纖維混凝土耐久性試驗及機理分析

1 纖維混凝土抗?jié)B性能試驗研究

1.1 試件制作

根據《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《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)現試件透水或透水試件總數不超過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。試驗結束后，將未發(fā)生透水現象的試件剖開觀察，發(fā)現尚未透水的無纖維混凝土試件透水高度均達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穩(wěn)定性，摻入纖維后不影響混凝土的化學性質。

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，風速1.5m/s。試驗評定指標以24h后質量損失（即縮水率）和24h出現的裂縫面積進行鑒別。

2.2 試驗結果

纖維混凝土抗干縮試驗結果見表2。

根據混凝土中摻入纖維的長度和數量的不同，共進行5種不同類型的纖維混凝土抗干縮性能試驗。結果表明，素混凝土澆筑后2h出現第一條裂縫，其余的裂縫也相繼出現，總共出現5條明顯的粗裂縫，寬度1~2.5mm不等，其余部位也出現多條細裂縫，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內未出現粗裂縫，僅出現很少的毛細裂縫20h后雖出現一些裂縫，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%，可認為基本消除了裂縫。

3 機理分析

摻入改性聚丙烯纖維能有效提高混凝土的耐久性能，這是由數以千萬計的毛細纖維發(fā)揮的作用。改性聚丙烯纖維粗細度為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高達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，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生

由于纖維在混凝土內呈現三維網絡結構，起支撐骨料的作用，阻止了粗細骨料的沉降；同時也降低了混凝土表面的析水現象，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生的拉應力，減少與阻止塑性狀態(tài)下混凝土內部裂縫的產生和發(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，常會引起混凝土內部產生各種收縮應力（拉應力），當混凝土結構內產生應力集中時，摻入纖維可防止微裂縫擴展，并阻止連通裂縫出現。

3.3 纖維對混凝土抗?jié)B性能的影響機理

根據現代線彈性斷裂力學理論，即所謂Romualdi理論，由于纖維的存在使應力裂縫趨于閉合^[1]。在混凝土中，當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0.003%時就可使混凝土的裂縫被明顯細化。當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化也會使混凝土的總漏水量大大減少。理論分析認為^[2]，由于裂縫的細化，混凝土的漏水量與細分后的裂縫根數成反比。因此不難看出，單位混凝土體積內均勻分布的纖維根數越多，混凝土凝結過程中產生的裂縫就越細化，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理

混凝土在澆筑后出現裂縫，主要是由于混凝土內部因為收縮而出現局部的拉應變，當拉應變超過其極限應變值時，裂縫就會不可避免地產生。當有大量的單絲纖維均勻地分布于混凝土當中時，即可承受因混凝土收縮而產生的拉應變，延緩或阻止混凝土出現裂縫。纖維在混凝土內呈均勻亂向分布，抑制了裂縫的發(fā)展，產生顯著的阻裂效應^[3]。因此，聚丙烯纖維的阻裂效應主要體現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的。同時，試驗結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 結論

（1） 根據本次試驗數據分析，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

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2 朱江. 聚丙烯纖維混凝土（砂漿）的防水機理及應用技術. 建筑技術，2001，32（7）：455

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

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