不同品种纤维改善混凝土抗裂性能对比

骆静静，王涌，范志勇，秦琼

（1.苏州混凝土水泥制品研究院有限公司，江苏 苏州 215004；2.苏州市联胜置业有限公司，江苏 苏州 215000）

0 引言

混凝土作为目前用量最大的建筑材料之一，由于其自身的脆性特征， 在建设和使用过程中出现立刻不同程度、不同形式的裂缝。 这些裂缝不仅影响建筑物外观， 更危及建筑物的安全性和耐久性。 用纤维增强混凝土来提高混凝土抗裂性和韧性，是目前国际上一致认可的有效方法。

美国混凝土协会（ACI）对“纤维增强混凝土”定义[1]为：“纤维增强混凝土是含有细集料或粗、细集料的水硬性水泥与非连续性的分散性纤维组成的混凝土”。 用于增强水泥基复合材料的纤维，品种众多，按照纤维模量不同可以分为高弹模纤维和低弹模纤维[2-3]。 由于不同品种纤维的物理力学性能之间存在差异，因此对混凝土的改善效果也不同。

本文介绍选用聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、玄武岩纤维和钢纤维四种不同品种纤维，用脆性系数、抗弯韧性和收缩变形来评价混凝土的抗裂性能， 采用接触法和圆环法测定混凝土收缩变形，对比不同品种纤维对混凝土抗裂性能的改善效果，并分析其作用机理。

1 原材料与试验方法

1.1 试验原材料

水泥：宜兴天山P·O42.5 水泥；细骨料：中砂，细度模数2.4； 粗骨料：5～20 mm 连续级配碎石；外加剂：江苏中凯萘系JC-2 高效减水剂（液剂），减水率25%；水：自来水；纤维选用聚丙烯纤维、聚丙烯醇纤维、玄武岩纤维、钢纤维，见表1。

1.2 试验方法

1.2.1 试验配合比

基准混凝土配合比为：水泥：砂：石：水=370:758:1047:185（kg/m3）；纤维体积掺量均为0.1%。 由于纤维掺入会使混凝土的稠度增大， 流动度下降，故制备过程中通过调节减水剂用量来控制塌落度在（180±20） mm 范围内。

表1 试验选用纤维物理力学性能

1.2.2 抗压试验、劈裂试验

混凝土脆性系数试验包括立方体抗压强度试验和劈裂抗拉试验，及试验方法依据（GB/T50081-2002）《普通混凝土力学性能试验方法》进行，试验用试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm， 每种纤维混凝土制作12 个试块。

1.2.3 弯曲韧性试验

测定混凝土试件弯曲时的断裂强度、弯曲韧性指数， 弯曲韧性试验及结果评定参照（CECS13：2009）《纤维混凝土试验方法标准》进行，试验用试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm， 每种纤维混凝土制作6 个试件。

1.2.4 收缩试验

方法一：收缩试验按照（GB/T 50082-2009）《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》 中接触法测试混凝土试件的收缩值， 试件尺寸为100 mm×100 mm×550 mm，每种纤维混凝土制作3 个试件。

方法二：参照ASTM C1581-2004 推荐的圆环法试验方法，结合张风臣改进型环形收缩试验方法[4-5]：试件在试验温度（20±2）℃，相对湿度60%±5%条件下养护6 h 后小心拆除内外环模具，养护1 d 后拆除内外模，在混凝土环外侧贴电阻应变片，用静态电阻应变仪记录混凝土外环应变值。 试件尺寸：内径305 mm，外径425 mm（壁厚60 mm），高度为100 mm，每组圆环试块为3 个。

2 试验结果与讨论

2.1 收缩变形

接触法采用卧式混凝土收缩仪测定混凝土收缩值，试验采取每天测量并记录。 不同种类纤维混凝土收缩率随龄期的变化规律见图1。 圆环法连续实时记录混凝土的应变动态，更为准确地反映混凝土的收缩变形情况，试验结果见图2。

