吳豪祥，吳永根，李文哲

1)空軍工程大學(xué)航空工程學(xué)院，陜西西安 710038；2)武警部隊(duì)研究院工程設(shè)計(jì)研究所，北京 100020

在混凝土中摻入適當(dāng)?shù)睦w維不僅可以改善混凝土的力學(xué)性能，提高混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)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(yīng)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(yīng)以及周?chē)h(huán)境溫濕度的變化，混凝土?xí)霈F(xiàn)明顯的早期收縮．當(dāng)混凝土的自由收縮受到約束時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，一旦超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度便會(huì)產(chǎn)生裂縫[2]．從長(zhǎng)期效應(yīng)來(lái)看，早期開(kāi)裂會(huì)加快混凝土的碳化，加速鋼筋腐蝕，同時(shí)為氯離子等進(jìn)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(duì)不同類(lèi)型纖維對(duì)混凝土早期開(kāi)裂和收縮的影響，許多學(xué)者進(jìn)行了廣泛的研究．王新忠等[4]進(jìn)行了玄武巖纖維對(duì)混凝土早期開(kāi)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(dāng)體積分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，可見(jiàn)裂縫基本消失．陳歆等[5]認(rèn)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?yàn)槌惺芰艘徊糠质湛s應(yīng)力．管宗甫等[6]研究了聚丙烯纖維混凝土的早期開(kāi)裂，認(rèn)為聚丙烯纖維的最佳纖維長(zhǎng)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(lèi)型聚丙烯纖維的抗裂作用．馬一平等[7]研究了不同類(lèi)型聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA)纖維對(duì)水泥砂漿的早期干縮開(kāi)裂作用，認(rèn)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(rèn)為不同直徑PVA纖維的減裂效果與纖維的摻量有關(guān)．BOOYA等[9]則證明了工程紙漿纖維對(duì)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(qiáng)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(shù)的不斷進(jìn)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(lái)針對(duì)聚酯纖維混凝土力學(xué)性能、抗磨耗性和抗干縮性能的研究較多[12]，但關(guān)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(duì)改性聚酯纖維混凝土的早期開(kāi)裂和收縮進(jìn)行研究，并通過(guò)早期抗折強(qiáng)度的試驗(yàn)對(duì)纖維改善混凝土開(kāi)裂和收縮現(xiàn)象的一致性進(jìn)行分析．

1 材料與方法

1.1 原材料及混凝土配合比

對(duì)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(jí)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(gè)級(jí)配的質(zhì)量比1∶3∶6進(jìn)行配制；細(xì)集料為河砂，細(xì)度模數(shù)為2.73；水為普通自來(lái)水．在對(duì)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(duì)應(yīng)的摻纖維混凝土樣品，編號(hào)分別為F08、F10、F12和F14．

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

1.2 試件制備

采用60 L單臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)進(jìn)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(yàn)方法

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

1.4 早齡期收縮試驗(yàn)

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

1.5 強(qiáng)度試驗(yàn)

對(duì)含不同纖維摻量混凝土的早期(7 d)抗折強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試．試驗(yàn)根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50081—2002)》中的規(guī)定進(jìn)行．抗折強(qiáng)度測(cè)試試件為150 mm×150 mm×600 mm標(biāo)準(zhǔn)小梁試件．

2 結(jié)果與分析

2.1 不同纖維摻量混凝土的早期抗裂性試驗(yàn)結(jié)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(duì)裂縫數(shù)和面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中，裂縫長(zhǎng)度采用鋼尺測(cè)量，裂縫寬度使用讀數(shù)顯微鏡測(cè)量．統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1．

表1 早期抗裂試驗(yàn)結(jié)果

由表1可見(jiàn)：

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(duì)減少裂縫的作用十分明顯．當(dāng)纖維摻量在0.8～1.4 kg/m3時(shí)，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(shì)，且均在纖維摻量為1.2 kg/m3時(shí)達(dá)到最低．對(duì)比裂縫數(shù)和面積的降低率可以看出，在纖維含量較低時(shí)，纖維對(duì)縮小裂縫寬度較為明顯；而當(dāng)纖維摻量為1.4 kg/m3時(shí)，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(guò)量，形成纖維的重疊聚團(tuán)，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(kāi)裂．

2.2 不同纖維摻量混凝土的早期收縮試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)觀測(cè)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(yàn)進(jìn)行比較，本次混凝土自由收縮試驗(yàn)主要針對(duì)前24 h進(jìn)行研究．試驗(yàn)測(cè)得的混凝土收縮率見(jiàn)圖1．

