陳小攀，常世舉*，賈朋，余傳永，王立奎，趙杰，譚建軍

纖維素纖維增強面板混凝土制備與機理研究

陳小攀1，常世舉1*，賈朋1，余傳永1，王立奎1，趙杰1，譚建軍2

（1.河南天池抽水蓄能有限公司，河南 南陽 473000；2.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴陽 550000）

【目的】提高面板混凝土的抗裂性能?！痉椒ā吭O計了單摻粉煤灰、粉煤灰+MgO混摻、粉煤灰+纖維素纖維混摻的3種不同組合的對比試驗，以檢驗不同摻和料對面板混凝土強度、變形性能、宏觀抗裂性能、微觀早期抗裂性能等的影響，并分析了其抗裂機理?！窘Y果】纖維素纖維增強面板混凝土的劈拉強度和極限拉伸值最高，初裂起始時間最晚，單位面積裂縫數目最少，說明摻纖維的效果最好，抑制了水泥漿體早期裂縫的發(fā)展，其抗裂性能最優(yōu)。另外微觀掃描電鏡分析表明，摻粉煤灰和纖維素纖維后面板混凝土的90 d齡期的試塊結構較為致密，后期形成大量的團簇狀短棒產物，能譜分析顯示產物中鈣的比例下降，硅鋁比例提高，后期的粉煤灰水化消耗了一定的鈣，降低了產物的鈣硅比，形成產物進一步填充密實，強度得到提高。【結論】纖維素纖維對于面板混凝土的抗裂性能有顯著提升，這為提升混凝土抗拉強度提供了一種新的思路，具有廣闊的應用前景。

纖維素纖維混凝土；面板混凝土；抗裂性能

0 引 言

【研究意義】混凝土面板是長條狀混凝土薄板，是面板堆石壩的主要防滲結構[1-2]。面板為典型長條板狀結構，服役壽命受開裂影響嚴重[3]。針對面板混凝土的受力特點，尤其是面板混凝土對溫度變形及干縮變形較為敏感，因此針對混凝土面板的防裂措施研究，除工藝上采取相應的防裂措施之外[4]，對混凝土材料進行改性以獲得高抗裂性能，也是目前研究的重點[5]。

對于面板混凝土而言，由于表面積較大，表面失水干燥是導致混凝土收縮開裂的一個不容忽視的因素。由于混凝土內部毛細孔和凝膠孔中水分的散失，孔中形成負壓引起收縮，混凝土表面收縮速率大于內部混凝土，這種濕度梯度將在混凝土中產生裂縫[6]。在混凝土中摻加MgO膨脹劑是目前工程中常見的控制裂縫的手段[7]，MgO在混凝土凝結過程中的膨脹性將補償混凝土干燥收縮，從而減小裂縫的產生[8]?！狙芯窟M展】目前研究表明，摻入纖維素纖維也可以緩解混凝土的干燥收縮，降低裂縫萌生和延伸，從而提高抗拉強度及極限拉伸值、降低彈性模量等[9-11]。纖維素纖維作為改性植物纖維的代表[12]，因其親水性，可以與混凝土形成良好的界面結合，通過界面結合力限制混凝土收縮，并阻礙裂縫發(fā)展[13-15]。同時纖維素纖維中特殊的空腔結構，使其在水化初期可以儲存部分自由水，并在水化后期將水釋放，對混凝土起到內養(yǎng)護作用[16]，使混凝土內部結構更加密實，因此已作為新一代的工程纖維用于增強混凝土[17]?！厩腥朦c】然而目前針對纖維素纖維對面板混凝土抗裂性能的影響研究較少。

【擬解決的關鍵問題】本文對比研究了單摻粉煤灰、粉煤灰+MgO混摻、粉煤灰+纖維素纖維混摻的3種不同配合比組合的面板混凝土，對混凝土的力學性能、變形性能、抗裂性能、微觀早期抗裂性能等進行了綜合研究。通過比較分析，得出粉煤灰+纖維素纖維為最優(yōu)的面板混凝土配合比，并對其優(yōu)異的抗裂性能機理進行了分析。

