混杂纤维混凝土抗裂及抗渗性能试验

混杂纤维混凝土抗裂及抗渗性能试验研究摘要：本文在“最紧密堆积”设计理论的基础上，研究了耐碱玻璃纤维和聚丙烯纤维二元混杂掺入混凝土中对混凝土基本力学性能、早期抵抗塑性开裂及后期抗氯离子渗透性能的影响。0引言混凝土作为一种历史悠久的重要建筑材料，在建筑工程的各个领域都发挥了独一无二的作用。但是混凝土作为一种脆性材料，其最大的一个缺点就是抗拉强度和极限拉应变较低，因此在一定程度上限制了它的广泛使用。吴中伟院士曾经指出，复合化是今后提高混凝土等水泥基材料性能的主要途径，而纤维增强是其核心[1]。混凝土的抗裂性关系到混凝土的使用寿命,纤维的掺入使水泥基抗裂能力得到提高，由于混凝土自身具有多相、多组分、多尺度层次的非均质结构特征，单一纤维增强作用是有限的,而不同尺度和不同性能的纤维混杂增强，使其在混凝土中不同结构和不同性能层次上逐级阻裂与强化，充分发挥各个纤维的尺度和性能效应，并在不同尺度和性能层次上相互激发、相互补充，达到取长补短、造就高性能，以及提高抗裂能力进而提高混凝土的耐久性的目的。文中讨论了两种不同模量的纤维（耐碱玻璃纤维/聚丙烯纤维）共同掺入混凝土中，对混凝土早期抗裂的影响以及后期渗透性等耐久性能的影响。1原材料及试验方法1.1试验用原材料粉煤灰：哈尔滨三电厂生产的Ⅱ级粉煤灰。集料：粗集料采用的是5mm~10mm的碎石；细集料为细度模数为2.8的中砂。纤维：聚丙烯纤维是张家港聚丙烯纤维总厂生产的短切单丝纤维，推荐掺量为900g/m3。耐碱玻璃纤维采用的是北京斑驳斯特克斯公司生产的ARW70型玻璃纤维纤维，推荐掺量为600g/m3。纤维的技术指标见表1-1~1-3。外加剂：黑龙江省寒地研究院生产的UNF－5高效减水剂，减水率为18%~20%。表1耐碱玻璃纤维的化学组成化学组成SiO2Na2OCaOK2OAl2O3ZrO2TiO2Li2O含量(%)62.014.85.6—0.816.70.1—表2耐碱玻璃纤维的物理性能长度(mm)单丝直径(μmm)弹性模量(GPPa)抗拉强度(MPPa)断裂延伸率(%%)密度(g/m3)12147534003.62.70表3聚丙烯纤维物理性能长度(mm)细度(tex)弹性模量(GPPa)抗拉强度(MPPa)断裂延伸率(%%)密度(g/cm3)15-191.783.5≥2808.00.91混凝土配合比如表4所示。表4混凝土配合比(kg/m3)原材料水泥粉煤灰石砂水耐碱玻纤聚丙烯纤维用量2761459668211811.10.91.2试验方法依据GBJ81-85《普通混凝土力学性能试验方法》测定混凝土抗压和抗折强度，通过对混杂纤维混凝土混杂系数的探讨，确定其力学性能上的混杂效果；依据圣·乔治州立大学的PaulP.Kraai教授所提出的砂浆及混凝土干燥收缩裂缝测试方法[4]进行试验，比较纤维单掺与混合掺加对混凝土早期塑性收缩性能的影响（试验模具见图2）；依据GBJ82-85《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》，通过NEL法进行Cl-渗透试验分析比较单掺与混合掺入纤维对混凝土渗透性能的影响。塑性收缩试验装置2试验结果与分析2.1纤维混杂对混凝土力学性能的影响在表征混杂纤维对混凝土力学性能的作用时，有研究者引入混杂系数这一概念来比较混杂效果的好坏[5]。通过混杂系数可以方便地得到纤维掺量匹配时对混凝土强度的影响，当时为正混杂效应，当时为负混杂效应。试验结果如表5、表6所示。定义纤维掺入导致的纤维增强混凝土相对于基准混凝土的强度增强系数为(2-1)式中，和分别是纤维增强混凝土和基准混凝土的强度，MPa。记单掺聚丙烯纤维(PP)混凝土、单掺玻璃纤维(GF)混凝土和混杂纤维混凝土(PG)的抗压、劈裂抗拉强度增强指标分别为，；，；，。高模量纤维和高延性纤维混杂在一起后，其增强效应应考虑两种纤维在单一状态下对水泥基材料增强作用的乘积，混杂系数可采用差值法或比值法定义。本文采用的是比值法，定义聚丙烯纤维与玻璃纤维的混杂系数如下：(2-2)(2-3)式中，，分别为混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度的混杂系数。从混杂系数的结果表5可以看出，聚丙烯纤维(PP)与玻璃纤维(GF)混杂抗压强度的混杂系数为7d：0.97，28d：0.98，均呈现负混杂效应，但从强度的绝对降低值来看并不影响其力学性能；对混凝土劈裂抗拉强度的混杂系数为7d：1.02，28d：1.08，均呈现正效应，聚丙烯纤维和耐碱玻璃纤维混合增强混凝土对混凝土劈裂抗拉强度的提高有积极作用，从表6中可以看出28d劈裂抗拉强度表5混杂纤维对混凝土抗压强度的影响掺加形式7d（MPa）强度增强系数ββ混杂系数α28d(MPa)强度增强系数ββ混杂系数α单掺PP31.60.920.9764.50.980.98单掺GF33.90.9964.90.97混掺30.40.8962.20.95空白34.2—65.8—表6混杂纤维对混凝土劈裂强度的影响掺加形式7d(MPa)强度增强系数ββ混杂系数α28d(MPa)强度增强系数ββ混杂系数α单掺PP2.121.031.023.521.021.08单掺GF2.311.133.831.11混掺2.431.194.211.22空白2.05—3.46—最大可提高22%。