不同抗裂纤维对增强混凝土性能的研究

不同抗裂纤维对增强混凝土性能的研究

钟敏

（广州市粤砼混凝土有限公司 广州 510000）

摘要：本研究通过对不同抗裂纤维对混凝土性能的综合影响进行深入研究，以超视界第10.5代TFT-LCD显示器生产线废水处理站项目为背景。通过对混凝土的收缩性进行分析，并进行相对应的实验，对试验的工作性能、抗压抗折性能、收缩率以及抗裂性能结果进行分析讨论，确定工程当中所要用到的抗裂纤维，以期增强混凝土的抗收缩性，为混凝土结构的实际应用提供有益的参考。

关键词：抗裂纤维；收缩性；混凝土性能

工程概况

超视界第10.5代TFT-LCD显示器生产线废水处理站项目位于广州市增城区，该项目属于大体积防水、防开裂混凝土的施工。混凝土工程裂缝中收缩变形约束裂缝是在土木工程结构中比较常见的问题之一。为此，我们基于此次的项目对原材料臻选低热水泥、优化配合比，控制混凝土水化热，进行多组试验对比，反复优化配合比，并在项目现场模拟施工试验工作，确定了最终最佳的配合比。

1 引言

混凝土工程中，收缩变形约束裂缝是一个常见问题，尤其在需要高精度施工的情况下。本项目为了解决这一问题，以不同抗裂纤维为研究对象，通过综合分析混凝土的收缩性能，旨在为提高混凝土结构的整体性能提供科学依据。具体而言，本文将通过混凝土配合比试验，包括原材料的选择和基准配合比的确定，以及不同抗裂纤维混合比例的设计。通过流动性测试、力学强度试验、收缩试验、开裂试验、氯离子侵蚀试验和微观试验等多方面的试验方法，系统研究了不同纤维混合比例对高强混凝土性能的影响。

2 混凝土的收缩性分析

（1）塌陷收缩：混凝土在浆液状态到刚刚凝结时，由于水泥颗粒间水化产生胶凝胶，形成了一种内聚作用，导致混凝土体积减小[1]。这个过程称为塌陷收缩。虽然这个阶段的收缩不是很大，但对于一些需要高精度的施工，如模板浇筑和混凝土地坪，塌陷收缩也需要被注意。

（2）干缩：混凝土在养护期间和使用阶段，由于水分蒸发和环境温湿度的变化，会发生干缩。这种缩短是由于混凝土中的水分逐渐减少，导致水泥凝胶处于收缩状态。干缩是混凝土收缩的主要形式，其大小受到混凝土配合比、环境湿度、气温等因素的影响。

3 实验

3.1 原材料选择

（1）水泥：此次试验我们选用英德海螺水泥有限公司产P·0，强度等级为42.5R级的水泥，其性能指标如下表1所示。

表1 水泥性能数据

（2）粉煤灰采用Ⅱ级粉煤灰，其性能指标如下表2所示。

表2 粉煤灰性能数据

（3）矿粉采用S95级矿渣粉，其性能指标如下表3所示。

表3 矿粉性能数据

（4）外加剂我们采用TD-A聚羧酸高性能减水剂，其性能指标如表4所示。

表4 聚羧酸减水剂性能数据

（5）细骨料为北江产砂，级配区为II级，其性能指标如下表5所示。

表5 细骨料性能数据

（6）粗骨料我们采用的是广西顺兴石场砂石，品种为花岗岩，其性能指标如下表6所示。

表6 粗骨料检测结果

3.2 确定基准配合比

按照《高强混凝土应用技术规程》的规定，采用了中、高强度混凝土的配比，并对其进行了试验研究。我们确定了C35基准配合比，以保证混凝土的良好工作性[2]。通过试验，确定了减水剂用量为总水泥用量的1%时，可使混凝土拌合物的工作性能、压实性能得到提高。下面的表格7显示了用于这项研究的标准混凝土配比。

表7 C35混凝土基准配合比

3.3 设计实验方案

本项目拟在前期工作的基础上，将钢纤维与PVA纤维进行掺混，制备出体积含量为1.50%的复合纤维。此次试验以不同纤维的含量为基础，我们设置的条件标准为：钢纤维和聚乙烯醇纤维（PVA）的混合物不大于1.5，里面的钢纤维不大于1.5，钢纤维和聚乙烯醇纤维不大于0.75，试验配比如下表8所示。

