纖維混凝土耐久性試驗及機(jī)理分析

1 纖維混凝土抗?jié)B性能試驗研究

1.1 試件制作

根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》（GBJ82—1985，試件共分3組，每組6件。采用頂面直徑175mm、底面直徑185mm、高150mm的圓臺體混凝土試件進(jìn)行抗?jié)B試驗。

試件混凝土配合比為水泥：石子：砂：水=360：1065：720：105，符合(P6級抗?jié)B等級要求，試件摻入纖維體積率分別為0%，0.1%和0.13%，即后兩組的纖維摻入量分別為0.9kg/m³和1.2 kg/m³。本試驗的改性聚丙烯纖維由天津市欣晟建筑纖維公司提供。試件采用的纖維粗細(xì)度為15denier。試件制作時，為使纖維分布均勻，纖維加入采用干拌法。

1.2 試驗方法

試驗根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》（GBJ82—1985）實施，齡期為28d。試驗采用HS—4B型混凝土滲透儀，加壓范圍為0~4MPa。每次試驗安裝1組試件（6個），試驗由初始0.1MPa開始加壓，加壓持續(xù)8h.，若未發(fā)現(xiàn)試件透水或透水試件總數(shù)不超過3個時，試驗壓力遞增0.1MPa，繼續(xù)持續(xù)加壓8h，依此類推。

1.3 試驗結(jié)果

從表1可知，混凝土中加入纖維后，可大幅度提高抗?jié)B性能。不僅抗?jié)B時間大幅度增加，并且耐受壓力能力也大幅度提高。以第三組試件為例：纖維摻入量為1.2kg/m³，其最高耐受壓力和耐受時間均提高了200%，可見在混凝土中加入纖維后可有效提高水泥基混凝土材料的抗?jié)B能力。試驗結(jié)束后，將未發(fā)生透水現(xiàn)象的試件剖開觀察，發(fā)現(xiàn)尚未透水的無纖維混凝土試件透水高度均達(dá)120mm以上；而尚未透水的已摻入纖維的混凝土試件透水高度僅為50~80mm。

以上結(jié)果表明：混凝土中摻入一定比例的改性聚丙烯纖維，可明顯提高混凝土的抗?jié)B性能，且摻入纖維的比例越高，抗?jié)B性能改善越明顯；由于改性聚丙烯纖維具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，摻入纖維后不影響混凝土的化學(xué)性質(zhì)。

2 纖維混凝土抗裂性能試驗研究

2.1 試件制作

混凝土配合比為水泥：砂：石子：水=1：2.5：2.06：0.48 (kg/m³)。為誘導(dǎo)開裂，將砂含泥量定為10%。試件共分5組。試件尺寸為900mm×600mm×40mm，為加速失水，試件成型后即通風(fēng)，風(fēng)速1.5m/s。試驗評定指標(biāo)以24h后質(zhì)量損失（即縮水率）和24h出現(xiàn)的裂縫面積進(jìn)行鑒別。

2.2 試驗結(jié)果

纖維混凝土抗干縮試驗結(jié)果見表2。

根據(jù)混凝土中摻入纖維的長度和數(shù)量的不同，共進(jìn)行5種不同類型的纖維混凝土抗干縮性能試驗。結(jié)果表明，素混凝土澆筑后2h出現(xiàn)第一條裂縫，其余的裂縫也相繼出現(xiàn)，總共出現(xiàn)5條明顯的粗裂縫，寬度1~2.5mm不等，其余部位也出現(xiàn)多條細(xì)裂縫，其中3條粗裂縫在5h后貫通成一條整裂縫；而摻入聚丙烯纖維的混凝土則明顯不同，混凝土澆筑后5h內(nèi)未出現(xiàn)粗裂縫，僅出現(xiàn)很少的毛細(xì)裂縫20h后雖出現(xiàn)一些裂縫，但其長度和寬度均明顯小于素混凝土。

從表2可以看出，摻加纖維后裂縫消除率平均為94.12%，可認(rèn)為基本消除了裂縫。

3 機(jī)理分析

摻入改性聚丙烯纖維能有效提高混凝土的耐久性能，這是由數(shù)以千萬計的毛細(xì)纖維發(fā)揮的作用。改性聚丙烯纖維粗細(xì)度為15~17denier。本試驗中，2組試件的纖維摻入量分別為0.9 kg/m³ 和1.2 kg/m³。計算表明，在以上兩種摻入量時，每立方米混凝土中均勻分布的纖維根數(shù)高達(dá)2.8×10⁶和3.8×10⁶根。鑒于改性聚丙烯纖維有著良好的分散性，因此在混凝土全部體積內(nèi)，單根纖維間的平均間距約為1.87mm和1.61mm。摻入改性聚丙烯纖維能有效提高混凝土耐久性能的主要原因如下。

