关键词：混凝土；金属结构；增强；增韧；阻裂
1引言
混凝土是土木工程中应用最广泛的一种材料，但由于混凝土具有抗拉强度低、韧性差和开裂后裂缝宽度难以控制等缺点，使结构的耐久性能劣化，使用寿命也随之缩短。由于各种因素造成的混凝土开裂，使得实际工程中很多结构都是带裂缝工作的。混凝土构件受力过程也就是裂缝发展的过程，一旦混凝土产生裂缝，在荷载等外界因素的影响下，这些裂缝将会进一步扩展，出现深度裂缝甚至是贯穿裂缝，使结构的耐久性能劣化，使用寿命也随之缩短。大量试验研究和工程实践都表明：混凝土结构开裂几乎是不可避免的，在现有的经济和技术水平下科学的要求是将混凝土的裂缝控制在有害程度允许的范围内。为了减小混凝土裂缝带来的危害，抑制或延缓裂缝的进一步扩展，通常在混凝土中加入钢筋、纤维、高分子、金属结构等抗拉性能较高的材料，来弥补混凝土抗拉能力不足的缺点，提高结构的抗破坏能力。如何汲取钢筋、纤维、高分子、金属结构等抗拉性能较高的材料优点，并且有效改善其阻裂增强效果是值得深入思考的问题。
2试验分析
本文选用四种尺寸的金属细结构与两种尺寸的金属粗结构，在相同拌合工艺、相同配合比条件下进行单掺金属结构及混掺不同种尺寸金属结构的混凝土试件进行抗裂性试验。研究相同品种、不同几何尺寸的金属结构及其混掺金属结构对混凝土抗裂性能的影响。
2.1试验过程
2.1.1原材料选取
采用重庆小南海425号水泥；细骨料为重庆渠河特细砂，细度模数0.7；粗骨料为粒径5-20mm碎石；金属结构采用北京融耐尔工程材料有限公司和宁波大成新材料有限公司生产的，金属结构形状如图1所示。
2.1.2配合比设计
本次试验选用混凝土强度等级为C30。为尽量避免原材料性能差异给混凝土性能带来的误差，且为了增加试验结果的可比性，各组混凝土均采用相同的配合比（砂548kg/m3，水207kg/m3，石子1221kg/m3，水泥406kg/m3，砂率23%），只有纤维掺入情况发生改变。
2.1.3拌和工艺
分散性是金属结构在混凝土中应用的保障，是衡量纤维在混凝土中能否起抗裂作用的重要指标。自分散性良好，不结团、不成束的纤维才能在混凝土工程中推广应用。为了保证金属纤维在混凝土中有更好的分散性，本试验采用的搅拌流程:
①将称量好的砂、石子倒入表面湿润但无明水的搅拌筒内，开动搅拌机1 min，后随着搅拌同时将金属纤维均匀撒人搅拌筒内；纤维撒完后搅拌时间约2min；
②将水泥缓慢倒入搅拌筒，开动搅拌机约1min，此时可见细纤维在搅拌筒上方飘动；
③将水缓慢均匀倒入，搅拌时间2min左右。经观察发现纤维在混凝土中的分布较均匀，和易性可满足施工要求。
2.1.4试验方法
测试评价混凝土的抗裂性能，不仅要测试混凝土在自由状态下的变形性能，还应测试混凝土在约束状态下的变形性能，因为处于约束状态的混凝土更接近实际工程。目前，国内外检验评价混凝土在约束状态下的抗裂性能方法主要是平板法。它的主要特点是比较易于操作，能迅速有效的研究混凝土的塑性干缩性能。本次试验选择的是平板法来测量混凝土的抗裂性能，平板试模尺寸600mm×400mm×100mm，用弯起的波浪形的铁板(应力约束条)提供约束)。将拌和好的混凝土装入平板试模中，在振动台上振动lmin左右，抹平表面，移入观测试验室。观测室温度为240C-260C，相对湿度为60%-70%，将试模放好后用电风扇直接吹表面，风速为8m/s，连续吹24h。期间观测裂缝的数量，宽度和长度，用读数显微镜(分度值0.01mm)测读裂缝宽度，沿裂缝长度测三个裂缝宽度，取最大值为名义最大裂缝宽度。
