纤维混凝土耐久性试验及机理分析

1 纤维混凝土抗渗性能试验研究

1.1 试件制作

根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》（GBJ82—1985，试件共分3组，每组6件。采用顶面直径175mm、底面直径185mm、高150mm的圆台体混凝土试件进行抗渗试验。

试件混凝土配合比为水泥：石子：砂：水=360：1065：720：105，符合(P6级抗渗等级要求，试件掺入纤维体积率分别为0%，0.1%和0.13%，即后两组的纤维掺入量分别为0.9kg/m³和1.2 kg/m³。本试验的改性聚丙烯纤维由天津市欣晟建筑纤维公司提供。试件采用的纤维粗细度为15denier。试件制作时，为使纤维分布均匀，纤维加入采用干拌法。

1.2 试验方法

试验根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》（GBJ82—1985）实施，龄期为28d。试验采用HS—4B型混凝土渗透仪，加压范围为0~4MPa。每次试验安装1组试件（6个），试验由初始0.1MPa开始加压，加压持续8h.，若未发现试件透水或透水试件总数不超过3个时，试验压力递增0.1MPa，继续持续加压8h，依此类推。

1.3 试验结果

从表1可知，混凝土中加入纤维后，可大幅度提高抗渗性能。不仅抗渗时间大幅度增加，并且耐受压力能力也大幅度提高。以第三组试件为例：纤维掺入量为1.2kg/m³，其最高耐受压力和耐受时间均提高了200%，可见在混凝土中加入纤维后可有效提高水泥基混凝土材料的抗渗能力。试验结束后，将未发生透水现象的试件剖开观察，发现尚未透水的无纤维混凝土试件透水高度均达120mm以上；而尚未透水的已掺入纤维的混凝土试件透水高度仅为50~80mm。

以上结果表明：混凝土中掺入一定比例的改性聚丙烯纤维，可明显提高混凝土的抗渗性能，且掺入纤维的比例越高，抗渗性能改善越明显；由于改性聚丙烯纤维具有良好的化学稳定性，掺入纤维后不影响混凝土的化学性质。

2 纤维混凝土抗裂性能试验研究

2.1 试件制作

混凝土配合比为水泥：砂：石子：水=1：2.5：2.06：0.48 (kg/m³)。为诱导开裂，将砂含泥量定为10%。试件共分5组。试件尺寸为900mm×600mm×40mm，为加速失水，试件成型后即通风，风速1.5m/s。试验评定指标以24h后质量损失（即缩水率）和24h出现的裂缝面积进行鉴别。

2.2 试验结果

纤维混凝土抗干缩试验结果见表2。

根据混凝土中掺入纤维的长度和数量的不同，共进行5种不同类型的纤维混凝土抗干缩性能试验。结果表明，素混凝土浇筑后2h出现第一条裂缝，其余的裂缝也相继出现，总共出现5条明显的粗裂缝，宽度1~2.5mm不等，其余部位也出现多条细裂缝，其中3条粗裂缝在5h后贯通成一条整裂缝；而掺入聚丙烯纤维的混凝土则明显不同，混凝土浇筑后5h内未出现粗裂缝，仅出现很少的毛细裂缝20h后虽出现一些裂缝，但其长度和宽度均明显小于素混凝土。

从表2可以看出，掺加纤维后裂缝消除率平均为94.12%，可认为基本消除了裂缝。

3 机理分析

掺入改性聚丙烯纤维能有效提高混凝土的耐久性能，这是由数以千万计的毛细纤维发挥的作用。改性聚丙烯纤维粗细度为15~17denier。本试验中，2组试件的纤维掺入量分别为0.9 kg/m³ 和1.2 kg/m³。计算表明，在以上两种掺入量时，每立方米混凝土中均匀分布的纤维根数高达2.8×10⁶和3.8×10⁶根。鉴于改性聚丙烯纤维有着良好的分散性，因此在混凝土全部体积内，单根纤维间的平均间距约为1.87mm和1.61mm。掺入改性聚丙烯纤维能有效提高混凝土耐久性能的主要原因如下。

