改性聚酯纖維對混凝土早期開裂與收縮的影響

吳豪祥，吳永根，李文哲

1)空軍工程大學航空工程學院，陜西西安 710038；2)武警部隊研究院工程設計研究所，北京 100020

在混凝土中摻入適當?shù)睦w維不僅可以改善混凝土的力學性能，提高混凝土的抗壓強度、抗拉強度和抗沖擊性能，還能改善混凝土的耐久性[1]．目前，纖維混凝土作為一種工程材料已經(jīng)被廣泛應用于公路、橋梁和隧道等．混凝土澆筑完成后，由于自身水化反應以及周圍環(huán)境溫濕度的變化，混凝土會出現(xiàn)明顯的早期收縮．當混凝土的自由收縮受到約束時，就會產(chǎn)生拉應力，一旦超過混凝土的抗拉強度便會產(chǎn)生裂縫[2]．從長期效應來看，早期開裂會加快混凝土的碳化，加速鋼筋腐蝕，同時為氯離子等進入混凝土內(nèi)部提供通道，影響混凝土的耐久性和使用性能，縮短混凝土的使用壽命[3]．針對不同類型纖維對混凝土早期開裂和收縮的影響，許多學者進行了廣泛的研究．王新忠等[4]進行了玄武巖纖維對混凝土早期開裂影響的研究，發(fā)現(xiàn)隨著纖維含量增大，早期裂縫逐漸減小，當體積分數(shù)為0.2%時，可見裂縫基本消失．陳歆等[5]認為玄武巖纖維之所以能夠約束混凝土的收縮變形，主要是因為承受了一部分收縮應力．管宗甫等[6]研究了聚丙烯纖維混凝土的早期開裂，認為聚丙烯纖維的最佳纖維長度為集料最大粒徑的3/5，纖維最佳摻量為0.9～1.2 kg/m3. BANTHIA等[3]研究了不同類型聚丙烯纖維的抗裂作用．馬一平等[7]研究了不同類型聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA)纖維對水泥砂漿的早期干縮開裂作用，認為在塑性階段，纖維的直徑越小，減裂的效果越好．銀英姿等[8]卻認為不同直徑PVA纖維的減裂效果與纖維的摻量有關．BOOYA等[9]則證明了工程紙漿纖維對混凝土塑性收縮的改善作用．

聚酯纖維是一種彈性模量較低的合成纖維，可提高混凝土的抗沖擊性、強度以及彈性模量，但傳統(tǒng)聚酯纖維由于不能抵抗混凝土的堿性環(huán)境，限制了它在水泥混凝土中的使用[10]．隨著技術的不斷進步，改性聚酯纖維已可以很好地用于混凝土中，并被證明具有良好的耐久性[11]．近年來針對聚酯纖維混凝土力學性能、抗磨耗性和抗干縮性能的研究較多[12]，但關于改性聚酯纖維混凝土的早期抗裂和收縮性能研究較少．本研究以纖維摻量為變量，對改性聚酯纖維混凝土的早期開裂和收縮進行研究，并通過早期抗折強度的試驗對纖維改善混凝土開裂和收縮現(xiàn)象的一致性進行分析．

1 材料與方法

1.1 原材料及混凝土配合比

對比混凝土試樣(未摻纖維混凝土)的水灰比為0.45，每立方米的水泥、砂和石的用量分別為330、595和1 389 kg. 其中，水泥為42.5級普通硅酸鹽水泥；粗集料為石灰石，按照5～10、10～20和20～40 mm 3個級配的質(zhì)量比1∶3∶6進行配制；細集料為河砂，細度模數(shù)為2.73；水為普通自來水．在對比混凝土中分別摻入0.8、1.0、1.2和1.4 kg/m3的纖維，可得到相對應的摻纖維混凝土樣品，編號分別為F08、F10、F12和F14．

選用的改性聚酯纖維由清華大學生產(chǎn)，纖維長度為5～20 mm，比重為0.9～1.3，彈性模量為6.1 GPa，斷裂伸長率為3.1%，抗拉強度為760 MPa．

1.2 試件制備

采用60 L單臥軸強制式攪拌機進行試樣制備．為保證纖維在水泥混凝土中的均勻性，先將水泥和砂干拌30 s，均勻撒布纖維后繼續(xù)干拌30 s，然后加水濕拌30 s，最后加入骨料拌和120 s．

1.3 試驗方法

采用平板試驗法進行早期抗裂性能研究，試件尺寸為800 mm×600 mm×100 mm，試驗按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準(GB/T 50082—2009)》中的規(guī)定進行．

