陳洪文

(中交一航局第一工程有限公司，天津300456)

隨著高性能水泥基材料在工程上的廣泛應(yīng)用，工程裂縫問題越來越受到人們的關(guān)注。纖維的摻入可明顯改變水泥基材料收縮開裂性能，因此纖維增強水泥基材料成為近年來土木工程領(lǐng)域研究熱點［1］。纖維增強水泥基材料，是以水泥漿、砂漿或混凝土為基材，以金屬材料、無機材料或有機纖維為增強材料組成的一種水泥基復(fù)合材料。它是將短而細，具有高抗拉強度、高極限延伸率、高抗堿性等良好性能的纖維均勻地分散在混凝土基體中形成的一種新型建筑材料［2］。本文在水泥基材料摻入鋼纖維和2 種聚丙烯纖維，并采用圓環(huán)試驗方法比較不同纖維對水泥基材料抗裂性能的影響。

1 原材料與試驗方法

水泥:采用中國水泥廠生產(chǎn)的海螺牌P.O42.5 水泥;砂:中砂，細度模數(shù)為2.6，質(zhì)量符合GB/T14685－93 建筑用砂國家標準;石:5mm～25mm 連續(xù)級配，質(zhì)量符合GB/T14685－93 建筑卵石碎石國家標準;水:清潔飲用水。纖維:本試驗共使用3種纖維，其中聚丙烯纖維2 種(以聚丙烯纖維Ⅰ和聚丙烯纖維Ⅱ區(qū)分)，鋼纖維1 種，其基本物理性能見表1。

本文所采用的混凝土早齡期收縮開裂試驗方法是參考美國西北大學(xué)S.P.Shah 教授等提出的圓環(huán)法［3］。試件尺寸為:內(nèi)鋼環(huán)內(nèi)徑為275mm，內(nèi)鋼環(huán)外徑305mm，外鋼環(huán)內(nèi)徑為375mm，高為140mm，內(nèi)外環(huán)均由鋼材制作。底面為420mm ×420mm 的正方形鋼板，厚度為10mm。模具示意圖如圖1 所示。具體試驗方法如下:將拌合好的混凝土澆筑在兩同心鋼環(huán)之間，機械振動成型，同時進行插搗，以排出大氣泡和模板表面大的空隙。成型后，將試件連同模具一起移至標養(yǎng)室養(yǎng)護，養(yǎng)護48h 后拆外環(huán)模，并在混凝土環(huán)上表面涂刷一層水玻璃，以防止混凝土環(huán)上表面水分蒸發(fā)。記錄裂縫的最早出現(xiàn)時間、裂縫數(shù)量、長度和寬度及其隨時間發(fā)展情況。

表1 3種纖維基本物理性能

表2 不同纖維圓環(huán)試驗配合比 /kg

本次試驗為砂漿圓環(huán)試驗，成型基準砂漿、聚丙烯纖維Ⅰ砂漿、聚丙烯纖維Ⅱ和鋼纖維砂漿砂漿圓環(huán)試件進行對比試驗。配合比見表2。

圖1 圓環(huán)模具示意圖

2 試驗結(jié)果與分析

各組砂漿圓環(huán)試件開裂時間及裂縫數(shù)量如表3 所示。除基準砂漿圓環(huán)試件始終是一條貫穿裂縫外，其余摻纖維各組砂漿圓環(huán)均為2 條寬度不一的貫穿裂縫，分為主裂縫和次裂縫。主裂縫寬度隨齡期發(fā)展顯著增加，次裂縫寬度隨齡期發(fā)展沒有明顯變化。由表3 可以看出，4 組圓環(huán)試件的開裂時間順序依次為:基準砂漿、聚丙烯纖維Ⅰ砂漿、聚丙烯纖維Ⅱ砂漿和鋼纖維砂漿。結(jié)果可見纖維的摻入可明顯延遲初始裂縫的出現(xiàn);在常用摻量下，鋼纖維對圓環(huán)初始裂縫出現(xiàn)的延遲效果優(yōu)于聚丙烯纖維。

表3 各組砂漿圓環(huán)試件開裂時間及裂縫數(shù)量

由于各組纖維圓環(huán)試件次裂縫寬度隨齡期無明顯發(fā)展，因此本試驗主要研究和對比了各圓環(huán)試件主裂縫寬度隨時間的發(fā)展情況，如圖2 所示。

