纤维对混凝土早期塑性开裂的影响.pdf

2 0 1 0年 第 7 期 (总 第 2 4 9 期 ) Nu mb e r 7 i n 2 01 0( To t a l No2 4 9) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材 料及辅助物料 M AT ERI AI ，AND ADM I NI CL E d o i ： 1 0 3 9 6 9 8 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 7 0 2 5 纤维对混凝土早期塑性开裂的影响 张建峰 ，罗平 ，周世 华 ( 长江水利委员会长江科学 院 水利部水工程安全 与病 害防治工程技术研究中心 ，湖北 武汉 4 3 0 0 1 0 ) 摘要 ： 通过平板法试验 ， 研究不同种类纤维对混凝土早期塑性 开裂 的影响。 结果表明 ： 改性 聚乙烯醇纤维或聚丙烯纤维的掺入， 可有效 抑制裂缝 的产生和扩展 ， 显著提高混凝土抵抗塑性开裂的能力 ； 平板法放大 了混凝土塑性 收缩裂缝 ， 便于观察 、 比较 ， 是一种较好的评价混 凝土早期塑性开裂的试验方法 ， 但在 裂缝 的量化 、 后期处理 和评价方 面还需要进一步的提 高。 关键词 ： 混聚乙烯醇纤维 ；聚丙烯纤维 ；塑性开裂 ；平板法 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编 号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 7 0 0 7 6 0 3 I nf l ue nc e of f i be r on ea r l y pl a s t i c c r ac k i ng o f c on c r e t e Z HANG J i a n f e n g LUO Ping ZHOU S h i hu a ( C h a n g j i a n g R i v e r S c i e n t i fi c R e s e a r c h In s t i t u t e ， Ce n t e r o n Wa t e r E n g i n e e r i n g S a f e t y a n d Di s a s t e r P r e v e n t i o n o f t h e Mi n i s t r y o f Wa t e r Re s o u r c e s ， Wu h a n4 3 0 0 1 0 ， Ch i n a ) Ab s t r ac t ： T he e f f e c t s o f d i ffe r e n t typ e s o f fi b e r s o ne a r l ypl a s t i c c r a c k i n go f c o n c r e t e a r e s t u d i e dthr o u g h s l a bt e s t Th e r e s ul t s s h o wt h a t ： t h emo d i fi e d P VAfib e r o r po l y p r o p y l e n efib e r s a p p l i e dc a n e f f e c t i v e l yi n h i b i t t h e e me r g e nc ea n dd e v e l o p me n t o f c r a c k s a n d s i g n i fic a n t l yi n c r e a s e t h e a b i l i t yo f c o n c r e t e t o r e s i s t p l a s t i c c r a c king ， i n wh i c h t h e p e r f o r m a n c e o f c o n c r e t e a p p l i e d PP fi b e r a n d P VA1 fib e r t o r e s i s t p l a s t i c c r a c k i n g a r e t h e b e s t l n a d d i