復合纖維對混凝土抗裂性能的影響

梁鴻駿，陶樺銘，王之風

（1.武漢大學 土木建筑工程學院，武漢 430072；2.重慶工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院 建筑工程系，重慶 408000；3.中國礦業(yè)大學 力學與建筑工程學院，江蘇 徐州 221116）

保證混凝土結(jié)構(gòu)高耐久性的前提是使其具有良好的抗裂性能[1].然而，研究發(fā)現(xiàn)，混凝土在澆筑早期的子收縮現(xiàn)象明顯，很容易產(chǎn)生裂縫[2]，這就要求水泥基材料本身既要具備收縮開裂的特性又要具備自愈合的能力，保持兩者的平衡需要引入相應的工程手段[3].復合纖維作為20 世紀60 年代發(fā)展起來的物理改性纖維，具有三維立體卷曲、高覆蓋性和高蓬松性等特點，這些特點可以有效提升混凝土的抗裂性能[4].謝明皆教授[5]就復合材料在混凝土中的應用進行了仿真模擬.Altoubat 等[6]對其工程應用進行研究，并取得了一定成果.李彥馨[7]、李朝輝[8]和俞貞慶[9]分別以超長混凝土結(jié)構(gòu)、混凝土板渠道和住宅建筑現(xiàn)澆混凝土樓板作為研究對象，證明復合纖維混凝土對各類混凝土結(jié)構(gòu)的抗?jié)B防裂效果顯著.王慧斌[10]和陳立勇等[11]通過實際工程，分析了復合纖維對混凝土結(jié)構(gòu)抗裂性能的影響.陳立福等[12]研究了低摻量纖維混凝土的抗裂性能，證明低摻量纖維對混凝土的抗裂性能較好.近年來，研究人員對復合材料摻雜混凝土進行了大量研究，但大部分研究與我國規(guī)范要求結(jié)合不夠緊密.

本研究結(jié)合國家建筑工程裂縫防治指南的要求[13]，摻入一定比例的多壁碳納米管/聚丙烯腈復合纖維制備具有抗裂性能的混凝土，通過控制復合纖維的使用量制備出不同摻加比例的混凝土，分析研究了復合纖維對混凝土材料抗裂性能的影響.

1 實驗

1.1 原材料

采用PO42.5R 水泥；碎石，其中大石粒徑為5～25 mm，小石粒徑為5～10 mm；中砂，含水率約為3.56%；細度約為26.0%，凈漿比為11.9%的粉煤灰；使用萘系高效減水劑；復合纖維使用中交公司生產(chǎn)的通過多壁碳納米管增強聚丙烯腈生成的復合纖維.

1.2 試件的制備

配制強度等級C30 的混凝土，素混凝土的設(shè)計配合比如表1 所示.

表1 素混凝土的設(shè)計配合比Tab.1 Design of plain concrete mixing proportion

為提高本實驗中各組試件的可比性，所有混凝土配合比保持不變，并盡量排除原材料性能上可能造成的試驗誤差[14].根據(jù)國內(nèi)外部分復合纖維的工程應用和理論研究分析，基于應用前景、經(jīng)濟指標和性能要求等考慮，實驗選用多壁碳納米管/聚丙烯腈復合纖維，發(fā)揮其對混凝土早期的收縮和后期的干縮限制作用，實現(xiàn)其在混凝土中自身抗拉強度高、彈強比高且極限拉伸值大的特點[10].復合纖維的摻加量及相應編號見表2，未摻雜復合纖維的混凝土編號為O.在實際配制過程中需要對減水劑用量進行0.2%范圍內(nèi)的調(diào)整，以保證制作所得每組混凝土試塊的坍落度在60～80 mm.

