高性能纤维膨胀混凝土抗裂性能研究

檀小龙，刘 辉，余文文

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

高性能混凝土是一种新型高技术混凝土［1］，大都是通过降低水胶比、掺加矿物掺合料来提高混凝土中水泥石的密实度，改善混凝土界面薄弱区结构形态，从而达到高强高性能目的。一般来讲，与普通混凝土相比，其早期自收缩、温度收缩、干燥收缩大、弹性模量高、徐变能力小;当混凝土收缩受到约束时，会引发很大的自应力［2］。所以，高强高性能混凝土有着比普通混凝土更大的开裂趋势。本文研究了聚丙烯纤维及膨胀剂对高性能混凝土的抗裂性能的影响。

1 混凝土早期抗裂性能研究

1.1 开裂机理

混凝土的强度与工作性能的好坏关键在塑性阶段，塑性阶段的水化反应、体积变化等一切复杂反应对后期的性能影响很大。混凝土内部的微裂缝主要在塑性阶段形成，严格控制好混凝土塑性阶段的裂缝至关重要。

塑性阶段混凝土的开裂主要是混凝土的收缩引起。混凝土表面的大空隙及粗孔中自由水蒸发不会引起混凝土的收缩，但在混凝土塑性阶段，在混凝土的表面会形成上部弯曲的毛细管，混凝土内部的水份会通过这些毛细管向外面移动，在表面张力的作用下，以水珠形式存在于混凝土表面，当风力或温度作用使其蒸发掉，内部的水份再由毛细通道移动，补充蒸发掉的水珠，如此循环，如同一个微型水泵。混凝土内部的水分不停地被抽走，导致混凝土在内压力作用下开裂，被称为毛细管微泵开裂机理。毛细孔压力可通过下列方程计算［3］:

式中:ΔP为曲面两侧的压力差，σ为气体与液体界面的表面张力，γ为毛细孔半径，α为固体与液体的接触角度。

1.2 试验原材料

水泥:C40采用淮南八公山水泥厂生产的P.O 42.5普通硅酸盐水泥，C50采用蚌埠海螺水泥厂生产的海螺牌P.O 42.5R普通硅酸盐水泥，C70选用宁国海螺水泥厂生产的海螺牌P.O 52.5R早强型普通硅酸盐水泥。

粗细骨料:粗骨料为粒径5～31.5mm连续级配的石灰岩和粒径5～20mm连续级配的玄武岩。细骨料采用河沙，细度模数Mx=2.9，级配合格。堆积密度为1540kg/m3，含泥量为1.6%。

矿渣:选用合肥钢铁集团建材有限公司生产的比表面积为3500 cm2/g、密度为2.89g/cm3的矿渣。

外加剂:采用NF型高效减水剂，减水率≥10%。

膨胀剂:采用UEA－IV型膨胀剂。

聚丙烯纤维:由武汉天汇纤维材料有限公司生产的强不裂水泥混凝土防裂纤维，其物理性能参数如表1。

?

1.3 混凝土配合比

本次试验采用两组试件，一组为C40普通混凝土，一组为C50高性能混凝土，试件配比如表2所示。

?

1.4 试验方法及结果

对于混凝土早期抗裂性的评价，主要有平板约束性试验、单轴约束收缩试验与干缩试验，平板约束性试验又有加拿大叠合板约束法、美国ACI－544大板法和德国角方法［4］。综合试验室的条件和实际情况，最终选择改进式的美国ACI－544大板法。美国ACI－544大板法采用 914mm×610mm×19mm试件，但在本次试验中，改为直径600mm，高100mm的圆环模板。模板底部垫有塑料膜，以减少对试件收缩变形的阻力。试模周围有两圈金属钉，用于限制收缩变形。试件浇筑后放在室内环境温度约为22℃，相对湿度为50%，将1000W的钨灯放在试件上方1.5 m处，连续照明4 h，电风扇一台风速为4.5 m/s，放在试模边150mm处，连续吹24 h。

24 h后，利用DJCK－2型裂缝测宽仪测量混凝土裂缝宽度，根据裂缝宽度将裂缝分为5级，每一级对应一权数，用每一级宽度的裂缝长度乘以相应的权数，再相加起来的总和称为开裂指数。开裂指数愈小，抗裂性愈优越，按下式计算裂缝降低率:

式中:H为裂缝降低率，Amcr为普通混凝土的裂缝总面积，Afcr为纤维膨胀混凝土的裂缝总面积。

测得的试验结果如表3所示。

?

