玻璃纖維對(duì)混凝土收縮開裂性能的影響研究

王原原，孫仁娟，武新勝，胡益彰，郝巍

(山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，濟(jì)南 250061)

摘要：測(cè)試了玻璃纖維對(duì)水泥砂漿抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度以及干燥收縮性能的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，利用平板法研究了玻璃纖維摻量對(duì)混凝土早期塑性開裂性能的作用，并通過混凝土的初始開裂時(shí)間、最大裂縫寬度、單位面積總開裂面積評(píng)價(jià)其影響效果。當(dāng)水泥砂漿中摻加體積摻量為1.0%的玻璃纖維時(shí)，其28 d抗折強(qiáng)度接近10 MPa，干燥收縮率為890×10`(-6)；當(dāng)混凝土中摻加0.25%的玻璃纖維時(shí)，混凝土初始開裂時(shí)間和最大裂縫寬度明顯降低，單位面積總開裂面積降低幅度接近80%；體積摻量增加到0.5%時(shí)，玻璃纖維能夠完全抑制混凝土早期裂縫的形成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，玻璃纖維能夠增強(qiáng)水泥砂漿的抗折強(qiáng)度，明顯抑制水泥砂漿和混凝土的干燥收縮以及早期裂縫的形成和發(fā)展。

關(guān)鍵詞：玻璃纖維；力學(xué)性能；干燥收縮；塑性開裂

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.04.003

Abstract:The influence of glass fiber on flexural strength, compressive strength and drying shrinkage performance of cement mortar was tested. Based on this, the method of plate was used to study the effect of the amount of doped glass fiber and superplasticizer on early plastic cracking performance of concrete, which is evaluated through the initial cracking time, maximum crack width, the total crack area per unit area of concrete. When glass fiber volume fraction in cement mortar is 1.0%, its 28 d flexural strength can be close to 10 MPa, and the shrinkage rate is 0.089%.When volume fraction of glass fiber is 0.25%, the initial cracking time and maximum crack width decreased obviously, and the total crack area per unit area of concrete can reduce close to 80%; when volume fraction increases to 0.5%, glass fiber can completely inhibit the formation of concrete early crack. The experimental results show that，glass fiber can enhance the flexural strength of cement mortar, and inhibit drying shrinkage of cement mortar and early crack formation and development of cement significantly.

收稿日期：2015-05-07.

作者簡(jiǎn)介：王原原(1989-)，碩士生.E-mail:wangyuanyuansddx@163.com

Study on Effects of Glass Fiber to the Plastic Shrinkage Cracking

Properties in Concrete

WANGYuan-yuan,SUNRen-juan,WUXin-sheng,HUYi-zhang,HAOWei

(School of Civil Engineering, Shandong University,Ji′nan 250061,China)

Key words:glass fiber;mechanical properties;drying shrinkage;plastic cracking

混凝土在澆筑成型時(shí)容易產(chǎn)生早期塑性收縮開裂，而收縮裂縫的形成直接關(guān)系到混凝土的耐久性，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生巨大的影響。研究表明[1-5]，在混凝土中加入纖維，如PVA纖維、PP纖維、碳纖維等，能夠明顯提高其強(qiáng)度韌性，有效抑制塑性收縮裂縫的形成和發(fā)展，增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。因此，纖維混凝土作為一種新型復(fù)合建筑材料，近年來在一些實(shí)際工程中被廣泛應(yīng)用。玻璃纖維具有導(dǎo)電性低、耐堿性好、耐化學(xué)腐蝕性高等特點(diǎn)，同時(shí)與水泥基體具有良好的粘結(jié)性能，可以有效地提高水泥砂漿的物理力學(xué)性能，顯著克服混凝土材料在凝結(jié)硬化過程中收縮大、易開裂的缺點(diǎn)，提高混凝土結(jié)構(gòu)的使用性能。

通過一系列的室內(nèi)試驗(yàn)研究了不同體積摻量玻璃纖維對(duì)水泥砂漿強(qiáng)度和收縮性能的影響，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了混凝土早期塑性開裂實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了混凝土初始開裂時(shí)間、單位面積裂縫數(shù)目、裂縫最大寬度等性能指標(biāo)，分析了玻璃纖維對(duì)改善混凝土抗塑性開裂性能的影響，從而為實(shí)際工程中玻璃纖維的應(yīng)用提供參考和依據(jù)。

1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1　原材料

水泥砂漿強(qiáng)度、干燥收縮測(cè)試所用水泥采用中聯(lián)水泥有限公司生產(chǎn)的基準(zhǔn)水泥，混凝土早期塑性開裂實(shí)驗(yàn)所用水泥為濟(jì)南山水集團(tuán)生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。實(shí)驗(yàn)用細(xì)集料為河砂，細(xì)度模數(shù)為2.92，粗集料為普通碎石，減水劑采用聚羧酸高效減水劑。實(shí)驗(yàn)用水為自來水。玻璃纖維為泰山玻璃纖維有限責(zé)任公司生產(chǎn)，纖維長(zhǎng)度為12 mm，其參數(shù)值見表1。

表1　玻璃纖維性能參數(shù)