t i o n ， s l a b t e s t m a gn i fie d t h e s i z e o f p l a s t i c s h r i n k a g e c r a c k s ， wh i c h ma k e s o bs e r v a t i o n a n d c o mp a r i s o n e a s i e r S o s l a b t e s t i s a g o o d t e s t me t h o d o f e v a l u a t i n g t h ee a r l yp l a s t i c c r a c k i n go f c o n c r e t e Ho we v e r i t i s n e c e s s a r yt ob ef u r t h e r i m p r o v e di nq u a n t i z i n g， p os t p r o c e s s i n ga n de v a l u a t i ngc r a c ks Ke y w or ds ： P VA fib e r ； p o l y p r o p y l e n efib e r ； p l a s t i c c r a c k i n g； s l a bt e s t 0 引 言 早期裂缝的出现无疑会降低混凝土的强度和耐久性， 使结 构的服务功能部分甚至全部丧失。在塑性阶段， 由于混凝土表面 的水分蒸发速度大于内部从下至上的泌水速度， 产生塑性收缩， 当毛细管负压产生的收缩应力大于混凝土抗拉强度时， 混凝土 表面开始出现塑性收缩 裂缝 【 l_ 。影响混凝 土早期 塑性开裂 的因 素众多， 除了受时间、 温度、 相对湿度及混凝土 自身泌水特征的 影响外， 还与水泥、 掺合料、 骨料、 外加剂等原材料品质密切相 关。 从材料角度看 ， 目前预防混凝土的早期开裂主要方法是减小 混凝土收缩 、 提高混凝土抗拉强度 ， 采取的具体措施有掺膨胀 剂补偿收缩、 掺纤维增强、 掺减缩剂抑制收缩等 2 。 本试验采用 C C E S 0 1 ： 2 o o 5 ( 混凝土结构耐久 设计与施工指 南 附录A 2 推荐的平板法 1 试验 方 法 与圆环法和棱柱体法相比， 平板法研究混凝土早期塑性收缩 开裂的优点是 ： 实际工程结构中? 昆 凝土板对外界环境的变化最敏 感 ， 因其暴露向外的面积较大 ， 混凝土内水分蒸发加速 ， 加快了早期 收缩开裂； 通常在平板四周或底板上设置约束， 简单有效； 平板 约束模具一定程度上放大了塑性收缩裂缝， 便于测量 、 比较_3 。 混凝土抗裂性的平板试验装置及测试方法最早由日本大学 笠井芳夫( Yo s h i o K AS AI ， 1 9 7 6 年) 和美国圣约瑟( S a n J o s e ) H 立 大学的k r a a l ( 1 9 8 5 年) 提出4 1 ， 此后平板试验装置的尺寸有所变化。 本试验采用的是 C C E S 0 1 ： 2 0 0 5 混凝土结构耐久l生设计与施工指 南 附录A2 推荐的平板法， 如图 1 所示 ， 试验装置的试模尺寸为 6 0 0 mm x 6 0 0 mmx 6 3 mm， 由放置在周边的L形钢筋网提供约束， 试模内部底面上铺一层塑料薄膜以减少对混凝土的约束， 试件 浇筑后 ， 用太 阳灯和电风扇让其快速脱水 ， 收缩 2 4 h 后测定裂缝 长度和宽度， 适合用于研究砂浆和小级配骨料的混凝土。 ，试件浇筑 、 振实、 抹平后， 立即用湿麻袋覆盖， 保持环境温 度为( 2 5 + 2 ) ， 相对湿度为( 6 0 + 5 ) ； 2 h后将湿麻袋取下 ， 用 风扇吹混凝 土表面 ； 记 录试件开裂时 间、 裂缝 数量 、 裂缝长度 和 收稿 日期 ：2 0 1 0 0 3 - 2 1 基金项 目： 长江科学 院中央级公益科研 ( Y WF 2 0 0 8 1 3、 C KS F 2 0 1 0 0 1 3 ) ； 水利部公益性行业科研 专项经 费项 目( 2 0 0 9 0 1 0 6 6 ) ； 国家 自然科学基金重点项 目( 5 0 5 3 9 0 1 0 ) 7 6 A T 宽度。从浇筑起 ， 记录至 2 4 h ， 计算开裂参数。 