表8 抗裂纤维配比数据

3.4 试件成型及试验方法

按照给出的配料比例，对原料进行精确称量。首先，将粗集料与砂子充分拌合，再分几次向混砂机中掺入钢纤维、PVA，以保证混合均匀[3]。然后向混合器中加入水泥、粉煤灰和硅灰，并不断搅拌直到混合均匀。最后，慢慢地把水与减水剂的混合物加到搅拌器里，再搅拌5分钟直到混合均匀。再按照《工程水泥及水泥混凝土试验规程》中所述振捣成形，然后将其养护到预定龄期。当达到指定的年龄时，对其进行试验性能测试，以确保符合工程要求。

接下来的实验及方法将按照以下步骤进行：

（1）流动性试验：按《高强混凝土应用技术规程》要求，对已搅拌好的混凝土进行坍落度试验。

（2）强度测试：依据《混凝土结构设计规范》，制作抗压、抗折强度的实验试块，体积规格分别为100 mm×100 mm×100 mm和10 mm×100 mm×400 mm。接着按规程要求，每组设置三个实验试块，使用轻型压力试验机测定实验试块材料的抗压、抗折强度。

（3）干缩试验：实验试块体积规格分100mmx100mmx400 mm，每组3个，用长度测量仪测量。标准长度测定时间为试样成形后加水72 h，然后按照收缩率计算公式求出每一龄期实验试块的干缩率。

（4）抗裂试验：用平测法检测混凝土早龄期抗裂，用600mmx600mmx63 mm实验试块。研究参照《纤维混凝土试验方法标准》中的有关规定。在对实验试块进行拍摄后，采用OriginJ法对裂纹区域的面积进行了计算。

（5）氯离子腐蚀实验：参照《普通混凝土长期性能与耐久性能试验方法》，以氯离子快速传输系数法研究高强度混凝土的氯离子腐蚀。

（6）微观试验：选择1-2 mm厚、边长5-10 mm的实验试块，将实验试块干燥后固定，再喷金，接着扫描电镜下观察。

4 试验结果分析讨论

4.1 工作性

由下图1中的混合纤维混凝土工作性测试结果可知，加入钢纤维、PVA后，高强度混凝土坍落度有显著改变。坍落度随纤维掺量的增大而减小。具体而言，在钢纤维含量为1.5%的情况下，混凝土的塌落度达到180 mm；在PVA添加量为0.75%的情况下，混凝土的塌落度减小到80 mm。掺合料的掺入量对混凝土的塌落度影响较大。在混合比例为1.50%的情况下，混凝土的塌落度仅为50 mm。纤维的加入对拌合物的沉降率有一定的影响，使其工作性下降。另外，PVA本身就是一种吸水性很强的材料，这就等效为减少了用水量，减小了水灰比，从而使混凝土的工作性下降。

图1 混杂纤维混凝土拌合物的坍落度

4.2 抗压强度

此次的实验结果如下图2所示。我们可以观察到，随着钢纤维或PVA单独掺量的逐步提升，实验试块的7天和28天抗压强度均呈现上升态势[5]。对比基准组，在最大掺量下，钢纤维可使28 d抗压强度增加23.7%，而PVA只增加8.1%，说明钢纤维其强化作用更明显。另外，7组试验资料显示，在7 d及28 d时，钢纤维及PVA掺入的实验试块，比单纯的钢纤维实验试块有显著提高。这一现象侧面反映出PVA在混凝土中的强化作用相对较弱。PVA是一种极易发生团聚的高分子聚合物，其在混凝土中难以均匀分散，使其与基体、纤维之间的界面结合更加紧密，引起内部结构缺陷增加，影响其强度提升。进一步分析后七组数据可知，在总纤维含量保持不变的前提下，随着钢纤维掺量的增加，其7天和28天抗压强度相应提高[6]。结果表明，在混合纤维混凝土中，钢纤维掺量由0.25%增至0.50%、0.75%时，其抗压强度最高可提高7.8%、16.0%；这也说明，混凝土的抗压强度随纤维含量的增加而提高。从7 d、28 d抗压强度出发，确定最佳掺量为钢纤维1.00%、PVA含量为0.50%。

