趙 正，石建軍，施慧聰，劉國平，李 孜

(1.上海羅洋新材料科技有限公司，上海200092;2.柏葉口水庫建設管理局，山西 呂梁032299)

面板堆石壩的混凝土面板層屬于大面積薄壁混凝土結構，在高溫干燥天氣施工時容易因失水過快和內(nèi)外部的約束產(chǎn)生塑性收縮裂縫;在混凝土硬化后若養(yǎng)護不及時、不到位或者養(yǎng)護期已過，混凝土繼續(xù)失水，在凝膠分子表面張力、毛細管張力等因素作用下以及在內(nèi)外部的約束條件下易產(chǎn)生干燥收縮裂縫;因塑性收縮和干燥收縮引起的裂縫在日溫差、季節(jié)性溫差條件下，會產(chǎn)生相應的膨脹或收縮，在長期溫差應力作用下裂縫會繼續(xù)擴展.對于混凝土面板結構來說，裂縫會降低面板的抗?jié)B性能以及結構的耐久性能.在北方寒冷和嚴寒地區(qū)，混凝土面板還面臨著反復凍融循環(huán)的考驗，在凍脹應力作用下，混凝土易產(chǎn)生裂縫乃至剝落，影響面板的服役性能，嚴重的情況下影響結構的安全.

抗裂性、抗?jié)B性和抗凍性對于面板混凝土來說至關重要，改善混凝土的抗裂性、抗?jié)B性和抗凍性可以提高面板結構的服役性能、安全性以及服役壽命.通過纖維來提高混凝土的性能早已被工程界所接受，纖維素纖維作為新一代的工程纖維，因其天然的親水性、保水性以及與混凝土良好的相容性，在混凝土領域的使用日漸廣泛［1－5］.筆者針對纖維素纖維和聚丙烯纖維在大壩面板混凝土中的應用進行了相關研究.

1 試驗

1.1 試驗原材料及配合比

試驗采用山西柏葉口水庫大壩面板的原材料和混凝土配合比，水泥為P·O42.5普硅水泥，砂為細度模數(shù)為2.7的中砂，石子采用5～20 mm，20～40 mm二級配碎石.試驗中采用的纖維物理參數(shù)及力學性能見表1，采用的3種混凝土配合比見表2.

1.2 試驗方法

1)混凝土的工作性能和力學性能按《水工混凝土試驗規(guī)程》(DL/T 5150—2001)的相關規(guī)定進行測試.

2)混凝土受約束狀態(tài)下的塑性收縮裂縫按《纖維混凝土塑性裂縫標準測試方法》(ASTM C1579—06)的相關規(guī)定進行測試，試驗模具如圖1和圖2所示.

表1 纖維的物理參數(shù)及力學性能

表2 混凝土配合比kg/m3

3)混凝土砂漿基體硬化早期干燥收縮裂縫按如下方法進行測試:砂漿按水泥∶粉煤灰∶水∶砂=1∶0.25∶0.43∶1.71 的配比攪拌 3 min(水泥、粉煤灰、砂比例見表2，其中水扣除掉石子飽和面的含水率;減水劑、引氣劑和纖維摻量見表1)，3種砂漿編號分別為JZM，RSM和PPM，澆注在圖3所示硬化早期收縮開裂試驗模具中.試件是內(nèi)徑為150 mm、高為150 mm、厚度為20 mm的圓筒體，以外徑為150 mm、高為150 mm、厚度為30 mm的鋼制圓筒體置其內(nèi)部作為約束體.試件成型后經(jīng)標準養(yǎng)護3 d后取出，在溫度為70℃、濕度為20%的箱體內(nèi)進行加速干燥失水收縮開裂實驗，以升溫速10℃/h、恒溫1 h升溫至70℃，然后進行恒溫.測定試件失水速度，肉眼觀察試件是否出現(xiàn)開裂，當失水速度降至穩(wěn)定時結束試驗(約為70℃恒溫24 h).用讀數(shù)顯微鏡確定裂縫寬度，根據(jù)裂縫寬度d分段測量裂縫長度Li，根據(jù)表3列出的裂縫寬度權重值Wi，計算開裂系數(shù)C，

開裂系數(shù)C反映了砂漿基體硬化早期干燥收縮裂縫的總長度，單位為mm.

