駱靜靜，王涌，范志勇，秦瓊

（1.蘇州混凝土水泥制品研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004；2.蘇州市聯(lián)勝置業(yè)有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

混凝土作為目前用量最大的建筑材料之一，由于其自身的脆性特征， 在建設(shè)和使用過程中出現(xiàn)立刻不同程度、不同形式的裂縫。 這些裂縫不僅影響建筑物外觀， 更危及建筑物的安全性和耐久性。 用纖維增強(qiáng)混凝土來提高混凝土抗裂性和韌性，是目前國際上一致認(rèn)可的有效方法。

美國混凝土協(xié)會（ACI）對“纖維增強(qiáng)混凝土”定義[1]為：“纖維增強(qiáng)混凝土是含有細(xì)集料或粗、細(xì)集料的水硬性水泥與非連續(xù)性的分散性纖維組成的混凝土”。 用于增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的纖維，品種眾多，按照纖維模量不同可以分為高彈模纖維和低彈模纖維[2-3]。 由于不同品種纖維的物理力學(xué)性能之間存在差異，因此對混凝土的改善效果也不同。

本文介紹選用聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維、玄武巖纖維和鋼纖維四種不同品種纖維，用脆性系數(shù)、抗彎韌性和收縮變形來評價混凝土的抗裂性能， 采用接觸法和圓環(huán)法測定混凝土收縮變形，對比不同品種纖維對混凝土抗裂性能的改善效果，并分析其作用機(jī)理。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥：宜興天山P·O42.5 水泥；細(xì)骨料：中砂，細(xì)度模數(shù)2.4； 粗骨料：5～20 mm 連續(xù)級配碎石；外加劑：江蘇中凱萘系JC-2 高效減水劑（液劑），減水率25%；水：自來水；纖維選用聚丙烯纖維、聚丙烯醇纖維、玄武巖纖維、鋼纖維，見表1。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)配合比

基準(zhǔn)混凝土配合比為：水泥：砂：石：水=370:758:1047:185（kg/m3）；纖維體積摻量均為0.1%。 由于纖維摻入會使混凝土的稠度增大， 流動度下降，故制備過程中通過調(diào)節(jié)減水劑用量來控制塌落度在（180±20） mm 范圍內(nèi)。

表1 試驗(yàn)選用纖維物理力學(xué)性能

1.2.2 抗壓試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)

混凝土脆性系數(shù)試驗(yàn)包括立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂抗拉試驗(yàn)，及試驗(yàn)方法依據(jù)（GB/T50081-2002）《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試驗(yàn)用試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm， 每種纖維混凝土制作12 個試塊。

1.2.3 彎曲韌性試驗(yàn)

測定混凝土試件彎曲時的斷裂強(qiáng)度、彎曲韌性指數(shù)， 彎曲韌性試驗(yàn)及結(jié)果評定參照（CECS13：2009）《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，試驗(yàn)用試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm， 每種纖維混凝土制作6 個試件。

1.2.4 收縮試驗(yàn)

方法一：收縮試驗(yàn)按照（GB/T 50082-2009）《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》 中接觸法測試混凝土試件的收縮值， 試件尺寸為100 mm×100 mm×550 mm，每種纖維混凝土制作3 個試件。

方法二：參照ASTM C1581-2004 推薦的圓環(huán)法試驗(yàn)方法，結(jié)合張風(fēng)臣改進(jìn)型環(huán)形收縮試驗(yàn)方法[4-5]：試件在試驗(yàn)溫度（20±2）℃，相對濕度60%±5%條件下養(yǎng)護(hù)6 h 后小心拆除內(nèi)外環(huán)模具，養(yǎng)護(hù)1 d 后拆除內(nèi)外模，在混凝土環(huán)外側(cè)貼電阻應(yīng)變片，用靜態(tài)電阻應(yīng)變儀記錄混凝土外環(huán)應(yīng)變值。 試件尺寸：內(nèi)徑305 mm，外徑425 mm（壁厚60 mm），高度為100 mm，每組圓環(huán)試塊為3 個。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 收縮變形

接觸法采用臥式混凝土收縮儀測定混凝土收縮值，試驗(yàn)采取每天測量并記錄。 不同種類纖維混凝土收縮率隨齡期的變化規(guī)律見圖1。 圓環(huán)法連續(xù)實(shí)時記錄混凝土的應(yīng)變動態(tài)，更為準(zhǔn)確地反映混凝土的收縮變形情況，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖1 試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著齡期的增長，混凝土的收縮值逐步增長。 前期收縮率變化較快，后期增長程度逐漸平穩(wěn)，收縮值趨于平穩(wěn)。 試驗(yàn)結(jié)果顯示纖維混凝土收縮率均小于基準(zhǔn)混凝土，減小混凝土收縮值效果最好的聚丙烯纖維， 其次是玄武巖纖維、聚乙烯醇纖維、鋼纖維。

