改性聚酯纤维对混凝土早期开裂与收缩的影响

吴豪祥，吴永根，李文哲

1)空军工程大学航空工程学院，陕西西安 710038；2)武警部队研究院工程设计研究所，北京 100020

在混凝土中掺入适当的纤维不仅可以改善混凝土的力学性能，提高混凝土的抗压强度、抗拉强度和抗冲击性能，还能改善混凝土的耐久性[1]．目前，纤维混凝土作为一种工程材料已经被广泛应用于公路、桥梁和隧道等．混凝土浇筑完成后，由于自身水化反应以及周围环境温湿度的变化，混凝土会出现明显的早期收缩．当混凝土的自由收缩受到约束时，就会产生拉应力，一旦超过混凝土的抗拉强度便会产生裂缝[2]．从长期效应来看，早期开裂会加快混凝土的碳化，加速钢筋腐蚀，同时为氯离子等进入混凝土内部提供通道，影响混凝土的耐久性和使用性能，缩短混凝土的使用寿命[3]．针对不同类型纤维对混凝土早期开裂和收缩的影响，许多学者进行了广泛的研究．王新忠等[4]进行了玄武岩纤维对混凝土早期开裂影响的研究，发现随着纤维含量增大，早期裂缝逐渐减小，当体积分数为0.2%时，可见裂缝基本消失．陈歆等[5]认为玄武岩纤维之所以能够约束混凝土的收缩变形，主要是因为承受了一部分收缩应力．管宗甫等[6]研究了聚丙烯纤维混凝土的早期开裂，认为聚丙烯纤维的最佳纤维长度为集料最大粒径的3/5，纤维最佳掺量为0.9～1.2 kg/m3. BANTHIA等[3]研究了不同类型聚丙烯纤维的抗裂作用．马一平等[7]研究了不同类型聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA)纤维对水泥砂浆的早期干缩开裂作用，认为在塑性阶段，纤维的直径越小，减裂的效果越好．银英姿等[8]却认为不同直径PVA纤维的减裂效果与纤维的掺量有关．BOOYA等[9]则证明了工程纸浆纤维对混凝土塑性收缩的改善作用．

聚酯纤维是一种弹性模量较低的合成纤维，可提高混凝土的抗冲击性、强度以及弹性模量，但传统聚酯纤维由于不能抵抗混凝土的碱性环境，限制了它在水泥混凝土中的使用[10]．随着技术的不断进步，改性聚酯纤维已可以很好地用于混凝土中，并被证明具有良好的耐久性[11]．近年来针对聚酯纤维混凝土力学性能、抗磨耗性和抗干缩性能的研究较多[12]，但关于改性聚酯纤维混凝土的早期抗裂和收缩性能研究较少．本研究以纤维掺量为变量，对改性聚酯纤维混凝土的早期开裂和收缩进行研究，并通过早期抗折强度的试验对纤维改善混凝土开裂和收缩现象的一致性进行分析．

1 材料与方法

1.1 原材料及混凝土配合比

对比混凝土试样(未掺纤维混凝土)的水灰比为0.45，每立方米的水泥、砂和石的用量分别为330、595和1 389 kg. 其中，水泥为42.5级普通硅酸盐水泥；粗集料为石灰石，按照5～10、10～20和20～40 mm 3个级配的质量比1∶3∶6进行配制；细集料为河砂，细度模数为2.73；水为普通自来水．在对比混凝土中分别掺入0.8、1.0、1.2和1.4 kg/m3的纤维，可得到相对应的掺纤维混凝土样品，编号分别为F08、F10、F12和F14．

选用的改性聚酯纤维由清华大学生产，纤维长度为5～20 mm，比重为0.9～1.3，弹性模量为6.1 GPa，断裂伸长率为3.1%，抗拉强度为760 MPa．

1.2 试件制备

采用60 L单卧轴强制式搅拌机进行试样制备．为保证纤维在水泥混凝土中的均匀性，先将水泥和砂干拌30 s，均匀撒布纤维后继续干拌30 s，然后加水湿拌30 s，最后加入骨料拌和120 s．

1.3 试验方法

采用平板试验法进行早期抗裂性能研究，试件尺寸为800 mm×600 mm×100 mm，试验按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准(GB/T 50082—2009)》中的规定进行．

