《纤维增强自密实轻骨料混凝土早期抗裂性能试验》
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摘 要：通过应力诱导平板开裂试验,研究不同掺量剑麻纤维、耐碱玻璃纤维及两者1：1混杂纤维增强自密实轻骨料混凝土早期抗裂性能,结果表明：3种掺入方式均能有效抑制自密实轻骨料混凝土裂缝的产生与扩展,随着纤维掺量的增加,早期抗裂性能逐渐提升,当掺量达到2.0kg/m3时,可视裂缝基本消失,混杂纤维协同工作产生的阻裂效果优于单掺情况,综合考虑自密实轻骨料混凝土的力学、工作性能和早期抗裂性能,得出混杂纤维的适宜掺量为1.0kg/m3.
关键词：纤维;自密实轻骨料混凝土;混杂效应;早期开裂;阻裂机理
中图分类号：TU528.572DOI：10.16375/j.cnki,cn45-1395/t,2020.02.005
0引言
现有普通混凝土具有自重大、抗拉强度低、质脆韧性差,施工时需要振捣等缺点,这使得施工噪音大、成本高,混凝土易产生裂缝,使用寿命变短,目前已有研究表明：由非荷载效应产生的混凝土裂缝占结构总裂缝的80%,因此,提高混凝土的耐久性能、延长其使用寿命的重要解决手段是提高混凝土的韧性与抗渗性能,纤维增强自密实轻骨料,混凝土SCLC（self-compacting lightweight aggregate concrete）采用轻骨料（陶粒）代替普通粗骨料,使其自重小于1950kg/m3,并参考《自密实混凝土应用技术规程》（JGJ/T283—2012）中的配合比设计方法,通过添加纤维、粉煤灰和高效减水剂来提高其力学及工作性能,SCLC同时具备了轻骨料混凝土和自密实混凝土的优点,并克服了骨料的离析浮沉问题,但是,对自密实轻骨料混凝土采取的降低水胶比、掺加矿物掺合料等技术手段增大了其收缩开裂的风险.
中国工程院院士吴中伟曾指出：纤维三维乱象分布于混凝土基体内部是使其高性能化的核心手段,目前已有较多国内外学者设计了SCLC配合比,并研究其力学、耐久性能,以及纤维混凝土早期抗裂性能、阻裂机理和纤维混杂效应,王新忠等研究了不同长度、掺量的玄武岩纤维增强混凝土的早期抗裂性能,结果表明：玄武岩纤维混凝土早期收缩裂缝随纤维长度增加先减小后缓慢增加;随纤维体积掺量增加而减小,并且长度18mm、体积掺量0.2%的玄武岩纤维阻裂效果最佳,闻洋等研究聚乙烯醇（PVA）纤维对混凝土抗裂性能的影响,结果表明：PVA纤维能有效抑制早期塑性裂缝的产生,且选用长度8mm、掺量为1.4kg/m3的聚乙烯醇纤维时早期抗裂性能表现最佳,另外,关于纤维增强SCLC在实际构件中的承载力研究及应用也陆续出现报道,但是目前关于混杂纤维自密实轻骨料混凝土早期收缩开裂特性的试验研究尚鲜有报道.
广西剑麻纤维资源丰富,其質地坚韧,富有弹性,耐腐蚀摩擦,具有较高的抗拉强度,经济性能良好,被广泛应用于天然纤维高性能复合材料领域,而剑麻加工工厂产生大量剑麻纤维边角料,造成资源浪费,耐碱玻璃纤维防火耐腐蚀,具有较高的抗拉强度和弹性模量,故选用剑麻纤维、耐碱玻璃纤维及两者1：1混杂纤维增强自密实轻骨料混凝土,采用《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T50082-2009）中规定的早期抗裂试验及抗裂指标计算方法,得出纤维增强SCLC早期抗裂性能各项指标,全面对比分析两种纤维的掺加方式及掺量对SCLC早期开裂的影响.
1试验
1.1试验材料
水泥：广西鱼峰有限公司生产的P,C 32.5复合硅酸盐水泥,相关性能达标;粉煤灰：来宾电厂生产的I级粉煤灰,化学成分见表1;细骨料：广西柳州生产的河砂,为中砂,各项技术指标为细度模数2.6.堆积密度1657kg/m3,表观密度2600kg/m3,级配合格;粗骨料：河南宏达滤料有限公司生产的900级非烧结粉煤灰圆球型陶粒,相关技术指标见表2;减水剂：苏州弗克技术股份有限公司生产的聚羧酸高效减水剂,减水率为30%;纤维：广西剑麻集团生产的剑麻纤维,呈束状米单丝,内部腔体中空且不规则,长沙建材有限公司生产的短切耐碱玻璃纤维,相关参数见表3.两种纤维的外观形貌如图1、图2所示.
