基于平板法纤维混凝土早期抗裂性能试验研究

周茗如，樊乐涛，于景龙，侯红红

(1.兰州理工大学甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室，兰州 730050；2.西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心，兰州 730050；3.兰州交通大学土木工程学院，兰州 730070)



基于平板法纤维混凝土早期抗裂性能试验研究

周茗如1,2，樊乐涛1，于景龙3，侯红红1

(1.兰州理工大学甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室，兰州 730050；2.西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心，兰州 730050；3.兰州交通大学土木工程学院，兰州 730070)

通过平板约束试验研究整体式聚丙烯纤维混凝土、整体式钢纤维混凝土、层布式混杂纤维混凝土、整体式混杂纤维混凝土的早期抗裂性能，并与基准混凝土进行对比研究。结果表明：掺加纤维的混凝土，其早期开裂时间延迟，裂缝条数、最大裂缝宽度、裂缝总长度、单位面积裂缝的数量、总裂缝面积均有不同程度的减小，纤维掺入混凝土中能显著改善混凝土的早期抗裂性能；在纤维掺入的混凝土中，纤维掺入方式不同，混凝土抗裂效果也不同。经对比分析，混杂纤维混凝土的抗裂性能要优于单掺纤维混凝土；层布式混杂纤维混凝土的抗裂效果要好于整体式混杂纤维混凝土。

纤维混凝土； 早期开裂； 混杂纤维； 混凝土抗裂性能

1 引 言

混凝土作为目前用量最大的一种建筑材料，现已广泛用于工业与民用建筑、水利、城市建设、农林、交通及海港等工程，并且在今后相当长一段时间内，其依然会成为建筑业中的主导材料。作为重要建筑材料，其最大缺点就是易产生裂缝[1-3]。目前，混凝土结构裂缝问题，尤其是混凝土早期裂缝，已经成为混凝土工程中最为普遍的技术问题，引起工程界的普遍重视。长期以来,许多专家和学者不断探索改善混凝土结构裂缝问题的各种措施和有效途径,纤维增强混凝土便是其中重要途径之一[4]。纤维的主要作用在于增强、增韧、阻裂3个方面。大量研究表明，在混凝土中掺入纤维能起到阻裂、增强、增韧的作用，而混杂纤维混凝土，既能发挥不同纤维的优势，又能体现他们的协同效应，可明显改善单一纤维增强复合材料的若干性能，可有效抑制早期裂缝的开展[5,6]。本文对在混凝土中单掺聚丙烯纤维(PPF)、单掺钢纤维(SF)、掺加两种纤维(SF+PPF)以及不同掺加制作方法(层布式、整体式)对混凝土的影响进行研究，并与基准混凝土进行对比，探讨纤维的加入对混凝土的影响。

2 实 验

2.1 原材料

水泥选用甘肃祁连山水泥公司生产的42.5普通硅酸盐水泥,其性能试验结果见表1；粗集料采用兰州化陇商砼公司提供的碎石，表观密度为2660 kg/m3；细集料采用兰州安宁河砂，细度模数为3.18，属中砂，表观密度为2581 kg/m3；粉煤灰采用兰州二热厂生产的Ⅱ级粉煤灰；纤维：聚丙烯纤维(PPF)由河北省某聚丙烯纤维工厂提供，钢纤维(SF)由衡水市某钢纤维加工厂提供，纤维实物见图1，其主要物理性能分别见表2；减水剂采用兰州华陇商砼公司提供的减水率为18%的羟系减水剂；水采用兰州地区自来水。所选用原材料均符合现行国家及相应行业标准的规定。

图 1 试验用纤维实物图Fig. 1 Experiment with fiber physical map

强度等级凝结时间/min初凝终凝定性抗压强度/MPa3d28d抗折强度/MPa3d28d42.5155243合格17.947.33.856.51

表2 纤维的物理性能Tab.2 Physical properties of fiber

2.2 配合比

试验所设计的基准混凝土强度等级为C40,选用聚丙烯纤维、钢纤维为研究对象。其中:M0为基准混凝土；PP0.3、PP0.5分别为聚丙烯纤维体积掺量为0.3%和0.5%的整体式聚丙烯纤维混凝土；SF0.6、SF0.9分别为钢纤维体积掺量为0.6 %和0.9%的整体式钢纤维混凝土；PP0.3-SF0.3～PP0.5-SF0.5分别为聚丙烯纤维与钢纤维混杂的整体式纤维混凝土；PPC0.3-SFC0.3～PPC0.5-SFC0.5分别为聚丙烯纤维与钢纤维混杂的层布式纤维混凝土；其混凝土配合比见表3。

