复合纤维混凝土的早期抗裂性能

王志杰 魏子棋 朱敢平 史瑞瑾

（1.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，成都 610031；2.天津轨道交通集团有限公司，天津 300380；3.玖青新材料科技（上海）有限公司，上海 200062）

自混凝土材料问世以来，各种裂缝一直影响着其服役寿命。在混凝土成型初期，由于温度、湿度、风速、泌水性等因素的影响会产生塑性收缩形成裂缝［1］，而这种不起眼的微观损伤将为混凝土后期成型乃至服役过程中各种有害介质的传递提供通道，极大影响其成型后的强度以及耐久性能。

在混凝土中掺入纤维能延迟首条裂缝产生的时间，并能使最大裂缝宽度和裂缝总面积明显减少［2-3］。将聚丙烯纤维、纤维素纤维、钢纤维等按照特定比例掺杂入混凝土基体之中，能够有效改善混凝土的抗裂性能［4-6］。单一纤维混凝土往往仅能体现所掺纤维的部分性能，而混杂纤维混凝土通过合理的材料和掺量设计，能使多种纤维取长补短、相互激励，产生“正混杂效应”，显著改善混凝土性能［7-10］。

本文通过3 种纤维混凝土早期抗裂试验，探究如何利用纤维性能的互补产生更大的正混杂效应，在节约材料的同时提高混杂纤维早期抗裂性能。

1 试验概况

1.1 试验材料及配合比

试验采用利森P. O 42.5 水泥；粗骨料为都江堰5～25 mm 碎石；细骨料为乐山河沙，细度模数2.6；粉煤灰为F 类Ⅱ级；纤维材料包含纤维素纤维CTF-960（以下简称CTF）、聚乙烯醇纤维PF-2000（以下简称PF）、复合微筋纤维VS-3000（以下简称VS），见图1；外加剂为高性能减水剂（JFL-2C）和防腐阻锈抗裂防水剂（CFA-ZF）。掺和料为粉煤灰和矿粉。纤维材料物理力学性能参数见表1，配合比见表2。水灰比为0.49。

图1 纤维材料

表1 纤维材料物理力学性能参数

表2 材料配合比

1.2 试验设计与测试方法

在混凝土中掺入CTF，PF，VS，采取早期抗裂试验探究混杂纤维对于混凝土耐久性的影响。试验采取正交组合，分为16 组，见表3。每组2 个试件，共32 个试件。

表3 早期抗裂试验工况设计

早期抗裂试验采用刀口诱导约束法，试件呈平面薄板型，尺寸800 mm×600 mm×100 mm。试验装置为钢制模具，四边与底板通过螺栓固定，内设7根裂缝诱导器，见图2。

图2 早期抗裂试验装置

试件裂缝的名义总面积Acr为

式中：n为试件裂缝数量；ωi，max为第i条裂缝的最大宽度，mm；li为第i条裂缝的长度，mm。

裂缝降低系数ηcr为

式中：Amcr为素混凝土试件的总开裂面积；Afcr为纤维混凝土试件的总开裂面积。

试验在混凝土浇筑（24±0.5）h 时测量裂缝。根据所测裂缝数据计算混凝土试件的总开裂面积，并按式（1）和式（2）计算试件的裂缝降低系数，以每组2 个试件裂缝降低系数的平均值作为该组试验结果。

2 结果分析

2.1 纤维单掺

混杂纤维混凝土早期抗裂性能试验结果见表4。裂缝数量、最大裂缝长度、最大裂缝宽度均取每组2个试件中的最大值，总开裂面积取平均值。

表4 混杂纤维混凝土早期抗裂性能试验结果

根据表4，统计3 种纤维单掺时裂缝数量、最大裂缝长度、最大裂缝宽度与素混凝土数据的比值，见图3。

图3 3种纤维单掺时裂缝情况与素混凝土对比

由图3可见，3种纤维单掺均能有效减少混凝土早期裂缝的数量。尽管对于裂缝长度的控制效果不明显，但裂缝宽度却有较大改善，即纤维的掺入使得收缩裂缝朝着“小、细”方向发展。由于纤维自身特性不同，其阻裂效果也不一致。

结合表1中纤维长径比以及单掺纤维时混凝土裂缝降低系数（图4）进行分析。

图4 单掺纤维时混凝土裂缝降低系数

由图4 可知：①PF 对于混凝土早期收缩裂缝的控制效果最佳，随着掺量提高，裂缝降低系数为81.96%，且此时未必达到峰值，受限于此次掺量组合的设置其性能也许尚未完全发挥。PF 之所以早期控裂效果好，可能是因为其长径比最大、尺寸小，可有效增大纤维与混凝土基体间的摩擦力，同时阻碍裂缝发展。②CTF 控制早期收缩裂缝的效果次之。掺量1.5 kg/m3时裂缝降低系数最大，其值为41.1%，此后裂缝降低系数持续降低，可能是由于高掺量下CTF 在混凝土中不易均匀分散，聚合成团，致使混凝土内部薄弱界面增加，有利于裂缝发展。③VS对早期收缩裂缝控制效果最差。掺量2.0 kg/m3时裂缝降低系数最大，其值仅36.93%。VS 掺量较小时有一定的阻裂作用，但掺量提高后VS 反而促进裂缝发展。主要是由于VS 长径比小，且其尺寸相比CTF、PF 大很多，其“短、粗”特性对于早期抗裂无益，反而会使其与混凝土接触界面增大，有利于裂缝的发展。