从表3可以看出，掺有聚丙烯纤维与膨胀剂的高性能混凝土开裂指数明显小于普通混凝土，裂缝总长减少62%，抗裂性能比普通混凝土好得多。普通混凝土在小于0.5mm、0.5mm与1mm之间、1mm与2mm之间的裂缝长度相差不大，而高性能纤维膨胀混凝土明显有一个梯度，小于0.5mm的裂缝减少37%;0.5mm与1mm之间的裂缝减少60%;1mm与2mm之间的裂缝减少92%，说明高性能纤维膨胀混凝土能有效抑制大裂缝的生成，能使裂缝细化。

2 硬化混凝土的抗裂性能研究

2.1 混凝土配合比

配合比如下表4所示。

?

2.2 试验方法

高性能纤维膨胀混凝土硬化后的抗裂性能贡献情况，也是必须要研究的问题。对于硬化后混凝土来说，韧性指标比强度指标更能反应出混凝土的抗裂性能，混凝土具有更好的韧性，其极限拉应力或极限伸长率就会提高，更能抵抗裂缝的生成。

本试验采用大连理工大学的剩余强度法，它是检测混凝土防裂性能的一项重要试验方法，采用三分点加载简支梁测试形式。试件为100mm×100mm×515mm，棱柱体试件与加载块和支承块接触的试件表面平滑，没有突起、凹陷、孔洞或刻痕。加载面和支承面必须为圆柱体，同时垂直于试件的纵轴。试验装置安放好后，试件接触面垫有厚度均匀(厚度=6.4mm，宽度=25～50mm，长度≥试件宽度)的皮质衬垫，没有超过0.38mm的空隙。加载速率为0.8 MPa/min，直到断裂出现再停止加载。试件分为J、F、U、FU四组。加载方式见图1所示。

图1 三分点法混凝土抗弯试验装置

极限抗弯应力按下式计算

式中:ffc，m为混凝土的抗弯应力(MPa)，Fmax为破坏荷载(N)，L为支座间距(mm)，b为试件截面宽度(mm)，h为试件截面高度(mm)。

当截面采用100mm×100mm的试件时，要乘以0.82的系数。

2.3 试验结果及分析

混凝土抗弯试验结果见表5。

?

荷载—挠度曲线如下图2。

从混凝土的荷载—挠度曲线中可以看出:

图2 混凝土的荷载—挠度曲线

(1)当混凝土中掺有聚丙烯纤维时，其抗弯应力比基准混凝土提高了27.8%，而且破坏曲线平滑，说明混凝土韧性好，聚丙烯纤维对混凝土有明显的增韧作用。

(2)混凝土强度越高，其抗弯性能越好，FU70比FU50的抗弯应力提高了13%，混凝土强度高，则混凝土密实、连续，相应地其抗拉、抗弯性能就好。但其弹性模量相应地也高，在荷载作用下，其变形率小，若不掺聚丙烯纤维，其韧性会很差。

(3)不掺聚丙烯纤维与膨胀剂的JC50的荷载—挠度曲线明显不同于其它混凝土，其弹性模量高，在荷载作用下，混凝土变形量小，呈脆性，韧性差。

(4)荷载—挠度曲线并不是一平滑曲线，会出现时而平滑，时而曲折，有时变化会很急促，说明混凝土中会存在固有的裂缝，这些裂缝在试验中，有的会被挤压，体积减小，有的被拉伸增大。

3 结论

(1)聚丙烯纤维的加入能减少高性能混凝土的干缩率、减少塑性阶段与硬化后混凝土的裂缝的产生，提高抗裂性能。而且聚丙烯纤维性能稳定、成本低、易于搅拌，能广泛地用于各种建设工程中。

(2)膨胀剂化学反应的产物，体积增大，能有效地补偿混凝土的收缩，使混凝土更加致密。特别在限制条件下，膨胀剂的膨胀作用能使混凝土颗粒产生相向变形，使混凝土密实，强度提高。

(3)在聚丙烯纤维与膨胀剂双掺情况下，会产生复合效应。聚丙烯纤维对膨胀剂的膨胀有限制作用，避免了膨胀剂的过度膨胀。膨胀剂的膨胀作用会使聚丙烯纤维与水泥基体粘结更牢固。聚丙烯纤维与膨胀剂复合作用能够减少或细化裂缝，填补孔隙，密实微观结构。双掺比单掺更能提高混凝土的抗裂性能。

［1］李玉琳.高性能混凝土的抗裂性能试验研究［J］.工程质量，2003(6):35－38

［2］鲁统卫.深冻结井井壁高强高性能混凝土抗裂性能试验研究［J］.建井技术，2009，30(6):15 －19

［3］孙道胜.聚丙烯纤维增强膨胀混凝土及其在道面工程中的应用［D］.南京工业大学，2004

［4］邓宗才.高性能合成纤维混凝土［M］.北京:科学出版社，2003