图2 混杂纤维混凝土的抗压强度

2.3抗折强度

如下图3所示。从前面六个试验结果来看，通过对不同掺入纤维比例的混凝土进行的抗折强度测试，高强混凝土的弯曲强度随纤维含量的提高而提高。相较于基准组，在钢纤维含量为1.50%的情况下，其7 d抗折强度比基准组的提高了26.8%，28 d的抗折强度也比基准组的增加了41.5%；但在添加PVA含量为0.75%时，其7 d、28 d的弯曲强度比基准组只提高了12.5%、17.7%；因此，我们可以看出，钢纤维增强混凝土结构的效果更为显著。两种纤维以不同比例掺混时，随着钢纤维率、PVA用量的减少，材料的抗折强度也随之增大，呈现出反比例的关系。接着我们研究了钢纤维对试件弯曲强度的影响，结果表明，在两种混合纤维的含量分别为0.75%（钢纤维）和0.25%（PVA）时，混凝土的抗折强度达到了最好的性能；其7 d抗折强度较基准组提高到了45.7%，28 d的抗折强度较基准组提高到了40.9%。这主要是因为PVA纤维的尺寸很小，分散到基质中能起到一定的抑制和延迟裂缝的扩展。当裂纹发展到一定程度时，由于钢纤维的存在，其对裂纹的发展起到了一定的阻碍作用。但在总纤维含量为1.50%后，其弯曲强度降低。这主要是因为纤维含量太高，引起了内部结构缺陷的增多，使其与混凝土之间的界面作用比纤维的阻裂效果更大，进而降低了混凝土的强度。这一结果也说明了纤维含量的合理选取是影响混凝土弯曲强度的关键因素。

图3 混杂纤维混凝土的抗折强度

2.4收缩率

图4所示为混凝土在各种混合比例的情况下的收缩测试。由对比试验结果可知，3日龄时，收缩量增加较快，3日龄后收缩减缓，至28 d时收缩量为592.28×10-6；由试验结果可知，两种不同类型的纤维均能有效地减小水泥砼的收缩，并且与PVA相比，钢纤维能更好地控制混凝土的收缩。在两种纤维混合情况下，随总纤维含量的增大，对混凝土的抑制作用更加明显。当总掺量不变时，随着钢纤维掺量的增大，PVA含量降低，28 d收缩减小。结果表明，在掺入0.75%的钢纤维和0.25%的PVA的掺入量下，混凝土的收缩最小；28 d的收缩与单独使用纤维相比，降低了27.7%；这主要是因为两种纤维的物理混合可以改善混凝土的孔结构，而不同弹性模量的纤维可以使混凝土的毛细收缩得到很好的分散。PVA因其较高的比表面积，增加了整体结构的比表面积，增强了对混凝土的拉力，同时也改善了混凝土的内部缺陷，对收缩起到了一定的抑制作用。但是，在1.50%的混合比例下，由于PVA的过量使用，使得混凝土中的界面数目增多，内部失水通道减少，从而削弱了其对收缩的抑制作用。若能与保水材料协同使用，则有望解决此问题。

图4 混杂纤维混凝土的收缩率

2.5抗裂性能

如下图5的结果所示，在此基础上，对不同掺入量的混凝土进行了早龄期裂缝区域的测试。由试验开始的6组试验结果可知，加入钢纤维PVA对改善混凝土的裂缝有较好的效果。纤维含量越高，抗裂性能越好。另外，我们还发现，PVA在控制早期裂缝方面效果更佳。与基准混凝土相比，PVA添加量为0.75%时，开裂面积减少45.2%；通过我们的研究表明，掺入不同类型的纤维，其抗裂性能和强度呈现出明显的差异。与单一纤维相比，混合纤维对混凝土裂缝的抑制作用更明显。结果表明，在钢筋纤维添加量为0.75%和0.25%的情况下，混凝土中出现的裂纹区域较基准组减少了95.8%，表现出最大的抗裂效果。这是由于掺加了这种纤维，在搅拌时，使纤维均匀地分布于混凝土中，并与混凝土基体形成了良好的粘结，这种严密的粘结对于阻止裂纹的产生与发展是有正面效果的。另外，由于纤维的混合效应，对裂纹扩展过程中的各个阶段、各个尺度都有一定的抑制作用。特别是柔性纤维桥连于各界面，可延迟应力集中，降低裂纹萌生，防止贯通裂纹的产生。

图5 混杂纤维混凝土早期开裂面积

5 结语

通过对超视界第10.5代TFT-LCD显示器生产线废水处理站项目的混凝土配合比优化实验进行深入的试验与分析，研究发现在混杂纤维混凝土中，随着纤维掺量的逐步提高，坍落度逐渐降低，工作性相应减弱。在提升混凝土抗压及抗折强度方面，钢纤维表现尤为显著；而在抑制混凝土收缩及提高抗裂性能方面，聚乙烯醇纤维具备明显优势。最优纤维混杂比例为1.00%的钢纤维与0.50%的聚乙烯醇纤维。此外，相较于单一纤维混凝土，混杂纤维混凝土在收缩抑制及抗裂性能方面更具优越性。因此，在实际工程应用中，可根据具体需求选择适宜的纤维混合比例，以实现最佳的施工性能和材料特性。

参考文献

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