圖3 早期干縮裂縫試驗模具

表3 混凝土早期干燥收縮裂縫權重值

4)混凝土抗?jié)B性能和抗凍性能按《水工混凝土試驗規(guī)程》(DL/T 5150—2001)相關規(guī)定進行測試.

2 試驗結果與討論

2.1 工作性能和力學性能

混凝土的工作性能和力學性能指標見表4.

表4 混凝土的工作性能和力學性能指標

表4的試驗結果表明:纖維素纖維混凝土和聚丙烯纖維混凝土的坍落度比基準混凝土分別降低5 mm和25 mm，聚丙烯對混凝土坍落度的影響稍大，而纖維素纖維對混凝土坍落度的影響較小;纖維對混凝土含氣量的影響較小;纖維混凝土的力學性能比基準混凝土略有提高.

2.2 纖維對混凝土塑性收縮裂縫的影響

纖維對混凝土塑性收縮裂縫的影響結果見表5.

表5 纖維對塑性收縮裂縫的影響

表5中的減裂率為與基準混凝土裂縫面積相比纖維混凝土裂縫面積減少的百分比.由表5及圖4可知，在混凝土中摻入纖維能夠限制塑性裂縫的擴張和延伸，表現(xiàn)在纖維混凝土板裂縫的寬度和長度都比基準混凝土低.其中纖維素纖維混凝土板的裂縫寬度降低43.5%，裂縫長度減少75.6%;而聚丙烯纖維混凝土板的裂縫寬度降低41.3%，裂縫長度減少18.2%.從裂縫面積來看，纖維素纖維混凝土板比基準混凝土板減少86.2%，而聚丙烯混凝土板減少52%.

纖維在塑性狀態(tài)混凝土中的阻裂作用主要取決于單位體積混凝土中纖維的根數(shù)N、纖維的平均中心間距S與纖維的累計長度∑L.N值越大、S值越小、∑L值越大，則纖維的阻裂作用也越明顯［6－9］.由表6可知，纖維素纖維的N值和∑L值分別是聚丙烯纖維的17.8倍和2.1倍，而S值是聚丙烯纖維的0.375倍，根據(jù)上述規(guī)律可得出纖維素纖維在塑性狀態(tài)混凝土中的阻裂作用強于聚丙烯纖維，試驗結果也與此相符.

圖4 塑性裂縫情況

表6 纖維在混凝土中的分布參數(shù)

2.3 纖維對混凝土砂漿基體早期干燥收縮裂縫的影響

纖維對混凝土基體早期干燥收縮裂縫的影響結果見表7.

表7 纖維對早期干燥收縮裂縫的減裂效果

表7中的減裂率為與基準砂漿開裂系數(shù)相比摻纖維的砂漿開裂系數(shù)減少的百分比.由表7及圖5可知，2種纖維對早期干燥收縮裂縫均有一定的防裂作用，減裂率分別為66.7%和52.2%，纖維素纖維的防裂作用較好.這是因為纖維素纖維的彈性模量和抗拉強度均比聚丙烯纖維高(見表1)，而這兩個指標對控制早期干燥收縮裂縫十分重要.若要更好地控制早期干燥收縮裂縫，對纖維的彈性模量和強度指標要求較高，但目前看來，高彈性模量、高強度纖維的成本較高，在混凝土中應用較困難，因此開發(fā)出成本合理的高彈性模量、高強度纖維具有重要的實際工程意義.

2.4 纖維對混凝土抗?jié)B性能的影響

纖維對混凝土抗?jié)B性能的影響結果見表8.表8中的滲水高度指標為試驗水壓1.1 MPa時水滲入試件的高度.表8的試驗結果表明:纖維提高了混凝土的抗?jié)B性能，其中纖維素纖維使得混凝土抗?jié)B等級提高2個標號，聚丙烯纖維提高1個抗?jié)B等級，1.1 MPa水壓時滲水高度比分別為31.7%和55.8%.在混凝土早齡期抗拉強度較低時，混凝土內(nèi)部微裂縫容易擴展，而纖維通過橋聯(lián)搭接作用阻礙了混凝土內(nèi)部微裂縫的擴展和連通，從而減少了混凝土的滲水通道.纖維素纖維除了阻礙微裂縫擴展和連通之外，且具有一定的吸水性，有助于促進水泥水化，進而促使毛細孔細化，將部分有害孔轉(zhuǎn)化為無害孔，提高了混凝土的抗?jié)B性.