1.4 早龄期收缩试验

试验选用SRF-710型非接触式混凝土收缩变形测定仪．按照规范要求，混凝土带模测定早期收缩．试件尺寸为100 mm×100 mm×515 mm．

1.5 强度试验

对含不同纤维掺量混凝土的早期(7 d)抗折强度进行测试．试验根据《普通混凝土力学性能试验方法标准(GB/T 50081—2002)》中的规定进行．抗折强度测试试件为150 mm×150 mm×600 mm标准小梁试件．

2 结果与分析

2.1 不同纤维掺量混凝土的早期抗裂性试验结果

混凝土搅拌后置于室内，温度为(20±2)℃，湿度为(60±5)%，自搅拌加水24 h后对裂缝数和面积进行统计，其中，裂缝长度采用钢尺测量，裂缝宽度使用读数显微镜测量．统计结果见表1．

表1 早期抗裂试验结果

由表1可见：

1)改性聚酯纤维能够有效提高混凝土的抗裂能力，掺入纤维对减少裂缝的作用十分明显．当纤维掺量在0.8～1.4 kg/m3时，裂缝数减少了20%～44%，裂缝面积减少了56.7%～86.4%．

2)随着纤维掺量的增加，裂缝条数和裂缝面积降低率均呈先升后降趋势，且均在纤维掺量为1.2 kg/m3时达到最低．对比裂缝数和面积的降低率可以看出，在纤维含量较低时，纤维对缩小裂缝宽度较为明显；而当纤维掺量为1.4 kg/m3时，虽然混凝土裂缝数仅比F12组多1根，但是裂缝总面积却是F12组的3.2倍．主要原因是由于纤维过量，形成纤维的重叠聚团，增多了混凝土的薄弱环节，在一些薄弱面出现较大的开裂．

2.2 不同纤维掺量混凝土的早期收缩试验结果

试验观测到，3 d的收缩率仅在24 h之内变化幅度较大，24 h之后基本不变. 为与早期抗裂试验进行比较，本次混凝土自由收缩试验主要针对前24 h进行研究．试验测得的混凝土收缩率见图1．

图1 混凝土收缩率曲线Fig.1 Concrete shrinkage ratio curve

由图1可见，纤维对混凝土早期收缩的抑制作用十分显著，掺入纤维的混凝土早期收缩率明显低于对照混凝土样品．纤维掺量在0.8～1.4 kg/m3的变化过程中，24 h时的混凝土收缩率比对照试样分别降低了50.8%、56.2%、68.7%和45.3%，纤维对混凝土早期收缩抑制效果呈现先增大后减小的趋势．

WANG[13]将混凝土早期体积变化过程按时间分为塑性沉降、流动收缩、自收缩和二次塑性收缩4个发展阶段；GHOURCHIAN[14]则把混凝土的塑性收缩划分为塑性沉降和干燥两个阶段．本研究结合实际曲线，将混凝土24 h的早期收缩变化划分为3个阶段：第1阶段为起始反应阶段，主要对应于水泥水化反应的诱导期，此时反应速率较慢，对水分的消耗较少，水分未出现明显迁移，混凝土收缩相对较小；第2阶段为急速增长阶段，主要与水泥水化反应的凝结期相对应，该阶段水泥快速水化，凝胶体膜层围绕水泥颗粒成长，随后水化产物互相贯穿形成网状结构，混凝土中的水分随着水泥水化反应和表面的持续蒸发不断减少，混凝土出现明显收缩；第3阶段为稳定阶段，对应于水泥水化反应的硬化期，该阶段水泥水化反应速率相对较低，水分迁移速率减慢且随着混凝土逐渐凝固，固相形成相对稳定的网状结构，混凝土的弹性模量和强度不断增长，混凝土收缩所需的毛细孔压力越来越大，因而随着时间推移，早期收缩率的增长逐渐变缓[15]．

本次分析以15×10-6的收缩率作为阶段划分的依据，由于第1阶段持续时间较短，第3阶段变化幅度很小，因此主要对第2阶段进行分析，对第2阶段的混凝土收缩率变化曲线进行一元线性回归处理，拟合曲线见图2，具体分析结果见表2．