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

由圖1可見(jiàn)，纖維對(duì)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(duì)照混凝土樣品．纖維摻量在0.8～1.4 kg/m3的變化過(guò)程中，24 h時(shí)的混凝土收縮率比對(duì)照試樣分別降低了50.8%、56.2%、68.7%和45.3%，纖維對(duì)混凝土早期收縮抑制效果呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)．

WANG[13]將混凝土早期體積變化過(guò)程按時(shí)間分為塑性沉降、流動(dòng)收縮、自收縮和二次塑性收縮4個(gè)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(gè)階段．本研究結(jié)合實(shí)際曲線(xiàn)，將混凝土24 h的早期收縮變化劃分為3個(gè)階段：第1階段為起始反應(yīng)階段，主要對(duì)應(yīng)于水泥水化反應(yīng)的誘導(dǎo)期，此時(shí)反應(yīng)速率較慢，對(duì)水分的消耗較少，水分未出現(xiàn)明顯遷移，混凝土收縮相對(duì)較小；第2階段為急速增長(zhǎng)階段，主要與水泥水化反應(yīng)的凝結(jié)期相對(duì)應(yīng)，該階段水泥快速水化，凝膠體膜層圍繞水泥顆粒成長(zhǎng)，隨后水化產(chǎn)物互相貫穿形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，混凝土中的水分隨著水泥水化反應(yīng)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(duì)應(yīng)于水泥水化反應(yīng)的硬化期，該階段水泥水化反應(yīng)速率相對(duì)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(duì)穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，混凝土的彈性模量和強(qiáng)度不斷增長(zhǎng)，混凝土收縮所需的毛細(xì)孔壓力越來(lái)越大，因而隨著時(shí)間推移，早期收縮率的增長(zhǎng)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(shí)間較短，第3階段變化幅度很小，因此主要對(duì)第2階段進(jìn)行分析，對(duì)第2階段的混凝土收縮率變化曲線(xiàn)進(jìn)行一元線(xiàn)性回歸處理，擬合曲線(xiàn)見(jiàn)圖2，具體分析結(jié)果見(jiàn)表2．

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

2.3 不同纖維摻量混凝土的抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

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

試驗(yàn)測(cè)得P、F08、F10、F12和F14的7 d抗折強(qiáng)度分別為5.27、5.28、5.37、5.58和5.31 MPa．根據(jù)試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，在纖維濃度為1.2 kg/m3時(shí)，7 d抗折強(qiáng)度提高5.88%；② 纖維濃度為0.8 kg/m3時(shí)，對(duì)比混凝土試樣和摻纖維混凝土試樣的抗折強(qiáng)度相當(dāng)，其原因與低摻量纖維無(wú)法形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)；③ 該類(lèi)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(kuò)展，對(duì)于破壞試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的宏觀裂縫不能給予良好的橋接[16]．

2.4 對(duì)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(gè)因素，一是混凝土的早期收縮大??；二是混凝土自身抵抗應(yīng)力和應(yīng)變的能力．圖3為裂縫降低率、收縮降低率以及早期抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)率的比較. 由圖3可見(jiàn)，摻纖維混凝土試樣抵抗早期收縮和早期開(kāi)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(shí)，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(duì)混凝土早期(7 d)抗折強(qiáng)度并沒(méi)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(qiáng)度增長(zhǎng)率均在2%以?xún)?nèi)．例如，雖然F08的早期抗折強(qiáng)度和對(duì)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(duì)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(duì)早期抗彎拉能力的增強(qiáng)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(qiáng)度增長(zhǎng)率的比較Fig.3 Comparison of crack reduction rate, shrinkage reduction rate and early flexural strength increase rate

3 結(jié) 論

1)改性聚酯纖維可以有效地增強(qiáng)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(shí)，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(duì)混凝土早期(7 d)抗折強(qiáng)度的貢獻(xiàn)較?。w維摻量為0.8、1.2 和1.4 kg/m3時(shí)，強(qiáng)度增長(zhǎng)率在2.00%以下；纖維摻量在1.2 kg/m3時(shí)，強(qiáng)度增長(zhǎng)率達(dá)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(qiáng)度均呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，且均在纖維摻量為1.2 kg/m3時(shí)能夠獲得最佳效果，其中裂縫面積降低率可達(dá)86.4%，早期收縮率降低率可達(dá)68.7%．

4)纖維對(duì)混凝土早期抗裂能力的影響與其對(duì)混凝土的早期抗折強(qiáng)度的影響沒(méi)有明顯的相關(guān)性，纖維主要通過(guò)降低混凝土的早期收縮來(lái)減小混凝土面臨的早期開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)．