2 试验原材料及 配合 比设计 试验用水泥为华新( 昭通) 堡垒4 2 5 级中热硅酸盐水泥； 粉煤灰 为宣威I 级粉煤灰； 细骨料为灰岩人工砂， 表观密度为 2 7 5 0 k g m3 ， 细度模数为 2 7 ； 粗骨料为粒径 5 2 0 mn l 和 2 0 - 4 0 m i l l 的玄武岩 人工碎石； 夕 加剂采用江苏博特 J M I I 缓凝高效减水剂 、 浙江龙 游 Z B 1 G引气剂， 减水剂掺量为 O 7 ， 减水率为 2 1 0 ， 引气 剂 掺量为 0 0 0 5 ， 含气量为 5 5 。 纤维厂 家及 种类 见表 2 。 试 验配合比及拌合物性能试验结果见表 3 。 表 2 纤维种 类及掺量 表 3 大坝 混凝土性能配合 比参数及拌合物性能 3 试验结果与分析 料粒径为4 0 1T ff n ) 、上半部浇筑一级配混 凝土( 即 最大骨料粒径 为 2 0 H 1 m) ， 然后将试件移人养护间中， 观测至 2 4 h 。 昆 凝土平 为了平行比较掺不同纤维混凝土的抗裂性， 对平板法试验 板法抗裂试件的试验结果见表 4 ， 平板法试件的开裂参数见表5 ， 过程进行了改变。 在试模下半部浇筑二级配混凝土( 即最大骨 昆 凝土最大裂缝宽度随时间的变化曲线见图2 。 表 4混凝 土平板 法抗裂试件的试验结果 吕 吕 懈 斗 嘣 oo 龄 期 min 图 2 混凝土最大裂缝宽度 随时问的变化 曲线 由表 4和表 5可知： 与基准混凝土相比， 掺纤维混凝土的 开裂时间较短 ， 平均开裂面积、 裂缝条数、 裂缝最大宽度均较小， 这意味着掺纤维可以明显抑制混凝土的早期塑性开裂； 不同种 类纤维对混凝土塑性裂缝的抑制效果是不同的， 改性聚乙烯醇 纤维和聚丙烯纤维的抑制效果最好 ， 未改性的聚乙烯醇纤维较 差 。而 由图 2可知 ， 早期 塑性 开裂主要发生在成型后 5 - 6 h ， 而 且在裂缝一旦形成后发展很快， 最初 5 、 6 h内的开裂程度占最后 开裂宽度的 8 0 以上 ， 以后裂缝发展缓慢， 宽度趋于稳定； 掺纤 维混凝土每一时间段的早期塑性裂缝宽度 比基准混凝土要 小 ， 并且裂缝发展 的速率也 比基准混凝 土慢 。 在混凝土中掺人纤维后， 成千上万根的纤维分布在混凝土 的内部形成复杂的三维乱向体系， 不仅可以有效抑制混凝土中 骨料的下沉， 提高混凝土的均匀性， 减少其固有缺陷， 而且可以 阻隔水分溢出的通道 ， 减少或延缓水分的散失嘲； 此外 ， 聚丙烯 纤维改善混凝土早期收缩的另一个可能的原因是它可以改善 混凝土的微观结构 ， Ke n i i n Wa n g 等人的研究表明： 掺入纤维 后不仅试件的累计水分损失比不掺时要小， 且孔隙结构也出现 了明显的变化 ； 与不掺纤维的试件相比， 孔隙结构中多了一组 直径较大的孔。 并且纤维掺量越大， 较大毛细孔的数量越多。 这 可能是试件成型后在聚丙烯纤维表面形成了吸附水膜 ， 堵塞了 渗水通道或使渗水通道的曲折性增加 ， 从而使累计水分损失减 小和较大毛细孔数量的增多， 其结果是一方面使试件的韧性增 强， 另一方面较大毛细孔使毛细孔的压力减小 ， 二者的综合作 用使聚丙烯纤维混凝土表现出显著的抗塑性收缩裂缝的能力。 早期塑性开裂主要发生在成型后 5 - 6 h ， 这是因为在塑性阶 段混凝土拌合物颗粒之间充满着水 ， 如果养护不足或是其他原 因， 表面失水速率超过内部水向表面迁移的速率时， 则会造成毛 细管中负压， 从而使浆体产生收缩， 当产生的收缩应力大于混凝 77 土的抗拉强度时， 便会产生裂缝， 出现裂缝以后， 混凝土体内的 水分蒸发进一步加快， 于是裂缝迅速扩展。而掺聚丙烯纤维混凝 土可以有效阻止混凝土内部水分散失通道， 此外塑性裂缝总是 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； 当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I7 1 。 因此掺聚丙烯纤维混凝土的裂缝发展比基准混凝土慢。 4 试验方法及 分析 手段 的不足 平板法具有简单易操作的特点， 能迅速有效地研究混凝土和 砂浆的塑性干缩性能。 