图2 第2阶段收缩率的拟合曲线Fig.2 The fitted curve of shrinkage rate in the 2nd stage

表2 第2阶段数据分析

结合图1、图2和表2可以看出，相对于对比混凝土试样，掺纤维的混凝土试样0～1 h的收缩率相对较低，小于15×10-6，同时收缩率的曲线斜率也出现大幅度下降，掺纤维混凝土试样的拟合直线斜率均低于55×10-6h-1，远低于对比混凝土试样的90×10-6h-1；当纤维浓度为0.8～1.2 kg/m3时，随着纤维含量的增大，斜率只出现细微变化；当纤维浓度为1.2 kg/m3时，不仅拟合直线的斜率最小，第2阶段的时间也出现明显缩短；而当纤维浓度为1.4 kg/m3时，拟合直线的斜率出现了明显增长，且第2阶段持续时间恢复为6 h．

2.3 不同纤维掺量混凝土的抗折强度试验结果

混凝土的抗拉强度对于研究混凝土的早期收缩和开裂十分重要，但早期混凝土呈现明显塑性，很难对混凝土的早期抗拉强度进行直接测量，因此采用7 d抗折强度反映早期混凝土的抗拉能力．

试验测得P、F08、F10、F12和F14的7 d抗折强度分别为5.27、5.28、5.37、5.58和5.31 MPa．根据试验结果可以看出：① 随着混凝土纤维掺量的增加，混凝土7 d抗折强度呈现先上升后下降的趋势，在纤维浓度为1.2 kg/m3时，7 d抗折强度提高5.88%；② 纤维浓度为0.8 kg/m3时，对比混凝土试样和掺纤维混凝土试样的抗折强度相当，其原因与低掺量纤维无法形成稳定的网络结构密切相关；③ 该类型纤维的弹性模量较低(6.1 GPa)，只能桥接混凝土早期内部的微裂缝并阻止其扩展，对于破坏试验过程中产生的宏观裂缝不能给予良好的桥接[16]．

2.4 对比与分析

混凝土早期在特定约束下产生裂缝的多少主要取决于两个因素，一是混凝土的早期收缩大小；二是混凝土自身抵抗应力和应变的能力．图3为裂缝降低率、收缩降低率以及早期抗折强度增长率的比较. 由图3可见，掺纤维混凝土试样抵抗早期收缩和早期开裂的能力随着纤维掺量的变化呈现出明显的一致性，纤维掺量在0.8～1.4 kg/m3时，裂缝面积和早期收缩率降低率均在45%以上．而纤维的掺入对混凝土早期(7 d)抗折强度并没有明显的影响，除纤维浓度为1.2 kg/m3外，其余掺纤维混凝土试样的强度增长率均在2%以内．例如，虽然F08的早期抗折强度和对比混凝土试样基本相同，但F08的抗裂性能和抗收缩性能却有明显提升，裂缝面积降低率为58.3%，早期收缩率降低率为50.8%．因此可以判断，对于混凝土的早期性能而言，混凝土抗裂性能的提高主要是由于高性能合成纤维的掺入减小了混凝土的早期收缩，而纤维对早期抗弯拉能力的增强作用并不明显．

图3 裂缝降低率、收缩降低率以及早期抗折强度增长率的比较Fig.3 Comparison of crack reduction rate, shrinkage reduction rate and early flexural strength increase rate

3 结 论

1)改性聚酯纤维可以有效地增强混凝土早期抗裂能力，减小混凝土的早期收缩变形．纤维掺量在0.8～1.4 kg/m3时，纤维混凝土的早期裂缝面积和早期收缩率比普通混凝土均降低45%以上．

2)改性聚酯纤维对混凝土早期(7 d)抗折强度的贡献较小．纤维掺量为0.8、1.2 和1.4 kg/m3时，强度增长率在2.00%以下；纤维掺量在1.2 kg/m3时，强度增长率达到5.88%．

3)随着纤维掺量的增加，混凝土的抗裂能力、早期收缩率降低率以及早期抗折强度均呈现先增大后降低的趋势，且均在纤维掺量为1.2 kg/m3时能够获得最佳效果，其中裂缝面积降低率可达86.4%，早期收缩率降低率可达68.7%．

4)纤维对混凝土早期抗裂能力的影响与其对混凝土的早期抗折强度的影响没有明显的相关性，纤维主要通过降低混凝土的早期收缩来减小混凝土面临的早期开裂风险．