复合纤维对混凝土抗裂性能的影响

梁鸿骏，陶桦铭，王之风

（1.武汉大学 土木建筑工程学院，武汉 430072；2.重庆工贸职业技术学院 建筑工程系，重庆 408000；3.中国矿业大学 力学与建筑工程学院，江苏 徐州 221116）

保证混凝土结构高耐久性的前提是使其具有良好的抗裂性能[1].然而，研究发现，混凝土在浇筑早期的子收缩现象明显，很容易产生裂缝[2]，这就要求水泥基材料本身既要具备收缩开裂的特性又要具备自愈合的能力，保持两者的平衡需要引入相应的工程手段[3].复合纤维作为20 世纪60 年代发展起来的物理改性纤维，具有三维立体卷曲、高覆盖性和高蓬松性等特点，这些特点可以有效提升混凝土的抗裂性能[4].谢明皆教授[5]就复合材料在混凝土中的应用进行了仿真模拟.Altoubat 等[6]对其工程应用进行研究，并取得了一定成果.李彦馨[7]、李朝辉[8]和俞贞庆[9]分别以超长混凝土结构、混凝土板渠道和住宅建筑现浇混凝土楼板作为研究对象，证明复合纤维混凝土对各类混凝土结构的抗渗防裂效果显著.王慧斌[10]和陈立勇等[11]通过实际工程，分析了复合纤维对混凝土结构抗裂性能的影响.陈立福等[12]研究了低掺量纤维混凝土的抗裂性能，证明低掺量纤维对混凝土的抗裂性能较好.近年来，研究人员对复合材料掺杂混凝土进行了大量研究，但大部分研究与我国规范要求结合不够紧密.

本研究结合国家建筑工程裂缝防治指南的要求[13]，掺入一定比例的多壁碳纳米管/聚丙烯腈复合纤维制备具有抗裂性能的混凝土，通过控制复合纤维的使用量制备出不同掺加比例的混凝土，分析研究了复合纤维对混凝土材料抗裂性能的影响.

1 实验

1.1 原材料

采用PO42.5R 水泥；碎石，其中大石粒径为5～25 mm，小石粒径为5～10 mm；中砂，含水率约为3.56%；细度约为26.0%，净浆比为11.9%的粉煤灰；使用萘系高效减水剂；复合纤维使用中交公司生产的通过多壁碳纳米管增强聚丙烯腈生成的复合纤维.

1.2 试件的制备

配制强度等级C30 的混凝土，素混凝土的设计配合比如表1 所示.

表1 素混凝土的设计配合比Tab.1 Design of plain concrete mixing proportion

为提高本实验中各组试件的可比性，所有混凝土配合比保持不变，并尽量排除原材料性能上可能造成的试验误差[14].根据国内外部分复合纤维的工程应用和理论研究分析，基于应用前景、经济指标和性能要求等考虑，实验选用多壁碳纳米管/聚丙烯腈复合纤维，发挥其对混凝土早期的收缩和后期的干缩限制作用，实现其在混凝土中自身抗拉强度高、弹强比高且极限拉伸值大的特点[10].复合纤维的掺加量及相应编号见表2，未掺杂复合纤维的混凝土编号为O.在实际配制过程中需要对减水剂用量进行0.2%范围内的调整，以保证制作所得每组混凝土试块的坍落度在60～80 mm.

表2 不同复合纤维掺量混凝土的力学性能试验结果Tab.2 Mechanical properties test results of concretes with different composite fiber dosages

为了充分发挥增强混凝土的效果，复合纤维必须均匀分散到混凝土中间，实验中通过搅拌工艺手段予以实现[11].首先，放入砂和石子干拌100 s后，倒入水泥和粉煤灰，继续干拌150 s，掺入不同量的复合纤维，再干拌150 s 后加入设计用水量的90%搅拌150 s，然后加入剩余10%的水和减水剂，视气温情况搅拌150～250 s，最后浇筑成型.此搅拌工艺可以保证复合纤维较为均匀地分布于混凝土中，以满足施工中混凝土工作性能的要求.

1.3 试件的性能测试

为评价不同复合纤维掺量混凝土的力学性能，每种复合纤维掺量的混凝土需制备3 组150 mm ×150 mm×150 mm 的标准试块用于抗压强度和劈裂强度测试.标准试块在28 d 养护龄期后即可进行力学实验，本研究使用WA－1000B 型液压式万能试验机对试件进行力学性能测试.裂缝综合检测使用如图1 所示的平板法混凝土抗裂性能试验测试设备PTS-E0 系统，该系统能够将裂缝放大40 倍，分度值为0.01 mm，可以很方便地对裂缝进行观察分析，相应的试件尺寸为800 mm×600mm×100mm.

2 实验结果及讨论

2.1 混凝土的力学性能

利用WA－1000B 型液压式万能实验机对试件进行力学性能测试，所得的抗压强度和劈裂强度如表2 所示，表中所得数据均为3 组标准块测量结果的平均值.对比表2 中各组试件力学性能测试结果的平均值可知，掺加复合纤维可以显著提升混凝土材料的力学性能，当掺加量达到2.1 kg/m3时，混凝土抗压强度达到了39.42 MPa，与未掺加复合纤维的混凝土相比强度值提升了31%.比较4 组试块的平均抗压强度值可以发现，随着复合纤维掺量的增加，混凝土抗压强度逐渐提高，但是提高幅度逐渐变缓，CF（1.5 kg/m3）比CO（1.2 kg/m3）的抗压强度提升了7%，但PF 比CF 以及HF 比PF 的抗压强度分别仅提升了4%和3%.如不考虑最终提升的抗压强度值，仅从掺加复合纤维效率看，1.5 kg/m3的掺量较为理想.