由圖2 可以看出，聚丙烯纖維與鋼纖維地摻入均可有效減小主裂縫寬度并延緩其發(fā)展趨勢。其中鋼纖維的作用效果要強于聚丙烯纖維，這與纖維對初始裂縫出現(xiàn)時間的影響相一致。根據(jù)纖維增強復(fù)合機理，纖維可以和基體共同作用承受由于收縮引起的拉應(yīng)力，提高試件破壞所需的斷裂能。應(yīng)用混合定律，可得到纖維增強水泥砂漿在基體開裂前的應(yīng)力見式(1)。

式中:σ—拉應(yīng)力;c—復(fù)合材料;f—纖維;m—基體;ρf—體積摻量。

圖2 不同纖維砂漿圓環(huán)試件主裂縫寬度隨時間變化圖

考慮到三維亂向分布纖維中纖維方向性、纖維有效長度和界面粘結(jié)性能的影響，修正后的纖維增強水泥砂漿在基體開裂前的應(yīng)力見式(2)、(3)。

或

式中:ηθ—亂向纖維方向性;ηl—纖維長度有效系數(shù);ηb—界面粘結(jié)系數(shù);Ef—纖維彈性模量;ξ—拉應(yīng)變。

由式(3)，得到順向連續(xù)纖維混凝土的極限抗拉強度見式(4)。

根據(jù)表2 本試驗配合比計算可得，鋼纖維和聚丙烯纖維在砂漿中的體積率分別為0.77%和0.17%。根據(jù)表1 中纖維物理性能，計算可得 聚丙烯纖維混凝土極限抗拉強度為:

鋼纖維混凝土的極限抗拉強度為:

二者相減，得σc2－σc1=1.611εmuGPa－0.006σmu＞0。由此可見在纖維順向連續(xù)分布假設(shè)條件下，鋼纖維砂漿極限抗拉強度大于聚丙烯纖維砂漿，鋼纖維砂漿抗裂能力優(yōu)于聚丙烯纖維砂漿，這也驗證了試驗結(jié)果。

根據(jù)纖維間距理論［5］，由于纖維拉應(yīng)力的作用，在接近于裂縫的纖維周圍會產(chǎn)生一定范圍的粘結(jié)應(yīng)力分布。裂縫尖端若要發(fā)展，必須克服纖維對它的約束和阻擋，這就迫使裂縫只能繞過纖維或?qū)⒗w維拔出或拉斷，才能得到繼續(xù)發(fā)展。這就勢必需要消耗更多的能量來克服纖維的阻礙作用。因此纖維的摻入提高了水泥砂漿的抗裂性能。單位面積內(nèi)的纖維數(shù)越多，纖維間距越小，纖維對裂縫的約束越強，抗裂強度提高的效果也越好。由于在常用摻量下，鋼纖維混凝土的纖維間距與聚丙烯纖維的纖維間距不同，其對裂縫的約束作用不同，導(dǎo)致所需的斷裂能不同，因此鋼纖維砂漿和聚丙烯纖維砂漿的抗裂性能不同。2 種聚丙烯纖維砂漿初裂時間以及主裂縫寬度隨時間變化不一致。這說明同種纖維對砂漿抗裂性地提高不僅取決于纖維體積率，而且和纖維的直徑、長度以及表面特性有關(guān)，前者適用復(fù)合材料理論，后者適用纖維間距理論。

3 結(jié) 論

本文通過對摻不同種類纖維砂漿與未摻纖維的普通砂漿圓環(huán)收縮開裂性能的研究，并結(jié)合纖維增強復(fù)合材料混合定律計算分析，得到以下結(jié)論:摻聚丙烯纖維和摻鋼纖維均能提高水泥基材料抗收縮開裂性能。摻鋼纖維相比摻聚丙烯纖維更能顯著提高水泥基材料阻裂、止裂的能力。摻聚丙烯纖維Ⅱ砂漿抗裂性弱于摻聚丙烯纖維Ⅰ砂漿。

［1］龔益，徐至鈞.纖維混凝土與纖維砂漿施工應(yīng)用指南［M］.中國建材工業(yè)出版社，2005.

［2］王志釗.聚丙烯纖維混凝土綜合性能試驗研究［D］.浙江:浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，2004.

［3］Grzybowski M，Shah S P.Shrinkage cracking of reinforced concrete［J］.ACI Materials Journal，1990，87(2):138－148.

［4］徐至鈞.纖維混凝土技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.

［5］姚武，封志輝.聚丙烯纖維對水泥砂漿干縮開裂的影響［J］.建筑材料學(xué)報，2006，9(3):357－360.