纖維素纖維摻量對面板混凝土性能的影響

張勇　胡煒　孫宇飛（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司陜西西安710043）

纖維素纖維摻量對面板混凝土性能的影響

張勇胡煒孫宇飛
（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司陜西西安710043）

本文主要依據青海瑪爾擋水電站大壩面板混凝土摻入不同摻量的纖維素纖維，對面板混凝土的拌合物性能、力學性能、抗裂性能和抗凍性能進行了試驗研究，對實驗結果進行了具體分析，為水工混凝土摻用纖維素纖維提供了數據參考。

纖維素纖維；面板混凝土；抗裂性能；抗凍性能；實驗分析

在水工建筑物中，混凝土面板不同于一般大體積混凝土結構，屬條形超薄板狀。其最大厚度僅為混凝土面板堆石壩高的1/50～1/200，且長、寬、厚三向尺寸相差懸殊，面板很薄、縱向長度很大，極易產生早期裂縫［1］。影響混凝土面板早期開裂的因素眾多，除了受溫度、濕度、養護條件等影響外，還與水泥、摻合料、外加劑、骨料等原材料品質密切相關。從材料角度來看，目前預防混凝土面板早期開裂的主要方法是減小混凝土收縮、提高混凝土抗拉強度，采取的具體措施有摻膨脹劑補償收縮、摻纖維增強、摻減縮劑抑制收縮等［2］。而通過纖維來提高混凝土的抗裂性能早已被工程界所接受，纖維素纖維作為新一代的工程纖維，因其天然的親水性、保水性以及與混凝土良好的相容性，在混凝土領域的使用日漸廣泛。筆者依托青海瑪爾擋水電站工程，對纖維素纖維在混凝土中的適宜摻量進行了研究。

1　試驗

1.1試驗原材料及配合比

試驗采用青海瑪爾擋水電站大壩面板混凝土的原材料和配合比，水泥為甘肅祁連山水泥股份有限公司生產的42.5中熱硅酸鹽水泥，其各項性能指標均滿足標準要求，粉煤灰為甘肅連城電廠的II級粉煤灰，砂為細度模數為2.7的機制砂，石子為5mm～20mm和20mm～40mm的二級配碎石，纖維為上海羅洋新材料有限公司的纖維素纖維，其物理參數及力學性能見表1。采用的混凝土配合比及混凝土拌合物性能見表2。

表1　纖維素纖維的物理參數及力學性能

表2　混凝土配合比及拌合物性能

1.2試驗方法

1）混凝土的拌合物性能和力學性能按《水工混凝土試驗規程》（DL/T 5150-2001）有關規定進行測試。

2）混凝土早期抗裂性能試驗按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T50082-2009）推薦的平板法進行。所用試件尺寸為800mm×600mm×100mm的平面薄板型試件（如圖1所示）。

3）混凝土的干縮和抗凍性能按《水工混凝土試驗規程》（DL/T 5150-2001）有關規定進行測試。

2　試驗結果與分析

2.1纖維摻量對混凝土拌合物性能的影響

不同纖維摻量的混凝土拌合物性能見表2所示。由試驗結果可知，纖維摻量對混凝土拌合物的塌落度有一定影響，而對混凝土含氣量的影響不顯著。當水膠比一定時，隨著纖維摻量的增加，為保證混凝土工作性基本相同，必須增加用水量，平均每增加0.3kg/m3的纖維摻量，就需要增加2kg/m3的用水量。主要是因為纖維素纖維屬植物纖維，具有一定的吸水性，而且成千上萬根纖維分布在混凝土內部，形成復雜的三維亂向體系，雖然可以有效抑制骨料的下沉，提高混凝土均勻性，但對水泥漿的流動性也會產生一定的抑制作用，因此，為保證混凝土塌落度基本相同，必須增加用水量。

表3　混凝土力學性能

表4　混凝土早期開裂性能試驗結果

表5　混凝土干縮變形性能/×10-6

2.2纖維摻量對混凝土力學性能的影響

不同纖維摻量的混凝土力學性能如表3所示。由試驗結果可知，隨著纖維摻量的增加，混凝土抗壓強度和劈拉強度變化不明顯，而軸拉強度和極限拉伸值逐漸增加，靜壓彈性模量和軸拉彈模逐漸減小。主要原因為：混凝土的抗壓和劈拉強度主要取決于水泥漿與骨料界面的粘接強度，而纖維素纖維的主要作用是提高混凝土均勻性，阻止或減少混凝土內部裂縫的生成和發展，因此，纖維的摻入對混凝土抗壓和劈拉強度影響不明顯。而彈性模量的降低可能是因為摻入纖維后，由于用水量的增加導致了混凝土的漿骨比有所增加，從而導致混凝土的彈性模量有所降低。軸拉強度與極限拉伸值的增加則是由于纖維的三維亂向體系使水泥漿體受拉時的應力場更加均勻。

