膨胀剂与纤维增强混凝土抗裂性的研究

赵明哲,陈 鹏,唐龙龙,唐 雷，陈李峰

(1. 中交第三公路工程局有限公司 北京市 101300； 2. 南京华路工程设计有限公司 南京市 210000；3.江苏中路工程技术研究院有限公司 南京市 210000)

0 引言

随着建筑业的发展，人们对混凝土材料的抗裂性要求越来越高，混凝土抗裂性能的研究也逐渐增多[1]，这些研究主要集中在纤维、膨胀剂等功能材料对混凝土性能的影响，在混凝土结构设计中很少考虑混凝土的抗拉强度，对于混凝土的抗裂性，仅仅研究其抗拉强度是不够的，拉伸强度和变形能力都是抗裂研究的重要内容，特别是当拉应力超过其极限拉应力，需在研究混凝土轴向拉应力-应变过程的基础上，探究混凝土裂缝的形成、宽度和演变、应力和变形等特征[2]。

徐立斌[3]通过轴向拉伸性能试验，研究了玄武岩和聚丙烯混杂纤维混凝土的力学性能，得到了试件的拉伸应力-应变曲线，建立了本构方程；王振波等[4-5]研究了钢纤维体积、长度比、类型和活性粉体对低体积分数混合纤维混凝土拉伸性能影响；李莉等[6-7]通过拉伸试验得到了活性粉末混凝土的轴向抗拉强度和应力-应变关系，建立了轴向拉伸应力-应变关系的数学模型。

目前，混凝土抗裂性研究主要集中在掺纤维混凝土的力学性能上，有一定局限性，论文通过轴向拉伸试验，研究了掺玄武岩纤维和钙镁膨胀剂混凝土的应力-应变曲线，建立了本构方程，为抗裂混凝土的研究和应用提供了理论依据，为分析计算提供了参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验原材料

P·O 42.5普通硅酸盐水泥和粉煤灰由南京某有限公司生产，12mm短切玄武岩纤维由上海某公司生产，其性能见表1，钙镁膨胀剂由山东某公司提供，主要含有氧化钙和氧化镁，二者约占90%以上；粗细骨料为玄武岩石子和天然河砂，均来自南京，石子粒径为5～20mm。

表1 玄武岩纤维的性能

1.2 试验配合比设计

试验研究采用C40混凝土，其中水泥、砂、石子及聚羧酸减水剂用量均固定为296kg、767kg、1150kg和4.5 kg，每组试验所掺加膨胀剂、纤维和水见表2。

表2 混凝土配比 kg/m3

1.3 试验方法

混凝土轴向拉伸应力-应变试验的试件尺寸为100mm×100mm×200mm，螺纹钢直径为16mm，其嵌度为50mm，延伸长度为100mm，加载速度为0.05～0.08 MPa/s，位移计放在试件两侧，然后将位移计与DHDAS静应变测试系统连接，记录混凝土变形数据，试验装置如图1所示。

图1 轴向拉伸应力-应变试验装置

2 试验结果和讨论

2.1 试件开裂过程及破坏方式

抗裂混凝土轴向拉伸破坏过程如图2所示。

图2 混凝土抗拉破坏图

在试验中，大多数试件出现裂缝是一致的，基本上出现在中直截面。当荷载接近峰值时，会出现横向小但可见裂缝。随载荷增加，裂纹不断扩展，其宽度也随之增大；当荷载达到峰值点时，应力为抗拉强度，相应的应变为峰值应变。随载荷进一步增加，曲线开始下降，表面的裂纹宽度增加和扩展，然后试样突然断裂，下降段曲线并不理想。

2.2 混凝土的应力-应变曲线

掺膨胀剂和纤维抗裂混凝土的轴向拉伸应力-应变曲线如图3所示。

图3 混凝土轴向拉伸应力-应变曲线

由图3可见，各组混凝土的轴向拉伸应力-应变曲线趋势大致相同，但该曲线上的特征点不同。试验结果表明，玄武岩纤维和膨胀剂的掺量对混凝土的延性和峰值应力有影响，同时掺加纤维和膨胀剂后，混凝土轴向拉伸应力-应变曲线上升段变化不明显，但下降段斜率比未掺的(Y0)缓和很多。随纤维量增加，减小截面逐渐变慢，断裂点应变逐渐增大；当混凝土出现裂缝时，纤维可承受部分拉应力，降低了混凝土脆性开裂的风险。

2.3 混凝土轴向拉应力-应变曲线特征点分析

2.3.1应力-应变曲线的峰值点

混凝土轴向拉应力-应变曲线的峰值点是混凝土破坏前承载力和变形能力最直接表现，峰值处应力值越大，轴向抗拉强度越大，峰值对应的应变越大[8]，说明塑性应变能力越大，混凝土的抗裂性越高，各组的峰值应力和应变如图4和图5所示。

