混雜纖維增強內養生水泥混凝土力學、收縮及斷裂性能研究

莫石秀，郭寅川，覃 瀟，楊景玉，凡俊濤

(1.廣東省路橋建設發展有限公司，廣東 廣州 510635；2.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064)

0 引言

水泥混凝土具有承載能力強、原材料來源廣泛、施工方便等優點，在土木工程領域得到了廣泛應用。但是，其同時具有抗彎拉強度低、脆性大和韌性較低等缺點，致使實際工程當中的水泥混凝土路面、橋面整體化層在服役過程中常過早出現開裂[1]。早期開裂不僅會降低結構承載力，且當環境中存在有害的酸類、鹽類時，會沿裂縫滲入材料內部，降低工程使用壽命[2]。因此，如何抑制水泥混凝土早期開裂，提升其抗裂性能，對于改善混凝土的耐久性極為重要。

超吸水性聚合物(super-absorbent polymer，SAP)內養生技術能夠實現在濕度差的作用下，將SAP內養生劑預吸水分及時釋放至混凝土中，延緩內部相對濕度(IRH)的降低，從而抑制水泥混凝土塑性收縮、自收縮及干縮裂縫的產生，并進一步促使膠凝材料水化[3-4]，增強材料密實度。

國內外研究者針對SAP內養生混凝土性能進行了系列的研究。Jensen等[5]和Pourjavadi等[6]研究表明，多離子、高濃度的水泥漿體對SAP的吸液能力影響較大，且SAP顆粒尺寸越小，吸液能力越強。Sikora等[7]研究了3種SAP對水泥水化過程變化的影響，發現SAP對材料工作性和自收縮性能的影響與SAP吸水-脫附動力學密切相關。Dang等[8]和Song等[9-10]認為SAP的加入可有效改善混凝土內部的相對濕度，進一步促進水化產物的生成，有效降低混凝土自收縮，提升抗裂性能。但部分研究表明，SAP雖然能夠有效提升水泥混凝土的收縮及抗裂性能，增強耐久性，但對其強度存在削弱作用。

在水泥混凝土內添加1種或多種纖維是目前提高混凝土強度的有效措施。Islam等[11]通過在混凝土內部添加不同長度、摻量的黃麻纖維來提高混凝土的早期強度和耐久性能。Gholampour等[12]發現加入纖維后混凝土表現出充分的延展性，同時強度得到大幅度提高。 Grzymsk等[13-16]對添加多種纖維混凝土的抗壓、抗彎拉、劈裂強度等進行了研究，證明了其能夠更好地提高混凝土的強度、抗裂性、韌性。研究表明，高彈性模量的玄武巖纖維可以有效提高混凝土強度，延緩裂縫的開展，減少混凝土的早期收縮，改善混凝土的抗滲性和耐沖擊性，而低彈性模量、高延伸率的聚丙烯纖維可減少混凝土因原始缺陷產生的應力集中現象，從而起到增韌阻裂作用[17-19]。

為充分發揮SAP內養生混凝土優異的水化增強效果及早期減縮、抗裂特性，并彌補其在強度方面的不足，擬將SAP內養生技術與混雜纖維增強技術相結合，旨在提升水泥混凝土早期收縮性能的同時，增強服役期抗裂性能及強度，克服單一使用SAP或混雜纖維對混凝土性能提升不足的問題。目前，國內外學者在SAP內養生混凝土和纖維混凝土方面已有大量研究，但主要集中于SAP和混雜纖維單獨作用時對混凝土性能的改善，缺乏對復摻SAP和混雜纖維二者協同作用以提高混凝土強度、抗裂性能等方面的研究，同時纖維和SAP協同作用機理尚不明確。

基于上述，本研究將玄武巖纖維和聚丙烯纖維混雜，借助抗壓強度試驗、彎曲試驗、干縮試驗及平板塑性開裂試驗，深入探索混雜纖維摻量對SAP內養生水泥混凝土抗壓及抗彎拉強度、斷裂性能、收縮性能及抗裂性能的影響規律。同時，基于掃描電鏡(SEM)試驗，揭示混雜纖維和SAP協同作用對水泥混凝土的增韌阻裂機理。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 骨料及膠凝材料