但是它只能部分的、 不均匀的约束混凝土的 收缩变形， 且试验结果对试件尺寸、 材料特l生、 配筋情况、 环境状况 等的依赖性很大刚， 需要严格保持环境温度、 湿度和风扇风速的稳 定以降低试验环境变化可能造成的误差， 并且平板约束模具在 一 定程度上放大了塑性收缩裂缝。 因裂缝产生的无规律I 生， 使得无 法精确地对混凝土开裂进行评价， 现有规范在裂缝的量化与后 期处理方面存在一些不足。 由于不同宽度范围的裂缝、 发生在试件 不同部位的裂缝， 产生的原因可能不同， 而且 C C E S 0 1 ： 2 o o 5 混凝 土结构耐久性设计与施工指南 对于“ 非常细的裂缝” 的宽度范围 缺乏明确定义， 使得无法精确对混凝土开裂进行评价。 5结语 高混凝土抵抗塑性开裂的能力， 其中改性聚乙烯醇纤维和聚丙 烯纤维的抑制效果最好， 未改性的聚乙烯醇纤维较差。 ( 2 ) 我国最新的 混凝土结构耐久性设计与施工指南 中推 荐的平板法在一定程度上放大了塑性收缩裂缝， 便于测量、 比较， 是一种较好 的评价混凝土早期塑性开裂的试验方法 。但在裂缝 宽度的量化、 后期处理和精确评价方面还有待进一步的提高。 参考文献： 1 】 林育强， 李家正， 杨华全 ， 等 原材料对抗 中 耐磨混凝土抗裂性能影 响的研究 人民长江， 2 0 0 8 ， 3 9 ( 2 4 ) ： 6 8 7 0 2 】 张佚伦， 钱晓倩聚丙烯纤维混凝土早期 浙江大学， 2 0 0 6 ： i - 2 【 3 李丽， 孙伟， 刘志勇用平板法研究高性能混凝土早期塑性收缩开裂叨 混凝土 ， 2 o o 3 ( 1 2 ) ： 3 3 3 5 【 4 4 K R AA I P P A p r o p o s e d t e s t t o d e t e r mi n e t h e c r a c k i n g p o t e n t i a l d u e t o d r y i n g s h ri n k a g e o f c o n e r e t e C o n c r e t e C o n s t r u c t i o n ， 1 9 8 5 ( 9 ) ： 7 7 5 _ 7 7 8 5 】 张佚伦， 詹树林 ， 钱晓倩， 等 聚丙烯纤维混凝土早期收缩性能试验 研究【 J 1 新型建筑材料， 2 0 0 6 ( 1 ) ： 2 5 2 8 f 6 WAN G K e n - j i n ， S HA H S P， P HU A K S U K P P l a s t i c s h ri n g k a g e c l a c k - i n g i n c o n c r e t e m a t e ri a l s i n fl u e n c e of fl y a s h a n d f i b e r s J AC I Ma t e r i - a l s J o u r n a l ， 2 0 0 1 ， 9 8 ( 6 ) ： 2 8 3 4 7 】 刘兰强， 曹诚 聚丙烯纤维在混凝土中的阻裂效应研究f J 1 公路， 2 0 0 0 ( 6 ) ： 3 9 4 2 8 】卫民堂 ， 王宏毅， 梁磊 决策理论与技术【 M 西安： 西安交通大学出版 社 ， 2 0 0 5 【 9 】D A F T R L O r g a n i z a t i o n t h e o r y a n d d e i g n M B e r i n g ： T h o m s o n L e a r n - i n g ， 1 9 9 8 作者简介 单位地址 ( 1 ) 掺纤维能有效抑制混凝土裂缝的 产生和扩展， 显著提 皇 至 上接第 6 8页 凝土路面板块划分的距离延长了 ， 这可 以减少缩缝 的数量 和长 度， 可以减少传力杆钢筋的用量、 割缝与灌缝的工作量和灌缝 材料的使用。混凝土用量方面， 利用橡胶粉替代部分细集料， 橡胶粉每吨的单价为 1 5 0 0 元， 而河砂每立方米约为5 0 8 0元， 两 者价格相差较大， 但相同质量的橡胶粉体积要比砂大几倍， 所以 浇筑同一体积的混凝土路面， 橡胶粉水泥混凝土的总用量要比 普通水泥混凝土要少， 由于橡胶粉掺量量不大， 其体积上的优 势和橡胶粉单价相 比未能体现 ，所以在混凝土的费用方面， 橡 胶粉水泥混凝土路面要高于普通水泥混凝土路面。 橡胶粉水泥混凝土路面有效的减少混凝土路面的缩缝数量， 在使用和养护过程中能够有效减少路表水下渗的途径 ， 减少基 层水损害的机会， 减少养护费用。