当在高性能混凝土中少量掺入这两种纤维时，混凝土的韧性得以显著的提高主要得益于纤维的阻裂机制：一方面，弹性模量高的玻璃纤维起增强材料的作用，当混凝土中的微小裂纹在外载作用下发生扩展时，纤维横跨在裂纹之间起桥接作用，缓解了裂缝尖端的应力集中，增加了裂缝的扩展阻力，提高了混凝土的断裂能；另一方面，弹性模量比混凝土低，但断裂延伸率要大得多的聚丙烯纤维能显著提高纤维增强混凝土的裂后变形能力，形成所谓的多点开裂，上述混杂系数也清楚地表明了这一点。正是这二者的协同作用提高了混凝土物理力学性能，体现了比不掺或单掺纤维性能好的特点。2.2纤维混杂对混凝土早期塑性收缩性能的影响通过试(1)和(2)计算混杂纤维和单掺纤维混凝土的抗开裂性能比和开裂指数，计算结果如表7所示。(1)(2)其中，W——开裂指数(mm)；Ai——权重值；li——裂缝长度(mm)；——抗开裂性能比(%)；——基准砂浆的开裂指数(mm)；——外掺料砂浆的开裂指数(mm)。表7纤维砂浆开裂指数值掺加形式抗开裂性能比((％)开裂指数(mmm)单掺PP48.4251单掺GF47.9254混掺53.8225空白－487从表7中的开裂指数值可以看出，不管是单掺还是混掺纤维，均能减少砂浆的塑性干缩裂缝，单在最佳掺量下，三种掺加形式对减少塑性干缩裂缝作用大小的排序为：混掺>单掺PP>单掺GF。从抗开裂性能比可以看出，混掺对减少混砂浆塑性开裂的效果最好，大约可以减少大约53.8%，其次是聚丙烯纤维，约为48.4%，玻璃纤维约为47.9%。从中我们可以看出，在混凝土中的三维乱向分布的短纤维虽然增强的效率很低，但用以阻止无规则、无取向性的塑性裂缝产生则是最有效的。塑性裂缝总是从混凝土表面的原生微裂缝处开始扩展。当微裂缝的长度大于纤维的间距时，纤维将跨越裂缝起到传递荷载的桥梁作用，使混凝土内的应力场更加连续和均匀，使微裂缝尖端的应力集中得以钝化，裂缝的进一步扩展受到约束。长度小于纤维间距的原生裂缝扩展遇到纤维时，纤维将迫使其改变延伸方向或跨越纤维生成更微细的裂缝场，显著增大了微裂缝扩展的能量消耗。2.3纤维混杂对混凝土渗透性能的影响本试验采用NEL法，此试验方法为通过测定混凝土的电导率来快速评价混凝土的抗氯离子渗透性能。氯离子测定结果如表8所示。表8混杂纤维对混凝土Cl-渗透性的影响(×10-9cm2/s)组别单掺PP单掺GF混掺空白Cl－扩散系数数2.132.532.652.93从表8中可以看出，单一纤维的掺入能很好地改善混凝土的抗渗性，纤维按二元混杂与它们相比，Cl-扩散系数反而有所提高。单掺PP的混凝土Cl-渗透系数比普通混凝土低27%，单掺GF的混凝土Cl-渗透系数比普通混凝土低14%，而混杂纤维混凝土的Cl-渗透系数只比普通混凝土降低了9.6%。分析其原因大致如下：在适当掺量下，纤维能均匀地分布于混凝土中，在早期能有效地抑制混凝土中塑性收缩裂缝的宽度以及减少了混凝土贯穿孔的产生和发展，从而对后期抗渗性的提高必然有积极作用。另外，均匀分布在混凝土中彼此相粘连的大量纤维起了“承托”骨料的作用，降低了混凝土表面的析水与集料的离析，从而使混凝土中有害孔隙的含量大大降低。相对于普通混凝土而言，提高了混凝土的抗渗性。单纯从这点考虑，似乎是纤维掺得越多对混凝土抗渗性越好，但从试验中我们看出，在耐碱玻璃纤维与聚丙烯纤维同时掺入的时候，混凝土Cl-渗透系数只降低了9.6%，究其原因，主要是不同尺度和不同性质的纤维在混凝土基体中形成了空间网络结构，虽然一方面它们减小了纤维间距，阻止了贯穿孔的产生，但同时又产生了众多的薄弱界面，而正是这些界面使混凝土抗渗性又降低了。但综合两种作用，与普通混凝土相比，其抗渗性还是微有提高。因此，混杂纤维对混凝土抗渗性的影响规律，与纤维尺度、性能及纤维混杂比例密切相关，而且纤维总体积分数始终是一个重要因素。3结论(1)通过耐碱玻璃纤维和聚丙烯纤维二元混杂纤维混凝土抗压强度和抗折强度的混杂系数发现，混杂纤维混凝土7d和28d的抗压强度的混杂系数为小于1的值，呈现负混杂效应；而7d和28d抗折强度混杂系数为大于1的值，呈现正混杂效应。(2)混杂纤维混凝土早期塑性开裂得到有效抑制，抗开裂性能约提高50%，比单掺纤维的效果要好。(3)聚丙烯纤维与耐碱玻璃纤维的混杂掺加对混凝土Cl-渗透系数的降低效果不明显。参考文献[1]吴中伟,廉慧珍.高性能混凝土.中国铁道出版社,1994:18~24[2]黄兆龙.混凝土性质与行为.詹氏书局.2001:276~279[3]黄兆龙,