水泥選用PO.42.5普通硅酸鹽水泥，布萊恩細度為336 m2/kg, 具體化學成分組成如表1所示。粉煤灰選用I級粉煤灰，比表面積為403.9 m2/g，燒失量為3.2%，28 d活性指數為82，細度為10%。粗集料選用石灰巖碎石，對粗骨料進行篩分試驗，根據《公路橋涵施工技術規范》(JTG_TF50—2011)確定了級配曲線，如圖1所示。細集料選用河砂，細度模數為2.9，表觀密度為2.640 g/cm3，含泥量0.6%。

表1 水泥化學成分表(單位：%)

圖1 水泥混凝土級配曲線

1.1.2 纖維和外加劑

纖維選用玄武巖纖維(BF)和聚丙烯纖維(PP)纖維2種，相應的物理力學性能如表2所示。外加劑選用HPWR-5型高性能減水劑，減水率為25%，引氣量為3%～6%。

表2 纖維技術指標

1.1.3 SAP

SAP為聚丙烯酸鈉類超吸水性樹脂，粒徑為40～80目，在水泥漿液中的吸水倍率約為22倍。其具體性能指標如表3所示。

表3 SAP技術指標

1.2 試件制備

不同混雜纖維摻量下的5種水泥混凝土配合比如表4所示，其中SAP摻量固定不變，占膠凝材料的0.15%，玄武巖纖維與聚丙烯纖維的混合比例為4∶1。

表4 試驗配合比 (單位: kg/m3)

1.3 試驗方法

1.3.1 力學性能試驗

參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081—2002)[20]制備150 mm×150 mm×150 mm 立方體試件和100 mm×100 mm×400 mm長方體試件，測其抗壓強度和抗彎拉強度。

采用三點彎曲試驗測試水泥混凝土的斷裂韌性，試驗設備為MTS-810萬能試驗機，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，測試前在試件跨中底部預制1 cm的裂縫，縫寬1～2 mm。加載方式如圖2所示，加載速度為0.02 mm/min，通過計算確定水泥混凝土的斷裂能Gf。

圖2 試件尺寸與加載方式(單位：mm)

1.3.2 干燥收縮試驗

干燥收縮試件為400 mm×100 mm×100 mm的長方體試件。在標準條件下(溫度(20±1) ℃，相對濕度≥95%)養生3 d后，將試件置于干縮室(相對溫度(20±2) ℃、相對濕度為(60±5)%)。采用接觸式收縮測定儀測量試件移入干縮室后3，7，14，28 d的干縮變形量，并按照式(1)計算干縮率。通過對比試件干縮率及收縮穩定時間來評價其干縮性能，其中收縮穩定時間為收縮率曲線開始趨于平緩的時間點，以d為單位。

(1)

式中，St為試件第t天齡期干縮率；L0為初始測量讀數，精確至0.01 mm；Lt為第t天齡期的測量讀數，精確至0.01 mm；L為試件有效長度，精確至0.01 mm。

1.3.3 平板塑性開裂試驗

采用平板塑性開裂試驗研究水泥混凝土在有約束條件下的塑性開裂，模具尺寸為500 mm×360 mm×70 mm，試驗流程見圖3。試件成型后立即用保鮮薄膜覆蓋，并將試件帶模放入標準養護室(溫度(20±1) ℃、相對濕度≥95%)中養護2 h，再將帶模試件置于(20±2)℃，相對濕度為(60±0.5)%的環境中，控制風速以3～4 m/s勻速平行地吹拂試件表面(圖3(c))；觀測裂縫發展形態，記錄24 h后各試件裂縫起裂時間、數目、長度及最大裂縫寬度，起裂時間為第1條裂縫出現的時間。按照式(2)計算混凝土單位面積上總開裂面積。