2.2试验结果与分析
本次试验选择的平板试模有3个应力约束条，中间的约束条称为主应力条，裂缝主要出现在主应力条附近。 (见图1)
图1基体混凝土及金属结构混凝土成型后表现
根据混凝土早期裂缝观测试验结果可知:
①纤维混凝土初裂时间比基准混凝土晚，说明纤维的加入可延缓裂缝出现。
②从裂缝数量上讲，基准混凝土大于金属纤维混凝土。基准混凝土裂纹分布比较紊乱，主要分布在主应力条附近，但在其他区域也能看到裂纹的存在；而金属纤维混凝土裂缝只在主应力条附近出现，其他区域未能发现裂纹的存在。
③A1,A2试件最大裂缝宽度比基准混凝土AO试件减少50%裂缝趋于细化。A1试件金属结构长径比12/26,A2试件长径比19/26，两试件最大裂宽相同，但A1的裂缝长度明显要小，A1的抗裂性能优于A2。相同直径不同长度者，长度越小，抗裂效果越好，即长径比越小抗裂性越好，符合金属间距理论。
④A3试件最大裂缝宽度没有改善，其长径比19/46，A4试件最大裂宽较基准混凝土AO试件裂缝宽度的减少百分比62.5%，其长径比19/100。相同长度不同直径者，直径越大，抗裂效果越好，不符合纤维间距理论。
⑤A5试件在浇筑过程中发现混凝土有离析现象，在振动台上补浆，振动时间较长，可能影响纤维在混凝土中的均匀性，导致最大裂缝宽度比基准混凝土增大25%，其长径比56；A6试件金属粗纤维的掺入使混凝土最大裂缝宽度比基准混凝土AO试件减少25%，其长径比62.5。粗纤维的早期抗裂效果，也不符合纤维间距理论。根据以上试验结果，进一步选定粗纤维CF2与细纤维FF1与FF4进行混杂试验。
⑥A7，A8，A9试件是粗细金属结构的混杂，A7试件最大裂缝宽度同基准混凝土AO试件，A7试件是粗金属结构CF2与细金属结构FF1的混杂，单掺比混掺的效果好。此两种金属结构直径相差较大，从材料组成的级配上来说，相差甚大，细金属结构是否会缠绕着粗金属结构，影响金属结构的工作性能，还有待进一步研究；A8试件是粗金属结构CF2与细金属结构FF4的混杂，从试验结果看效果不错，裂缝宽度较基准混凝土AO试件的裂缝宽度减少了50%。混掺后裂缝宽度比单掺细金属结构大，比单掺粗金属结构小；A9试件是粗金属结构CF2与细金属结构FF1,FF2的混杂，最大裂缝宽度较基准混凝土AO试件的裂缝宽度增大37.5%，混掺效应较差。可能是粗细不同的金属结构之间相互搭接、交叉甚至缠绕，减少了与水泥浆体的接触面积，消弱了与基体的粘接作用。
⑦金属结构的掺入使裂缝长度明显减小，粗金属结构优于细金属结构，A8试件的裂缝长度最小。由此判断粗金属结构CF2与细金属结构FF4的混杂可提高金属结构与混凝土基体的粘结力，从而提高混凝土的塑性抗裂能力。
2.3混凝土早期抗裂性评价
根据试验观测裂缝，计算裂缝的平均开裂面积、单位面积的开裂裂缝数目、单位面积上的总裂开面积等3个参数。然后根据推荐的4个评价准则，将抗裂性划分为5个等级，来评价混凝土的抗裂性，评价结果分析:
①基准混凝土AO试件在室温24h环境中抗裂等级属于I级，单位面积开裂裂缝数目最多，单位面积上的总开裂面积最大，抗裂等级是最低的。表明基准混凝土的早期抗裂效果很差。都不满足为V级抗裂等级，满足一个为IV级抗裂等级，满足两个为III级抗裂等级，满足三个为II级抗裂等级，满足四个为I级抗裂等级。
