不同纖維大壩混凝土的變形性能和抗裂性分析

劉艷霞，劉晨霞，紀(jì)國晉，陳改新

(中國水利水電科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)材料研究所，北京100038)

不同纖維大壩混凝土的變形性能和抗裂性分析

劉艷霞，劉晨霞，紀(jì)國晉，陳改新

(中國水利水電科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)材料研究所，北京100038)

選用PVA1、PVA2和PP三種不同廠家生產(chǎn)的纖維，通過試驗研究了纖維對大壩混凝土力學(xué)性能和變形性能的影響，并對混凝土抗裂性進行了分析。結(jié)果表明，摻入三種纖維后混凝土的抗壓強度、劈拉強度和軸拉強度均不同程度地降低；與基準(zhǔn)混凝土相比，纖維混凝土干縮值均略有增加，自生體積變形收縮減小，且180 d齡期后纖維混凝土的變形均由微收縮型轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑴蛎浶停砻骼w維可以抑制混凝土的自生體積收縮，有利于提高混凝土的抗裂性能；各加荷齡期PVA1纖維混凝土的徐變均大于相應(yīng)基準(zhǔn)混凝土，PVA2和PP纖維混凝土的徐變小于或等于基準(zhǔn)混凝土；不同纖維對大壩混凝土抗裂性的改善效果不同，本研究采用的PVA1纖維對抗裂性的改善作用最優(yōu)。在工程具體應(yīng)用時需結(jié)合試驗進行纖維材料優(yōu)選。

纖維混凝土；力學(xué)性能；變形性能；抗裂性能

混凝土裂縫是水工混凝土建筑物最普遍、最常見的病害之一，絕大多數(shù)的混凝土建筑物都會發(fā)生開裂破壞。裂縫對水工混凝土建筑物的危害程度不一，嚴(yán)重的裂縫不僅危害建筑物的整體性和穩(wěn)定性，還會導(dǎo)致其他病害的發(fā)生和發(fā)展，如滲漏溶蝕、環(huán)境水的侵蝕、凍融破壞的擴展及混凝土碳化和鋼筋銹蝕等[1]。尤其是隨著我國大型水利水電工程的建設(shè)，高壩大庫越來越多，壩體受力條件越來越復(fù)雜，對大壩混凝土抗裂性能的要求也越來越高。因此，對筑壩混凝土材料的要求也很高，既要求混凝土具有良好的施工和易性，又要保證硬化混凝土的各項性能滿足設(shè)計要求，并在滿足其各項性能指標(biāo)的前提下提高抗裂性能，增加大壩混凝土的抗裂能力儲備。

纖維加入水泥基材料中，可提高水泥基材料的抗裂性能、韌性及抗沖耐磨性能等[2-5]，因此纖維在水工混凝土中得到了廣泛的應(yīng)用。不同的纖維對混凝土性能的影響不同，本研究選用兩個廠家生產(chǎn)的聚乙烯醇纖維(PVA纖維)及另一廠家生產(chǎn)的聚丙烯纖維(PP纖維)，通過試驗對摻不同廠家和類型有機纖維的大壩混凝土性能進行研究，并與不摻纖維的基準(zhǔn)混凝土性能進行對比，以分析比較不同類型和模量的有機纖維對大壩混凝土力學(xué)性能、變形性能和抗裂性能的影響。

表2 混凝土配合比單位體積材料用量

注：配合比編號中，字母JZ代表基準(zhǔn)混凝土，其余字母代表纖維種類。

表3 混凝土抗壓強度試驗結(jié)果

1 原材料及配合比

試驗用水泥為符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB200—2003《中熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥、低熱礦渣硅酸鹽水泥》的42.5中熱硅酸鹽水泥，粉煤灰為符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1596—91《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的I級粉煤灰。水泥和粉煤灰的化學(xué)成分見表1。試驗用粗、細骨料為斑狀玄武巖骨料。細骨科的飽和面干密度和飽和面干吸水率分別為2 750 kg/m3和0.88%，粗骨料粒徑分為小石(5～20 mm)、中石(20～40 mm)、大石(40～80 mm)和特大石(80～150 mm)共四個級配，其飽和面干密度分別為2 909、2 941、2 914、2 921 kg/m3，飽和面干吸水率分別為0.46%、0.33%、0.20%和0.18%。外加劑為緩凝高效減水劑和松香類引氣劑。