圖3 水泥混凝土板塑性開裂試驗流程

(2)

式中，c為單位面積上的總開裂面積；Wi為第i條裂縫的最大寬度；Li為第i條裂縫的長度；N為總裂縫數目；A為平板的面積，本試驗中為0.18 m2。

1.3.4 SEM試驗

采用三點彎曲試驗結束后殘留的破壞試件，對斷面處混凝土進行取樣。借助SEM試驗對斷裂界面處的微觀形貌進行分析，揭示混雜纖維-SAP內養生混凝土的增韌阻裂機理。

2 結果與討論

2.1 強度試驗結果分析

圖4為不同混雜纖維摻量下SAP內養生混凝土的抗壓強度和抗彎拉強度變化曲線?？梢钥闯?，SAP的摻入對水泥混凝土的強度產生不利影響，28 d抗壓強度降低5.5%，抗彎拉強度降低5.4%。玄武巖-聚丙烯混雜纖維的混合摻入可彌補SAP帶來的強度損失，有效提高混凝土的強度，并且隨混雜纖維總摻量增加，強度呈現先增加后減小的趨勢。當混雜纖維摻量為4 kg/m3(BF摻量2 kg/m3、PP摻量2 kg/m3)時，玄武巖和聚丙烯纖維相互搭接，產生正混雜效應，混凝土28 d抗壓強度相比Non組提高8.5%，抗彎拉強度提高9.0%。

圖4 力學性能對比

2.2 斷裂韌性試驗結果分析

水泥混凝土的斷裂性能可通過恒定速度加載下的荷載-位移曲線(F-δ曲線)進行表征，各組混凝土的F-δ曲線分別見圖5。

圖5 水泥混凝土F-δ曲線

由圖5可知，在加載最初階段，5組混凝土F-δ曲線上升均很快，此時荷載主要由水泥基體承擔，F-δ曲線變化趨勢接近直線，5組混凝土初裂荷載Fcr基本相同，均為5 kN左右。當荷載超過初裂荷載Fcr，混凝土內部裂縫開始發展，Non組和SAP組荷載仍由水泥基體承擔，HF-SAP組荷載由水泥基體和混雜纖維共同承擔，SAP組混凝土極限最大荷載Fmax為10.86 kN，相比Non組降低4.98%，與混凝土抗壓強度、抗彎拉強度測試結果一致。混雜纖維摻量為4 kg/m，混凝土極限最大荷載Fmax為12.69 kN，相比Non組提高11.02%。隨著荷載的繼續增加，混凝土裂縫進入失穩階段，F-δ曲線呈現下降趨勢，但相比Non組，HF-SAP組表現出較大的差異性：Non組的F-δ曲線接近直線下降，HF-SAP組的F-δ曲線緩慢下降，并且隨著混雜纖維摻量的提高，F-δ曲線下降速率逐漸減緩，混雜纖維摻量為2，4，6 kg/m3，混凝土最大撓度δ0分別為1.90，1.91，1.95 mm，可歸因于混凝土裂縫在失穩階段裂縫寬度逐漸增大，此時荷載主要由纖維承擔，混雜纖維相互交錯，在混凝土內部起到加筋作用，延緩裂縫擴展速率，起到阻裂的作用。

斷裂能Gf是裂縫擴展單位面積所需的能量，其表達式為：

Gf=(W0+mgδ0)/Alig，

(3)

式中，Gf為斷裂能；W0為F-δ曲線所圍面積；m為支座間試件的質量；g為重力加速度，取9.8 m/s2；δ0為跨中最大位移；Alig為韌帶面積。斷裂能計算參數如表5所示。