图4 曲线峰值应力

图5 曲线峰值应变

由图4可见，除Y3外，其他混凝土轴向拉伸峰值应力明显比未掺纤维和膨胀剂Y0的要高，这是因为纤维和膨胀剂可显著提高峰值应力，即通过添加纤维和膨胀剂可大大提高混凝土最大抗拉强度，其中Y1的峰值应力最高，比普通混凝土提高了约52%。

由图5可见，纤维和膨胀剂对混凝土的峰值应变也有明显的影响，表明纤维和膨胀剂的同时添加对提高混凝土的韧性和塑性变形能力有明显的作用。与普通混凝土相比，Y3的峰值应变增加了16.1%，但峰值应力下降了4.3%。可能的原因是Y3纤维掺量较大，随纤维掺量增加，纤维在混凝土中分布均匀性下降，导致混凝土抗拉强度下降。

2.3.2初始弹性模量和断裂点

初始切线模量是曲线上升段的斜率，一般是从初始点到弹性极限的线性段，即初始拉伸弹性模量。初始模量越小，拉伸变形能力越好，断裂点是混凝土断裂时的应变点。断裂点应变越大，混凝土的延性和变形性能越好，各组断裂点的初始拉伸模量和应变如图6和图7所示。

图6 混凝土初始拉伸模量

图7 混凝土断裂点应变

由图6可见，初始拉伸切线模量受纤维和膨胀剂同时添加影响，变化范围较小。但纤维和膨胀剂的双掺可降低初始拉伸切线模量，提高弹性变形性能，由于混凝土是一种脆性材料，其弹性变形能力变化不大。

从图7可见，纤维和膨胀剂的加入对断裂点的应变有很大影响，大大提高了断裂点应变值，较普通混凝土分别提高了102.2%、306.1%、291.7%、74.4%和95.1%，研究表明复掺纤维和膨胀剂混凝土的延性有显著的增强作用，抗裂性能明显提高。

2.4 因素分析与本构方程的确定

通过范围分析探讨不同因素对混凝土不同特性的影响，因素A、B、C分别指水胶比、钙镁膨胀剂掺量和玄武岩纤维掺量，选择峰值应力、应变和初始拉伸模量进行分析，R1、R2、R3为各水平的极差，分析如图8所示。

由图8可见，随水胶比增加，峰值应力、应变和拉伸弹性模量逐渐减小。随膨胀剂用量增加，峰值应力应变先增大后减小，弹性模量先减小后增大，最佳含量为7%。这是因为膨胀剂水化作用形成的钙矾石和水镁石等膨胀晶体，使内部结构更加致密，提高了强度和变形性能。若掺加过高，导致过分膨胀，膨胀应力超过混凝土抗拉强度，导致内部产生微细裂缝，直接影响混凝土的抗拉强度及变形性能。

图8 因素分析

纤维作用类似于膨胀剂，随纤维含量增加，峰值应变增大，弹性模量逐渐减小。纤维可大大提高混凝土塑性变形能力，峰值应力先增大后减小，最佳含量为1%，当纤维含量过大时，就需要较多水泥浆体来包裹纤维，那么水泥浆就不能有效地包裹骨料，一些骨料与骨料之间或骨料与纤维间无固定水泥连接，导致这些区域的应力集中，强度大大降低，范围分析表明，纤维对峰值应力、应变和弹性模量的影响较大，其次是膨胀剂。

根据郭振海[9]提出的混凝土拉伸应力-应变曲线两阶段模型，通过调整本构参数，拟合掺纤维和膨胀剂混凝土无量纲应力-应变图，本构方程如下。

y=αx+(1.5-1.25α)x2+(0.25α-0.5)x6

(1)

(2)

式中：α和β分别为曲线上升段和下降段的参数。

曲线拟合后的本构参数如表3所示。

表3 每组混凝土的组成参数

3 结论

(1)随纤维掺加，混凝土的拉伸应变和拉伸应力增加，拉伸弹性模量降低。玄武岩纤维可有效地提高混凝土的拉伸强度、韧性和延性。钙镁膨胀剂也能提高混凝土的强度、韧性和延性。结果表明，当纤维和膨胀剂的掺量为1%和7%时，效果最好。水胶比可降低混凝土的峰值应力、应变和拉伸弹性模量。

(2)玄武岩纤维对曲线上的峰值应力、应变和拉伸弹性模量的影响最大，其次是水胶比，最后是钙镁膨胀剂。

(3)添加玄武岩纤维和钙镁膨胀剂后，轴向拉伸应力-应变本构方程参数减小，表明上升段和下降段变慢，韧性和延性提高。当纤维和膨胀剂的掺量分别为1%和7%时，上升段和下降段α和β分别为0.4和0.23。