图1 试验结果显示，随着龄期的增长，混凝土的收缩值逐步增长。 前期收缩率变化较快，后期增长程度逐渐平稳，收缩值趋于平稳。 试验结果显示纤维混凝土收缩率均小于基准混凝土，减小混凝土收缩值效果最好的聚丙烯纤维， 其次是玄武岩纤维、聚乙烯醇纤维、钢纤维。

图1 不同种类纤维混凝土收缩值

图2 不同种类混凝土收缩应变值

由图2 可知， 混凝土应变值变化趋势，7 d 养护期内的混凝土的应变值变化比较快，7 d 后混凝土应变值增长幅度减缓，14 d 后应变值逐渐平稳。基准混凝土的应变值最大，纤维混凝土的应变值均小于基准混凝土。 聚丙烯纤维混凝土的应变值最小，即说明聚丙烯纤维对混凝土收缩性能改善最明显， 钢纤维混凝土应变值始终大于其它纤维混凝土，钢纤维改善收缩作用效果最差。

两种试验方法得到的规律完全一致：纤维可改善混凝土的收缩性能， 减少混凝土的早期开裂概率。 基于纤维间距理论和复合材料理论，分析纤维改善混凝土抗裂性能的原因[6-8]：众多乱象分布的纤维在混凝土中形成三维支撑体系， 阻止骨料下沉，提高混凝土的均质性等内在品质，减少水分散失，防止开裂；纤维的加入增强了混凝土的变形能力，减少早期塑性开裂的概率。

试验结果显示，不同纤维品种对混凝土收缩性能的改善效果存在差异。 分析认为，存在这种差异的原因在于纤维在混凝土内部形成三维乱向体系不仅可以有效阻隔水分散失的通道，减少或延缓混凝土内部水分的散失，而且可以改善混凝土的孔结构，减小混凝土的收缩应力，这是纤维降低混凝土收缩的重要原因[9]。从纤维材料的几何尺寸上来看，聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、玄武岩纤维的直径远小于钢纤维，同体积掺量的情况下，混凝土内直径尺寸较小的纤维数量较多，比表面积较大，纤维表面的吸附水较多， 减小混凝土内部水分的散失，因此改善混凝土收缩的效果较好。

2.2 脆性系数

标准养护室养护28 d 取出混凝土试块进行抗压强度和劈拉强度试验，试验结果见表2。 抗压（劈拉）增强系数为纤维混凝土抗压（劈拉）强度与基准无纤维混凝土抗压（劈拉）的比值，数值＞1 表示纤维起正效应增强混凝土强度，＜1 表示纤维起负效应降低混凝土强度。脆性系数为抗压强度与劈拉强度之比，其值越低，混凝土的脆性越小，韧性越大，抗裂性越好。

表2 纤维混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度

表2 试验结果显示，只有钢纤维对混凝土的抗压强度呈现正效应，抗压强度比基准混凝土强度稍有提高，提高幅度为3.1%；其余纤维混凝土的抗压强度均低于基准组，聚乙烯醇纤维混凝土的降幅为0.5%，玄武岩纤维混凝土的降幅约2.6%，聚丙烯纤维的降幅最大，降低幅度达到了9.2%。

纤维混凝土的劈拉强度均高于基准混凝土，实现结果显示： 纤维可以明显地提高混凝土的劈裂抗拉强度。与基准组相比，钢纤维对混凝土劈裂抗拉强度提高幅度分别为36.4%； 玄武岩纤维对劈拉强度的提升幅度分别为13.8%； 提升效果最差的是聚丙烯纤维，提升幅度为1.9%。 一般混凝土理论认为[10]：纤维混凝土的劈裂抗拉强度由混凝土基材和纤维两部分承担， 初始受力时受力主体是混凝土基体，随着应力的增大混凝土出现裂缝、桥连裂缝的纤维开始承担荷载，荷载超过纤维与混凝土粘结强度或纤维的破坏强度时， 混凝土劈裂抗拉强度达到极限。本试验结果也显示，高弹模、高抗拉强度的纤维因为具有较高的变形能力和断裂强度对混凝土的劈拉强度提高更为显著。