1.4 早齡期收縮試驗

試驗選用SRF-710型非接觸式混凝土收縮變形測定儀．按照規(guī)范要求，混凝土帶模測定早期收縮．試件尺寸為100 mm×100 mm×515 mm．

1.5 強度試驗

對含不同纖維摻量混凝土的早期(7 d)抗折強度進行測試．試驗根據(jù)《普通混凝土力學性能試驗方法標準(GB/T 50081—2002)》中的規(guī)定進行．抗折強度測試試件為150 mm×150 mm×600 mm標準小梁試件．

2 結果與分析

2.1 不同纖維摻量混凝土的早期抗裂性試驗結果

混凝土攪拌后置于室內(nèi)，溫度為(20±2)℃，濕度為(60±5)%，自攪拌加水24 h后對裂縫數(shù)和面積進行統(tǒng)計，其中，裂縫長度采用鋼尺測量，裂縫寬度使用讀數(shù)顯微鏡測量．統(tǒng)計結果見表1．

表1 早期抗裂試驗結果

由表1可見：

1)改性聚酯纖維能夠有效提高混凝土的抗裂能力，摻入纖維對減少裂縫的作用十分明顯．當纖維摻量在0.8～1.4 kg/m3時，裂縫數(shù)減少了20%～44%，裂縫面積減少了56.7%～86.4%．

2)隨著纖維摻量的增加，裂縫條數(shù)和裂縫面積降低率均呈先升后降趨勢，且均在纖維摻量為1.2 kg/m3時達到最低．對比裂縫數(shù)和面積的降低率可以看出，在纖維含量較低時，纖維對縮小裂縫寬度較為明顯；而當纖維摻量為1.4 kg/m3時，雖然混凝土裂縫數(shù)僅比F12組多1根，但是裂縫總面積卻是F12組的3.2倍．主要原因是由于纖維過量，形成纖維的重疊聚團，增多了混凝土的薄弱環(huán)節(jié)，在一些薄弱面出現(xiàn)較大的開裂．

2.2 不同纖維摻量混凝土的早期收縮試驗結果

試驗觀測到，3 d的收縮率僅在24 h之內(nèi)變化幅度較大，24 h之后基本不變. 為與早期抗裂試驗進行比較，本次混凝土自由收縮試驗主要針對前24 h進行研究．試驗測得的混凝土收縮率見圖1．

圖1 混凝土收縮率曲線Fig.1 Concrete shrinkage ratio curve

由圖1可見，纖維對混凝土早期收縮的抑制作用十分顯著，摻入纖維的混凝土早期收縮率明顯低于對照混凝土樣品．纖維摻量在0.8～1.4 kg/m3的變化過程中，24 h時的混凝土收縮率比對照試樣分別降低了50.8%、56.2%、68.7%和45.3%，纖維對混凝土早期收縮抑制效果呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢．

WANG[13]將混凝土早期體積變化過程按時間分為塑性沉降、流動收縮、自收縮和二次塑性收縮4個發(fā)展階段；GHOURCHIAN[14]則把混凝土的塑性收縮劃分為塑性沉降和干燥兩個階段．本研究結合實際曲線，將混凝土24 h的早期收縮變化劃分為3個階段：第1階段為起始反應階段，主要對應于水泥水化反應的誘導期，此時反應速率較慢，對水分的消耗較少，水分未出現(xiàn)明顯遷移，混凝土收縮相對較??；第2階段為急速增長階段，主要與水泥水化反應的凝結期相對應，該階段水泥快速水化，凝膠體膜層圍繞水泥顆粒成長，隨后水化產(chǎn)物互相貫穿形成網(wǎng)狀結構，混凝土中的水分隨著水泥水化反應和表面的持續(xù)蒸發(fā)不斷減少，混凝土出現(xiàn)明顯收縮；第3階段為穩(wěn)定階段，對應于水泥水化反應的硬化期，該階段水泥水化反應速率相對較低，水分遷移速率減慢且隨著混凝土逐漸凝固，固相形成相對穩(wěn)定的網(wǎng)狀結構，混凝土的彈性模量和強度不斷增長，混凝土收縮所需的毛細孔壓力越來越大，因而隨著時間推移，早期收縮率的增長逐漸變緩[15]．

本次分析以15×10-6的收縮率作為階段劃分的依據(jù)，由于第1階段持續(xù)時間較短，第3階段變化幅度很小，因此主要對第2階段進行分析，對第2階段的混凝土收縮率變化曲線進行一元線性回歸處理，擬合曲線見圖2，具體分析結果見表2．