表3 混凝土配合比Tab.3 Mix proportion of concrete /kg·m-3

2.3 试验方案

2.3.1 试验仪器

(1)裂缝观测仪及其它设备

应用平板试验法，在混凝土板成型24 h后，记录首条裂缝出现的时间，并用裂缝观测仪，观测裂缝的宽度和长度，查出裂缝的条数。本试验采用海创高科公司生产的HC-U8系列多功能混凝土超声波检测仪检测裂缝的宽度、深度；两个1000 W碘钨灯；风速5～7 m/s的风扇；棉线数米。

(2)平板试模

本试验模具的内框尺寸为600 mm×600 mm×63 mm的方形板。试模由底板、模框和钢筋框架构成，模板底部衬有塑料薄膜，以减小底模对试件收缩变形的影响；边框内设有两排共14个φ10 mm×100 mm的双排螺钉(螺纹通长)伸向锚具内侧，装置中布置螺纹钢筋以阻止混凝土与周边框架脱离，但不限制框架中混凝土的自由塑性收缩，保证裂缝出现在平板区间内，每个边框有14根螺纹钢筋，分二层布置，上层和下层各为7根；平板抗裂试验模具如图2所示。

2.3.2 试件制作

基准混凝土：将试模置于平整地板上，试模底板铺设塑料薄膜，按确定的配合比拌制受检混凝土拌合物，然后将混凝土拌合物均匀地浇筑在模框内，用平板振捣器将其振捣密实并抹平试件表面；整体式纤维混凝土：将试模置于平整地板上，试模底板铺设塑料薄膜，按确定的配合比拌制受检混凝土拌合物，制备整体式纤维混凝土时，为使纤维能均匀分布，先将纤维与砂、石、水泥干拌1～1.5 min，再加水湿拌，搅拌时间较普通混凝土延长1～2 min，将混凝土拌合物均匀地浇筑在模框内，用平板振捣器将其振捣密实并抹平试件表面[7,8]；层布式混杂纤维混凝土：先在板底铺20 mm厚的混凝土(整体式聚丙烯纤维混凝土)层，并用橡胶锤夯实，再人工撒布下层钢纤维，再浇筑中间层混凝土(整体式聚丙烯纤维混凝土)到距平板顶部20 mm处，并用橡胶锤夯实，人工撒布上层钢纤维，再浇筑最上层混凝土，浇筑完成，将试件放在振动台上振动至密实，抹平成型[9]；每一组配合比一组试件，共13组试件。

试件成型后置于温度为25 ℃，相对湿度一定的环境中，在试件上方0.8 m处用两个1000 W碘钨灯给试件表面加热，同时用风速为5～7 m/s的风扇直吹试件表面，并保持风向与试件表面平行，以使风扇能以5～7 m/s的风速经过受检混凝土表面[10]；保持成型养护24 h。试验过程如图3所示。

图 2 平板抗裂试验模具Fig. 2 Tablet cracking test mold

图3 混凝土抗裂性能试验过程Fig.3 Crack resistance of concrete testing procedures

2.3.3 试验方法

试件浇注完成后即开始计时，记录第一条裂缝的出现时间；试件成型养护24 h后，用HC-U8系列多功能混凝土超声波检测仪观测裂缝的开展情况，平板法测试混凝土抗裂性能的评价指标主要有开裂时间、24 h试件的裂缝平均面积 、24 h试件单位面积裂缝的数量b、24 h试件裂缝面积比c。

2.4 抗裂效果评定标准

以24 h试件的裂缝平均面积α、单位面积裂缝的数量b、试件裂缝面积比c作为评价混凝土塑性抗裂性的标准[11-13]；根据裂缝的平均面积的大小、单位面积裂缝的数量、试件裂缝面积比对抗裂进行分级，值越大，说明混凝土抗裂性能越差，反之，则抗裂性能越好；抗裂性能划分等级如表4。

表4 抗裂性能划分等级Tab.4 Crack resistance division level

试件的裂缝平均面积宜按下式确定：

(1)

试件单位面积裂缝的数量b宜按下式确定：

(2)

试件裂缝面积比c宜按下式确定：

c=α×b

(3)