圖5 早期干燥收縮裂縫情況

表8 纖維對混凝土抗?jié)B性能的影響

2.5 纖維對混凝土抗凍性能的影響

纖維對混凝土抗凍性能的影響結果見表9.

表9 凍融循環(huán)后混凝土試件的相對動態(tài)彈性模量%

表9中的試驗結果表明:纖維的摻入提高了混凝土的抗凍性能，纖維混凝土均比基準混凝土提高了50個抗凍標號.混凝土受凍時產(chǎn)生凍脹應力，此應力促進了混凝土內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生和擴展，而纖維的摻入提高了混凝土凍融損傷過程中的能量損耗，抑制了微裂縫的擴展，延緩了混凝土損傷的過程，從而提高了混凝土經(jīng)受凍融循環(huán)的次數(shù)，這對提高混凝土面板的服役性能具有積極意義.

3 結語

1)纖維素纖維對混凝土坍落度的影響較小，聚丙烯纖維對混凝土坍落度的影響稍大;2種纖維對混凝土含氣量的影響幾乎可以忽略;與基準混凝土相比，纖維混凝土的力學性能略有提高，其中纖維素纖維的增強作用較好.

2)纖維素纖維在混凝土塑性階段具有顯著的減裂效果，減裂率達到86.2%;聚丙烯纖維的減裂率為52.0%，這是因為纖維素纖維混凝土的單位體積混凝土中纖維根數(shù)(N)、纖維平均中心間距(S)與纖維累計長度 (∑ L)等參數(shù)均優(yōu)于聚丙烯纖維.

3)纖維素纖維和聚丙烯纖維對早期干燥收縮裂縫具有抑制作用，減裂率分別為66.7%和52.2%.

4)纖維素纖維和聚丙烯纖維可以提高混凝土的抗?jié)B性，與基準混凝土相比，纖維素纖維混凝土的抗?jié)B等級提高了2個標號，聚丙烯纖維混凝土提高了1個標號.

5)纖維素纖維和聚丙烯纖維提高了混凝土的抗凍性，抗凍標號比基準混凝土的提高了50.

［1］ Ankit Bhargava，Nemkumar Banthia.Permeability of concrete with fiber reinforcement and service life predictions［J］.Materials and Structures，2008，41(2):363 －372.

［2］ Balaguru P.Contribution of fibers to crack reduction of cement composites during the initial and final setting period［J］.ACI Materials Journal，1994，91(3):280 －288.

［3］ Banthia N，Yan C，Mindess S.Restrained shrinkage cracking in fiber reinforced concrete:a novel test technique［J］.Cement and Concrete Research，1996，26(1):9－14.

［4］ Fisher A K，Bullen F，Beal D.The durability of cellulose fibre reinforced concrete pipes in sewage applications［J］.Cement and Concrete Research，2001，31(4):543 －553.

［5］ Macvicar R，Matuana L M，Balatinecz J J.Aging mechanisms in cellulose fiber reinforced cement composites［J］.Cement＆ Concrete Composites，1999，21(3):189 －196.

［6］孫偉，Mandel J A.纖維間距對界面層的影響［J］.硅酸鹽學報，1989，17(3):266 －271.

［7］劉國平，馬鷹，施慧聰，等.生態(tài)合成纖維抑制混凝土開裂性能的研究與應用［J］.混凝土，2006(10):41－44.

［8］沈榮熹，崔琪，李清海，等.新型纖維增強水泥基復合材料［M］.北京:中國建材工業(yè)出版社，2004:10－11.

［9］ Shiho Kawashima，Surendra P Shah.Early-age autogenous and drying shrinkage behavior of cellulose fiber-reinforced cementitious materials［J］.Cement＆ Concrete Composites，2011，33(2):201 －208.