混合纖維砂漿刀口法抗裂性能試驗研究

宮文娟

(中國煤炭科工集團沈陽設計研究院建筑二所，遼寧沈陽 110015)

目前，國內外檢驗評價水泥砂漿、混凝土在約束狀態下的抗裂性能的方法主要有圓環法、平板法(包括Kraai法和ICBO法)和棱柱體法等［1］。其中，圓環法的主要問題是測試時間長，敏感性差;棱柱體法不便于現場檢測，且對儀器靈敏度要求高;傳統的Kraai平板法存在試驗結果復演性差、統計處理復雜等問題。本文在借鑒ICBO方法基礎上加以改進，采用鋼制刀口裂縫發生器對裂縫實施快速、準確、等效的誘導發生，以提高材料開裂敏感性和有效性。將1.5 kg/m3和2.5 kg/m3的玄武巖纖維與0.9 kg/m3的杜拉纖維單摻或混摻入砂漿，并與基體試件進行24 h內抗裂性能試驗對比，研究纖維在水泥砂漿中的阻裂效應和影響規律［2-4］。

1 刀口法試驗原理

對單道刀口進行力學分析可知，在收縮產生的作用力下，刀口兩側AB及AC兩表面上分別產生反作用力F和F′，將反作用力F和F′按照力學三角形進行分解，其中F1和F1′均為垂直于模具底面的方向，F2和 F2′均為水平方向［5］，如圖1所示。

圖1 刀口法力學分析

利用公式:

對A點處做受力分析:當材料收縮時，刀口頂端A點處在材料收縮產生的作用力下，受到左右兩個方向相反的水平力F2和F2′的作用，還受到豎直向上的F1和F1′的作用。刀口頂端A點存在應力集中，屬最危險點。因此，刀口頂端A點處材料，在方向相反的水平力F2和F2′的作用下最易產生橫向開裂，各個單道刀口頂端在水平力的作用下，產生的誘導裂縫走向均為沿著刀口的平行直線方向，使后期裂縫指標的量化處理更為方便。

2 試驗設計與原材料

試驗選用華日牌42.5普通硅酸鹽水泥，密度為3 000 kg/m3;中砂:密度為2 630 kg/m3，細度模數為2.5;碎石:密度為2 930 kg/m3，粒徑為5 mm～12 mm;香港恒律格雷斯(GRACE)公司提供的杜拉纖維，四川航天拓鑫玄武巖實業有限公司提供的玄武巖纖維，其中玄武巖纖維抗拉強度1 050 MPa，彈性模量34 GPa，短玄武巖纖維A長度20 mm，長玄武巖纖維B長度30 mm，杜拉纖維C抗拉強度76 MPa，彈性模量3.793 GPa，長度19 mm。采用0.5的水灰比，0.002%摻用量的引氣劑。國家水泥混凝土制品質量監督檢驗中心的檢測報告表明，玄武巖纖維摻量為1.0 kg/m3～3.0 kg/m3時，混凝土的抗滲性和抗凍性提高約50%［1］。本文取0 kg/m3，1.5 kg/m3和 2.5 kg/m3。采用杜拉纖維常用摻量:0.9 kg/m3。

試件尺寸為800 mm×600 mm×100 mm，待試件成型30 min后，電風扇直吹試件表面，風向順著刀口方向平行于試件表面。24 h后測量裂縫，裂縫長度取裂縫兩端直線距離為裂縫長度，當一個刀口上有兩條裂縫時，可將兩條裂縫的長度相加，折算成一條裂縫，測量每條裂縫的最大寬度。

3 試驗結果與分析

纖維混凝土抗裂實驗配比表見表1。

表1 纖維混凝土抗裂實驗配比表 kg/m3

3.1 評價指標

較大水膠比的混凝土的早期開裂特征是以干燥塑性收縮為主要原因，開裂時間較早，往往在初凝之前就出現開裂，1 d之內基本穩定，之后的2 d～3 d裂縫變化不大。采用以下指標作為被測混凝土材料的開裂評價指標。

1)裂縫的平均開裂面積:

2)單位面積的開裂裂縫數目:

3)單位面積上的總開裂面積:

4)裂縫降低系數:

其中，Wi，max為第 i根裂縫的最大寬度，mm;Li為第 i根裂縫的長度，mm;N為總裂縫數，根;A為平板的面積，取0.48 m2;Afcr為纖維混凝土試件裂縫名義總面積，mm2;Amcr為基體試件裂縫總面積，mm2。

3.2 試驗結果與分析

經過對24 h后抗裂試件的觀察和測量，得到纖維砂漿開裂形態。

纖維砂漿刀口法抗裂試驗結果見表2，表3。

圖2 裂縫總面積比（24 h）

圖3 裂縫總長度比（24 h）

圖4 最大裂縫寬度比（24 h）

圖5 降低系數比（24 h）

由圖2～圖5可以看出:1)纖維的摻入明顯減少水泥砂漿的裂縫總面積、裂縫總長度、最大裂縫寬度。說明纖維使得砂漿早齡期收縮面積減小、收縮裂縫變短、早齡期收縮裂縫變細。2)SP-3試件(混摻2.5 kg/m3的長玄武巖纖維B和0.9 kg/m3的杜拉纖維C)裂縫總面積最小，裂縫總長度最小，最大裂縫寬度最小，其抗裂性最好。SP-4試件(摻加1.5 kg/m3的短玄武巖纖維A)抗裂性最差。纖維抗裂性和纖維的數量與長度有一定關系。

4 結語

1)纖維的加入，使得砂漿早齡期約束收縮裂縫變得更短、更細、更少，使結構不容易出現應力集中，更細小、更少的裂縫可以減少侵蝕性物質和水進入建材的可能性，減少結構破壞，進而提高結構的耐久性。

表2 纖維砂漿抗裂性

表3 纖維砂漿裂縫降低系數

2)纖維抗裂性和纖維的數量與長度有一定關系。SP-3試件(混摻2.5 kg/m3的長玄武巖纖維B和0.9 kg/m3的杜拉纖維C)抗裂性最好。SP-4試件(單摻1.5 kg/m3的短玄武巖纖維A)抗裂性最差。

［1］ 國家水泥混凝土制品質量監督檢驗中心.玄武巖纖維混凝土與聚丙烯纖維混凝土、聚丙烯腈纖維混凝土性能測試研究報告［R］.國家水泥混凝土制品質量監督檢驗中心，2006.

［2］ 黃功學，趙 軍，高丹盈.聚丙烯纖維混凝土凍融后力學性能試驗研究［J］.人民黃河，2009，31(5):105-108.

［3］ 張樹青，王彩英，吳學禮.混凝土早期抗裂性與強度的關系［J］.混凝土與水泥制品，2003(3):6-8.

［4］ 張艷玲.混凝土早期開裂因素的初探［J］.混凝土，2005(5):18.

［5］ 叢 溪.用于地下結構的纖維混凝土阻裂防滲性能研究［D］.哈爾濱:東北大學，2009.