式中：N-裂缝总条数；Wi-第i条裂缝的最大宽度，精确至0.01 mm；Li-第i条裂缝的长度，精确至1 mm；A-底板面积。

3 结果与讨论

图4为试件种类与初裂时间的关系柱状图。由图4可知，体积掺量分别为0.3%和0.5%的整体式聚丙烯纤维混凝土和体积掺量分别为0.6%和0.9%的整体式钢纤维混凝土，比基准混凝土的初裂时间增加了16.0%、33.3%和6.6%、20.0%，当聚丙烯纤维掺量从0增加到体积掺量的0.3%时，混凝土初裂时间提高显著;当聚丙烯纤维体积掺量从0.3%增加到0.5%时，混凝土初裂时间亦有明显提高；相对与基准混凝土，整体式混杂纤维混凝土的初裂时间增加了40.0%、56.0%、53.3%、60.0%、层布式混杂纤维混凝土的初裂时间增加了76.0%、78.6%、81.3%、90.6%；但是，不管是对于整体式混杂纤维混凝土还是层布式混杂纤维混凝土，随着纤维掺量的不同，初裂时间变化不大，说明：混凝土初裂时间对纤维掺量的变化不太敏感；在纤维掺量相同的情况下，层布式混杂纤维混凝土相比于整体式混杂纤维混凝土，混凝土初裂时间增加了25.7%、14.5%、18.2%、19.1%。

图4 试件种类与初裂时间的关系Fig.4 Relationship specimen type and time of the first crack

抗裂性能试验结果如表5。由表5的抗裂性能试验结果分析可知：相对于基准混凝土，无论是单掺还是混掺，纤维混凝土的裂缝条数N、最大裂缝宽度W、裂缝长度L、裂缝平均面积α、单位面积裂缝的数量b以及裂缝面积比c明显减小;基准混凝土裂缝条数N为5条、最大裂缝宽度W为0.7 mm、裂缝长度L为293 mm、裂缝平均面积α为205.1 mm2、单位面积裂缝的数量b为13.8 N/m2、裂缝面积比c为2830.3 mm2/m2，单掺纤维混凝土最少裂缝条数N为2条、最小裂缝宽度W为0.32 mm、裂缝长度L为121 mm、裂缝平均面积α为38.7 mm2、单位面积裂缝的数量b为5.5 N/m2、裂缝面积比c为212.8 mm2/m2，混杂纤维混凝土最少裂缝条数为1条、裂缝宽度最低达到了0.16 mm、裂缝长度为82 mm、裂缝平均面积α为13.1 mm2、单位面积裂缝的数量b为2.7 N/m2、裂缝面积比c为35.3 mm2/m2，混杂纤维混凝土与单掺纤维混凝土相比，最大裂缝宽度W、裂缝长度L、裂缝平均面积α、单位面积裂缝的数量b以及裂缝面积比c分别减小了50.0%、32.2%、66.1%、50.9%、83.4%；说明，纤维混凝土能有效抑制混凝土裂缝的开展，同时，混杂纤维混凝土的抗裂效果要优于单掺纤维混凝土。

在单掺纤维混凝土中，聚丙烯纤维混凝土的裂缝条数N最少为2条、最大裂缝宽度W为0.32 mm、裂缝长度L为121 mm、裂缝平均面积α为38.7 mm2、单位面积裂缝的数量b为5.5 N/m2、裂缝面积比c为212.8 mm2/m2；钢纤维混凝土的裂缝条数N最少为3条、最大裂缝宽度W为0.41 mm、裂缝长度L为232 mm、裂缝平均面积α为95.1 mm2、单位面积裂缝的数量b为8.3 N/m2、裂缝面积比c为789.3 mm2/m2，与钢纤维相比，聚丙烯纤维混凝土的最大裂缝宽度W、裂缝长度L、裂缝平均面积α、单位面积裂缝的数量b以及裂缝面积比c分别减小了21.9%、47.8%、59.3%、33.7%、73.0%；说明整体式聚丙烯纤维混凝土的抗裂效果好于整体式钢纤维混凝土；同时，随着纤维掺量的增加，混凝土的裂缝条数N、最大裂缝宽度W、裂缝长度L、裂缝平均面积α、单位面积裂缝的数量b、裂缝面积比c均有所减小。以抗裂效果好的聚丙烯纤维为例：体积掺量为0.3%时，混凝土裂缝条数N最少为3条、最大裂缝宽度W为0.38 mm、裂缝长度L为174 mm、裂缝平均面积α为66.1 mm2、单位面积裂缝的数量b为8.3 N/m2、裂缝面积比c为548.6 mm2/m2，体积掺量为0.5%时，混凝土裂缝条数N最少为2条、最大裂缝宽度W为0.32 mm、裂缝长度L为121 mm、裂缝平均面积α为38.7 mm2、单位面积裂缝的数量b为5.5 N/m2、裂缝面积比c为212.8 mm2/m2，两者相比，最大裂缝宽度W、裂缝长度L、裂缝平均面积α、单位面积裂缝的数量b、裂缝面积比c分别减少了15.7%、30.4%、41.4%、33.7%、61.2%；说明，随着纤维掺量的增加，混凝土的抗裂性增强，裂缝变少、变短且变细。

