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。 用纖維增強混凝土來提高混凝土抗裂性和韌性，是目前國際上一致認可的有效方法。

美國混凝土協(xié)會（ACI）對“纖維增強混凝土”定義[1]為：“纖維增強混凝土是含有細集料或粗、細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”。 用于增強水泥基復合材料的纖維，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，并分析其作用機理。

1 原材料與試驗方法

1.1 試驗原材料

水泥：宜興天山P·O42.5 水泥；細骨料：中砂，細度模數(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 試驗方法

1.2.1 試驗配合比

基準混凝土配合比為：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 試驗選用纖維物理力學性能

1.2.2 抗壓試驗、劈裂試驗

混凝土脆性系數(shù)試驗包括立方體抗壓強度試驗和劈裂抗拉試驗，及試驗方法依據(jù)（GB/T50081-2002）《普通混凝土力學性能試驗方法》進行，試驗用試件尺寸為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

測定混凝土試件彎曲時的斷裂強度、彎曲韌性指數(shù)， 彎曲韌性試驗及結果評定參照（CECS13：2009）《纖維混凝土試驗方法標準》進行，試驗用試件尺寸為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

方法一：收縮試驗按照（GB/T 50082-2009）《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》 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)法試驗方法，結合張風臣改進型環(huán)形收縮試驗方法[4-5]：試件在試驗溫度（20±2）℃，相對濕度60%±5%條件下養(yǎng)護6 h 后小心拆除內(nèi)外環(huán)模具，養(yǎng)護1 d 后拆除內(nèi)外模，在混凝土環(huán)外側貼電阻應變片，用靜態(tài)電阻應變儀記錄混凝土外環(huán)應變值。 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 試驗結果與討論

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)實時記錄混凝土的應變動態(tài)，更為準確地反映混凝土的收縮變形情況，試驗結果見圖2。

圖1 試驗結果顯示，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)。 試驗結果顯示纖維混凝土收縮率均小于基準混凝土，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變值

由圖2 可知， 混凝土應變值變化趨勢，7 d 養(yǎng)護期內(nèi)的混凝土的應變值變化比較快，7 d 后混凝土應變值增長幅度減緩，14 d 后應變值逐漸平穩(wěn)。基準混凝土的應變值最大，纖維混凝土的應變值均小于基準混凝土。 聚丙烯纖維混凝土的應變值最小，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，提高混凝土的均質性等內(nèi)在品質，減少水分散失，防止開裂；纖維的加入增強了混凝土的變形能力，減少早期塑性開裂的概率。

試驗結果顯示，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構，減小混凝土的收縮應力，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)

標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d 取出混凝土試塊進行抗壓強度和劈拉強度試驗，試驗結果見表2。 抗壓（劈拉）增強系數(shù)為纖維混凝土抗壓（劈拉）強度與基準無纖維混凝土抗壓（劈拉）的比值，數(shù)值＞1 表示纖維起正效應增強混凝土強度，＜1 表示纖維起負效應降低混凝土強度。脆性系數(shù)為抗壓強度與劈拉強度之比，其值越低，混凝土的脆性越小，韌性越大，抗裂性越好。

表2 纖維混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度

表2 試驗結果顯示，只有鋼纖維對混凝土的抗壓強度呈現(xiàn)正效應，抗壓強度比基準混凝土強度稍有提高，提高幅度為3.1%；其余纖維混凝土的抗壓強度均低于基準組，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，降低幅度達到了9.2%。

纖維混凝土的劈拉強度均高于基準混凝土，實現(xiàn)結果顯示： 纖維可以明顯地提高混凝土的劈裂抗拉強度。與基準組相比，鋼纖維對混凝土劈裂抗拉強度提高幅度分別為36.4%； 玄武巖纖維對劈拉強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%。 一般混凝土理論認為[10]：纖維混凝土的劈裂抗拉強度由混凝土基材和纖維兩部分承擔， 初始受力時受力主體是混凝土基體，隨著應力的增大混凝土出現(xiàn)裂縫、橋連裂縫的纖維開始承擔荷載，荷載超過纖維與混凝土粘結強度或纖維的破壞強度時， 混凝土劈裂抗拉強度達到極限。本試驗結果也顯示，高彈模、高抗拉強度的纖維因為具有較高的變形能力和斷裂強度對混凝土的劈拉強度提高更為顯著。

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，有研究認為纖維的彈性模量直接決定了纖維在混凝土中所承擔的應力份額的多少，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力而傳遞給纖維的力的份額越高[11]。 在本試驗中鋼纖維的彈性模量最大，在劈拉試驗中承受的應力最大，通過自身的變形分散了混凝土截面的剪切應力，提高了混凝土的劈拉強度，減小了混凝土的脆性系數(shù)。

2.3 彎曲韌性

試驗采用三點彎曲試驗方法， 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)法計算[12]，利用理想彈塑性作為材料韌度參考指標，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度、抗彎拉強度和韌性指數(shù)結果見表3。

表3 纖維混凝土彎曲韌性指標

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

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)計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、基準混凝土。數(shù)據(jù)結果表明：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)生微細裂縫，裂縫擴展會受到混凝土內(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。 詳細描述纖維增韌作用為：纖維混凝土受彎時，纖維起到承擔拉力并保持基體裂縫緩慢擴展的作用，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，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。

試驗結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作用最弱。

3 結論

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

（2）纖維可提高混凝土的劈裂抗拉強度和彎曲韌性、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。

[1]張佚倫.聚丙烯纖維混凝土早期收縮與抗裂性能試驗研究[D].浙江：浙江大學，2006.

[2]黃承逵.纖維混凝土結構[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[3]沈榮熹，崔琪，李青海.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.

[4]ASTM C1581-2004，standard test method for determining age at cracking and induced tensile stress characteristics of mortar and concrete under restrained Shrinkage[S].

[5]張風臣,劉翠蘭,陳擁軍.改進型環(huán)形收縮試驗方法[J].蘭州理工大學學報，2006，32（1）:126-129.

[6]Nemkumar Banthia, Rishi Gupta.Influence of polypropylene fiber geometry on plastic shrinkage cracking in concrete[J].Cement and Concrete Research,2006,36:1263-1267.

[7]Alexandra Passuello, Giacomo Moriconi, Surendra P.Shah.Cracking behavior of concrete with shrinkage reducing admixtures and PVA fibers [J].Cement& Concrete Composites, 2009,39:699-704.

[8]Lennart Ostergaard,David Lange,Henrik Stang.Early-age stress-cracking opening relationships for high performance concrete[J].Cement&Concrete Composites, 2004,26:563-572.

[9]亢景付.水泥混凝土的塑性收縮及聚丙烯纖維阻裂增韌機理探討[J].混凝土，2003（1）:10-12.

[10]王成啟，吳科如.不同彈性模量的纖維對高強混凝土力學性能的影響[J].混凝土與水泥制品.2002（3）：36-37.

[11]沈榮熹.混凝土實用手冊(第二版) [M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1995.

[12]ASTM C1018-97 standard test method for flexural toughness and first crack strength of fiber-reinforced concrete(ising beam with third-point loading)[S].1997.

[13]Ronald F, Zollo.Fiber-reinforced Concrete: an overview after 30 years of development[J].cement and concrete composites, 1997,19:107-122.

[14]石國柱.鋼纖維混凝土彎曲韌性和斷裂性能試驗研究[D].河南：鄭州大學.2005.

[15]畢巧巍，汪輝，楊兆鵬.不同彈性模量的纖維對礦渣RPC 力學性能的影響[J].大連交通大學學報，2009,3（5）：23-26.