1 試驗采用的原材料及試驗方法

1.1 原材料

試驗所用的原材料為：天瑞集團南召水泥有限公司生產的P.O 42.5水泥；河南南陽天孚實業(yè)有限公司生產的F類Ⅰ級粉煤灰；人工花崗巖粗骨料和細骨料；山西格瑞特建筑科技股份有限公司生產的GRT-HPC聚羧酸系高性能減水劑和GRT-AE引氣劑。同時選用了武漢三源特種建材有限責任公司生產的MgO；江蘇鹽城市恒固新材料科技有限公司生產的HG500纖維素纖維。

選用MgO是因為混凝土外摻適量、特制的MgO，可以利用MgO特有的延遲微膨脹性能補償混凝土的溫度收縮變形，降低混凝土的拉應力，若輔以其他的適當措施，可以全部或部分取代傳統(tǒng)的混凝土溫控措施，有利于解決混凝土的開裂問題，而且可以實現長塊、厚層、通倉連續(xù)（或短期間歇）澆筑，從而達到簡化施工工藝、加快施工進度、降低工程造價的目的。

選用纖維素纖維是因為低摻量合成纖維能顯著減少水泥砂漿或混凝土在塑性階段的早期收縮裂縫，降低它們在硬化階段的干縮，從而減少混凝土內部的微裂紋，提高界面的黏結強度，并有效地抑制微裂縫的擴展。

水泥的物理力學性能見表1；粉煤灰的檢測結果見表2；不同齡期和粉煤灰摻量的水泥水化熱降低率見表3；MgO的檢測結果見表4；纖維素纖維的檢測結果見表5。另外，進行了MgO的壓蒸安定性檢測，MgO的最大安全摻量確定為5%。纖維素纖維的摻量按照天池抽水蓄能項目設計要求確定為0.9 kg/m3。

表1 水泥的物理力學性能

表2 粉煤灰的檢測結果

表3 不同齡期和粉煤灰摻量的水泥水化熱降低率

表4 MgO的檢測結果

表5 纖維素纖維的檢測結果

1.2 配合比及力學性能

室內首先進行了面板混凝土的初選配合比試驗，確定了用水量、砂率、粗骨料級配、減水劑及引氣劑最優(yōu)摻量，并對20%和25%摻量的粉煤灰配合比進行了比選[18]，通過以上面板混凝土初步試驗及其性能試驗結果可知，粉煤灰摻量25%為較優(yōu)，最終確定了面板混凝土配合比的3個組合，分別為：①單摻粉煤灰（簡稱基準混凝土）；②粉煤灰+MgO混摻（簡稱MgO混凝土）；③粉煤灰+纖維素纖維混摻（簡稱纖維混凝土）。

3個組合的面板混凝土優(yōu)選配合比見表6，力學性能及干縮試驗結果見表7，抗壓強度、劈拉強度、極限拉伸值、干縮變形隨齡期的變化分別見圖1—圖4。

表6 面板混凝土優(yōu)選配合比

表7 面板混凝土優(yōu)選配合比性能

圖1 面板混凝土優(yōu)選配合比抗壓強度

圖2 面板混凝土優(yōu)選配合比劈拉強度

圖3 面板混凝土優(yōu)選配合比極限拉伸值

圖4 面板混凝土優(yōu)選配合比干縮

2 試驗結果

2.1 力學及變形性能

由表7及圖1—圖4可知：

1）抗壓強度（90 d）的排序為：基準混凝土＞纖維混凝土＞MgO混凝土。

2）纖維混凝土相比基準混凝土和MgO混凝土，劈拉強度7、28、90 d分別提高了7.4%和11.1%、2.8%和5.8%、5.4%和7.6%。

3）纖維混凝土相比基準混凝土和MgO混凝土，極限伸值7、28、90 d分別提高了7.8%和5.4%、4.9%和6.9%、6.1%和7.1%。

4）靜力抗壓彈性模量（越小越好），纖維混凝土相比基準混凝土和MgO混凝土，7、28、90 d分別降低了4.6%和2.1%、9.7%和6.3%、8.3%和4.0%。

