國產(chǎn)某PVA纖維對混凝土早期開裂和干燥收縮的影響

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，目前國內(nèi)外學(xué)者對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混凝土早期開裂的影響，摻加聚丙烯纖維使混凝土早期裂縫寬度大幅降低。Sivakumar等[5]對混雜纖維混凝土的收縮開裂進(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顯著提升其抗裂性能。邢通等[6]對不同摻量鋼-聚丙烯纖維混凝土的早期開裂進(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]采用平板法對聚丙烯纖維混凝土早期開裂狀態(tài)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：隨著纖維摻量的增加、纖維長度的增長，其對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]，延長結(jié)構(gòu)的使用壽命。目前國內(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)于國產(chǎn)PVA纖維早期抗裂和收縮性能的研究較少，本文通過改變纖維長度和摻量對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，斷裂伸長率為7%，抗拉強(qiáng)度為1 600 MPa。

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

1.2 試件制備

早期抗裂性能對比試驗(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)測量裂縫，裂縫長度取兩端直線距離，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裂閾值。早期裂縫參數(shù)見表1。

試件中出現(xiàn)了數(shù)根長裂縫，例如PC組14號裂縫、C-8-1.2組6號裂縫、C-12-1.2組4號裂縫、C-12-1.6組3號裂縫,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，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、長度較短、發(fā)展方向沒有發(fā)生過變化的短直裂縫趨向同一片區(qū)域，可以說明該區(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，為混凝土初開裂的形態(tài)，當(dāng)這些裂隙發(fā)展、連接為裂縫時，同樣會合流為一條具有分支的長裂縫。

（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)域開裂、釋放能量，并利用被釋放出的能量繼續(xù)發(fā)展。這種長裂縫形態(tài)上的特征比較明顯：轉(zhuǎn)折較為平緩、沒有明顯的棱角，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號裂縫，在試件邊緣起的第二個轉(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，在第三個轉(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纖維混凝土早期開裂裂縫形態(tài)

圖2 普通混凝土早期開裂裂縫形態(tài)

2.2 裂縫長度與寬度分析

C-8-0.9的最大裂縫長度為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來說，隨著纖維摻量的增加，最大裂縫長度和最大裂縫寬度均呈現(xiàn)減小的趨勢，C-8-1.6表現(xiàn)出了最優(yōu)的控制裂縫長度、寬度發(fā)展的性能。

C-1.2-0.9的最大裂縫長度為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的最大裂縫長度相比C-12-0.9反而開始增長，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來說，C-12組內(nèi)，隨著纖維摻量的增加，最大裂縫長度呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，而最大裂縫寬度則出現(xiàn)了增長的現(xiàn)象。

以上數(shù)據(jù)分析說明在混凝土中摻加8 mm PVA纖維比摻加12 mm PVA纖維能更好地控制裂縫長度。同時，纖維混凝土的優(yōu)勢之一是控制裂縫長度和寬度，裂縫越細(xì)，代表纖維對混凝土阻裂能力的提升越大，對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對更有助于提升混凝土的耐久性。

2.3 單位面積上的總開裂面積與裂縫降低系數(shù)

不同纖維長度和摻量的PVA纖維混凝土單位面積上的總開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裂面積均呈現(xiàn)下降趨勢，在摻加PVA纖維后，單位面積上的總開裂面積迅速下降到138.7 mm2，裂縫降低系數(shù)達(dá)到51%，充分說明了PVA纖維的摻加對控制混凝土早期開裂的顯著效果。隨著摻量的增加，單位面積上的總開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，這說明更多纖維的摻加對抗裂性能的提升并不明顯，摻量對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，并且隨著摻量的增加，這種差距越來越大。總體來說，纖維的摻加對混凝土早期抗裂性能提升巨大，但這種提升隨著纖維長度、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徑比和摻量的乘積與纖維混凝土開裂的關(guān)系。設(shè)纖維長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)及開裂趨勢的分析，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裂面積降低的同時，每根裂縫的平均面積保持在一定的水平。

不論是增加纖維長度或是增加纖維摻量，都可以降低PVA纖維混凝土早期開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)添加纖維無法繼續(xù)改善纖維混凝土單根裂縫的尺寸或形態(tài)，同時可能會使小裂縫發(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，混凝土內(nèi)部的毛細(xì)管失壓，混凝土開始收縮硬化并產(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度的發(fā)展。當(dāng)摻加的PVA纖維為12 mm時，雖然裂縫降低系數(shù)和限裂效能等級比8 mm纖維表現(xiàn)優(yōu)異，但加入過長過多的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)展為長裂縫。同時，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)摻加纖維長度較小且摻量較少時，即纖維長度為8 mm、纖維摻量為0.9%時，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，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)一步提升帶來的性能提升較小。當(dāng)摻加PVA纖維長度為12 mm時，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，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)勢隨著時間的發(fā)展累積，在長期的干燥收縮過程中會累積為較大的性能優(yōu)勢。

3 結(jié) 論

(1) 摻加國產(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纖維的摻加對混凝土早期抗裂性能提升巨大，混凝土中摻加8 mm長度PVA纖維比摻加12 mm PVA纖維能更好地控制裂縫長度，呈現(xiàn)出隨著纖維長度、摻量的增加逐漸減弱的趨勢。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纖維的摻加對混凝土抗干燥收縮能力的提升體現(xiàn)在整個干燥收縮階段，并且8 mm PVA纖維對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)一步增加帶來的性能提升較小。在齡期達(dá)到90 d后時，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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