3.1 能有效阻止塑性混凝土中裂縫的產(chǎn)生

由于纖維在混凝土內(nèi)呈現(xiàn)三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，起支撐骨料的作用，阻止了粗細(xì)骨料的沉降；同時也降低了混凝土表面的析水現(xiàn)象，有效阻止由于混凝土表面迅速失水造成較大體積收縮，從而避免混凝土表面出現(xiàn)裂縫。塑性狀態(tài)的混凝土強度極低，纖維在塑性狀態(tài)的混凝土中能承受由于干縮而產(chǎn)生的拉應(yīng)力，減少與阻止塑性狀態(tài)下混凝土內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。

3.2 在硬化混凝土中可起有效的阻裂作用

硬化的混凝土由于干燥收縮、溫度收縮及碳化收縮的存在，常會引起混凝土內(nèi)部產(chǎn)生各種收縮應(yīng)力（拉應(yīng)力），當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力集中時，摻入纖維可防止微裂縫擴(kuò)展，并阻止連通裂縫出現(xiàn)。

3.3 纖維對混凝土抗?jié)B性能的影響機(jī)理

根據(jù)現(xiàn)代線彈性斷裂力學(xué)理論，即所謂Romualdi理論，由于纖維的存在使應(yīng)力裂縫趨于閉合^[1]。在混凝土中，當(dāng)纖維分布的平均間距小于7.6mm時，混凝土的抗拉或抗彎初裂強度就能得以明顯提高。因此，摻纖維的混凝土基材在限制收縮的條件下，因失水干縮而引發(fā)裂縫時，由于纖維存在阻裂作用，可顯著減少初始裂縫的數(shù)量，有效抑制裂縫的寬度和長度，并因此大大降低了生成連通裂縫的可能性。混凝土中摻入纖維的體積率達(dá)0.003%時就可使混凝土的裂縫被明顯細(xì)化。當(dāng)裂縫寬度超過自愈范圍后，裂縫的漏水量與裂縫寬度的三次方成正比。因此，混凝土中由于纖維的存在，即使裂縫的總面積不變，但由于摻入的纖維使裂縫細(xì)化也會使混凝土的總漏水量大大減少。理論分析認(rèn)為^[2]，由于裂縫的細(xì)化，混凝土的漏水量與細(xì)分后的裂縫根數(shù)成反比。因此不難看出，單位混凝土體積內(nèi)均勻分布的纖維根數(shù)越多，混凝土凝結(jié)過程中產(chǎn)生的裂縫就越細(xì)化，裂縫寬度就越窄，混凝土的抗?jié)B性能也就越優(yōu)越。這就是纖維混凝土具有較高抗?jié)B性能的主要原因。

3.4 纖維對混凝土抗收縮開裂性能的影響機(jī)理

混凝土在澆筑后出現(xiàn)裂縫，主要是由于混凝土內(nèi)部因為收縮而出現(xiàn)局部的拉應(yīng)變，當(dāng)拉應(yīng)變超過其極限應(yīng)變值時，裂縫就會不可避免地產(chǎn)生。當(dāng)有大量的單絲纖維均勻地分布于混凝土當(dāng)中時，即可承受因混凝土收縮而產(chǎn)生的拉應(yīng)變，延緩或阻止混凝土出現(xiàn)裂縫。纖維在混凝土內(nèi)呈均勻亂向分布，抑制了裂縫的發(fā)展，產(chǎn)生顯著的阻裂效應(yīng)^[3]。因此，聚丙烯纖維的阻裂效應(yīng)主要體現(xiàn)在消除或減輕了早期混凝土原生裂隙的發(fā)生和發(fā)展，可理解是通過聚丙烯纖維提高早期混凝土的抗拉強度實現(xiàn)的。同時，試驗結(jié)果還表明聚丙烯纖維還具有明顯的保水作用，與素混凝土的相比，水損失明顯減少，保水能力提高了31~54%不等，亦提高了混凝土的抗干縮性能。

4 結(jié)論

（1） 根據(jù)本次試驗數(shù)據(jù)分析，摻入改性聚丙烯纖維對混凝土耐久性能有明顯改善。

（2） 改性聚丙烯纖維可大幅度提高混凝土的抗收縮開裂性能，裂縫消除率達(dá)50%以上。纖維摻量越高，抗?jié)B性能越好。

（3） 改性聚丙烯纖維可大幅度提高混凝土的抗收縮開裂性能，裂縫消除率達(dá)90%以上。建議在實際工程中纖維適用型號為19/1.2和19/0.9兩組。

參考文獻(xiàn)

1 蘇健波.等. 杜拉纖維增強混凝土的力學(xué)性能研究. 廣東土木與建筑，2000，（1）：23~26

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3 趙霄龍. 巴恒靜. 普通強度高耐久性混凝土的配制技術(shù). 建筑技術(shù)，2004，35（1）：26~29

作者簡介：（1.青島理工大學(xué)管理系，266520  2.天津城市建設(shè)學(xué)院土木系，300384）