②细金属结构混凝土A1，A2，A3，A4试件中，A1，A2，A4试件抗裂等级属于II级，A3试件抗裂等级属于III级。A1试件的裂缝平均开裂面积最小，单位面积上的总开裂面积最小；A4试件的最大缝宽最小，单位面积开裂裂缝数目最少；由此判断A1，A4试件的早期抗裂效果最好。
③金属粗金属结构混凝土A5，A6试件中，A5试件抗裂等级属于IV级，A6试件抗裂等级属于III级，早期抗裂效果弱于细金属结构混凝土，略胜于基准混凝土。
④多种金属结构混凝土A7，A8，A9试件中，A8试件的抗裂等级属于I级，其单位面积上的总开裂面积在10组试件中是最小的，同时有4项指标均小于评价准则，说明A8试件中粗细两种金属金属结构在混凝土中相互相承，产生协同工作的效应。而A7，A9抗裂等级属于III级，效果不理想，尤其是A9最大裂缝宽度竟然大于基准混凝土。可能是金属结构之间发生了重叠缠绕，削弱了与基体间的粘接。
2.4混凝土后期抗裂性分析
研究纤维对混凝土抗裂性能的影响，不仅早期，后期的发展也不可忽视。本次试验在室内观测24h后，拆模，将试块放置在室外，经受日晒、风吹、雨淋2个月(6，7月份)后，再次对裂缝的发展情况进行评价。评价结果:
①AO表面有较明显的沉降裂缝。微细裂纹纵横交错，数量较多，基本上满布整个试件表面。主应力条处原有裂缝宽度增大，附近滋生了不少细裂纹。试件表面不平整。
②A1表面微细裂纹纵横交错，数量较多。微细裂纹分布均匀，试件表面比较平整；A2表面裂纹较A1细小，裂纹均匀分布，表面非常平整；A3表面裂纹较细，微细裂纹数量相对A1，A2减少，表面有少量沉降裂缝；A4微细裂纹数量相对A1，A2减少，多于A3，表面平整。由此可得，早期抗裂性能越好的细金属结构，后期微裂纹控制稍差；早期抗裂性能稍差的细金属结构，后期微裂纹控制能力有所提高。
③A5表面除了主应力处的原有裂缝，其它位置很少有微细裂纹出现，表面平整度一般；A6表面有少量微裂纹出现，表面平整度一般。说明粗金属结构后期抗裂性能优于细金属结构。
④A7表面有少量微裂纹出现，表面平整；A8表面有极少微细裂纹出现，表面平整度好；A9表面微裂纹数量多于A8，少于细金属结构混凝土，表面平整度一般。粗细金属结构混杂效应在此得到充分体现，A8早期塑性沉降裂缝和塑性收缩裂缝较小，后期干缩裂缝也得到有效控制。
3结论
本文提出一种新的混凝土阻裂增强方法，将塑性好、强度高的金属结构小型化、立体化，通过搅拌与水泥（砂）浆基体、骨料均匀混合，使得金属结构内填充基体材料，利用小型立体金属结构空间受力结构以减少由于基体收缩产生的骨料界面裂纹，改变混凝土微裂纹扩展路径，提高水泥（砂）浆材料韧性，从而起到阻裂增强的效果。
参 考 文 献
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重庆工程职业技术学院院级重点项目项目编号： KJA201705
作者简介：王贵珍，女，1977年10月生，副教授，专业方向：路桥专业理论教学与结构研究。
论文作者:王贵珍
论文发表刊物:《建筑实践》2019年16期
论文发表时间:2019/11/20
标签：混凝土论文; 裂缝论文; 金属结构论文; 裂纹论文; 宽度论文; 表面论文; 性能论文; 《建筑实践》2019年16期论文;