表5 抗裂性能试验结果Tab.5 Crack resistance test results

对于混杂纤维混凝土，纤维掺入方式不同，混凝土裂缝条数N、最大裂缝宽度W、裂缝长度L、裂缝平均面积α、单位面积裂缝的数量b、裂缝面积比c均有所不同；整体式混杂纤维混凝土的最小裂缝条数N为1条、最大裂缝宽度W为0.26 mm、裂缝长度L为198 mm、裂缝平均面积α为51.4 mm2、单位面积裂缝的数量b为2.7 N/m2、裂缝面积比c为138.7 mm2/m2；层布式混杂纤维混凝土的最小裂缝条数N为1条、最大裂缝宽度W为0.16 mm、裂缝长度L为82 mm、裂缝平均面积α为13.1 mm2、单位面积裂缝的数量b为2.7 N/m2、裂缝面积比c为35.3 mm2/m2；层布式纤维混凝土与整体式纤维混凝土相比，最大裂缝宽度W、裂缝长度L、裂缝平均面积α、单位面积裂缝的数量b、裂缝面积比c分别减少了38.4%、58.5%、74.5%、0%、74.5%；说明，层布式纤维混凝土比整体式纤维混凝土更有利于纤维混凝土的早期抗裂。

4 结 论

(1)纤维的掺入可以有效抑制混凝土的早龄期收缩开裂，随着掺量的不同，抗裂效果也有差别；

(2)对于整体式单掺纤维混凝土，聚丙烯纤维混凝土的抗裂性能要优于钢纤维混凝土，两者比较，最大裂缝宽度W、裂缝长度L、裂缝平均面积α、裂缝面积比c分别减少了21.9%、47.8%、59.3%、33.7%、73.0%；对于混杂纤维混凝土，纤维掺入方式不同，抗裂效果也不同。层布式纤维混凝土相比于整体式纤维混凝土，最大裂缝宽度W、裂缝长度L、裂缝平均面积α、裂缝面积比c分别减少了38.4%、58.5%、74.5%、0%、74.5%;说明,层布式混杂纤维混凝土比整体式混杂纤维混凝土更有利于纤维混凝土的早期抗裂；

(3)在设计的13种混凝土配合比中,层布式混杂纤维混凝土的抗裂性能最好,抗裂等级达到Ⅲ级,接近Ⅱ级,其中,种类为PPC0.5-SFC0.5的混凝土配合比抗裂性能最优。

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Experimental Study on Early Cracking Resistance of Fibre Concrete Based on Flat Plate Method

ZHOUMing-ru1,2,FANLe-tao1,YUJing-long3,HOUHong-hong1

(1.Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation in Civil Engineering of Gansu Province,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China; 2.Western Engineering Research Center of Disaster Mitigation in Civil Engineering of Ministry of Education，Lanzhou 730050,China; 3.School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)

Early cracking resistance of integral polypropylene fiber concrete,integral steel-fiber concrete,layer hybrid fiber reinforced concrete,and integral hybrid fiber reinforced concrete were studied by flat-restraint test,and compared to that of the plain concrete. The results show that early cracking time of concrete mixed with fiber was delayed, the maximum crack width,total length number of cracks per unit area,and total crack area were decreased in different degrees. Thus,the early anti-cracking capability of concrete can be significantly improved by the incorporation of fiber. In the concrete with the fiber,the different mixing ways of the fiber result in different crack resistance effect. Through contrasting and analyzing,the anti-cracking performance of hybrid fiber reinforced concrete is obviously superior to that of reinforced concrete with a kind of the fiber, the anti-cracking effect of layer hybrid fiber reinforced concrete is superior to that of integral hybrid fiber reinforced concrete.

fiber reinforced concrete;early cracking;hybrid fiber;cracking resistance of concrete

国家自然科学基金项目(51168031)；甘肃省建设厅建设科技攻关项目(JK2014-9)

周茗如(1962-)，男，教授.主要从事建筑材料及结构工程等方面的研究.

樊乐涛，硕士研究生.

TU528

A

1001-1625(2016)08-2590-06