5）干縮值（越小越好），纖維混凝土相比基準混凝土90 d降低了5.1%，相比MgO混凝土略微增加了3.8%。

抗壓強度結果分析：摻MgO和摻纖維素纖維一般不會提高混凝土的抗壓強度，均略低于基準混凝土。

劈拉強度和極限拉伸值結果分析：摻MgO混凝土的劈拉強度和極限拉伸值比基準混凝土略低，但摻纖維素纖維的混凝土劈拉強度和極限拉伸值比基準混凝土和MgO混凝土均有所提高。其機理分析為：纖維混凝土中均勻而隨機分布的短纖維在混凝土硬化過程中改變了混凝土的內部結構，減少了混凝土內部缺陷，提高了混凝土材料的連續(xù)性，在混凝土受力過程中纖維與混凝土共同受力變形，纖維的牽連作用使混凝土裂而不斷，進而能夠持續(xù)承受荷載，提高了纖維混凝土的劈拉強度和極限拉伸值。

彈性模量結果分析：摻MgO的混凝土彈性模量比基準混凝土略低，主要受其抗壓強度低的影響；摻纖維的混凝土彈性模量比基準混凝土和MgO混凝土均有降低。根據復合材料理論，由于普通混凝土的彈性模量一般為30 GPa左右，而本次試驗纖維素纖維的彈性模量僅為8.5 GPa，所以在混凝土中摻入纖維素纖維以后，混凝土的彈性模量相對不摻的有所降低。另外由于本工程采用的是花崗巖骨料，骨料本身的彈性模量相對其他巖性（如灰?guī)r）低得多，因此，本次3種混凝土的彈性模量均較低。符合“高強低彈”，有利于提高面板混凝土的抗裂性能。

干縮結果分析：摻纖維的混凝土干縮比基準混凝土略低，而摻MgO的混凝土干縮更低。摻纖維的混凝土干縮降低原因為，當混凝土基體受到由收縮引起的拉應力時，纖維可在一定程度上約束收縮，從而降低了混凝土的干縮。摻MgO的混凝土干縮降低原因為：摻MgO后，在水泥水化過程中，MgO水化生成了水鎂石Mg(OH)2，固相體積增大，其膨脹部分用于調整水泥石孔結構，部分用于補償混凝土收縮，因此降低了混凝土的干縮。

2.2 圓環(huán)法開裂試驗

圓環(huán)法是用來評價混凝土干燥收縮開裂的一種試驗方法，參照CCES 01—2004《混凝土結構耐久性設計與施工指南》附錄A中A1的方法，將砂漿澆筑在圓環(huán)狀試模中，24 h后拆除外模，保留內模鋼環(huán)，在砂漿干燥收縮過程中，由于受到內鋼環(huán)的約束，砂漿內部會形成拉應力，當拉應力超過砂漿自身的抗拉強度時，試件就會開裂。為了準確采集開裂時間，在鋼環(huán)內壁貼應變片，采用靜態(tài)應變儀采集應變片的讀數，當開裂發(fā)生時，應變片會發(fā)生突變，即可準確記錄初始開裂時間。

基準混凝土、MgO混凝土、纖維混凝土的圓環(huán)初始開裂時間分別為340、360、770 h，其中纖維混凝土的初始開裂時間最晚，比基準混凝土、MgO混凝土初始開裂時間分別延遲了126%、114%。主要原因是纖維混凝土存在內養(yǎng)護作用，抑制了纖維混凝土早期裂縫的發(fā)展，延遲了纖維混凝土的初始開裂時間。

