膨脹劑與纖維增強混凝土抗裂性的研究

趙明哲,陳 鵬,唐龍龍,唐 雷，陳李峰

(1. 中交第三公路工程局有限公司 北京市 101300； 2. 南京華路工程設計有限公司 南京市 210000；3.江蘇中路工程技術研究院有限公司 南京市 210000)

0 引言

隨著建筑業的發展，人們對混凝土材料的抗裂性要求越來越高，混凝土抗裂性能的研究也逐漸增多[1]，這些研究主要集中在纖維、膨脹劑等功能材料對混凝土性能的影響，在混凝土結構設計中很少考慮混凝土的抗拉強度，對于混凝土的抗裂性，僅僅研究其抗拉強度是不夠的，拉伸強度和變形能力都是抗裂研究的重要內容，特別是當拉應力超過其極限拉應力，需在研究混凝土軸向拉應力-應變過程的基礎上，探究混凝土裂縫的形成、寬度和演變、應力和變形等特征[2]。

徐立斌[3]通過軸向拉伸性能試驗，研究了玄武巖和聚丙烯混雜纖維混凝土的力學性能，得到了試件的拉伸應力-應變曲線，建立了本構方程；王振波等[4-5]研究了鋼纖維體積、長度比、類型和活性粉體對低體積分數混合纖維混凝土拉伸性能影響；李莉等[6-7]通過拉伸試驗得到了活性粉末混凝土的軸向抗拉強度和應力-應變關系，建立了軸向拉伸應力-應變關系的數學模型。

目前，混凝土抗裂性研究主要集中在摻纖維混凝土的力學性能上，有一定局限性，論文通過軸向拉伸試驗，研究了摻玄武巖纖維和鈣鎂膨脹劑混凝土的應力-應變曲線，建立了本構方程，為抗裂混凝土的研究和應用提供了理論依據，為分析計算提供了參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗原材料

P·O 42.5普通硅酸鹽水泥和粉煤灰由南京某有限公司生產，12mm短切玄武巖纖維由上海某公司生產，其性能見表1，鈣鎂膨脹劑由山東某公司提供，主要含有氧化鈣和氧化鎂，二者約占90%以上；粗細骨料為玄武巖石子和天然河砂，均來自南京，石子粒徑為5～20mm。

表1 玄武巖纖維的性能

1.2 試驗配合比設計

試驗研究采用C40混凝土，其中水泥、砂、石子及聚羧酸減水劑用量均固定為296kg、767kg、1150kg和4.5 kg，每組試驗所摻加膨脹劑、纖維和水見表2。

表2 混凝土配比 kg/m3

1.3 試驗方法

混凝土軸向拉伸應力-應變試驗的試件尺寸為100mm×100mm×200mm，螺紋鋼直徑為16mm，其嵌度為50mm，延伸長度為100mm，加載速度為0.05～0.08 MPa/s，位移計放在試件兩側，然后將位移計與DHDAS靜應變測試系統連接，記錄混凝土變形數據，試驗裝置如圖1所示。

圖1 軸向拉伸應力-應變試驗裝置

2 試驗結果和討論

2.1 試件開裂過程及破壞方式

抗裂混凝土軸向拉伸破壞過程如圖2所示。

圖2 混凝土抗拉破壞圖

在試驗中，大多數試件出現裂縫是一致的，基本上出現在中直截面。當荷載接近峰值時，會出現橫向小但可見裂縫。隨載荷增加，裂紋不斷擴展，其寬度也隨之增大；當荷載達到峰值點時，應力為抗拉強度，相應的應變為峰值應變。隨載荷進一步增加，曲線開始下降，表面的裂紋寬度增加和擴展，然后試樣突然斷裂，下降段曲線并不理想。

2.2 混凝土的應力-應變曲線

摻膨脹劑和纖維抗裂混凝土的軸向拉伸應力-應變曲線如圖3所示。

圖3 混凝土軸向拉伸應力-應變曲線

由圖3可見，各組混凝土的軸向拉伸應力-應變曲線趨勢大致相同，但該曲線上的特征點不同。試驗結果表明，玄武巖纖維和膨脹劑的摻量對混凝土的延性和峰值應力有影響，同時摻加纖維和膨脹劑后，混凝土軸向拉伸應力-應變曲線上升段變化不明顯，但下降段斜率比未摻的(Y0)緩和很多。隨纖維量增加，減小截面逐漸變慢，斷裂點應變逐漸增大；當混凝土出現裂縫時，纖維可承受部分拉應力，降低了混凝土脆性開裂的風險。

2.3 混凝土軸向拉應力-應變曲線特征點分析

2.3.1應力-應變曲線的峰值點

混凝土軸向拉應力-應變曲線的峰值點是混凝土破壞前承載力和變形能力最直接表現，峰值處應力值越大，軸向抗拉強度越大，峰值對應的應變越大[8]，說明塑性應變能力越大，混凝土的抗裂性越高，各組的峰值應力和應變如圖4和圖5所示。