表1 水泥和粉煤灰的化學(xué)成分 %

試驗采用3個廠家的兩種有機纖維，分別為聚乙烯醇纖維PVA1、PVA2和聚丙烯纖維PP，推薦摻量為0.9 kg/m3。三種纖維的密度分別為1.28、1.30、0.90 g/cm3，抗拉強度分別為1 565、1 315、703 MPa，彈性模量分別為38.0、30.4、6.0 GPa，斷裂延伸率分別為8.0%、8.1%、23.1%。其中，PVA1纖維的抗拉強度和彈性模量最高，PP纖維的抗拉強度和彈性模量最低，但斷裂延伸率最大。

基準(zhǔn)混凝土及摻纖維混凝土的配合比見表2。四級配粗骨料的比例為特大石∶大石∶中石∶小石=30∶30∶20∶20。摻纖維混凝土與基準(zhǔn)混凝土在用水量相同的情況下，通過調(diào)整緩凝高效減水劑摻量使和易性相同。混凝土坍落度控制在30～50 mm，含氣量控制在4.5%～5.5%。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 混凝土力學(xué)性能

(1)抗壓強度。混凝土的抗壓強度試驗結(jié)果見表3。由表3可知，摻不同纖維混凝土各齡期抗壓強度均低于基準(zhǔn)混凝土，其中，PVA1纖維混凝土的抗壓強度比最小，7、28、90、180 d抗壓強度分別為基準(zhǔn)混凝土的82.6%、91.2%、89.3%和93.3%。隨著齡期增加，PVA1纖維混凝土抗壓強度比與PVA2和PP纖維混凝土抗壓強度比之間的差距逐漸縮小，180 d齡期時三種纖維混凝土的抗壓強度比差別不大。

表4 混凝土劈拉試驗結(jié)果

(2)劈拉強度。混凝土劈拉強度試驗結(jié)果見表4。從表4可以看出，摻纖維后混凝土的劈拉強度降低，這與抗壓強度變化趨勢一致。在90 d齡期前，PVA1和PP纖維混凝土的劈拉強度比均小于PVA2纖維混凝土的劈拉強度比；但在180 d齡期時，PVA1纖維混凝土的劈拉強度比大于PVA2和PP纖維混凝土的劈拉強度比。

(3)軸拉強度。混凝土軸拉強度試驗結(jié)果見表5。由表5可以看出，摻纖維混凝土28、90 d軸拉強度均低于基準(zhǔn)混凝土，其中，摻PP和PVA2纖維混凝土的軸拉強度下降幅度較大，而PVA1纖維混凝土的軸拉強度下降幅度最小。與抗壓強度相比，摻纖維后混凝土的軸拉強度降低比值低于抗壓強度，且隨著齡期增長，纖維混凝土與基準(zhǔn)混凝土的軸拉強度比呈增加趨勢，到180 d齡期時，摻纖維混凝土的軸拉強度已接近或超過基準(zhǔn)混凝土。

表5 混凝土軸拉強度試驗結(jié)果

2.2 混凝土變形性能

(1)極限拉伸值。混凝土極限拉伸值試驗結(jié)果見表6。與基準(zhǔn)混凝土相比，摻PVA1纖維混凝土不同齡期的極限拉伸值均大于基準(zhǔn)混凝土，而摻PVA2纖維混凝土的極限拉伸值較基準(zhǔn)混凝土略有下降，摻PP纖維混凝土的極限拉伸值與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)或略有提高。對比抗拉強度結(jié)果，摻纖維后混凝土的抗拉強度都有不同程度的下降，而極限拉伸值變化則相反，這說明摻入纖維后，混凝土承受單位拉應(yīng)力荷載下的變形能力增強，即混凝土的抗裂能力提高。其中摻PVA1纖維對抗裂性的改善效果最優(yōu)。

表6 混凝土極限拉伸值試驗結(jié)果

(2)干縮。混凝土的干縮試驗結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，各配合比混凝土28 d齡期干縮率為190.3×10-6～221.4×10-6，90 d干縮率為317.7×10-6～360.4×10-6；至140 d齡期后，基準(zhǔn)混凝土和摻纖維混凝土的干縮基本穩(wěn)定，360d干縮率為400.9×10-6～439.9×10-6。三種纖維混凝土不同齡期的干縮均大于基準(zhǔn)混凝土，但不同纖維品種之間的差別不大。