1.2　方法

水泥砂漿的攪拌、成型及強(qiáng)度測(cè)試按照GBT—17671—1999[6]《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》進(jìn)行。水泥砂漿干燥收縮實(shí)驗(yàn)方法嚴(yán)格依據(jù)JTG E30—2005[7]《公路工程水泥及水泥混凝土實(shí)驗(yàn)規(guī)程》。干縮砂漿試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(溫度為(20±2) ℃，相對(duì)濕度為95%)24 h后脫模，脫模后繼續(xù)在20 ℃水中養(yǎng)護(hù)2 d后用比長(zhǎng)儀測(cè)初始度，放入干縮養(yǎng)護(hù)箱(溫度為(20±3)℃，相對(duì)濕度為(50±4)%)中養(yǎng)護(hù)至測(cè)試齡期進(jìn)行試驗(yàn)。水泥混凝土塑性開裂實(shí)驗(yàn)按照GB/T 50082—2009[8]《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的平板開裂實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行?；炷恋臄嚢璋凑障劝韬显偌尤氩ＡЮw維的順序進(jìn)行。

1.3　配合比設(shè)計(jì)

制備水泥砂漿的灰砂比為1∶2，水灰比確定為0.45。測(cè)試了玻璃纖維體積摻量(0.5%、1.0%)對(duì)水泥砂漿抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、干燥收縮的影響。試驗(yàn)研究玻璃纖維摻量(0.25%，0.5%)對(duì)混凝土早期塑性開裂的影響,混凝土配合比如表2所示。

表2　混凝土配合比設(shè)計(jì)

2結(jié)果分析

2.1　玻璃纖維對(duì)水泥砂漿強(qiáng)度的影響

玻璃纖維對(duì)水泥砂漿抗折強(qiáng)度的影響如圖1所示。由圖1可知，摻加玻璃纖維后，水泥砂漿的7 d和28 d抗折強(qiáng)度均有所提高，7 d和28 d抗折強(qiáng)度分別提高了18.2%、11.6%。這是由于玻璃纖維能夠和水泥砂漿有效地粘結(jié)，增強(qiáng)水泥基體對(duì)纖維的握裹作用，從而在砂漿內(nèi)部形成一種均勻分布的亂向支撐體系，當(dāng)纖維水泥砂漿受到荷載破壞產(chǎn)生微小裂縫時(shí)，纖維能橫跨裂縫起到橋接作用，增強(qiáng)水泥砂漿的抗折破壞性能。由圖2可知，玻璃纖維對(duì)水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度沒有明顯的影響，這是因?yàn)樵诶w維水泥砂漿的壓力作用由水泥砂漿基體承擔(dān)，玻璃纖維對(duì)水泥砂漿抗壓強(qiáng)度的影響有限。

2.2　玻璃纖維對(duì)水泥砂漿干燥收縮的影響

玻璃纖維對(duì)水泥砂漿5 d、7 d、10 d、14 d、21 d、28 d收縮率的影響變化如圖3所示。由圖3可知，玻璃纖維能夠降低水泥砂漿的干燥收縮率，在28 d測(cè)試齡期，普通水泥砂漿的收縮率為1 040×10-6，摻加 0.5%、1.0%的玻璃纖維后，水泥砂漿的干縮率分別為970×10-6、890×10-6，分別比未摻加玻璃纖維降低了6.7%、14.4%。這是因?yàn)椴ＡЮw維在水泥基材料中形成亂向支撐體系，減少基體中水分的散失途徑，同時(shí)改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)，降低其收縮應(yīng)力。

2.3　玻璃纖維對(duì)混凝土塑性開裂的影響

實(shí)驗(yàn)測(cè)試了玻璃纖維體積摻量對(duì)混凝土早期塑性開裂性能的影響。混凝土早期開裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，表3為混凝土的塑性開裂性能指標(biāo)。由表可知，普通混凝土的初始開裂時(shí)間為70 min, 單位面積總開裂面積為703.1 mm2/m2，玻璃纖維能夠延遲混凝土的初始開裂時(shí)間，纖維混凝土表面形成不連續(xù)的收縮裂縫，單位面積裂縫總面積和裂縫數(shù)目也明顯縮減，最大裂縫寬度也呈減小趨勢(shì)，當(dāng)玻璃纖維體積摻量增大到0.5%，混凝土完全沒有裂縫形成，只有微細(xì)裂紋產(chǎn)生。相對(duì)于普通混凝土，摻加0.25%玻璃纖維混凝土的單位面積裂縫總面積和裂縫數(shù)目分別減少了78.1%、68.6%，最大裂縫寬度也從0.480 mm降低到0.391 mm，由此可見，玻璃纖維抑制混凝土的早期開裂效果明顯。

表3　混凝土的塑性開裂性能指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)編號(hào)初始開裂時(shí)間/min單位面積裂縫數(shù)目/(條·m-2)裂縫最大寬度/mm每條裂縫平均開裂面積/(mm2·條-1)單位面積總開裂面積/(mm2·m-2)17072.90.4809.643703.12>24022.90.3916.709153.73無開裂,只有微細(xì)裂紋

3結(jié)論

a.玻璃纖維能夠增大水泥砂漿的抗折強(qiáng)度，且在一定范圍內(nèi)，纖維摻量越多，抗折強(qiáng)度越大，當(dāng)體積摻量為1.0%時(shí)，28 d抗折強(qiáng)度提高了11.6%。玻璃纖維對(duì)水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度沒有明顯的影響。

b.玻璃纖維能夠降低水泥砂漿的收縮率，且纖維體積摻量越大，水泥砂漿的干縮率越小，玻璃纖維體積摻量為1.0%時(shí)，28 d收縮率降低了14.4%。

c.玻璃纖維能夠明顯抑制混凝土的早期塑性開裂，與普通混凝土相比，玻璃纖維體積摻量為0.25%的混凝土單位面積裂縫總面積和單位面積裂縫數(shù)分別減少78.1%、68.6%，混凝土最大裂縫寬度為0.391 mm；當(dāng)體積摻量增大到0.5%時(shí)，混凝土完全沒有裂縫產(chǎn)生，只有微細(xì)裂紋。

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