由表2 还可看出，复合纤维对混凝土抗劈裂能力的提高更为明显，这得益于复合纤维良好的抗拉性能和抗冲击性能.掺加1.2 kg/m3复合纤维制备的混凝土比普通混凝土劈裂强度提升了60%，这在实际工程中对混凝土抗拉和抗劈裂性能的意义非常重大.相对而言，继续增加复合纤维，混凝土劈裂强度的提高速度放缓，掺加量从1.2 kg/m3增加到2.1 kg/m3，每增加0.3 kg/m3复合纤维混凝土劈裂强度提升约7%左右.同样仅考虑掺加复合纤维提升混凝土抗拉性能和抗冲击性能的效率，复合纤维掺量为1.2 kg/m3的混凝土在工程中的应用价值最大[12].抗压强度和劈裂强度不能完全反映掺加复合纤维对混凝土抗裂性能的影响及混凝土早期裂缝形成的具体情况，必须采用平板法跟踪分析混凝土板的裂缝现象，并结合力学性能测试结果探讨混凝土自浇筑至达到强度要求过程中裂缝的形成发展情况[15].

2.2 混凝土的抗裂性能

2.2.1 复合纤维掺量对于混凝土裂缝宽度的影响

按照混凝土抗裂性能实验测试设备PTS-E0 系统的要求制备不同复合纤维掺量的混凝土试件，在浇筑并完成振实和磨平后，将试件连同PTS-E0 系统一起放入恒温恒湿箱进行标准养护，箱内保持温度202 ℃、相对湿度605%、风速50.5 m/s 的环境，观测72 h.每隔4 h 对试件表面出现的裂缝条数和宽度等数据进行采集，系统通过测量每条裂缝中点附近较大裂开处的大小确定裂缝宽度.图2 为恒温恒湿箱中，不同复合纤维掺量混凝土试件72 h 后产生的最大裂缝宽度统计图.图2 数据表明掺加复合纤维对减少裂缝宽度的作用非常大，而且掺加量为1.8 kg/m3和2.1 kg/m3的混凝土试件的裂缝宽度均控制在0.08 mm 以下，明显优于掺量为1.2 kg/m3和1.5 kg/m3的试件，后两项仅能将裂缝宽度控制在0.15～0.18 mm 范围内.所有混凝土试块裂缝宽度均小于国家工程裂缝防治指南中一类环境下0.3 mm的限值.

从裂缝产生时间的角度考虑，所有试件的首条裂缝均出现于成型后12 h 左右，之后的12 h 内裂缝条数不断增加，观测的最后48 h 内裂缝宽度的发展逐渐放缓并趋于稳定.所有掺入复合纤维的混凝土试件都没有出现贯穿裂缝，掺量最小（1.2 kg/m3）的混凝土试件出现的裂缝宽度较大，达到了0.18 mm，并出现连续的裂缝形态；掺加量较大（1.8 kg/m3和2.1 kg/m3）的混凝土试件在相同条件下形成的裂缝较为不连续，宽度也相对小很多，特别是掺加量为2.1 kg/m3的试件，最大裂缝宽度仅0.05 mm 左右，但是微裂缝数量较多.

2.2.2 复合纤维掺量对于混凝土裂缝面积的影响

利用积分方法计算混凝土产生的裂缝面积

式（1）中：Acr为试件裂缝的总面积；Wi，max为第i 条裂缝最大宽度；li为第i 条裂缝的长度，试样上较直的裂缝取裂缝两端的直线距离作为裂缝长度，而有明显曲折的裂缝取叠加折线的长度作为裂缝长度[16].裂缝面积的计算结果如图3 所示.

由图3 可知，将复合纤维掺入混凝土中得到的试件阻裂效果非常明显，掺量为1.2 kg/m3的混凝土试件裂缝面积在每平方米450 mm2左右，提升掺量可以更加有效地控制裂缝面积，掺量为1.5 kg/m3的试件裂缝面积控制在每平方米300 mm2以下，较前者降低了50%左右.但随着复合纤维掺量的增加，试件对裂缝面积的控制能力开始放缓，掺加量为1.8 kg/m3和2.1 kg/m3的试件在72 h 后的裂缝面积均控制在每平方米200～210 mm2之间.

3 结论

（1）复合纤维对于混凝土抗压强度和劈裂强度的提升效果明显，尤其对于增大劈裂强度而言，与普通混凝土试件相比，仅掺加1.2 kg/m3复合纤维的混凝土试件其劈裂强度就可提升60%，说明复合纤维可以有效提升混凝土的抗裂性能.

（2）掺加复合纤维有助于控制混凝土裂缝宽度，掺加量≥1.8 kg/m3的混凝土试件与较小掺量的混凝土试件相比对裂缝宽度的控制能力更强，可以将裂缝宽度控制在0.08 mm 以下.

（3）掺加了复合纤维的混凝土在裂缝面积控制方面效果显著，掺加量小于1.8 kg/m3时，混凝土试件对裂缝面积的控制效果随着掺量的增加呈现明显的提升，每增加0.3 kg/m3的掺入量，可以将裂缝面积的控制效果提升50%，掺加量超过1.8 kg/m3后，其控制能力趋于稳定.

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