圖1 摻纖維混凝土干縮曲線

圖2 混凝土自生體積變形隨齡期變化過程曲線

(3)自生體積變形。混凝土的自生體積變形試驗結(jié)果見圖2。從圖2可以看出，基準(zhǔn)混凝土和纖維混凝土的自生體積變形在20 d齡期前均為微膨脹型，此后依次變?yōu)槲⑹湛s型，在80 d齡期后試件的自生體積變形均表現(xiàn)為收縮逐漸減小，并逐漸向膨脹型轉(zhuǎn)變，130～180 d齡期時PP、PVA1和PVA2纖維混凝土的自生體積變形依次由收縮型轉(zhuǎn)變?yōu)榕蛎浶停鶞?zhǔn)混凝土在360 d齡期時的自生體積變形仍為微收縮型。截至360 d齡期，混凝土的自生體積變形已基本穩(wěn)定，基準(zhǔn)混凝土的自生體積變形為-2.1×10-6，纖維混凝土的自生體積變形為3.0×10-6～6.9×10-6。同齡期下三種纖維混凝土的自生體積收縮變形均小于基準(zhǔn)混凝土，說明纖維的摻入抑制了混凝土的自生體積收縮，有利于提高大壩混凝土的抗裂性能。

(4)徐變。徐變試驗按《水工混凝土試驗規(guī)程》中有關(guān)規(guī)定進行。徐變試件尺寸為φ150 mm×450 mm的圓柱體，試件中心埋設(shè)電阻式應(yīng)變計。纖維混凝土和基準(zhǔn)混凝土的徐變試驗結(jié)果如圖3。由圖3可以看出，在7、28、90 d和180 d加荷齡期時，PVA1纖維混凝土的徐變均大于相應(yīng)基準(zhǔn)混凝土的徐變，而PVA2和PP纖維混凝土的徐變小于或接近基準(zhǔn)混凝土的徐變，即PVA1纖維混凝土的徐變變形相對較大，對混凝土抗裂性有利。

圖3 混凝土的徐變變形曲線

2.3 混凝土抗裂性分析

影響混凝土抗裂性的因素較多，從各項性能影響看，提高混凝土的抗裂性能包括提高混凝土的抗拉強度和極限拉伸值、提高混凝土的徐變度以最大程度的松弛應(yīng)力、降低混凝土的彈性模量、提高混凝土的自生體積膨脹變形或摻膨脹材料補償收縮、降低混凝土的絕熱溫升等方面[6]。從以上試驗結(jié)果可以看出，纖維摻入后，混凝土的抗拉強度有不同程度的降低，干縮略有增加，但極限拉伸值提高，徐變增大，彈模略有降低。有機合成纖維的摻入對大壩混凝土的抗裂性既有有利的一面，又有不利的一面。因此，如何合理評價纖維對混凝土抗裂性影響不能僅看某一個參數(shù)。一般綜合評價水工混凝土的抗裂性采用抗裂指數(shù)K(或系數(shù))表征，K考慮了對抗裂性有利有弊的不同影響因素的組合。

我國從20世紀(jì)以來提出過不同的計算公式，本次研究沒有對骨料和膠凝材料用量與品種進行對比，為簡化計算，首先采用20世紀(jì)60年代抗裂指數(shù)，計算公式如下[4]

(1)

式中，RL為混凝土軸拉強度，MPa；εp為混凝土極限拉伸值，10-6；EC為混凝土拉伸彈性模量，MPa；εs為混凝土干縮率，10-6。用式(1)計算的不同纖維混凝土的抗裂指數(shù)見表7。從計算結(jié)果看，摻入纖維后，混凝土的抗裂能力增加，其中PVA1效果最佳，其次為PP纖維，再次為PVA2纖維。

表7 式(1)混凝土抗裂指數(shù)計算結(jié)果

表8 式(2)混凝土抗裂指數(shù)計算結(jié)果

其次，采用中國水利水電科學(xué)院黃國興同志提出的抗裂指數(shù)計算公式進行計算[5]

(2)

式中，C為混凝土徐變度，10-6/MPa；G為混凝土自生體積變形，10-6；α為混凝土線膨脹系數(shù)，10-6/℃；Tr為水化熱溫升，℃；其余符號同前。

用式(2)計算的混凝土抗裂指數(shù)，結(jié)果見表8。計算時凝土線膨脹系數(shù)和水化熱溫升值分別取6.3×10-6/℃和26.1 ℃，并忽略纖維對這兩個參數(shù)的影響。從計算結(jié)果看，摻PVA1纖維混凝土的28d抗裂指數(shù)與基準(zhǔn)混凝土相同，90 d和180 d抗裂指數(shù)比基準(zhǔn)混凝土略有提高。