1.2纤维增强自密实轻骨料混凝土配合比
根据JGJ/T283-2012《自密实混凝土应用技术规程》中的自密实混凝土配合比设计规范设计了强度等级为C30的自密实轻骨料混凝土（SCLC30）,陶粒体积掺量为0.42.水灰比为0.38.30%的粉煤灰取代率,PC减水剂掺量为1%,具体用量为：陶粒658kg/m3、河砂633kg/m3、水泥350kg/m3、粉煤灰150kg/m3、水190kg/m3、PC减水剂5kg/m3,耐碱玻璃纤维、剑麻纤维单丝直径分别为30um、304um,长度均为10mm,单一纤维及1：1混杂纤维掺量分别为0.5kg/m3、1.0kg/m3、1.5kg/m3、2.0kg/m3.
1.3试验方法
根据GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》内要求规定的早期抗裂试验方法,选用该规范规定的早期开裂模具,对SCLC进行刀口约束,该模具呈平面薄板状,尺寸为100mmX600mmx800mm,具体试验装置如图3所示,用上述配合比配制SCLC进行浇筑抹平,成型30min后用调节风扇,风速为5m/s左右,风向平行于试件表面,24h后通过裂缝观测仪、钢尺等观测裂缝的数量、长度及宽度,
采用规范中的各项开裂指标来评价SCLC的早期抗裂性能,包括每根裂缝的平均开裂面积、单位面积裂缝数目、单位面积总开裂面积、裂缝总长、最大裂缝宽度和裂缝降低系数作为纤维增强SCLC的开裂评价指标,探究两种纤维的掺量及掺入方式对SCLC早期开裂特性的影响并对阻裂机理进行分析,计算公式如下：
2试验结果与分析
2.1纤维增强自密实轻骨料混凝土早期开裂试验结果
试验采用上述自密实轻骨料混凝土配合比掺量,共制作SCLC试件12组,不掺纤维对照组试件1组,耐碱玻璃纤维简称GF,剑麻纤维简称F,1：1混杂纤维简称HF,按上述试验方法对各组试件进行观测与计算,具体数据及开裂指标见表4.开裂指标变化趋势如图4所示,
2.2结果分析
纤维自密实轻骨料混凝土是一种由水泥、粉煤灰、粗细集料、纤维及减水剂组成,经水充分搅拌固化后形成的非匀质材料,是一种固、液、气三相集合而成的微晶体结构,其搅拌成型初期,内部水分逐渐随着水泥水化反应的进行和干湿梯度而损失,在化学收缩和干燥收缩过程中基体内部将产生微裂缝,本试验通过应力约束诱导早期微裂缝开裂,故在刀口处将产生应力集中现象,当刀口附近微裂缝处应力大于基体的抗拉强度时,早期微裂缝将会向外逐渐延伸,各裂缝汇聚贯通发展成为宏观裂缝,最终导致试件的开裂,与自密实轻骨料混凝土基体相比,耐碱玻璃纤维和剑麻纤维抗拉强度较高,当纤维穿过裂缝或位于裂缝开展路径上时,裂缝扩展将会受阻、尺寸被限制,抑制其发展成为宏观裂缝,从而提高自密实轻骨料混凝土抗裂性能,故纤维自密实轻骨料混凝土开裂是一个由微观到宏观的、多层次多尺度的渐进过程,单一性能的纤维难以契合其开裂过程.
根据表4及图4试件开裂数据及各项开裂指标结果可知：1）在两种纤维单掺及混掺情况下,纤维增强的自密实轻骨料混凝土相比对照组裂缝数量均大幅减少,裂缝总长及最大裂缝宽度值显著降低,随着纤维掺量的增加,各项开裂指标呈现出明显的下降趋势,裂缝降低系数η逐渐上升,2）纤维掺量为0.5kg/m3时,单掺及混掺的各项开裂指标均出现陡降现象,相比对照组,部分开裂指标降低率为50%左右,阻裂效果良好;纤维掺量增加到1.5kg/m3时,各项开裂指标降低约90%,η己达90%左右;至2.0kg/m3时,可见裂缝基本消失,阻裂效果十分显著.3）根据SCLC的早期（24h）抗裂性能评价标准（CECS 38-2004《纤维混凝土结构技术规程》）,除了单掺耐碱玻璃纤维0.5kg/m3组（η为68.38%）的SCLC早期抗裂等级为二级（≥为55%-70%）,其余各试验组都达到最佳的一级（η≥70%）.
