張 云 杰

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

纖維混凝土廣泛應(yīng)用于我國(guó)各地的橋梁工程、水工建筑物中[1-3]。纖維的摻加可顯著改善混凝土的工作性能，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)纖維混凝土的抗裂性能進(jìn)行了研究并取得了大量成果。Qi C等[4]研究了不同摻量的聚丙烯纖維對(duì)混凝土早期開(kāi)裂的影響，摻加聚丙烯纖維使混凝土早期裂縫寬度大幅降低。Sivakumar等[5]對(duì)混雜纖維混凝土的收縮開(kāi)裂進(jìn)行了研究，在混凝土內(nèi)摻加纖維可明顯減少收縮裂縫，且非金屬纖維含量的增加可以在削弱混凝土部分工作性能的同時(shí)顯著提升其抗裂性能。邢通等[6]對(duì)不同摻量鋼-聚丙烯纖維混凝土的早期開(kāi)裂進(jìn)行了研究，混雜纖維可以發(fā)揮出正混雜效應(yīng)，提高早期抗裂能力。唐明等[7]采用平板法對(duì)聚丙烯纖維混凝土早期開(kāi)裂狀態(tài)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：隨著纖維摻量的增加、纖維長(zhǎng)度的增長(zhǎng)，其對(duì)混凝土的抗裂性能提升也越大。

PVA纖維模量高、強(qiáng)度高、耐酸堿，目前受到了廣泛關(guān)注和研究，摻加PVA纖維可以大幅度提高混凝土的抗拉能力、增強(qiáng)混凝土的抗裂性和耐久性[8-16]，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命。目前國(guó)內(nèi)PVA纖維混凝土多數(shù)為日本產(chǎn)，因其產(chǎn)量低且需進(jìn)口，價(jià)格居高不下。關(guān)于國(guó)產(chǎn)PVA纖維早期抗裂和收縮性能的研究較少，本文通過(guò)改變纖維長(zhǎng)度和摻量對(duì)纖維混凝土的早期抗裂性能和干燥收縮性能進(jìn)行研究，為PVA纖維的工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料及混凝土配合比

試驗(yàn)采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，礦物摻和料采用Ⅱ級(jí)粉煤灰；細(xì)骨料采用中砂，粗骨料采用粒徑在5.0 mm～31.5 mm之間的石子；減水劑采用聚羧酸減水劑；試驗(yàn)拌合用水為自來(lái)水。試樣的水膠比為0.37，水泥、粉煤灰、砂和石子的用量分別為353 kg/m3、67 kg/m3、712 kg/m3和1 068 kg/m3，減水劑用量為42 kg，纖維混凝土的纖維體積摻量為0.9%、1.2%和1.6%。

國(guó)產(chǎn)PVA纖維選用內(nèi)蒙古雙欣高分子材料技術(shù)研究院有限公司生產(chǎn)的高強(qiáng)高彈纖維SX-1，纖維長(zhǎng)度為8 mm和12 mm，直徑為0.015 m，密度為1.2 g/cm3，彈性模量為42 GPa，斷裂伸長(zhǎng)率為7%，抗拉強(qiáng)度為1 600 MPa。

試驗(yàn)分組編號(hào)為C-L-ω，其中，C為混凝土試件，L為纖維長(zhǎng)度，ω為纖維摻量。例如，摻加纖維長(zhǎng)度8 mm、纖維摻量0.9%的PVA纖維混凝土試件編號(hào)為C-8-0.9，其他試驗(yàn)與組別同理，普通混凝土試件編號(hào)為PC。

1.2 試件制備

早期抗裂性能對(duì)比試驗(yàn)參照《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[17](CECS13:2009)進(jìn)行，試件尺寸為1 000 mm×1 000 mm×60 mm，混凝土澆筑進(jìn)模具后，在24 h內(nèi)測(cè)量裂縫，裂縫長(zhǎng)度取兩端直線距離，精確到5 mm。裂縫寬度取裂縫最大寬度，使用裂縫顯微鏡測(cè)量，精確到0.01 mm。