2.3 大板開裂試驗

混凝土大板開裂試驗是評價混凝土塑性開裂的另外一種試驗方法，參照CCES 01—2004《混凝土結構耐久性設計與施工指南》附錄A2，抗裂性評價的主要依據為每條裂縫的初裂時間、最大寬度、數量和總長等。3個組合混凝土的大板開裂試驗結果見表8，3個組合混凝土表面裂縫見圖5。

表8 面板混凝土大板開裂試驗結果

圖5 大板開裂表面裂縫

由表8及圖5可知，纖維混凝土的初裂時間最長，相比基準混凝土的初裂時間延遲了2.36倍；單位面積裂縫最少，相比基準混凝土減少率達88.1%。纖維混凝土與基準混凝土、MgO混凝土相比，其抗裂效果改善明顯，說明摻入纖維素纖維后面板混凝土對于抵抗塑性開裂有顯著效果。

2.4 纖維混凝土微觀性能研究

2.4.1 混凝土濕度及毛細孔負壓分布

對于面板混凝土而言，由于表面積較大，表面失水干燥是導致混凝土收縮開裂的一個不容忽視的因素[12]。干燥收縮是混凝土停止養(yǎng)護后，在不飽和的空氣中失去內部毛細孔和凝膠孔的吸附水從而形成毛細孔負壓引起的收縮。水泥與水發(fā)生水化反應后，除了生成水化產物外，還在內部形成大量微細的孔，這些微細孔中儲存有水化反應未消耗的水分。這些水分一方面繼續(xù)參加后續(xù)的水化反應而逐漸消耗，另一方面隨著混凝土干燥而逐漸蒸發(fā)，原充水空間就會隨著水分的散失而形成負壓，即毛細孔負壓。水分散失越快，負壓形成越早，負壓越大，收縮就會越大。對于面板混凝土而言，表面混凝土的失水速度肯定要大于內部混凝土的失水速度[16]，必然產生濕度梯度，表面與內部混凝土的收縮量也不相同，這種差異有可能造成混凝土表面開裂。纖維素纖維的內養(yǎng)護作用，可以很好地減緩由于混凝土表面失水過快引起的開裂。

對纖維素纖維增強面板混凝土濕度及毛細孔負壓分布進行試驗，距表面不同深度處混凝土孔隙負壓隨時間變化見圖6；5～45 cm區(qū)域內毛細孔負壓梯度變化規(guī)律見圖7。

圖6 距表面不同深度處混凝土孔隙負壓隨時間變化

由圖6和圖7可知，混凝土的孔隙負壓梯度并不是一直增大的，而是在5.2 h左右達到最大值，約0.25 kPa/cm，說明該時段內，表面失水速度最快，最易發(fā)生塑性開裂；當水泥基材料孔隙負壓超過20～60 kPa時，極易發(fā)生開裂，以20 kPa作為判斷標準，距離表面5 cm處的混凝土在3.85 h左右毛細孔負壓達到20 kPa，此時發(fā)生塑性開裂的風險極大，距離表面20、30、45 cm處的混凝土分別在4.17、4.68、4.80 h左右毛細孔負壓達到20 kPa，說明該混凝土在澆筑后3～5 h，發(fā)生塑性開裂風險最大。

圖7 5～45 cm區(qū)域內毛細孔負壓梯度變化規(guī)律

2.4.2 混凝土孔結構

表9為采用壓汞法測試纖維素纖維增強面板混凝土在1、7、90 d的孔隙分布。

表9 不同齡期混凝土孔隙參數

由表9可知，隨著齡期延長，混凝土孔隙率逐漸下降，孔徑也有明顯變化，中間孔徑從1 d的62.8 nm下降至90 d的15.4 nm，說明在纖維素纖維內養(yǎng)護作用下，混凝土中的膠凝材料不斷水化，孔隙不斷填充密實，孔徑不斷減小，結構不斷改善，總孔容也從1 d的0.057 8 cm3/g下降至90 d的0.023 5 cm3/g，內養(yǎng)護效果非常明顯。