同时， 缩缝数量的减少可以增 加车辆行驶的舒适性能和行车安全性等。 4结 论 ( 1 ) 根据不同温差条件下混凝土路面板胀缩应力计算表明： 相同温差条件下 ， 橡胶粉水泥混凝土面板板中、 板边缘中心受 胀缩应力 比普通水泥混凝土面板受胀缩应力小近 1 3以上， 说 明橡胶粉水泥混凝土路面板在抵抗由于温差产生的胀缩应力 方面性能要优于普通水泥混凝土路面板。 ( 2 ) 根据不同温度梯度和不同板长条件下混凝土路面板温度 翘曲应力计算表明： 在相同温度梯度条件下， 橡胶粉水泥混凝土面 板板中中心、板边缘中心受沿板长方向温度翘曲应力比普通水泥 混凝土面板受沿板长方向温度翘曲应力小， 温度梯度越大， 此性能 越明显。说明橡胶粉水泥混凝土路面板在抵抗由于温度梯度产生 的温度翘曲应力方面性能要优于普通水泥混凝土路面板。 7 8 张建峰( 1 9 8 5 一 ) ， 男， 硕士研究生。 湖北省武汉市黄浦大街 2 3 号 长江水利委员会长江科学 院材料所( 4 3 0 0 1 o ) 1 5 8 2 7 1 5 9 4 7 9 ( 3 ) 根据不同材料不同板长的路面板温度翘曲应力分析 ， 证明了普通水泥混凝土路面板沿板长方向每隔 4 5 m设置缩 缝的原因。同时为橡胶粉水泥混凝土路面沿板长方向可以每隔 5 5 6 5 m设置缩缝提供充分理由和计算说明。 ( 4 ) 通过经济性分析 ， 发现橡胶粉的混凝土路面在每平米 造价略低与普通水能混凝土路面。同时， 橡胶粉水泥混凝土路 面可以有效减少横向缩缝设置数量 ， 减少路表水对基层侵袭的 途径 、 提高行车舒适性等功能。 参考文献： 1 黄琼念 ， 覃峰， 杨胜坚， 等橡胶粉水泥混凝土路用性能及机理分析 研究【 J j 人 民长江 ， 2 0 0 9 ， 4 0 ( 1 6 ) ： 5 8 6 2 2 覃峰 ， 包惠明 橡胶粉水泥混凝土性能试验的研究 J 】 _混凝土， 2 0 0 7 ( 9 ) ： 6 9 7 2 3 何兆益 ， 杨锡武 路基路面工程师【 M C 京 ： 人民交通出版社 ， 2 0 0 7 4 覃峰 橡胶粉水泥混凝土路面温度稳定性试验研究 J 】 铁道标准设 计， 2 0 0 9 ( 9 ) ： 2 4 2 8 5 】 翁兴中， 谭麦秋， 黄小明， 等 机场水泥混凝土道面板尺寸的确定方 法叫 空军工程大学学报 ， 2 0 0 3 ( 6 ) ： 1 1 - 1 3 【 6 孙道胜， 黄小明， 邓敏， 等道面水泥混凝土高性能化和放大道面板 尺寸问题初探 J 混凝土， 2 o o 4 ( 5 ) ： 2 1 2 5 【 7 H E N RY G R u s s e l l ， AC I d e f i n e s h i g h p e rf o r m a n c e c o n c r e t e J C o n c r e t e I n t e r n a t i o n al， 1 9 9 9， 2 1 ( 2 )： 3 6 7 3 7 1 8 】G O OD S P E E D C H， V A N I K A R S ， C O O K R A Hi g h - p e r f o rma n c e c o n c r e t e d e fi n e d f o r h i g h w a y s t r u c t u r e s J C o n c r e t e I n t e ma t i o n al， 1 9 9 6 ， 埽 ( 2 ) ： 2 6 4 2 6 7 【 9 R OB E R T F Y t t e r b e r g ， s h ri n k a g e a n d c u r l i n g of s l a b s o n g r a d e J C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l ， 1 9 8 7 ， 1 9 ( 5 ) 作者简 介： 单位地址 ： 联 系电话 ： 覃峰( 1 9 7 6 一) ， 男， 副教授 ， 高级工程师， 主要从事道路防 灾减灾及道路新材料的研究。 厂西南宁市青秀区园湖北路 l 2 号( 5 3 0 0 2 3 ) l 3 0 7 7 71 7 4 9 2