圖2 第2階段收縮率的擬合曲線Fig.2 The fitted curve of shrinkage rate in the 2nd stage

表2 第2階段數(shù)據(jù)分析

結合圖1、圖2和表2可以看出，相對于對比混凝土試樣，摻纖維的混凝土試樣0～1 h的收縮率相對較低，小于15×10-6，同時收縮率的曲線斜率也出現(xiàn)大幅度下降，摻纖維混凝土試樣的擬合直線斜率均低于55×10-6h-1，遠低于對比混凝土試樣的90×10-6h-1；當纖維濃度為0.8～1.2 kg/m3時，隨著纖維含量的增大，斜率只出現(xiàn)細微變化；當纖維濃度為1.2 kg/m3時，不僅擬合直線的斜率最小，第2階段的時間也出現(xiàn)明顯縮短；而當纖維濃度為1.4 kg/m3時，擬合直線的斜率出現(xiàn)了明顯增長，且第2階段持續(xù)時間恢復為6 h．

2.3 不同纖維摻量混凝土的抗折強度試驗結果

混凝土的抗拉強度對于研究混凝土的早期收縮和開裂十分重要，但早期混凝土呈現(xiàn)明顯塑性，很難對混凝土的早期抗拉強度進行直接測量，因此采用7 d抗折強度反映早期混凝土的抗拉能力．

試驗測得P、F08、F10、F12和F14的7 d抗折強度分別為5.27、5.28、5.37、5.58和5.31 MPa．根據(jù)試驗結果可以看出：① 隨著混凝土纖維摻量的增加，混凝土7 d抗折強度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在纖維濃度為1.2 kg/m3時，7 d抗折強度提高5.88%；② 纖維濃度為0.8 kg/m3時，對比混凝土試樣和摻纖維混凝土試樣的抗折強度相當，其原因與低摻量纖維無法形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡結構密切相關；③ 該類型纖維的彈性模量較低(6.1 GPa)，只能橋接混凝土早期內(nèi)部的微裂縫并阻止其擴展，對于破壞試驗過程中產(chǎn)生的宏觀裂縫不能給予良好的橋接[16]．

2.4 對比與分析

混凝土早期在特定約束下產(chǎn)生裂縫的多少主要取決于兩個因素，一是混凝土的早期收縮大??；二是混凝土自身抵抗應力和應變的能力．圖3為裂縫降低率、收縮降低率以及早期抗折強度增長率的比較. 由圖3可見，摻纖維混凝土試樣抵抗早期收縮和早期開裂的能力隨著纖維摻量的變化呈現(xiàn)出明顯的一致性，纖維摻量在0.8～1.4 kg/m3時，裂縫面積和早期收縮率降低率均在45%以上．而纖維的摻入對混凝土早期(7 d)抗折強度并沒有明顯的影響，除纖維濃度為1.2 kg/m3外，其余摻纖維混凝土試樣的強度增長率均在2%以內(nèi)．例如，雖然F08的早期抗折強度和對比混凝土試樣基本相同，但F08的抗裂性能和抗收縮性能卻有明顯提升，裂縫面積降低率為58.3%，早期收縮率降低率為50.8%．因此可以判斷，對于混凝土的早期性能而言，混凝土抗裂性能的提高主要是由于高性能合成纖維的摻入減小了混凝土的早期收縮，而纖維對早期抗彎拉能力的增強作用并不明顯．

圖3 裂縫降低率、收縮降低率以及早期抗折強度增長率的比較Fig.3 Comparison of crack reduction rate, shrinkage reduction rate and early flexural strength increase rate

3 結 論

1)改性聚酯纖維可以有效地增強混凝土早期抗裂能力，減小混凝土的早期收縮變形．纖維摻量在0.8～1.4 kg/m3時，纖維混凝土的早期裂縫面積和早期收縮率比普通混凝土均降低45%以上．

2)改性聚酯纖維對混凝土早期(7 d)抗折強度的貢獻較?。w維摻量為0.8、1.2 和1.4 kg/m3時，強度增長率在2.00%以下；纖維摻量在1.2 kg/m3時，強度增長率達到5.88%．

3)隨著纖維摻量的增加，混凝土的抗裂能力、早期收縮率降低率以及早期抗折強度均呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，且均在纖維摻量為1.2 kg/m3時能夠獲得最佳效果，其中裂縫面積降低率可達86.4%，早期收縮率降低率可達68.7%．

4)纖維對混凝土早期抗裂能力的影響與其對混凝土的早期抗折強度的影響沒有明顯的相關性，纖維主要通過降低混凝土的早期收縮來減小混凝土面臨的早期開裂風險．