3.1 能有效阻止塑性混凝土中裂缝的产生

由于纤维在混凝土内呈现三维网络结构，起支撑骨料的作用，阻止了粗细骨料的沉降；同时也降低了混凝土表面的析水现象，有效阻止由于混凝土表面迅速失水造成较大体积收缩，从而避免混凝土表面出现裂缝。塑性状态的混凝土强度极低，纤维在塑性状态的混凝土中能承受由于干缩而产生的拉应力，减少与阻止塑性状态下混凝土内部裂缝的产生和发展。

3.2 在硬化混凝土中可起有效的阻裂作用

硬化的混凝土由于干燥收缩、温度收缩及碳化收缩的存在，常会引起混凝土内部产生各种收缩应力（拉应力），当混凝土结构内产生应力集中时，掺入纤维可防止微裂缝扩展，并阻止连通裂缝出现。

3.3 纤维对混凝土抗渗性能的影响机理

根据现代线弹性断裂力学理论，即所谓Romualdi理论，由于纤维的存在使应力裂缝趋于闭合^[1]。在混凝土中，当纤维分布的平均间距小于7.6mm时，混凝土的抗拉或抗弯初裂强度就能得以明显提高。因此，掺纤维的混凝土基材在限制收缩的条件下，因失水干缩而引发裂缝时，由于纤维存在阻裂作用，可显著减少初始裂缝的数量，有效抑制裂缝的宽度和长度，并因此大大降低了生成连通裂缝的可能性。混凝土中掺入纤维的体积率达0.003%时就可使混凝土的裂缝被明显细化。当裂缝宽度超过自愈范围后，裂缝的漏水量与裂缝宽度的三次方成正比。因此，混凝土中由于纤维的存在，即使裂缝的总面积不变，但由于掺入的纤维使裂缝细化也会使混凝土的总漏水量大大减少。理论分析认为^[2]，由于裂缝的细化，混凝土的漏水量与细分后的裂缝根数成反比。因此不难看出，单位混凝土体积内均匀分布的纤维根数越多，混凝土凝结过程中产生的裂缝就越细化，裂缝宽度就越窄，混凝土的抗渗性能也就越优越。这就是纤维混凝土具有较高抗渗性能的主要原因。

3.4 纤维对混凝土抗收缩开裂性能的影响机理

混凝土在浇筑后出现裂缝，主要是由于混凝土内部因为收缩而出现局部的拉应变，当拉应变超过其极限应变值时，裂缝就会不可避免地产生。当有大量的单丝纤维均匀地分布于混凝土当中时，即可承受因混凝土收缩而产生的拉应变，延缓或阻止混凝土出现裂缝。纤维在混凝土内呈均匀乱向分布，抑制了裂缝的发展，产生显著的阻裂效应^[3]。因此，聚丙烯纤维的阻裂效应主要体现在消除或减轻了早期混凝土原生裂隙的发生和发展，可理解是通过聚丙烯纤维提高早期混凝土的抗拉强度实现的。同时，试验结果还表明聚丙烯纤维还具有明显的保水作用，与素混凝土的相比，水损失明显减少，保水能力提高了31~54%不等，亦提高了混凝土的抗干缩性能。

4 结论

（1） 根据本次试验数据分析，掺入改性聚丙烯纤维对混凝土耐久性能有明显改善。

（2） 改性聚丙烯纤维可大幅度提高混凝土的抗收缩开裂性能，裂缝消除率达50%以上。纤维掺量越高，抗渗性能越好。

（3） 改性聚丙烯纤维可大幅度提高混凝土的抗收缩开裂性能，裂缝消除率达90%以上。建议在实际工程中纤维适用型号为19/1.2和19/0.9两组。

参考文献

1 苏健波.等. 杜拉纤维增强混凝土的力学性能研究. 广东土木与建筑，2000，（1）：23~26

2 朱江. 聚丙烯纤维混凝土（砂浆）的防水机理及应用技术. 建筑技术，2001，32（7）：455

3 赵霄龙. 巴恒静. 普通强度高耐久性混凝土的配制技术. 建筑技术，2004，35（1）：26~29

作者简介：（1.青岛理工大学管理系，266520  2.天津城市建设学院土木系，300384）