钢纤维混凝土早期抗裂性能应用研究

孙 彰，肖新瑜，罗人宾

（1、深圳地铁建设集团有限公司 深圳 518035；2、广州城市理工学院 广州 510800）

0 引言

混凝土开裂是工程中普遍存在的现象，主要由外荷载和变形引起［1］。裂缝的开展源于裂缝处材料的最大拉应力大于实际抗拉强度，对超长结构和超大尺寸结构而言，混凝土的裂缝中有80%是非荷载因素造成的［2］。结构在约束状态下，承受混凝土收缩应力和温度应力的影响，在早期容易出现收缩裂缝和温度裂缝［3］。《混凝土结构设计规范：GB 50010—2010》［4］中规定，为减小收缩与温度变化等因素引起开裂，混凝土结构设置伸缩缝的最大间距建议值为30 m。但随着社会经济的发展，我国公建项目的体量越来越大，但有些特殊的大体量结构，如地铁工程结构，受结构功能和环境因素制约，变形缝相对其他建筑结构更容易出现渗漏水现象，一般采用不设或少设伸缩缝处理，从而也导致需要承受车辆动荷载的地铁工程车辆段的侧壁和上盖的尺寸远超过文献［4］要求，因此需要有较为有效的防裂措施保证混凝土不出现早期裂缝。目前国内外常见的混凝土防裂措施有3 种［5］：预应力混凝土、纤维混凝土和收缩补偿混凝土。其中纤维混凝土主要有钢纤维和聚丙烯纤维、PVA 纤维等。混凝土中掺入纤维，能在混凝土内部形成较为均匀的乱向支撑体系，提高混凝土的粘聚性，有效抑制混凝土开裂方向的任意性，减少裂缝的宽度和数量［6-10］。

目前工程领域中，采用聚丙烯纤维、PVA 纤维进行工程运用较多，对钢纤维的实际运用案例较少，本文结合深圳地铁某车辆段大平台混凝土顶板项目，对掺加了钢纤维的混凝土和常规抗渗混凝土进行对比研究，比对现场试验和抽样试验结果，探索大分块混凝土结构抗裂能力的提升方法，为类似工程提供参考借鉴。

1 工程概况

深圳地铁某车辆段位于沈海高速公路以北，秀沙路以西，淡水河南侧，占地面积约为40.73 公顷，车辆段预留上盖物业开发条件并设置2 座上盖桥梁，主要包含大架修库、运用库、物资总库、咽喉区、综合体等18个盖内外建筑单体，如图1所示。

图1 深圳地铁某车辆段平面示意图Fig.1 Plan Diagram of a Shenzhen Metro Depot

该车辆段上盖平台建筑面积为237 298 m2，平面尺寸可长达400～500 m，宽200～300 m。为减少变形缝数量，兼顾塔吊作业范围，大平台顶板共分为11 个施工区，平均每块面积约21 000 m2，如图2所示。分块后的11 个板块仍属于大平台分块，远超过文献［4］建议的最大变形缝间距30 m的要求［3］。其中施工七区采用添加钢纤维的混凝土，为试验区，施工一区采用未添加钢纤维的普通商品混凝土，混凝土等级为C35，抗渗等级为P6，为对比区。两个施工区板厚均为200 mm，均根据施工需要设置二级分区，二级分区面积相近，均为2 500 mm2左右，二级分区预留后浇带，以有效释放混凝土收缩成型变形能，后浇带宽800 mm，间距为30～50 mm［11］，混凝土早期约束条件相近。

图2 深圳地铁某车辆段施工分区Fig.2 The Construction Division of a Shenzhen Metro Depot

2 现场试验

2.1 钢纤维混凝土配置

本工程试验块所采用的混凝土需考虑工程经济性，添加的钢纤维含量应满足并贴近《纤维混凝土应用技术规程：JGJ∕T 221—2010》［12］5.3 节钢纤维混凝土的纤维体积率下限要求，同时减少原材料中的胶凝材料，优化前后的材料配量如表1所示：胶凝材料用量从原配合比336 kg 调整到295 kg，粉煤灰占胶凝材料总量20%以内，添加30 kg 普通钢纤维，纤维长度20～60 mm，直径0.3～0.9 mm，长径比30～80 之间，钢纤维体积率为0.38%，贴近文献［12］规定的普通钢纤维混凝土中的纤维体积率下限要求0.35%。优化前后的水胶比相当，保证混凝土强度相当。

