（中铁隧道集团有限公司工程试验中心，河南，洛阳，471009）
【摘 要】为了改善和控制混凝土早期塑性开裂，在混凝土中掺加了不同掺量的聚丙烯纤维。通过研究聚丙烯纤维对混凝土表面初裂时间、最大裂缝宽度及总裂缝面积的影响，提出了聚丙烯纤维可以有效抑制混凝土早期塑性开裂，且随掺量增加效果愈明显，并得出了当掺量为0.9kg/m3时，即可达到一级阻裂等级的结论。
【关键词】聚丙烯纤维；混凝土；抗裂；塑性开裂
引言
混凝土表面的塑性收缩裂缝主要发生在混凝土抗拉强度还非常小的凝胶时期，此阶段由于水泥的水化反应较为剧烈，混凝土中水分快速蒸发，特别是在大风天气或阳光照射的环境中，混凝土表面水分蒸发的速度更为急剧。由于水分的蒸发速度大于混凝土的泌水速度，使得混凝土表层毛细管产生负压，而此时混凝土还处于塑性状态，混凝土尚未具有足够的强度，毛细管负压产生的拉应力大于混凝土的强度，故在混凝土表层产生大量不规则的无固定取向的裂缝。裂缝的产生会使得外界水分及其他有害物质很容易侵入混凝土内部，从而影响混凝土的耐久性，成为混凝土结构破坏的隐患。
国内外一些研究证明，解决混凝土塑性收缩开裂有效手段就是发展纤维混凝土[1]。聚丙烯纤维被称为混凝土的“次要加强筋”，混凝土中加入聚丙烯纤维后，通过一定的搅拌，聚丙烯纤维能够均匀分布在混凝土中，纤维在混凝土中所形成的乱向支撑体系 ，产生一种有效的二级加强效果[2]，对混凝土的定向应力起到了分散作用，可以很大程度上阻止混凝土中裂缝的产生和发展。此外聚丙烯纤维在混凝土的乱向支撑体系还可以可以有效的阻止细骨料离析，消除混凝土早期的泌水性，从而阻止了沉降裂缝的形成[3]。
本文通过对聚丙烯纤维混凝土的早期塑性收缩性能进行试验和分析，研究了不同掺量的聚丙烯纤维对抑制混凝土早期塑性收缩开裂的作用效果。
1、试验用原材料
（1）水：饮用水
（2）水泥：广东广信青洲水泥厂生产的P.O 42.5 普通硅酸盐水泥，比表面积335m2/kg；
（3）砂：西江河砂，细度模数2.9，含泥量1.0%；
（4）碎石：恒丰石场生产的5～31.5mm三级配碎石，母材为花岗岩；
（5）粉煤灰：广州恒运发电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，烧失量6.3%，需水量比96%；
（6）减水剂：山西黄腾化工有限公司生产的聚羧酸减水剂，减水率26%；
（7）纤维：西安万达工程材料有限公司生产的聚丙烯纤维，长度19mm，抗拉强度550N/mm2。
2、试验方案
选用混凝土配合比如下：水泥：粉煤灰:砂：碎石：水=1：0.30： 2.21:3.05:0.49。其中水泥用量为340kg/m3，减水剂掺量为胶凝材料质量的1.4%；聚丙烯纤维掺量分别为0.6kg/m3、0.9kg/m3、1.2kg/m3和1.5kg/m3。同时与未掺聚丙烯纤维的素混凝土进行比对试验，研究不同掺量的聚丙烯纤维对抑制混凝土开裂性能的影响。
混凝土早期塑性开裂试验模具参照《纤维混凝土结构技术规程》[4]，采用内边尺寸为 600mm× 600mm×63mm 的钢制方形模具，模具四边与底板通过螺栓固定在一起，以提高模具的刚度，在模具每个边框内设Φ6间距60mm的双排螺栓，栓钉长度分别为50mm和100mm，间隔布置，，当浇筑的混凝土平板发生收缩时，四周将受到螺栓的约束。底板采用厚度不小于5mm的钢板或不小于20mm的密度板，底板上铺聚氯乙烯薄膜隔离层。模具作为试验装置的一部分，试验时与试件连在一起。
混凝土浇筑成型2h后,用电风扇进行强制干燥，以风速约为0.5m／s平行吹混凝土表面，加速试件表面水份蒸发，让混凝土表面尽快失水产生裂缝，并观测混凝土表面裂缝出现的情况。记录试件第一条裂缝出现的时间，同时在试件成型后6h、24h记录试件表面的裂缝宽度、长度并计算裂缝面积。环境温度为(20士2)℃，空气相对湿度不大于60%。