在同一纤维掺量下,对比两种纤维单掺及混掺试件各项开裂指标可知：1）纤维掺量为0.5kg/m3时,混杂纤维自密实轻骨料混凝土试件的开裂指标与单掺试件相比较为接近,在此掺量下未取得最佳的混杂效果,2）纤维掺量为1.0-1.5kg/m3时,混杂纤维试件各项开裂指标均低于单掺试件,其中单位面积裂缝数量6减少尤为明显,仅为单掺试件的50%,3）在混杂纤维掺量为2.0kg/m3时各项开裂指标均为0.η达到100%,从SCLC早期抗裂性能角度己产生较为优异的混杂效果,
2.3纤维与水化产物界面微观结构观测及阻裂机理分析
根据开裂指标结果及前期力学性能试验,选取剑麻纤维掺量为2.0kg/m3、耐堿玻璃纤维掺量为1.5kg/m3、混杂纤维掺量为1.0kg/m3,掺入水灰比为0.38的水泥净浆中,标准养护28d,取样后使用扫描电镜（SEM）放大1000倍观测纤维与水泥水化产物界面结构,SEM照片如图5所示.
由图5（a）可以发现,耐碱玻璃纤维从基体中拔出后未断裂,且表面无损伤,仍为光滑平整的圆条状结构;且耐碱玻璃纤维与水泥基材料界面过渡处空隙不明显,粘结情况良好,未被水泥基材料中富CH的碱性环境影响,从图5（b）可看出剑麻纤维由单丝竖向聚集而成,表面形貌凹凸不平整,中空且吸水的特性导致其界面处孔隙较多;吸水的特性还导致剑麻纤维表面及中空腔体内存在较多水化产物颗粒,提升了剑麻纤维与水泥基材料的界面粘结强度,从图5（c）可以看出剑麻纤维己从基体中拔出;耐碱玻璃纤维穿插在基体内部,表面有水化产物附着;混杂纤维在基体内分散较均匀,两种纤维之间的界面及纤维与基体的过渡界面均能较好地结合,两者协同工作抑制原生裂缝及荷载裂缝的产生与扩展.
由于本试验剑麻纤维的单丝直径10倍于耐碱玻璃纤维,剑麻纤维与基体界面处的薄弱面积相对较大;且耐碱玻璃纤维的拉伸强度与弹性模量大约是剑麻纤维的4-8倍,因此,单掺剑麻纤维产生的抗裂效果不如耐碱玻璃纤维,耐碱玻璃纤维的拉伸强度和弹性模量相对较高,直径较小,在一定程度上能提高自密实轻骨料混凝土的抗拉性能和抗裂性能,起到桥联微观裂缝的作用;直径较大、弹性模量较低且亲水质轻的剑麻纤维提高了与水泥基复合材料的裂后韧性,进一步阻止裂缝的扩展,适宜掺量的耐碱玻璃一剑麻混杂纤维三维乱向分布在混凝土内部,使混凝土在受荷开裂的渐进过程中产生协同作用,达到增强增韧的双重效果,因此,纤维掺量为1.0-2.0kg/m3时,混杂纤维产生的抗裂效果优于单掺情况,呈现正混杂效应;在此范围内随着纤维掺量的增加,虽然混杂纤维自密实轻骨料混凝土抗裂性能略有提升,裂缝宽度有所细化,但SCLC30标准试块28d劈裂抗拉强度由3.20MPa降低至3.06MPa,其工作性能也开始下降,原因是两种纤维在基体中分布密度过高、纤维间距过小导致缠绕纤维在SCLC中的分散效果大幅降低,导致其坍落扩展度下降,且增加了与基体的界面面积,基体界面处的孔隙增多使其粘结性能下降,最终导致混凝土力学性能劣化,总体上呈现出负混杂效应.
3结论
通过应力诱导平板开裂试验研究了耐碱玻璃纤维和剑麻纤维掺入方式及掺量对自密实轻骨料混凝土早期抗裂性能的影响规律,并分析了阻裂机理,得到以下结论：
1）耐碱玻璃纤维和剑麻纤维单掺及1：1混掺的自密实轻骨料混凝土试件,诱导裂缝变得短而细,数量急剧减少,随着纤维掺量从0增加到2.0kg/m3,3种掺入方式的试件各项开裂指标降低十分明显,裂缝降低系数均呈现出快速增长趋势,几乎都达到了一级阻裂效能等级,阻裂效果显著.
2）同一纤维掺量水平时：剑麻纤维掺量为0.5kg/m3时产生的裂缝细化效果最佳,剑麻一耐碱玻璃纤维混杂产生的阻裂效果与单一掺入情况较接近,纤维掺量在1.0-2.0kg/m3时,混杂纤维试件各项开裂指标总体上优于单掺试件,总体上呈现出最佳阻裂效果的为混杂纤维试验组,其次为耐碱玻璃纤维,最后是剑麻纤维,得出最优混杂纤维掺量为1.0kg/m3.
3）剑麻纤维、耐碱玻璃纤维及两者混杂纤维均匀分散在基体内部时,能消耗裂缝产生或扩展时的部分能量,抑制微裂缝的延伸和贯通,均起到良好的阻裂增韧效果,由于剑麻纤维和耐碱玻璃纤维不同的力学性能和特性,两者在基体内三维乱向分布协同工作,契合多层次多尺度的开裂过程,混杂效果良好.
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