表1 优化前后的材料配量Tab.1 Material Allocation before and after Optimization

对钢纤维混凝土采用强制式搅拌机搅拌，为了保证纤维均匀分散在混凝土中，先将纤维和粗、细骨料干拌，以较好打散钢纤维，再加入其他材料共同湿拌。保证优化前后的混凝土拌合物具有良好的和易性，不得离析、泌水或纤维聚团，保证钢纤维混凝土和普通混凝土的坍落度相当。

纤维混凝土在运输过程中不应离析和分层。当纤维混凝土拌合物因运输或等待浇筑的时间较长而造成坍落度损失较大时，需在卸料前掺入适量减水剂进行搅拌，但不得加水。可泵性应符合现行行业标准《混凝土泵送施工技术规程：JGJ∕T 10—2011》［13］的规定。

2.2 混凝土应变监测与分析

混凝土收缩和温度变化均会引起结构板在平面内的变形，大平台结构顶板厚度200 mm，混凝土本身已具备较好的散热条件，与外环境温差小，降温速率适中。因此忽略温度应力引起结构开裂，主要考虑大尺寸结构收缩应力的影响。

为了验证钢纤维混凝土和普通混凝土对收缩应力的影响，本项目对试验区和对比区分别预埋了12个传感器，位置为：在顶板上部钢筋处共布置4 个点位，每个点位沿平行于长边和垂直于长边两个方向各布置1个传感器，共计8个传感器，在下部钢筋处共布置2 个点位，每个点位沿平行于长边和垂直于长边两个方向各布置1 个传感器，共计4 个传感器。如图3 所示，奇数表示水平方式的应变片编号，偶数表示竖直方向的应变片编号，实心表示应变片放置于板底，空心表示应变片放置于板顶。本文采用的测试点编号为：YL2-应变片编号。普通混凝土监测时间为9 d，钢纤维混凝土监测时间为17 d，采集仪每间隔30 min 自动采集数据并上传至安全监测云信息平台。

图3 监测点编号Fig.3 Monitoring Point Number

2.2.1 确定应变零点及有效数据

实际应变零点的确定关系到测量数据的准确性。为准确确定应变零点，该项目同一板块保证同天完成浇筑，但由于混凝土不可能在同一时间统一浇筑完成，浇筑过程中存在时间差导致测量数据具有滞后性，并且应考虑浇捣过程中存在着对测试点位置的扰动，因此采用温度数据突变和相对应变数据突变相结合的方式确定实际应变零点。

以YL2-10为例，如图4 所示，传感器测量的初始温度为19.98 ℃，该温度为钢纤维混凝土开始浇筑时的大气温度。该初始温度下实验仪器记录应变零点。在0.7 d的位置，略微下降的温度曲线出现温度突变，处于相对零点左右的相对应变曲线出现了突变，对应温度22.12 ℃为实际的入模温度，与入模温度相对应的点A为实际的应变零点位置。普通混凝土在大气温度为26.57 ℃时开始进行浇筑，传感器测量开始测量数据，并记录为应变零点。在0.2～0.3 d的位置，略微下降的温度曲线出现温度突变，处于相对零点左右的相对应变曲线出现了2 个较大突变，可以考虑此时浇筑对应变片产生扰动作用，可以确定34.45 ℃为实际入模温度，点B为实际的应变零点位置。

图4 YL2-10入模温度与实际应变零点位置Fig.4 Mold Entry Temperature and Actual Strain Zero Position of YL2-10

YL2-1 与YL2-2 数据缺失，无法准确获得普通混凝土的大气温度，其他测点对应的大气温度、入模温度如表2 所示。钢纤维混凝土对应的大气温度在19～25℃之间，入模温度为25～32 ℃；普通混凝土对应的大气温度为26～29 ℃，入模温度为30～45 ℃，根据混凝土入模温度不宜超过35 ℃的要求，选择YL2-3及YL2-10作为比对的有效数据进行分析，并以入模温度确定实际应变零点进行数据分析。

表2 测试点大气温度及入模温度Tab.2 The Atmospheric Temperature of the Test Point and the Temperature of the Mold （℃）

考虑应变片安装位置、传感器稳定性因素的影响，对钢纤维混凝土及普通混凝土关于温度-相对应变分析，剔除测量过程中的畸变点，保证数据的可靠性。

2.2.2 应变数据分析

如表3 所示，对比YL2-3 与YL2-10 试验点的入模温度和大气温度的温度差后发现，钢纤维混凝土和普通混凝土的温度差集中在2～8℃之间，钢纤维混凝土温度差的平均值为4 ℃，普通混凝土的温度差平均值为5.6 ℃，钢纤维混凝土相对比普通混凝土，可以适当降低入模温度，但不存在明显优势。