表2 说明， 纤维降低了混凝土的脆性指数，脆性指数由低到高依此是钢纤维混凝土、玄武岩纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土、聚乙烯醇纤维混凝土。分析不同纤维脆性系数差异的原因，有研究认为纤维的弹性模量直接决定了纤维在混凝土中所承担的应力份额的多少，纤维的弹性模量与混凝土弹性模量的比值越大，受力时纤维的变形越小，通过纤维与混凝土截面的剪切应力而传递给纤维的力的份额越高[11]。 在本试验中钢纤维的弹性模量最大，在劈拉试验中承受的应力最大，通过自身的变形分散了混凝土截面的剪切应力，提高了混凝土的劈拉强度，减小了混凝土的脆性系数。

2.3 弯曲韧性

试验采用三点弯曲试验方法， 记录混凝土荷载-挠度曲线，以韧性指数I5、I10、I20作为评价依据。韧性指数根据ASTM C1018 韧性指数法计算[12]，利用理想弹塑性作为材料韧度参考指标，初裂挠度的3 倍、5.5 倍和10.5 倍的荷载-挠度所包含的面积与处裂时荷载挠度对应的面积的比值就是韧度指数I5、I10、I20。 对于理想弹塑性体，I5、I10、I20分别等于5、10、20，对于理想脆性材料，I5、I10、I20均为1。 不同品种纤维混凝土的初裂强度、抗弯拉强度和韧性指数结果见表3。

表3 纤维混凝土弯曲韧性指标

试验结果显示，纤维混凝土初裂强度和抗弯拉强度由高到低依此为：钢纤维、玄武岩纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维。与基准混凝土相比，聚丙烯纤维对混凝土的初裂强度稍有提高，但是对于抗弯拉强度没有积极的贡献。

根据试验数据计算各纤维混凝土韧性指数见图3。 由图3 可以看出弯曲韧性由好到劣的顺序是：钢纤维混凝土、玄武岩纤维混凝土、聚乙烯醇纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土、基准混凝土。数据结果表明：高弹性模量的纤维可以明显改善混凝土的弯曲韧性。

图3 不同纤维混凝土韧性指数

混凝土受弯曲荷载作用会产生微细裂缝，裂缝扩展会受到混凝土内部纤维网状系统的阻挡，难以形成大裂纹或贯通裂缝。 详细描述纤维增韧作用为：纤维混凝土受弯时，纤维起到承担拉力并保持基体裂缝缓慢扩展的作用，混凝土基材出现大量分散裂缝，混凝土基体退出工作，纤维以自身的变形能力来继续抵抗外力的拉拔作用， 材料韧性增强，直到纤维被拉断或从基体拔出[13-14]。 纤维延缓了混凝土的开裂破坏，提高了混凝土弯曲韧性。

试验结果显示不同纤维对混凝土的增韧效果大不相同，分析产生这一现象的原因在于：低、中弹性模量的纤维由于自身刚度较小，和高弹性模量的钢纤维相比， 在混凝土内不能形成有效的空间骨架，因此对混凝土弯曲韧性改善不明显[15]。 因此高弹性模量纤维如钢纤维、玄武岩纤维对混凝土的弯曲韧性改善效果更明显；而低弹性模量纤维如聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维对混凝土的弯曲韧性增强作用最弱。

3 结论

（1） 纤维对混凝土抗压强度很难起到增强作用，研究发现，只有钢纤维混凝土抗压强度可提高约4%， 其他纤维混凝土的抗压强度均出现下降，聚丙烯纤维混凝土的降幅最大达10.6%。

（2）纤维可提高混凝土的劈裂抗拉强度和弯曲韧性、降低混凝土的脆性系数。 改善效果按照钢纤维、玄武岩纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维次序递减。高弹性模量的纤维提升效果好于中低弹性模量的纤维。

（3）纤维可以改善混凝土的收缩性能，低弹性模量、直径尺寸较小的纤维对混凝土的收缩性能改善效果更好，改善效果按照聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、玄武岩纤维、钢纤维依此递减。

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