表2 不同復合纖維摻量混凝土的力學性能試驗結(jié)果Tab.2 Mechanical properties test results of concretes with different composite fiber dosages

為了充分發(fā)揮增強混凝土的效果，復合纖維必須均勻分散到混凝土中間，實驗中通過攪拌工藝手段予以實現(xiàn)[11].首先，放入砂和石子干拌100 s后，倒入水泥和粉煤灰，繼續(xù)干拌150 s，摻入不同量的復合纖維，再干拌150 s 后加入設(shè)計用水量的90%攪拌150 s，然后加入剩余10%的水和減水劑，視氣溫情況攪拌150～250 s，最后澆筑成型.此攪拌工藝可以保證復合纖維較為均勻地分布于混凝土中，以滿足施工中混凝土工作性能的要求.

1.3 試件的性能測試

為評價不同復合纖維摻量混凝土的力學性能，每種復合纖維摻量的混凝土需制備3 組150 mm ×150 mm×150 mm 的標準試塊用于抗壓強度和劈裂強度測試.標準試塊在28 d 養(yǎng)護齡期后即可進行力學實驗，本研究使用WA－1000B 型液壓式萬能試驗機對試件進行力學性能測試.裂縫綜合檢測使用如圖1 所示的平板法混凝土抗裂性能試驗測試設(shè)備PTS-E0 系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)⒘芽p放大40 倍，分度值為0.01 mm，可以很方便地對裂縫進行觀察分析，相應的試件尺寸為800 mm×600mm×100mm.

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 混凝土的力學性能

利用WA－1000B 型液壓式萬能實驗機對試件進行力學性能測試，所得的抗壓強度和劈裂強度如表2 所示，表中所得數(shù)據(jù)均為3 組標準塊測量結(jié)果的平均值.對比表2 中各組試件力學性能測試結(jié)果的平均值可知，摻加復合纖維可以顯著提升混凝土材料的力學性能，當摻加量達到2.1 kg/m3時，混凝土抗壓強度達到了39.42 MPa，與未摻加復合纖維的混凝土相比強度值提升了31%.比較4 組試塊的平均抗壓強度值可以發(fā)現(xiàn)，隨著復合纖維摻量的增加，混凝土抗壓強度逐漸提高，但是提高幅度逐漸變緩，CF（1.5 kg/m3）比CO（1.2 kg/m3）的抗壓強度提升了7%，但PF 比CF 以及HF 比PF 的抗壓強度分別僅提升了4%和3%.如不考慮最終提升的抗壓強度值，僅從摻加復合纖維效率看，1.5 kg/m3的摻量較為理想.

由表2 還可看出，復合纖維對混凝土抗劈裂能力的提高更為明顯，這得益于復合纖維良好的抗拉性能和抗沖擊性能.摻加1.2 kg/m3復合纖維制備的混凝土比普通混凝土劈裂強度提升了60%，這在實際工程中對混凝土抗拉和抗劈裂性能的意義非常重大.相對而言，繼續(xù)增加復合纖維，混凝土劈裂強度的提高速度放緩，摻加量從1.2 kg/m3增加到2.1 kg/m3，每增加0.3 kg/m3復合纖維混凝土劈裂強度提升約7%左右.同樣僅考慮摻加復合纖維提升混凝土抗拉性能和抗沖擊性能的效率，復合纖維摻量為1.2 kg/m3的混凝土在工程中的應用價值最大[12].抗壓強度和劈裂強度不能完全反映摻加復合纖維對混凝土抗裂性能的影響及混凝土早期裂縫形成的具體情況，必須采用平板法跟蹤分析混凝土板的裂縫現(xiàn)象，并結(jié)合力學性能測試結(jié)果探討混凝土自澆筑至達到強度要求過程中裂縫的形成發(fā)展情況[15].