干燥收縮試驗(yàn)參照規(guī)范接觸法進(jìn)行，采用尺寸為100 mm×100 mm×515 mm的棱柱體試件，測(cè)量混凝土試件澆筑后自然養(yǎng)護(hù)至1 d、3 d、7 d、14 d、28 d、56 d、90 d相應(yīng)齡期所產(chǎn)生的收縮值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 裂縫形態(tài)分析

PVA纖維混凝土早期開(kāi)裂裂縫形態(tài)如圖1所示，其中(a)為8 mm纖維組，(b)為12 mm纖維組。圖2為普通混凝土早期開(kāi)裂裂縫形態(tài)。普通混凝土組和8 mm組試件的裂縫中，有部分裂縫分布在試件中央，且發(fā)展方向各異。12 mm組試件的裂縫均全部或部分與試件約束方向垂直，主要分布在試件邊緣，此類裂縫可以認(rèn)為均由栓釘誘發(fā)而成， 12 mm PVA纖維的摻加提升了混凝土試件的開(kāi)裂閾值。早期裂縫參數(shù)見(jiàn)表1。

試件中出現(xiàn)了數(shù)根長(zhǎng)裂縫，例如PC組14號(hào)裂縫、C-8-1.2組6號(hào)裂縫、C-12-1.2組4號(hào)裂縫、C-12-1.6組3號(hào)裂縫,它們呈現(xiàn)出多處各自發(fā)展的短裂縫相連接與合流的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)折較為生硬，在很小的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生具明顯棱角的轉(zhuǎn)折。裂縫都是向著結(jié)構(gòu)最脆弱處發(fā)展的，而兩條不同起源、長(zhǎng)度較短、發(fā)展方向沒(méi)有發(fā)生過(guò)變化的短直裂縫趨向同一片區(qū)域，可以說(shuō)明該區(qū)域是混凝土的薄弱區(qū)域，其內(nèi)部可能因結(jié)構(gòu)密實(shí)性差、均勻性差而儲(chǔ)存了大量等待釋放的斷裂能。試件上呈“彡”型分布的微小的紡錘形裂隙，為混凝土初開(kāi)裂的形態(tài)，當(dāng)這些裂隙發(fā)展、連接為裂縫時(shí)，同樣會(huì)合流為一條具有分支的長(zhǎng)裂縫。

（1）在冬季澆筑大體積混凝土?xí)r，若外界溫度較低，采取保溫措施后仍產(chǎn)生溫度裂縫，需采用導(dǎo)熱系數(shù)大的材料進(jìn)行配置混凝土施工，降低混凝土內(nèi)外溫差，減小因此而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，從而有效降低大體積混凝土溫度裂縫的產(chǎn)生。

表1 PVA纖維混凝土的早期裂縫參數(shù)

長(zhǎng)裂縫的第二種成因是短裂縫的持續(xù)發(fā)展，即短裂縫在發(fā)展過(guò)程中，不斷抵達(dá)混凝土內(nèi)部的應(yīng)力集中區(qū)域，引起該區(qū)域開(kāi)裂、釋放能量，并利用被釋放出的能量繼續(xù)發(fā)展。這種長(zhǎng)裂縫形態(tài)上的特征比較明顯：轉(zhuǎn)折較為平緩、沒(méi)有明顯的棱角，但是轉(zhuǎn)折處裂縫寬度大幅增加，將裂縫擴(kuò)展為裂口。例如C-12-1.2組的4號(hào)裂縫，在試件邊緣起的第二個(gè)轉(zhuǎn)折處，裂縫寬度驟增，達(dá)到了該組試件的最大裂縫寬度0.3 mm。同時(shí)，在第三個(gè)轉(zhuǎn)折處裂縫寬度也達(dá)到了0.29 mm。