圖1 不同種類纖維混凝土收縮值

圖2 不同種類混凝土收縮應(yīng)變值

由圖2 可知， 混凝土應(yīng)變值變化趨勢，7 d 養(yǎng)護(hù)期內(nèi)的混凝土的應(yīng)變值變化比較快，7 d 后混凝土應(yīng)變值增長幅度減緩，14 d 后應(yīng)變值逐漸平穩(wěn)?；鶞?zhǔn)混凝土的應(yīng)變值最大，纖維混凝土的應(yīng)變值均小于基準(zhǔn)混凝土。 聚丙烯纖維混凝土的應(yīng)變值最小，即說明聚丙烯纖維對混凝土收縮性能改善最明顯， 鋼纖維混凝土應(yīng)變值始終大于其它纖維混凝土，鋼纖維改善收縮作用效果最差。

兩種試驗(yàn)方法得到的規(guī)律完全一致：纖維可改善混凝土的收縮性能， 減少混凝土的早期開裂概率。 基于纖維間距理論和復(fù)合材料理論，分析纖維改善混凝土抗裂性能的原因[6-8]：眾多亂象分布的纖維在混凝土中形成三維支撐體系， 阻止骨料下沉，提高混凝土的均質(zhì)性等內(nèi)在品質(zhì)，減少水分散失，防止開裂；纖維的加入增強(qiáng)了混凝土的變形能力，減少早期塑性開裂的概率。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，不同纖維品種對混凝土收縮性能的改善效果存在差異。 分析認(rèn)為，存在這種差異的原因在于纖維在混凝土內(nèi)部形成三維亂向體系不僅可以有效阻隔水分散失的通道，減少或延緩混凝土內(nèi)部水分的散失，而且可以改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)，減小混凝土的收縮應(yīng)力，這是纖維降低混凝土收縮的重要原因[9]。從纖維材料的幾何尺寸上來看，聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維、玄武巖纖維的直徑遠(yuǎn)小于鋼纖維，同體積摻量的情況下，混凝土內(nèi)直徑尺寸較小的纖維數(shù)量較多，比表面積較大，纖維表面的吸附水較多， 減小混凝土內(nèi)部水分的散失，因此改善混凝土收縮的效果較好。

2.2 脆性系數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d 取出混凝土試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。 抗壓（劈拉）增強(qiáng)系數(shù)為纖維混凝土抗壓（劈拉）強(qiáng)度與基準(zhǔn)無纖維混凝土抗壓（劈拉）的比值，數(shù)值＞1 表示纖維起正效應(yīng)增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度，＜1 表示纖維起負(fù)效應(yīng)降低混凝土強(qiáng)度。脆性系數(shù)為抗壓強(qiáng)度與劈拉強(qiáng)度之比，其值越低，混凝土的脆性越小，韌性越大，抗裂性越好。

表2 纖維混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度

表2 試驗(yàn)結(jié)果顯示，只有鋼纖維對混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)正效應(yīng)，抗壓強(qiáng)度比基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度稍有提高，提高幅度為3.1%；其余纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度均低于基準(zhǔn)組，聚乙烯醇纖維混凝土的降幅為0.5%，玄武巖纖維混凝土的降幅約2.6%，聚丙烯纖維的降幅最大，降低幅度達(dá)到了9.2%。

纖維混凝土的劈拉強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)混凝土，實(shí)現(xiàn)結(jié)果顯示： 纖維可以明顯地提高混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度。與基準(zhǔn)組相比，鋼纖維對混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度提高幅度分別為36.4%； 玄武巖纖維對劈拉強(qiáng)度的提升幅度分別為13.8%； 提升效果最差的是聚丙烯纖維，提升幅度為1.9%。 一般混凝土理論認(rèn)為[10]：纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度由混凝土基材和纖維兩部分承擔(dān)， 初始受力時受力主體是混凝土基體，隨著應(yīng)力的增大混凝土出現(xiàn)裂縫、橋連裂縫的纖維開始承擔(dān)荷載，荷載超過纖維與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度或纖維的破壞強(qiáng)度時， 混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到極限。本試驗(yàn)結(jié)果也顯示，高彈模、高抗拉強(qiáng)度的纖維因?yàn)榫哂休^高的變形能力和斷裂強(qiáng)度對混凝土的劈拉強(qiáng)度提高更為顯著。