3 結(jié) 論

(1)摻入三種纖維后混凝土的抗壓強度、劈拉強度和軸拉強度均不同程度地降低。從軸拉強度看，摻PVA1纖維時降低幅度最小，其次是PVA2和PP纖維。

(2)摻纖維后混凝土的干縮值均略有增加；纖維混凝土和基準(zhǔn)混凝土的自生體積變形趨勢基本一致，即早期為微膨脹型，后逐漸收縮，約80 d后再次呈膨脹趨勢，至180 d齡期時摻纖維混凝土的變形由收縮型轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑴蛎浶汀Ｍg期下?lián)嚼w維混凝土的自生體積變形收縮小于基準(zhǔn)混凝土；不同加荷齡期的PVA1纖維混凝土的徐變均大于相應(yīng)基準(zhǔn)混凝土的徐變，而PVA2和PP纖維混凝土的徐變小于或等于基準(zhǔn)混凝土的徐變。

(3)抗裂性分析結(jié)果表明，摻纖維有利于提高大壩混凝土的抗裂性。不同纖維對抗裂性的改善效果不同，因此，在工程應(yīng)用時需結(jié)合試驗進行纖維材料的優(yōu)選。

[1]李金玉, 曹建國. 水工混凝土耐久性的研究和應(yīng)用[M]. 北京： 中國電力出版社, 2004．

[2]鄧東升. 合成纖維對水工混凝土抗裂性能和抗碳化性能的影響[J]. 混凝土, 2005(10): 44- 47．

[3]周明耀, 楊鼎宜, 汪洋. 合成纖維混凝土材料的發(fā)展與應(yīng)用[J]. 水利與建筑工程學(xué)報, 2003, 4(1): 1- 4．

[4]王永波, 羅暉. PVA纖維在水泥基材料中作用的研究[J]. 重慶建筑, 2005(7): 62- 64．

[5]計濤, 紀(jì)國晉, 王少江, 等. PVA纖維對水工抗沖磨混凝土性能的影響[J]. 東南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2010, 40(S2)： 192- 196．

[6]李光偉. 混凝土抗裂能力的評價[J]. 水利水電科技進展, 2001, 21(2)： 10- 14．

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[8]黃國興. 試論水工混凝土的抗裂性[J]. 水力發(fā)電, 2007, 33(7): 90- 93．

(責(zé)任編輯 焦雪梅)

Analysis on Deformation and Anti-cracking Properties of Dam Concrete Mixed with Different Kinds of Fibers

LIU Yanxia, LIU Chenxia, JI Guojin, CHEN Gaixin
(Department of Structures and Materials, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China)

Three kinds of fibers of PVA1, PVA2 and PP from different manufacturers are selected in the study on the mechanical and deformation properties of dam concrete. It is indicated that the compressive strength, splitting tensile strength and axial tensile strength of dam concrete with these three kinds of fibers are all decreased to a varying degree when compared with reference concrete. On the other hand, the dry shrinkage of fiber-reinforced concrete is somewhat increased, while the autogenous volumetric shrinkage is decreased, which suggests that the fibers can restrain the autogenous volumetric shrinkage of dam concrete and consequently improve its anti-cracking properties. At different loading ages, the creep of concrete with fiber PVA1 is higher than that of reference concrete, while the creeps of concrete with PVA2 and PP are less than or almost equal to that of reference concrete. The improvement effects of different fibers on anti-cracking properties of dam concrete are varying. In this study, the effect of fiber PVA1 is best, which prompts that the optimization experiments on fibers should be carried out according to actual project conditions．

fiber-reinforced concrete; mechanical property; deformation property; anti-cracking property

2016-12-15

國家“十三五”重點研發(fā)計劃項目(2016YFB0303600)；國家973計劃重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目(2013CB035901，2013CB035906)；國家自然科學(xué)基金項目(51409284)；中國水利水電科學(xué)研究院科研專項(SM0145B252014)

劉艷霞(1977—)，女，山東青州人，高級工程師，博士，主要從事水工混凝土性能研究和水工新材料研發(fā)．

文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：0559- 9342(2017)08- 0112- 05