(a) 8 mm組試件

(b) 12 mm組試件 圖1 PVA纖維混凝土早期開(kāi)裂裂縫形態(tài)

圖2 普通混凝土早期開(kāi)裂裂縫形態(tài)

2.2 裂縫長(zhǎng)度與寬度分析

C-8-0.9的最大裂縫長(zhǎng)度為370 mm，相比PC下降了33.9%，最大裂縫寬度同樣從0.26 mm下降到0.24 mm。C-8-1.2的最大裂縫長(zhǎng)度為360 mm，最大裂縫寬度依舊小于PC。C-8-1.6的最大裂縫長(zhǎng)度為310 mm，相比PC下降了44.6%，最大裂縫寬度也僅為0.22 mm?？傮w來(lái)說(shuō)，隨著纖維摻量的增加，最大裂縫長(zhǎng)度和最大裂縫寬度均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，C-8-1.6表現(xiàn)出了最優(yōu)的控制裂縫長(zhǎng)度、寬度發(fā)展的性能。

C-1.2-0.9的最大裂縫長(zhǎng)度為330 mm，相比PC下降了41%，最大裂縫寬度為0.26 mm，與PC相同。而C-12-1.2和C-12-1.6的最大裂縫長(zhǎng)度相比C-12-0.9反而開(kāi)始增長(zhǎng)，分別為400 mm和500 mm，最大裂縫寬度也隨之增加到0.3 mm，恢復(fù)到了PC的水平?？傮w來(lái)說(shuō)，C-12組內(nèi)，隨著纖維摻量的增加，最大裂縫長(zhǎng)度呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，而最大裂縫寬度則出現(xiàn)了增長(zhǎng)的現(xiàn)象。

以上數(shù)據(jù)分析說(shuō)明在混凝土中摻加8 mm PVA纖維比摻加12 mm PVA纖維能更好地控制裂縫長(zhǎng)度。同時(shí)，纖維混凝土的優(yōu)勢(shì)之一是控制裂縫長(zhǎng)度和寬度，裂縫越細(xì)，代表纖維對(duì)混凝土阻裂能力的提升越大，對(duì)混凝土耐久性的提升也越大，即摻加8 mm PVA纖維相比摻加12 mm對(duì)更有助于提升混凝土的耐久性。

2.3 單位面積上的總開(kāi)裂面積與裂縫降低系數(shù)

不同纖維長(zhǎng)度和摻量的PVA纖維混凝土單位面積上的總開(kāi)裂面積和裂縫降低系數(shù)如圖3所示。

圖3 PVA纖維混凝土總開(kāi)裂面積和裂縫降低系數(shù)

隨著纖維摻量的增加，C-8組和C-12組的PVA纖維混凝土單位面積上的總開(kāi)裂面積均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在摻加PVA纖維后，單位面積上的總開(kāi)裂面積迅速下降到138.7 mm2，裂縫降低系數(shù)達(dá)到51%，充分說(shuō)明了PVA纖維的摻加對(duì)控制混凝土早期開(kāi)裂的顯著效果。隨著摻量的增加，單位面積上的總開(kāi)裂面積雖然仍在降低但降速有所減小，裂縫降低系數(shù)曲線同樣趨于水平，這說(shuō)明更多纖維的摻加對(duì)抗裂性能的提升并不明顯，摻量對(duì)抗裂性能的影響不大。另一方面，各纖維摻量組的裂縫降低系數(shù)都表現(xiàn)出12 mm組高于8 mm組的趨勢(shì)，并且隨著摻量的增加，這種差距越來(lái)越大?？傮w來(lái)說(shuō)，纖維的摻加對(duì)混凝土早期抗裂性能提升巨大，但這種提升隨著纖維長(zhǎng)度、摻量的增加逐漸減弱。