表5 斷裂能計算參數

據式(3)計算出的各試驗組的斷裂能Gf,見圖6。

圖6 水泥混凝土斷裂能

由圖6可知，混雜纖維的摻入能夠有效提高混凝土的斷裂能，增強其斷裂韌性。相比Non組，SAP的加入使得混凝土斷裂能提高了42.25%，這與SAP可促進簇狀C-S-H凝膠的形成，減少混凝土干縮與自收縮微裂縫的萌生，增強水泥石-骨料基體界面黏結力密切相關。隨著混雜纖維的加入和摻量的提高，相比Non組混凝土斷裂能分別提高143.79%，192.92%，147.16%，這表明混雜纖維和SAP在混凝土內部充分發揮各組的增強作用，混雜纖維產生正混雜效應，形成的“亂向支撐體系”有效提高了混凝土的抗裂能力?；祀s纖維摻量為6 kg/m3時斷裂能出現降低，主要因為較大摻量的混雜纖維在混凝土內部分布難以攪拌均勻，出現部分薄弱面，與混凝土抗壓強度、抗彎拉強度測試結果一致。

2.3 干縮性能試驗結果分析

圖7為各組水泥混凝土隨齡期增長的干燥收縮變化曲線?？梢钥闯?，HF-SAP組、SAP組和Non組的干燥收縮變化趨勢基本相同，呈現2階段發展規律：第1階段，水泥混凝土干縮量迅速增大，但相比Non組混凝土，SAP組和HF-SAP組干縮率增長速率較小。隨后混凝土干縮變化進入第2階段，干縮量增長緩慢，逐漸趨于穩定。相比Non組混凝土，SAP和混雜纖維-SAP的加入可加速混凝土進入穩定階段的時間。Non組從干縮試驗第11天開始趨于穩定，SAP組混凝土從第10天開始趨于穩定，HF-SAP組混凝土開始穩定時間為第9天左右，并且隨著混雜纖維摻量的增加，混凝土干縮變化趨于穩定的時間先減小后增大，混雜纖維摻量為4 kg/m3(BF摻量2 kg/m3、PP摻量2 kg/m3)時，趨于穩定的時間最短，為第8天?？傮w來看，SAP組和HF-SAP組混凝土干縮率大幅降低，SAP組混凝土28 d干縮率降低48.3%，混雜纖維摻量為4 kg/m3(BF摻量2 kg/m3、PP摻量2 kg/m3)時，HF-SAP組28 d 干縮率降低64.7%。

圖7 水泥混凝土干縮性能曲線

基于已有研究成果可知，水泥水化生成的水泥石是由不同晶體組成的多孔體，而一般認為導致混凝土干縮的原因主要有2個：一是水泥石內吸附水的蒸發引起凝膠體收縮，二是混凝土中毛細孔內自由水的蒸發造成毛細孔負壓，毛細孔負壓力決定其收縮值。干縮試驗前期，水泥水化已進入穩定期，混凝土內存在大量水泥石，隨著干縮試驗進行，混凝土內水分蒸發主要是毛細孔內的自由水，導致毛細孔“彎月面”曲率增大，毛細孔壓力增加，又因為試驗前期混凝土抗拉強度低，導致混凝土干縮量迅速增大。干縮試驗后期，混凝土內毛細孔自由水蒸發殆盡，毛細孔壓力增長有限，此時混凝土抗拉強度增大，導致混凝土干縮量緩慢增加，逐漸趨于穩定。SAP的加入為混凝土引入一部分自由水，毛細孔內水分蒸發時，SAP中的內養生水會及時釋放補充到其周圍水泥漿體的毛細孔中，使其毛細孔含水量迅速回升至飽和，降低毛細孔壓力?；炷羶燃尤隑F-PP混雜纖維后，每立方米混凝土有上百萬根纖維均勻分布于基體中，在混凝上內部構成均勻的亂向支撐體系，可優化混凝上的孔隙結構，減少毛細孔個數及內部孔隙率，同時高彈性模量的玄武巖纖維分擔較多的毛細孔壓力，低彈性模量的聚丙烯纖維對混凝土有保水作用，可減弱混凝土內自由水蒸發的速度，二者協同作用，可減緩混凝土干縮變形的增長速率，降低其干縮率。