圖4 曲線峰值應力

圖5 曲線峰值應變

由圖4可見，除Y3外，其他混凝土軸向拉伸峰值應力明顯比未摻纖維和膨脹劑Y0的要高，這是因為纖維和膨脹劑可顯著提高峰值應力，即通過添加纖維和膨脹劑可大大提高混凝土最大抗拉強度，其中Y1的峰值應力最高，比普通混凝土提高了約52%。

由圖5可見，纖維和膨脹劑對混凝土的峰值應變也有明顯的影響，表明纖維和膨脹劑的同時添加對提高混凝土的韌性和塑性變形能力有明顯的作用。與普通混凝土相比，Y3的峰值應變增加了16.1%，但峰值應力下降了4.3%?？赡艿脑蚴荵3纖維摻量較大，隨纖維摻量增加，纖維在混凝土中分布均勻性下降，導致混凝土抗拉強度下降。

2.3.2初始彈性模量和斷裂點

初始切線模量是曲線上升段的斜率，一般是從初始點到彈性極限的線性段，即初始拉伸彈性模量。初始模量越小，拉伸變形能力越好，斷裂點是混凝土斷裂時的應變點。斷裂點應變越大，混凝土的延性和變形性能越好，各組斷裂點的初始拉伸模量和應變如圖6和圖7所示。

圖6 混凝土初始拉伸模量

圖7 混凝土斷裂點應變

由圖6可見，初始拉伸切線模量受纖維和膨脹劑同時添加影響，變化范圍較小。但纖維和膨脹劑的雙摻可降低初始拉伸切線模量，提高彈性變形性能，由于混凝土是一種脆性材料，其彈性變形能力變化不大。

從圖7可見，纖維和膨脹劑的加入對斷裂點的應變有很大影響，大大提高了斷裂點應變值，較普通混凝土分別提高了102.2%、306.1%、291.7%、74.4%和95.1%，研究表明復摻纖維和膨脹劑混凝土的延性有顯著的增強作用，抗裂性能明顯提高。

2.4 因素分析與本構方程的確定

通過范圍分析探討不同因素對混凝土不同特性的影響，因素A、B、C分別指水膠比、鈣鎂膨脹劑摻量和玄武巖纖維摻量，選擇峰值應力、應變和初始拉伸模量進行分析，R1、R2、R3為各水平的極差，分析如圖8所示。

由圖8可見，隨水膠比增加，峰值應力、應變和拉伸彈性模量逐漸減小。隨膨脹劑用量增加，峰值應力應變先增大后減小，彈性模量先減小后增大，最佳含量為7%。這是因為膨脹劑水化作用形成的鈣礬石和水鎂石等膨脹晶體，使內部結構更加致密，提高了強度和變形性能。若摻加過高，導致過分膨脹，膨脹應力超過混凝土抗拉強度，導致內部產生微細裂縫，直接影響混凝土的抗拉強度及變形性能。

圖8 因素分析

纖維作用類似于膨脹劑，隨纖維含量增加，峰值應變增大，彈性模量逐漸減小。纖維可大大提高混凝土塑性變形能力，峰值應力先增大后減小，最佳含量為1%，當纖維含量過大時，就需要較多水泥漿體來包裹纖維，那么水泥漿就不能有效地包裹骨料，一些骨料與骨料之間或骨料與纖維間無固定水泥連接，導致這些區域的應力集中，強度大大降低，范圍分析表明，纖維對峰值應力、應變和彈性模量的影響較大，其次是膨脹劑。

根據郭振海[9]提出的混凝土拉伸應力-應變曲線兩階段模型，通過調整本構參數，擬合摻纖維和膨脹劑混凝土無量綱應力-應變圖，本構方程如下。

y=αx+(1.5-1.25α)x2+(0.25α-0.5)x6

(1)

(2)

式中：α和β分別為曲線上升段和下降段的參數。

曲線擬合后的本構參數如表3所示。

表3 每組混凝土的組成參數

3 結論

(1)隨纖維摻加，混凝土的拉伸應變和拉伸應力增加，拉伸彈性模量降低。玄武巖纖維可有效地提高混凝土的拉伸強度、韌性和延性。鈣鎂膨脹劑也能提高混凝土的強度、韌性和延性。結果表明，當纖維和膨脹劑的摻量為1%和7%時，效果最好。水膠比可降低混凝土的峰值應力、應變和拉伸彈性模量。

(2)玄武巖纖維對曲線上的峰值應力、應變和拉伸彈性模量的影響最大，其次是水膠比，最后是鈣鎂膨脹劑。

(3)添加玄武巖纖維和鈣鎂膨脹劑后，軸向拉伸應力-應變本構方程參數減小，表明上升段和下降段變慢，韌性和延性提高。當纖維和膨脹劑的摻量分別為1%和7%時，上升段和下降段α和β分別為0.4和0.23。