2.4 纖維參數(shù)與裂縫面積的關(guān)系

Thomas Voigt[18]提出并實(shí)驗(yàn)證明了纖維混凝土中纖維長(zhǎng)徑比和摻量的乘積與纖維混凝土開(kāi)裂的關(guān)系。設(shè)纖維長(zhǎng)徑比與摻量百分比的乘積為參數(shù)L，表2列出了各組試驗(yàn)的參數(shù)L、裂縫名義總面積與裂縫平均名義面積，圖4為其關(guān)系曲線。

表2 各組試驗(yàn)參數(shù)、裂縫名義總面積、裂縫平均名義面積

圖4 參數(shù)L與裂縫名義總面積和裂縫平均名義面積的關(guān)系曲線

結(jié)合裂縫形態(tài)及開(kāi)裂趨勢(shì)的分析，可以認(rèn)為是較小的裂縫合并成為大裂縫，使裂縫數(shù)量減少，使PVA纖維混凝土試件在總開(kāi)裂面積降低的同時(shí)，每根裂縫的平均面積保持在一定的水平。

不論是增加纖維長(zhǎng)度或是增加纖維摻量，都可以降低PVA纖維混凝土早期開(kāi)裂的裂縫名義總面積，即提高早期抗裂性能，但是在當(dāng)L值超出一定值后，繼續(xù)添加纖維無(wú)法繼續(xù)改善纖維混凝土單根裂縫的尺寸或形態(tài)，同時(shí)可能會(huì)使小裂縫發(fā)展為大裂縫，進(jìn)一步削弱纖維混凝土早期抗裂性能。

2.5 機(jī)理分析

新澆筑的混凝土在3 h～12 h內(nèi)處于塑性階段，當(dāng)表面失水速率大于內(nèi)部水分遷移速率時(shí)，混凝土內(nèi)部的毛細(xì)管失壓，混凝土開(kāi)始收縮硬化并產(chǎn)生細(xì)微裂縫。PVA纖維的摻加改善了混凝土的流變性和均質(zhì)性，有效阻隔了水分的溢出。纖維與纖維、纖維與骨料之間相互錯(cuò)位交織形成了復(fù)雜致密的三維亂向骨架，有效阻止了內(nèi)部微裂縫的發(fā)展，纖維的橋接作用起到了傳遞荷載的作用，使得微裂縫尖端的應(yīng)力集中得到釋放，削減了應(yīng)力集中區(qū)域，使混凝土內(nèi)部的應(yīng)力場(chǎng)均勻。另一方面，纖維的摻加也使得混凝土裂縫需要更多的能量才能繼續(xù)擴(kuò)展，這就有效抑制了裂縫長(zhǎng)度的發(fā)展。當(dāng)摻加的PVA纖維為12 mm時(shí)，雖然裂縫降低系數(shù)和限裂效能等級(jí)比8 mm纖維表現(xiàn)優(yōu)異，但加入過(guò)長(zhǎng)過(guò)多的PVA纖維不利于纖維在混凝土內(nèi)部均勻分散，甚至有可能在內(nèi)部結(jié)團(tuán)，出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域。裂縫一旦出現(xiàn)便有可能受應(yīng)力集中區(qū)域的誘使發(fā)展為長(zhǎng)裂縫。同時(shí)，纖維的結(jié)團(tuán)行為降低了橋接作用，削弱了纖維控制裂縫寬度的能力。這使得摻加12 mm PVA纖維組的最大裂縫長(zhǎng)度隨摻量逐漸增加甚至接近普通混凝土，最大裂縫寬度超過(guò)了普通混凝土。

2.6 干燥收縮性能

圖5為PVA纖維混凝土累積收縮值。當(dāng)摻加纖維長(zhǎng)度較小且摻量較少時(shí)，即纖維長(zhǎng)度為8 mm、纖維摻量為0.9%時(shí)，纖維可以很好的發(fā)揮自身特性：傳遞應(yīng)力以減少混凝土內(nèi)的應(yīng)力集中區(qū)域，利用纖維與基體界面的黏結(jié)力和機(jī)械摩擦力橋接混凝土基體，提升混凝土的抗干燥收縮性能。

