聚丙烯纤维的掺入对混凝土变形性能的影响研究

摘要：普通混凝土是典型的脆性材料，其收缩变形是引发裂缝的一个最主要因素。通过研究聚丙烯纤维混凝土的塑性变形和硬化体的变形，考察聚丙烯纤维混凝土的抗裂能力。

关键词：收缩变形；聚丙烯纤维；混凝土；抗裂

中图分类号：TU196+.1文献标识码： A

0 前言

普通混凝土是典型的脆性材料，达到极限荷载后，裂缝迅速扩展，持荷能力随即降为零[1]。引起混凝土产生变形的原因有很多，包括由荷载施加于混凝土所产生应力还有非荷载因素产生的变形。这些不同因素使混凝土产生的变形，其反应比较复杂，有可逆变形、不可逆变形以及随时间而变化的变形。其中，混凝土的收缩变形是引发裂缝的一个最主要因素。

混凝土在早期很容易开裂，此时混凝土的强度发展不完善，抵抗力很弱。早期收缩包括干燥收缩、塑性收缩和自收缩，这些都能使混凝土产生裂缝，对结构的使用功能和寿命不利。基于以上原因重点研究聚丙烯纤维混凝土的塑性变形和硬化体的变形，考察聚丙烯纤维混凝土的抗裂能力。

1 聚丙烯纤维混凝土硬化后的收缩

1.1 混凝土收缩变形的种类

混凝土的收缩主要来源于水泥浆体，混凝土骨料较好的体积稳定性造成的变形相对很小，水泥浆体在混凝土硬化和使用过程中会发生各种物理和化学方面的收缩。收缩是引发裂缝的根源之一，混凝土一旦开裂就会促进劣化，导致严重的耐久性缺陷。混凝土的收缩主要包括：(1) 干燥收缩； (2) 化学收缩； (3) 自收缩；(4) 温度收缩。

1.2 试验方法

本实验中测定收缩以100mm x100mm x515mm的棱柱体试件为标准试件[3]。试件两端埋有不锈钢材料制成的测头，带模养护2d后拆模后送入恒温20℃，湿度>90%的标准养护室养护。

收缩值的计算采用下式：

1.3 试验结果及分析

图1-10.35水胶比各掺量收缩增长

图1-20.40水胶比各掺量收缩增长

图1-30.55水胶比各掺量收缩增长

掺加纤维的各组混凝土28d收缩值明显小于基准组。水胶比对混凝土的收缩有较大影响，规律是水胶比越大收缩越小。0.55水胶比基准混凝土收缩值比0.35和0.40水胶比混凝土分别少了8.1%和5.2%。聚丙烯纤维能有效的减少收缩，在较低水胶比和较大掺量下减缩性能更为突出。混凝土收缩值随龄期的变化，在前3d水泥用量大的混凝土收缩变形大，占28d收缩值的80%以上，后期收缩曲线逐渐趋于平缓。因此，在满足混凝土力学性能和耐久性能的条件下，应对单方水泥用量加以限制，在早期如果加强养护，控制早期硬化过程中的收缩，可以有效减少由此带来的早期开裂。

2聚丙烯纤维混凝土的塑性收缩变形

早期塑性裂缝产生的根源是塑性收缩。造成塑性收缩的原因多种多样，主要有：泌水收缩和塑性沉降收缩等。在塑性收缩发生的同时，混凝土已经具备一定的强度，一旦塑性变形不足以适应塑性收缩，此时就产生塑性开裂。

2.1 混凝土塑性收缩研究方法

研究混凝土塑性变形的方法目前主要有三种：环形约束试验，单轴型约束试验，平板型约束试验。试验环境对试验结果的影响很大，目前的用到的试验情况有：(1)严格模拟实际工况；(2)实验室标准条件；(3)比混凝土所处环境更加严格的条件。

环形法的主要问题是约束不够，混凝土内的应力足以克服圆环的约束，从而不能观察到实际的开裂情况。平板型试验方法操作方便，试验结果相对可靠。

平板法主要有：(1)ICBO大板； (2)加拿大叠合板约束法；(3)ACI-544大板法。

表2-1裂缝宽度权值表

本文采取改进的大板法，并用ACI-544大板法的开裂指数评价混凝土的抗裂能力，试验步骤如下：

①按试验配合比拌制各组混凝土,浇注在铁模板中振实,抹平；

②养护:用塑料薄膜覆盖2 h；

③记录:吹风24h后，记录裂缝的特征和出现时间。

2.2 试验配比

设计两组试验，一组为三种不同水胶比的基准混凝土，考察水胶比对混凝土抗裂性能的影响。另一组为道路混凝土配合比，考察不同掺量的聚丙烯纤维道路混凝土的开裂情况。实验用配合比如下：

表2-2 不同水胶比基准配合比（kg/m3）

表2-3 不同纤维掺量道路混凝土配合比（kg/m3）

2.3 试验结果及分析

表2-4 水胶比对混凝土抗裂性能的影响

图2-1不同水胶比开裂指数

按照试验步骤记录三组不同水胶比基准混凝土的开裂情况并计算其开裂指数如表2-4所示，分析计算出的开裂指数可以看出水胶比越小开裂风险越大，这也是现在高性能混凝土高强化后越来越容易开裂的原因之一。

表2-5 纤维对混凝土抗裂性能的影响

图2-2不同配比道面混凝土开裂指数

本组结果显示，聚丙烯纤维对于减少塑性收缩有非常好的效果，此时若提高掺量，开裂指数会进一步降低，但是降低的幅度有限。在本组实验中，各配比没有出现d≥3mm的裂缝，基准混凝土在11h时开始出现裂缝，并在11h至20h时为裂缝的快速增长期，这期间裂缝的宽度和长度都有不同程度的增长，而掺聚丙烯纤维的混凝土呈现出出色的抗裂性能，并且这种性能随着纤维掺量的增加有不断增强的趋势。

试验中0.5~2.0kg/m3各掺量的裂缝总长度分别为基准混凝土的51.5%、43.4%、42.3%、40.5%。在掺量大于1.0kg/m3后，减缩效果和聚丙烯纤维的掺量为非线性关系，此时继续增加掺量并不是理想的办法。与此同时，掺加纤维还能减小裂缝宽度细化带来的开裂。

综合试验结果可以得出结论，聚丙烯纤维能够有效的减小塑性裂缝，既能减少裂缝的数量又能降低裂缝的宽度，较经济的掺量在1.0kg/m3左右。

3小结

（1）在本试验中，聚丙烯纤维加入混凝土后能有效降低收缩。对收缩影响最大的是混凝土水胶比，高水胶比的收缩小，低水胶比的收缩大。同时，相同掺量的聚丙烯纤维在低水胶比下减缩效果更为明显；

（2）混凝土的收缩在早期发展迅速，0.35水胶比情况下在3d收缩值就已经达到28d收缩的80%，从这个角度看，早期确实是控制混凝土裂缝的一个重要时期；

（3）通过采用权值法评价聚丙烯纤维混凝土的抗裂能力，分析开裂指数发现水胶比越小开裂风险越大；

参考文献：

[1]孙玉龙等. 聚丙烯纤维对混凝土韧性的影响研究[J]. 科技创新导报, 2007年32期

[2]阎培渝等.水泥水化反应与混凝土自收缩的动力学模型[J]. 铁道科学与工程学报,2006年1期

[3]郑欣.混凝土体积稳定性的测试方法[J]. 建筑技术,2005年4期

[4]马良.公路隧道防水混凝土综合性能模糊评判及防水体系优化：（硕士学位论文）.重庆：重庆交通大学,2007