鉴于此，单掺时第8 组（PF 掺量3.5 kg/m3）效果最佳，与素混凝土相比最大裂缝宽度降低75%，裂缝数量降低37.5%，裂缝总面积降低81.96%。

2.2 纤维混掺

1）混杂效应增强系数

为了定量研究3种纤维混掺对于混凝土耐久性能的影响，借鉴纤维对于混凝土强度混杂效应的相关研究［11-12］，引入混凝土耐久性混杂效应增强系数R。

式中：η为混掺时纤维对裂缝降低的贡献率，数值上等同于裂缝降低系数；ηi为单掺i纤维时混凝土的裂缝降低系数（i纤维的单掺掺量与混掺中i纤维的掺量相等）；φi为混掺时i纤维质量掺量所占纤维总质量掺量百分比；Mi为混掺时i纤维的质量掺量；M为混掺时纤维总质量掺量。

R＞0 时，定义为正混杂效应；R＜0 时，定义为负混杂效应。

2）混杂效应分析

将纤维混掺5 种组合的试验结果代入式（3）—式（5）可得R，见表5。可见：与素混凝土相比，CTF，PF，VS 的混掺可增长混凝土的抗裂性能；双掺和三掺对早期抗裂性能均能产生正混杂效应。

表5 纤维混掺5种组合R对比

纤维混掺5种组合与单掺最优配比的裂缝降低系数对比见图5。

图5 纤维混凝土裂缝降低系数

由表5和图5可见：

①CTF 和PF 混掺，从12 组到13 组CTF 掺量增加0.2 kg/m3时R减小了0.266；从13组到14组PF掺量增大1.5 kg/m3时R反而增大了0.025，可见CTF 对R的贡献更大。

②对比13 和15 组，掺入VS 后，3 种纤维共同作用发挥各自优势，促进裂缝降低系数增大38.74%，且掺量2.0 kg/m3的VS 对R贡献可高达0.365；对比14 和16 组，掺量2.5 kg/m3的VS 对R贡献仅有0.135，即低掺量的VS对R贡献更大。

③尽管CTF，VS 单掺时表现一般，甚至VS 反而会促进裂缝发展，但混杂时CTF，VS 可与PF 互相补强，充分发挥各自优势增强阻裂效果。此外，CTF，VS 掺量较小时阻裂效果更好。12 和15 组分别为双掺与三掺时总掺量最低的组合，但其R最高，且与同类型掺杂情况相比裂缝降低系数不低，尤其15组的裂缝降低系数与16 组仅相差3.08%，但总掺量却减少了2 kg/m3。因此，建议采用15组的纤维配合比。

3 混杂纤维混凝土阻裂机理分析

由于水泥砂浆与骨料之间存在较薄弱的接触界面以及受毛细水的影响，混凝土在成型过程中会产生随机分布的微裂纹。混凝土内部水分蒸发的不一致导致不均匀的体积收缩，促使微裂纹进一步发展为裂缝。

根据表1 数据，PF 尺寸较小，且长径比在三者中最大，在混凝土中均匀分散时形成乱向支撑体系，其可减缓微裂纹端部的应力集中，避免微裂纹进一步扩展，减少裂缝源数量，大大降低裂缝面积，如图6所示。此外，乱向支撑体系也可有效保持泌水性，减小不均匀体积收缩。

图6 纤维混杂增强机理

VS 长径比最小，尺寸最大。高掺量的VS 掺入混凝土后，大幅增加了纤维与水泥砂浆的接触面积，可能导致在接触界面产生更多的裂缝，因此VS 对混凝土早期抗裂性能起负作用。

CTF 对早期收缩裂缝有一定控制效果，但远不如PF。

CTF，PF，VS 各有特性，单掺时对早期收缩裂缝的控制效果不同，混掺时3 种纤维能优势互补。CTF 与PF能共同遏制微裂纹的扩展，而在微裂纹不断扩展形成裂缝时，VS 可充分发挥纤维的“桥接”作用，与其他2 种纤维的性能形成互补，发挥出较好的混杂增强效应。

4 结论

本文通过早期抗裂试验对纤维混凝土早期抗裂性能进行研究，得出结论如下：

1）单掺时，3 种纤维中PF 对混凝土早期收缩裂缝控制效果最佳，纤维掺量3.5 kg/m3时裂缝降低系数可达81.96%；CTF 对早期收缩裂缝有一定控制效果，但远不如PF；VS 由于尺寸最大、长径比最小会促使裂缝的产生，对混凝土早期抗裂性能起负作用。

2）双掺、三掺均能对混凝土早期抗裂性能产生正混杂效应。CTF，PF 能共同遏制早期微裂纹的扩展，VS能在微裂纹扩展形成裂缝时发挥“桥接”作用，与其他2 种纤维的性能形成互补，发挥出较好的混杂增强效应。

3）按CTF 掺量1.2 kg/m3、PF 掺量2.0 kg/m3、VS 掺量2.0 kg/m3进行混掺能产生最佳的正混杂效应，在节约成本的同时极大增强混凝土的早期抗裂性能。