圖5 PVA纖維混凝土累積收縮值

當(dāng)纖維摻量提升至1.6%時(shí)，由圖5可知，混凝土在56 d～90 d期間的收縮值相比纖維摻量0.9%時(shí)有所下降，但是下降量有限。由此可知，摻加8 mm PVA纖維可以有效提升混凝土的抗干燥收縮性能，但是纖維摻量的進(jìn)一步提升帶來(lái)的性能提升較小。當(dāng)摻加PVA纖維長(zhǎng)度為12 mm時(shí)，混凝土各階段收縮值均明顯大于同摻量的8 mm纖維混凝土，可以認(rèn)為8 mm PVA纖維對(duì)混凝土抗干燥收縮能力的提升是幾乎作用于干燥收縮全階段的。

對(duì)比摻加12 mm PVA纖維的混凝土干燥收縮數(shù)據(jù)可知，收縮值為0.9%組<1.2%組<1.6%組，隨著纖維摻量的增加而增加?？梢钥闯?，12 mm PVA纖維的摻加也可以提升混凝土的抗干燥收縮性能，但隨著纖維摻量的提升，12 mm纖維混凝土抗干燥收縮性能逐漸下降。12 mm纖維在混凝土基體內(nèi)起阻裂作用的原理與8 mm纖維相同，但是因12 mm纖維長(zhǎng)度較大，其搭建的三維亂向骨架中留出的孔隙較粗，水分更容易從其中逸散。同時(shí)，因?yàn)檫@些孔隙尺寸相比8 mm纖維混凝土的孔隙尺寸僅有少量增加，使這些孔隙依然屬于毛細(xì)孔隙，所以依然能保持一定程度上的阻裂能力。因?yàn)檫@些孔隙自纖維混凝土澆筑時(shí)便已存在，所以在每一段干燥收縮試驗(yàn)周期內(nèi)，8 mm PVA纖維混凝土對(duì)混凝土抗干燥收縮能力的提升都是優(yōu)于12 mm PVA纖維混凝土的，這些微小的優(yōu)勢(shì)隨著時(shí)間的發(fā)展累積，在長(zhǎng)期的干燥收縮過(guò)程中會(huì)累積為較大的性能優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié) 論

(1) 摻加國(guó)產(chǎn)PVA纖維可以顯著提升混凝土的早期抗裂性能，裂縫降低系數(shù)均大于0.5。隨著纖維摻量的增加，裂縫數(shù)量減少、名義開(kāi)裂面積減小，且裂縫分布集中在模具邊緣的預(yù)制栓釘附近。

(2) PVA纖維的摻加對(duì)混凝土早期抗裂性能提升巨大，混凝土中摻加8 mm長(zhǎng)度PVA纖維比摻加12 mm PVA纖維能更好地控制裂縫長(zhǎng)度，呈現(xiàn)出隨著纖維長(zhǎng)度、摻量的增加逐漸減弱的趨勢(shì)。纖維的摻加使得混凝土裂縫需要更多能量才能繼續(xù)擴(kuò)展，有效抑制了裂縫的發(fā)展。

(3) PVA纖維的摻加對(duì)混凝土抗干燥收縮能力的提升體現(xiàn)在整個(gè)干燥收縮階段，并且8 mm PVA纖維對(duì)混凝土抗干燥收縮能力的提升優(yōu)于12 mmPVA纖維，而纖維摻量的進(jìn)一步增加帶來(lái)的性能提升較小。在齡期達(dá)到90 d后時(shí)，摻加PVA纖維的混凝土收縮值已經(jīng)幾乎可以忽略不計(jì)，普通混凝土的收縮值依然明顯。

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