表3 入模温度和大气温度的温度差Tab.3 The Temperature Difference between the Mold Temperature and the Atmosphere Temperature （℃）

结构的抗裂性能与混凝土的累计应变关系密切，在约束条件下大尺寸混凝土产生收缩变形中，支座处的早期开裂相对于其他部位更加明显，因此本文主要对支座处的YL2-3、YL2-4、YL2-7、YL2-8 的时间-累计负应变进行分析，其中普通混凝土监测时间为9 d，钢纤维混凝土监测时间为17 d，为保证时间的统一性，均采用前9 d的监测结果进行分析。

混凝土时间-累计应变如图5 所示，钢纤维混凝土数据分布较为集中，累计负应变的分布范围集中在（-100～100）με，普通混凝土累计应变分布范围集中在（-150～0）με。可以看出，在相同的约束条件和相同的板块尺寸条件下，钢纤维混凝土能有效减少初期应变量，达到较好的抗裂效果。

图5 混凝土时间-累计应变Fig.5 Time-accumulated Strain of Concrete

3 抽样试验

为进一步确定钢纤维混凝土早期抗裂性能，对昂鹅车辆段大平台顶板的混凝土现场取样，进行早期抗裂性能试验和收缩率试验。

3.1 早期抗裂性能试验

本试验采用尺寸为800 mm×600 mm×100 mm 平面薄板型试件进行早期抗裂试验，混凝土采用型号为SB-87 强制式单卧轴混凝土搅拌机制作，试验规程依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法：GB∕T 50082—2009》［14］。

本试验每组试件为2 个，分别定义为试件1 和试验2，对试件早期的抗裂结构根据文献［14］对裂缝名义面积、裂缝条数进行相关计算后，计算24 h 的混凝土早期抗裂性能试验结果，如表4所示。

从表4 可以看出，单个试件每条裂缝的平均开裂面积，钢纤维混凝土相对普通混凝土试件降低了近50%，但单个试件单位面积上裂缝数量，钢纤维混凝土并不存在绝对优势，裂缝数目与普通混凝土相当。由此可以得出结论：加入钢纤维的混凝土由于纤维本身具有较高的抗拉强度和与水泥有很好的粘结力，能够有效控制裂缝的扩展，早期抗裂强度明显优越于普通的混凝土，但采用以文献［12］下限的钢纤维含量对于控制裂缝数量效果不明显。

表4 混凝土早期抗裂性能试验结果（24 h）Tab.4 The Results of Early Crack Resistance Test of Concrete（24 h）

3.2 收缩率试验

本试验采用尺寸为100 mm×100 mm×515 mm 的试模进行收缩率试验，混凝土采用型号为SS-01 的收缩膨胀仪测量，试验期龄为移入恒温恒湿的室内环境后开始计算，试验规程依据文献［14］。

混凝土收缩率如图6 所示：试验7 d 内，钢纤维混凝土收缩率相对于普通混凝土的收缩率增长较慢，但28 d 后的钢纤维混凝土与普通混凝土收缩率基本相同，由此可以得出结论：钢纤维能有效抑制混凝土早期的收缩变形，但对混凝土后期收缩的抑制作用不存在明显优势。

图6 试验龄期-混凝土收缩率关系Fig.6 Relationship between Test Age and Concrete Shrinkage

4 结论

本工程针对大尺寸混凝土结构采取了多种措施进行裂缝控制，如优先采用水化热较低的混凝土，低收缩率、低开裂性、低泌水率的水泥胶凝材料等，保证工程结构能够满足一级抗渗防水要求，在此基础上对钢纤维混凝土的优越性进行了分析，可以得出以下结论：

⑴现场试验需要对应变量变化的分析，判断现混凝土入模温度及大气温度及实际的应变零点，该方法可为类似工程分析提供参考。

⑵用钢纤维混凝土可以适当降低入模温度。

⑶钢纤维能够有效减少初期应变量，提高早期的抗拉性能，控制裂缝的扩展，但对抑制裂缝数量效果不明显。

⑷加钢纤维能够有效控制混凝土的早期收缩变形，但对后期收缩的抑制作用不存在明显优势。

⑸钢纤维材料成本较高，考虑工程经济性，对于早期抗裂要求高或者无法避免需采用大尺寸的混凝土构件，对钢纤维的含量采用文献［12］下限即可达到减少应变的效果，提高抗裂能力。