2.3纖維摻量對混凝土早期抗裂性能的影響

不同纖維摻量的混凝土早期開裂性能試驗結果如表4和圖2所示。

其中，每條裂縫的平均開裂面積應按下式計算：

單位面積的裂縫數目應按下式計算：

單位面積上的總開裂面積應按下式計算：

式中：Wi——第i條裂縫的最大寬度（mm）；

L

i——第i條裂縫的長度（mm）；

N——總裂縫數目（條）；

A——平板的面積（m2）；

a——每條裂縫的平均開裂面積（mm2/條）；

b——單位面積的裂縫數目（條/m2）；

c——單位面積上的總開裂面積（mm2/m2）；

從試驗結果看，隨著纖維摻量的增加，混凝土單位面積的總開裂面積逐漸減小。當纖維摻量增加到0.9kg/m3時，裂縫的開裂面積已明顯降低，裂縫面積降低率為40%。當纖維摻量增加到1.2kg/m3時，裂縫面積降低率為43%，與0.9kg/m3的摻量相比，裂縫降低率增加不明顯。但對于纖維摻量為0.3kg/m3的混凝土來說，其單位面積的總開裂面積比基準混凝土還要大。這說明纖維素纖維可能存在一個最不利摻量。因此，在施工中必須嚴格控制纖維的摻量，一般以0.9kg/m3為宜。避免出現為了節省成本而少加的情況，否則可能會比不摻纖維的混凝土還更容易開裂。

目前，學術界認為纖維的阻裂機理體現在以下兩個方面：

（1）微裂縫長度大于纖維間距時，纖維將跨越裂縫，起到傳遞荷載的作用，使混凝土內的應力場更加連續和均勻，使微裂縫尖端的應力集中得以鈍化，約束了裂縫的進一步發展。

表6　混凝土抗凍性能

（2）微裂縫長度小于纖維間距時，纖維將迫使裂縫改變方向，或使其跨越纖維形成更微細的裂縫場，裂縫可以得到細化，而且能顯著增大微裂縫擴展的能量消耗。

有學者認為，纖維在塑性狀態混凝土中的阻裂作用主要取決于單位體積混凝土中纖維的根數N、纖維的平均中心間距S和纖維的累計長度∑L。N值越大、S值越小、∑L值越大，則纖維的阻裂作用越明顯［3，4］。這與本文中隨著纖維摻量增加，抗裂性能增強的試驗結果一致。而當纖維摻量為0.3kg/m3時，抗裂性能反而比基準混凝土還要差。其主要原因可能是因為低摻量的纖維在混凝土內不能形成有效的三維亂向體系，纖維平均中心間距過大，當混凝土失水產生收縮應力時，孤立的纖維容易形成微小范圍內的應力集中，誘發微裂縫的產生，當微裂縫發展時，由于纖維中心間距過大，微裂縫來不及觸及到纖維而改變方向或形成更細微的裂縫場，混凝土就已經開裂。因而表現出比基準混凝土更容易開裂的現象。

2.4纖維摻量對混凝土干縮變形性能的影響

不同纖維摻量的混凝土干縮變形性能如表5所示。

由干縮試驗結果可知，隨著纖維摻量的增加，混凝土的干縮值逐漸減小，但摻0.3kg/m3纖維的混凝土干縮值比基準混凝土的干縮值略大，這與混凝土早期抗裂性能的試驗結果一致。

本次試驗中，隨著纖維摻量的增加，為保證混凝土工作性接近，膠材用量也是逐漸增加的。根據一般規律，混凝土中膠材用量越多，干縮變形也就越大。而表5中的干縮變形數據顯示，隨著纖維摻量的增加，混凝土的干縮值逐漸減小，這也更加證實了纖維的摻入可以起到限制收縮的作用，且在0.3kg/m3到1.2kg/m3范圍內，隨著摻量的增加，限制收縮能力逐漸增強。

2.5纖維摻量對混凝土抗凍性能的影響

混凝土抗凍試驗采用快凍法，以相對動彈模量和質量損失率來評定混凝土的抗凍等級。每經過50次凍融循環測試一次，當動彈模量下降至初始值的60%或質量損失率達到5%，即可認為試件已經破壞。不同纖維摻量的混凝土抗凍性能如表6所示。

由試驗結果可知，基準混凝土和摻纖維混凝土均能達到F300的抗凍等級。但基準混凝土經過300次凍融循環后，質量損失已達3.7%，相對動彈已降至80%。而摻纖維的混凝土隨著纖維摻量的增加，抗凍性能逐漸提高。當摻量為0.9kg/m3時，經過300次凍融循環后，質量損失只有1.6%，相對動彈為94%，與基準混凝土相比，能提高100次～150次抗凍等級。而隨著纖維摻量的繼續增加（1.2kg/m3），抗凍性能雖然也有所提高，但增幅較小。

3　結語

（1）纖維摻量對混凝土拌合物的塌落度有一定影響，而對混凝土含氣量的影響不顯著。平均每增加0.3kg/m3的纖維摻量，就需要增加2kg/m3的用水量。

（2）纖維對混凝土抗壓強度影響不顯著，但會增加混凝土軸拉強度和極限拉伸值，降低彈性模量。

（3）從早期抗裂試驗結果來看，纖維素纖維可能存在一個最不利摻量（0.3kg/m3），此摻量下，纖維混凝土的抗裂性能較基準混凝土差。但從總體看，隨著纖維摻量的增加，混凝土抗裂性能逐漸增強。

（4）隨著纖維摻量的增加，混凝土抗凍性能逐漸增強，當纖維摻量為0.9kg/m3時，比基準混凝土提高100次～150次抗凍等級。陜西水利

［1］劉數華，曾力.面板混凝土的抗裂性能研究［J］.人民長江，2003（4）：34-35.

［2］張建峰等.纖維對混凝土早期塑性開裂的影響［J］.混凝土，2010（7）：76-78.

［3］孫偉，Mandel JA.纖維間距對界面層的影響［J］.硅酸鹽學報，1989，17（3）：266—271.

［4］劉國平，馬鷹，施慧聰，等.生態合成纖維抑制混凝土開裂性能的研究與應用［J］.混凝土，2006（10）：41—44.

（責任編輯：暢妮）

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