復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 交通隧道工程教育部重點實驗室，成都 610031；2.天津軌道交通集團有限公司，天津 300380；3.玖青新材料科技（上海）有限公司，上海 200062）

自混凝土材料問世以來，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、風速、泌水性等因素的影響會產(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合理的材料和摻量設計，能使多種纖維取長補短、相互激勵，產(chǎn)生“正混雜效應”，顯著改善混凝土性能［7-10］。

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

1 試驗概況

1.1 試驗材料及配合比

試驗采用利森P. O 42.5 水泥；粗骨料為都江堰5～25 mm 碎石；細骨料為樂山河沙，細度模數(shù)2.6；粉煤灰為F 類Ⅱ級；纖維材料包含纖維素纖維CTF-960（以下簡稱CTF）、聚乙烯醇纖維PF-2000（以下簡稱PF）、復合微筋纖維VS-3000（以下簡稱VS），見圖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。纖維材料物理力學性能參數(shù)見表1，配合比見表2。水灰比為0.49。

圖1 纖維材料

表1 纖維材料物理力學性能參數(shù)

表2 材料配合比

1.2 試驗設計與測試方法

在混凝土中摻入CTF，PF，VS，采取早期抗裂試驗探究混雜纖維對于混凝土耐久性的影響。試驗采取正交組合，分為16 組，見表3。每組2 個試件，共32 個試件。

表3 早期抗裂試驗工況設計

早期抗裂試驗采用刀口誘導約束法，試件呈平面薄板型，尺寸800 mm×600 mm×100 mm。試驗裝置為鋼制模具，四邊與底板通過螺栓固定，內(nèi)設7根裂縫誘導器，見圖2。

圖2 早期抗裂試驗裝置

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條裂縫的長度，mm。

裂縫降低系數(shù)ηcr為

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

試驗在混凝土澆筑（24±0.5）h 時測量裂縫。根據(jù)所測裂縫數(shù)據(jù)計算混凝土試件的總開裂面積，并按式（1）和式（2）計算試件的裂縫降低系數(shù)，以每組2 個試件裂縫降低系數(shù)的平均值作為該組試驗結(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結(jié)果見表4。裂縫數(shù)量、最大裂縫長度、最大裂縫寬度均取每組2個試件中的最大值，總開裂面積取平均值。

表4 混雜纖維混凝土早期抗裂性能試驗結(jié)果

根據(jù)表4，統(tǒng)計3 種纖維單摻時裂縫數(shù)量、最大裂縫長度、最大裂縫寬度與素混凝土數(shù)據(jù)的比值，見圖3。

圖3 3種纖維單摻時裂縫情況與素混凝土對比

由圖3可見，3種纖維單摻均能有效減少混凝土早期裂縫的數(shù)量。盡管對于裂縫長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”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中纖維長徑比以及單摻纖維時混凝土裂縫降低系數(shù)（圖4）進行分析。

圖4 單摻纖維時混凝土裂縫降低系數(shù)

由圖4 可知：①PF 對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%，且此時未必達到峰值，受限于此次摻量組合的設置其性能也許尚未完全發(fā)揮。PF 之所以早期控裂效果好，可能是因為其長徑比最大、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，致使混凝土內(nèi)部薄弱界面增加，有利于裂縫發(fā)展。③VS對早期收縮裂縫控制效果最差。摻量2.0 kg/m3時裂縫降低系數(shù)最大，其值僅36.93%。VS 摻量較小時有一定的阻裂作用，但摻量提高后VS 反而促進裂縫發(fā)展。主要是由于VS 長徑比小，且其尺寸相比CTF、PF 大很多，其“短、粗”特性對于早期抗裂無益，反而會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）混雜效應增強系數(shù)

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

式中：η為混摻時纖維對裂縫降低的貢獻率，數(shù)值上等同于裂縫降低系數(shù)；ηi為單摻i纖維時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i纖維的質(zhì)量摻量；M為混摻時纖維總質(zhì)量摻量。

R＞0 時，定義為正混雜效應；R＜0 時，定義為負混雜效應。

2）混雜效應分析

將纖維混摻5 種組合的試驗結(jié)果代入式（3）—式（5）可得R，見表5。可見：與素混凝土相比，CTF，PF，VS 的混摻可增長混凝土的抗裂性能；雙摻和三摻對早期抗裂性能均能產(chǎn)生正混雜效應。

表5 纖維混摻5種組合R對比

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

圖5 纖維混凝土裂縫降低系數(shù)

由表5和圖5可見：

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

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

③盡管CTF，VS 單摻時表現(xiàn)一般，甚至VS 反而會促進裂縫發(fā)展，但混雜時CTF，VS 可與PF 互相補強，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢增強阻裂效果。此外，CTF，VS 摻量較小時阻裂效果更好。12 和15 組分別為雙摻與三摻時總摻量最低的組合，但其R最高，且與同類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水的影響，混凝土在成型過程中會產(chǎn)生隨機分布的微裂紋。混凝土內(nèi)部水分蒸發(fā)的不一致導致不均勻的體積收縮，促使微裂紋進一步發(fā)展為裂縫。

根據(jù)表1 數(shù)據(jù)，PF 尺寸較小，且長徑比在三者中最大，在混凝土中均勻分散時形成亂向支撐體系，其可減緩微裂紋端部的應力集中，避免微裂紋進一步擴展，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 纖維混雜增強機理

VS 長徑比最小，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，可能導致在接觸界面產(chǎn)生更多的裂縫，因此VS 對混凝土早期抗裂性能起負作用。

CTF 對早期收縮裂縫有一定控制效果，但遠不如PF。

CTF，PF，VS 各有特性，單摻時對早期收縮裂縫的控制效果不同，混摻時3 種纖維能優(yōu)勢互補。CTF 與PF能共同遏制微裂紋的擴展，而在微裂紋不斷擴展形成裂縫時，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，發(fā)揮出較好的混雜增強效應。

4 結(jié)論

本文通過早期抗裂試驗對纖維混凝土早期抗裂性能進行研究，得出結(jié)論如下：

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

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

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