2.4 塑性板裂試驗結果分析

基于水泥混凝土強度、三點彎曲斷裂韌性、干縮等試驗結果，優選混雜纖維摻量4 kg/m3進行水泥混凝土塑性開裂試驗，試驗結果如表6所示。

由表6可知，相比Non組，摻加SAP可有效延緩首條裂縫的起裂時間，延緩效果可達1～2倍，且能夠降低混凝土裂縫的產生數量，降低裂縫寬度和長度。SAP和混雜纖維協同作用，可大幅延緩裂縫的起裂時間，延緩效果可達2倍，裂縫寬度降低61.2%，裂縫總長度降低32.2%。SAP組混凝土單位面積上總開裂面積相比Non組可降低49.5%，HP4-SAP組混凝土單位面積上總開裂面積降低幅度高達73.7%。

表6 水泥混凝土板塑性開裂試驗結果

觀察圖8(a)可知，Non組混凝土的裂縫不僅為橫向表面貫穿，并且從三角鋼頂部起由下而上縱向貫穿，在主裂縫的四周也延伸出各條細小的裂縫分支。觀察裂縫內部也可見，當裂縫由下而上貫穿時，其開裂路徑基本圍繞著水泥-骨料界面區展開。由圖8(b)可見，HP4-SAP組混凝土裂縫寬度明顯小于Non組，且可減少一半以上的裂縫寬度，并且在裂縫四周也未發現分出的微小裂紋，同時混凝土裂縫間可見纖維拉扯現象，表明混凝土在開裂過程中，纖維起到“加筋”作用，可緩解裂縫周圍應力集中，抑制裂縫的擴展，起到良好的阻裂效果。

圖8 水泥混凝土板裂縫細觀圖

2.5 增韌機理分析

Non組、SAP組及HF4-SAP組水泥混凝土微觀結構如圖9所示。

圖9 混雜纖維-SAP內養生水泥混凝土微觀形貌

從圖9(a)可以清楚地看到，Non組水泥混凝土內部存在較多微裂紋，而圖9(b)中SAP組和圖9(c)中HP4-SAP組裂紋數量則大大減少，其中HP4-SAP組基本無裂紋。一方面，SAP內部束縛的水分被釋放出來，及時補充了毛細管中水分，防止毛細負壓的產生，從而減少早期微裂紋，大幅度減少了混凝土原始損傷，其內養生水分促進了膠凝材料早期水化反應，起到水化填充作用，使SAP周圍的水泥石結構變得更致密。另一方面，試件在受力過程中，混雜纖維起到了阻裂作用，因此圖9(c)中混凝土抗裂性能最優。由圖9(d)可知，纖維表面被水泥石包裹，纖維與水泥石之間具有良好的黏附性，能夠起到增韌、抗裂作用。根據圖9(e)可分析出，高模BF和低模PP相交形成了穩定的網絡結構，能夠減輕水泥混凝土受力過程中的應力集中，有效增強抗裂性能。因此，SAP內養生對混凝土原始損傷的減少作用及混雜纖維對混凝土后期受力過程中的阻裂作用能夠高效提升混凝土的綜合性能。

3 結論

(1)混雜纖維與SAP的結合能夠有效提高水泥混凝土的斷裂韌性。隨著混雜纖維的加入和摻量的提高，HF-2-SAP，HF-4-SAP，HF-6-SAP組的斷裂能分別比Non組混凝土分別提高了143.79%，192.92%，147.16%?；祀s纖維-SAP改性水泥混凝土的斷裂能相比SAP改性混凝土提高了105.95%，單位面積總開裂面積降低了73.7%。

(2)混合纖維與SAP的加入顯著降低了水泥混凝土的收縮率，同時減少了混凝土收縮穩定所需時間。

(3)混合纖維可彌補SAP對水泥混凝土的強度削弱作用，SAP的填充密實、水化促進作用與混合纖維網絡結構的增韌阻裂作用可有效提升水泥混凝土的綜合性能。