMaterials,2014,65:254-263.

[6] 范玉玉,馬芹永.平板法研究層布式混雜纖維混凝土早期抗裂性能[J].地下空間與工程學報,2013,9(2):444-450.

[7] 常洪雷,金祖權,任鵬程.有機仿鋼纖維增強混凝土斷裂韌性及抗裂性能研究[J].混凝土,2013(2):46-49.

[8] 司秀勇,潘慧敏.纖維對混凝土早期抗裂性能的影響[J].硅酸鹽通報,2011,30(6):1425-1429.

[9] 潘慧敏,閆國亮.層布式鋼纖維混凝土力學性能試驗研究[J].硅酸鹽通報,2010,29(4):793-797.

[10] 鄧宗才,張永方,徐海賓,等.纖維素纖維混凝土早期抗裂與抗滲性能試驗[J].南水北調與水利科技,2012,(6):10-13,46.

[11] JGJ/T317-2014 建筑工程裂縫防治技術規程[S]. 北京:中國建筑工業出版社,2014.

[12] 趙 晶,蔡新華,焦賀軍.混雜纖維對混凝土早期開裂性能的影響[J].哈爾濱工業大學學報,2007,39(2):232-235.

[13] 華 淵,連俊英,周太全.長徑比對混雜纖維增強混凝土力學性能的影響[J].建筑材料學報,2005,11(1):71-76.

Experimental Study on Early Cracking Resistance of Fibre Concrete Based on Flat Plate Method

ZHOUMing-ru1,2,FANLe-tao1,YUJing-long3,HOUHong-hong1

(1.Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation in Civil Engineering of Gansu Province,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China; 2.Western Engineering Research Center of Disaster Mitigation in Civil Engineering of Ministry of Education，Lanzhou 730050,China; 3.School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)

Early cracking resistance of integral polypropylene fiber concrete,integral steel-fiber concrete,layer hybrid fiber reinforced concrete,and integral hybrid fiber reinforced concrete were studied by flat-restraint test,and compared to that of the plain concrete. The results show that early cracking time of concrete mixed with fiber was delayed, the maximum crack width,total length number of cracks per unit area,and total crack area were decreased in different degrees. Thus,the early anti-cracking capability of concrete can be significantly improved by the incorporation of fiber. In the concrete with the fiber,the different mixing ways of the fiber result in different crack resistance effect. Through contrasting and analyzing,the anti-cracking performance of hybrid fiber reinforced concrete is obviously superior to that of reinforced concrete with a kind of the fiber, the anti-cracking effect of layer hybrid fiber reinforced concrete is superior to that of integral hybrid fiber reinforced concrete.

fiber reinforced concrete;early cracking;hybrid fiber;cracking resistance of concrete

國家自然科學基金項目(51168031)；甘肅省建設廳建設科技攻關項目(JK2014-9)

周茗如(1962-)，男，教授.主要從事建筑材料及結構工程等方面的研究.

樊樂濤，碩士研究生.

TU528

A

1001-1625(2016)08-2590-06