表2 說明， 纖維降低了混凝土的脆性指數(shù)，脆性指數(shù)由低到高依此是鋼纖維混凝土、玄武巖纖維混凝土、聚丙烯纖維混凝土、聚乙烯醇纖維混凝土。分析不同纖維脆性系數(shù)差異的原因，有研究認(rèn)為纖維的彈性模量直接決定了纖維在混凝土中所承擔(dān)的應(yīng)力份額的多少，纖維的彈性模量與混凝土彈性模量的比值越大，受力時纖維的變形越小，通過纖維與混凝土截面的剪切應(yīng)力而傳遞給纖維的力的份額越高[11]。 在本試驗(yàn)中鋼纖維的彈性模量最大，在劈拉試驗(yàn)中承受的應(yīng)力最大，通過自身的變形分散了混凝土截面的剪切應(yīng)力，提高了混凝土的劈拉強(qiáng)度，減小了混凝土的脆性系數(shù)。

2.3 彎曲韌性

試驗(yàn)采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法， 記錄混凝土荷載-撓度曲線，以韌性指數(shù)I5、I10、I20作為評價依據(jù)。韌性指數(shù)根據(jù)ASTM C1018 韌性指數(shù)法計(jì)算[12]，利用理想彈塑性作為材料韌度參考指標(biāo)，初裂撓度的3 倍、5.5 倍和10.5 倍的荷載-撓度所包含的面積與處裂時荷載撓度對應(yīng)的面積的比值就是韌度指數(shù)I5、I10、I20。 對于理想彈塑性體，I5、I10、I20分別等于5、10、20，對于理想脆性材料，I5、I10、I20均為1。 不同品種纖維混凝土的初裂強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度和韌性指數(shù)結(jié)果見表3。

表3 纖維混凝土彎曲韌性指標(biāo)

試驗(yàn)結(jié)果顯示，纖維混凝土初裂強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度由高到低依此為：鋼纖維、玄武巖纖維、聚乙烯醇纖維、聚丙烯纖維。與基準(zhǔn)混凝土相比，聚丙烯纖維對混凝土的初裂強(qiáng)度稍有提高，但是對于抗彎拉強(qiáng)度沒有積極的貢獻(xiàn)。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算各纖維混凝土韌性指數(shù)見圖3。 由圖3 可以看出彎曲韌性由好到劣的順序是：鋼纖維混凝土、玄武巖纖維混凝土、聚乙烯醇纖維混凝土、聚丙烯纖維混凝土、基準(zhǔn)混凝土。數(shù)據(jù)結(jié)果表明：高彈性模量的纖維可以明顯改善混凝土的彎曲韌性。

圖3 不同纖維混凝土韌性指數(shù)

混凝土受彎曲荷載作用會產(chǎn)生微細(xì)裂縫，裂縫擴(kuò)展會受到混凝土內(nèi)部纖維網(wǎng)狀系統(tǒng)的阻擋，難以形成大裂紋或貫通裂縫。 詳細(xì)描述纖維增韌作用為：纖維混凝土受彎時，纖維起到承擔(dān)拉力并保持基體裂縫緩慢擴(kuò)展的作用，混凝土基材出現(xiàn)大量分散裂縫，混凝土基體退出工作，纖維以自身的變形能力來繼續(xù)抵抗外力的拉拔作用， 材料韌性增強(qiáng)，直到纖維被拉斷或從基體拔出[13-14]。 纖維延緩了混凝土的開裂破壞，提高了混凝土彎曲韌性。

試驗(yàn)結(jié)果顯示不同纖維對混凝土的增韌效果大不相同，分析產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因在于：低、中彈性模量的纖維由于自身剛度較小，和高彈性模量的鋼纖維相比， 在混凝土內(nèi)不能形成有效的空間骨架，因此對混凝土彎曲韌性改善不明顯[15]。 因此高彈性模量纖維如鋼纖維、玄武巖纖維對混凝土的彎曲韌性改善效果更明顯；而低彈性模量纖維如聚丙烯纖維和聚乙烯醇纖維對混凝土的彎曲韌性增強(qiáng)作用最弱。

3 結(jié)論

（1） 纖維對混凝土抗壓強(qiáng)度很難起到增強(qiáng)作用，研究發(fā)現(xiàn)，只有鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度可提高約4%， 其他纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)下降，聚丙烯纖維混凝土的降幅最大達(dá)10.6%。

（2）纖維可提高混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度和彎曲韌性、降低混凝土的脆性系數(shù)。 改善效果按照鋼纖維、玄武巖纖維、聚乙烯醇纖維、聚丙烯纖維次序遞減。高彈性模量的纖維提升效果好于中低彈性模量的纖維。

（3）纖維可以改善混凝土的收縮性能，低彈性模量、直徑尺寸較小的纖維對混凝土的收縮性能改善效果更好，改善效果按照聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維、玄武巖纖維、鋼纖維依此遞減。

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