3、数据采集与结果分析
3.1测定混凝土表面裂缝的长度及宽度
用肉眼目测混凝土表面的裂缝情况，记录第一条裂缝出现的时间。用钢直尺测量裂缝长度，对于明显弯曲的裂缝，以折线长度之和代表裂缝长度。用分度值为0.01mm读数显微镜观测裂缝的宽度，取裂缝中点处的宽度代表裂缝的最大宽度。根据实测的裂缝宽度、裂缝长度数据，按下式计算裂缝面积:
式中
3.2试验结果与分析：
表1为不同掺量聚丙烯纤维混凝土及素混凝土初裂时间及其6h、24h混凝土表面裂缝最大宽度及裂缝总面积的统计，根据表中的数据分析如下：
（1）聚丙烯纤维对混凝土早期塑性裂缝初裂时间的影响
聚丙烯纤维的掺入可以明显延缓混凝土第一条裂缝产生的时间，且掺量越大，第一条裂缝产生的越晚。在混凝土中掺入0.6～1.5kg聚丙烯纤维，混凝土初裂时间比素混凝土延长了50min～220min。
（2）聚丙烯纤维对混凝土早起塑性裂缝宽度及总裂缝面积的影响
混凝土试件的最大裂缝宽度随着聚丙烯纤维掺量的增加而减小，试件成型6h后，聚丙烯纤维掺量为0.6kg/m3、0.9kg/m3、1.2kg/m3和1.5kg/m3的裂缝最大宽度相对于素混凝土试件分别降低了34.1%、64.6%、80.5%、93.9%。
（3）裂缝降低系数及限裂等级的评定[4]
聚丙烯纤维混凝土的抗裂性能用限裂等级表示，使用表1数据中的24h试件裂缝总面积计算裂缝降低系数η，对照限裂等级评定标准，得出限裂效能等级。
按下式计算裂缝降低系数η：
式中
（4）聚丙烯纤维抗裂作用机理分析
从试验结果可以看出，聚丙烯纤维对抑制混凝土塑性开裂具有明显作用。分析主要原因，一方面聚丙烯纤维能使混凝土中水分迁移较为困难，有效阻止了由于混凝土表面迅速失水造成塑性期较大的体积收缩，减少甚至完全阻止了塑性期表层裂纹的产生。同时使得因毛细管失水收缩形成的毛细管张力有所减小，从而减少裂缝的数量。另一方面，聚丙烯纤维在混凝土中乱向分布，无数根高
抗拉强度的纤维单丝能有效地增加浆体的韧性，可承受混凝土硬化阶段收缩产生的拉应力，减小基体收缩从而降低裂缝尺度和数量，有效地抑制了微细裂缝的产生和发展。同时聚丙烯纤维与浆体之间的界面粘结力和机械咬合力，大大增加了复合浆体的抗拉强度。
4、结语
通过聚丙烯纤维混凝土抗裂性能试验，主要结得出以下结论：
（1）掺入聚丙烯纤维可以延缓混凝土第一条裂缝产生的时间，掺量越大，初裂时间越晚；
（2）聚丙烯纤维能有效降低混凝土裂缝的最大宽度，掺量越大，最大宽度越小；
（3）聚丙烯纤维能减少混凝土表面裂缝总面积，掺量越大效果越明显；
（4）当聚丙烯纤维掺量为0.9kg/m3时，即可达到一级限裂标准，综合成本及抗裂效果考虑，选定掺量为0.9kg/m3较为合适。
参考文献：
[1]唐明，傅柏权，张戚.聚丙烯纤维混凝土早期塑性开裂特征及分形评价[J].沈阳建筑大学学报，2007,23(4):602～605.
[2]李斌汉.浅析聚丙烯纤维对混凝土的阻裂效应及其试验评定方法[J].广东建材.2007,12:41～43.
[3]杨晓丰.聚丙烯纤维在混凝土中的抗裂机理分析[J].交通科技与经济.2008，10(4):8～9
[4]CECS38-2004.纤维混凝土结构技术规程[S].北京.中国计划出版社.2004,105～108.
论文作者:张立波
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年1月供稿
论文发表时间:2016/4/25
标签：混凝土论文; 裂缝论文; 塑性论文; 聚丙烯纤维论文; 宽度论文; 表面论文; 长度论文; 《工程建设标准化》2016年1月供稿论文;