2.2 混凝土的抗裂性能

2.2.1 復合纖維摻量對于混凝土裂縫寬度的影響

按照混凝土抗裂性能實驗測試設(shè)備PTS-E0 系統(tǒng)的要求制備不同復合纖維摻量的混凝土試件，在澆筑并完成振實和磨平后，將試件連同PTS-E0 系統(tǒng)一起放入恒溫恒濕箱進行標準養(yǎng)護，箱內(nèi)保持溫度202 ℃、相對濕度605%、風速50.5 m/s 的環(huán)境，觀測72 h.每隔4 h 對試件表面出現(xiàn)的裂縫條數(shù)和寬度等數(shù)據(jù)進行采集，系統(tǒng)通過測量每條裂縫中點附近較大裂開處的大小確定裂縫寬度.圖2 為恒溫恒濕箱中，不同復合纖維摻量混凝土試件72 h 后產(chǎn)生的最大裂縫寬度統(tǒng)計圖.圖2 數(shù)據(jù)表明摻加復合纖維對減少裂縫寬度的作用非常大，而且摻加量為1.8 kg/m3和2.1 kg/m3的混凝土試件的裂縫寬度均控制在0.08 mm 以下，明顯優(yōu)于摻量為1.2 kg/m3和1.5 kg/m3的試件，后兩項僅能將裂縫寬度控制在0.15～0.18 mm 范圍內(nèi).所有混凝土試塊裂縫寬度均小于國家工程裂縫防治指南中一類環(huán)境下0.3 mm的限值.

從裂縫產(chǎn)生時間的角度考慮，所有試件的首條裂縫均出現(xiàn)于成型后12 h 左右，之后的12 h 內(nèi)裂縫條數(shù)不斷增加，觀測的最后48 h 內(nèi)裂縫寬度的發(fā)展逐漸放緩并趨于穩(wěn)定.所有摻入復合纖維的混凝土試件都沒有出現(xiàn)貫穿裂縫，摻量最小（1.2 kg/m3）的混凝土試件出現(xiàn)的裂縫寬度較大，達到了0.18 mm，并出現(xiàn)連續(xù)的裂縫形態(tài)；摻加量較大（1.8 kg/m3和2.1 kg/m3）的混凝土試件在相同條件下形成的裂縫較為不連續(xù)，寬度也相對小很多，特別是摻加量為2.1 kg/m3的試件，最大裂縫寬度僅0.05 mm 左右，但是微裂縫數(shù)量較多.

2.2.2 復合纖維摻量對于混凝土裂縫面積的影響

利用積分方法計算混凝土產(chǎn)生的裂縫面積

式（1）中：Acr為試件裂縫的總面積；Wi，max為第i 條裂縫最大寬度；li為第i 條裂縫的長度，試樣上較直的裂縫取裂縫兩端的直線距離作為裂縫長度，而有明顯曲折的裂縫取疊加折線的長度作為裂縫長度[16].裂縫面積的計算結(jié)果如圖3 所示.

由圖3 可知，將復合纖維摻入混凝土中得到的試件阻裂效果非常明顯，摻量為1.2 kg/m3的混凝土試件裂縫面積在每平方米450 mm2左右，提升摻量可以更加有效地控制裂縫面積，摻量為1.5 kg/m3的試件裂縫面積控制在每平方米300 mm2以下，較前者降低了50%左右.但隨著復合纖維摻量的增加，試件對裂縫面積的控制能力開始放緩，摻加量為1.8 kg/m3和2.1 kg/m3的試件在72 h 后的裂縫面積均控制在每平方米200～210 mm2之間.

3 結(jié)論

（1）復合纖維對于混凝土抗壓強度和劈裂強度的提升效果明顯，尤其對于增大劈裂強度而言，與普通混凝土試件相比，僅摻加1.2 kg/m3復合纖維的混凝土試件其劈裂強度就可提升60%，說明復合纖維可以有效提升混凝土的抗裂性能.

（2）摻加復合纖維有助于控制混凝土裂縫寬度，摻加量≥1.8 kg/m3的混凝土試件與較小摻量的混凝土試件相比對裂縫寬度的控制能力更強，可以將裂縫寬度控制在0.08 mm 以下.

（3）摻加了復合纖維的混凝土在裂縫面積控制方面效果顯著，摻加量小于1.8 kg/m3時，混凝土試件對裂縫面積的控制效果隨著摻量的增加呈現(xiàn)明顯的提升，每增加0.3 kg/m3的摻入量，可以將裂縫面積的控制效果提升50%，摻加量超過1.8 kg/m3后，其控制能力趨于穩(wěn)定.

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