2.4.3 混凝土掃描電鏡分析

對纖維素纖維增強面板混凝土進行掃描電鏡分析，如圖8所示，圖8（a）為200 μm微觀細貌，顯示1 d齡期混凝土內部存在較多孔洞，說明結構不密實，強度還較低；圖8（b）為50 μm微觀細貌，顯示1 d齡期混凝土內部少量微纖維橋接在混凝土凝膠塊上，通過脫粘、滑動和纖維拔出增加裂紋擴展的能量需求，阻礙裂縫發(fā)展。

圖9為不同齡期混凝土內部形貌圖。由圖9（a）可知，1 d齡期的混凝土試塊內部有部分未反應的粉煤灰球狀顆粒，這是由于纖維素纖維表面的親水性，使其具有高能量吸收機制，通過高界面結合力控制混凝土的收縮；由圖9（b）可知，3 d齡期的混凝土試塊內部孔洞減小，密實度增加，水化產物呈板塊狀，已無針棒狀的鈣礬石，且有纖維已被混凝土凝膠塊包裹；由圖9（c）可知，7 d齡期混凝土試塊內部相對致密，存在少量微裂縫，形成了部分網絡狀產物，纖維相互搭接在一起，可阻礙裂縫延伸；由圖9（d）可知，90 d齡期混凝土試塊中結構仍然致密，隨著齡期的延長逐漸出現較多的微裂紋，后期形成大量的團簇狀短棒產物，說明纖維素纖維的內養(yǎng)護過程在水化后期起到了很大作用，并促進粉煤灰球狀顆粒的繼續(xù)反應。

圖8 1 d齡期的混凝土試塊內部微觀形貌

圖9 不同齡期的混凝土試塊內部微觀形貌

圖10為不同齡期的混凝土試塊內部能譜分析圖。從圖10可知，隨著齡期變長，纖維混凝土水化產物中鈣比例下降，硅鋁比例提高，可能是由于后期的粉煤灰水化消耗了一定的鈣，降低了產物的鈣硅比，形成產物進一步填充密實，提高試塊強度。

3 討 論

摻MgO及纖維素纖維混凝土的抗裂機理簡析如下：摻入MgO或纖維素纖維后，混凝土的單位面積裂縫數目減少，抗裂能力提高。平板法試驗中出現的裂縫主要是由于混凝土表面失水而產生的塑性收縮和干燥收縮所致，在混凝土中摻入適量的MgO或纖維素纖維可以在一定程度上減少混凝土的早期塑性收縮和干燥收縮，從而提高混凝土的抗裂性。

而摻纖維素纖維后的混凝土裂縫數量又遠低于基準混凝土及MgO混凝土，是因為摻纖維素纖維后混凝土中數量巨大而微細的纖維素纖維形成了亂向支撐體系，阻斷了混凝土內部大量的毛細管通道，降低了暴露面水分的蒸發(fā)[19]。同時有效阻礙了混凝土中的骨料離析，阻止了混凝土塑性沉降和泌水的發(fā)生，從而減少了混凝土的塑性收縮和干燥收縮。此外，纖維素纖維的親水性使其與混凝土界面良好結合，在產生收縮應力時阻止收縮的發(fā)展，從而使其難以進一步擴展，起到止裂的作用[20]。纖維素纖維的空腔結構起到內養(yǎng)護的作用，通過提供持續(xù)不斷的水進一步促進混凝土水化反應，降低未水化組分含量，密實了漿體結構，從而降低了混凝土早期的收縮開裂，提高了面板混凝土的抗裂性能。

從基準混凝土、MgO混凝土、纖維混凝土3種面板混凝土的性能對比分析來看，摻纖維素纖維的面板混凝土，其劈拉強度和極限拉伸值最高、靜力抗壓彈性模量最低、干縮值較小、單位面積裂縫最少，混凝土開裂時間最晚，說明纖維素纖維面板混凝土效果最好，抗裂性能最優(yōu)。

4 結 論

1）纖維素纖維與混凝土具有良好的界面結合，產生的界面結合力可抵消部分收縮應力，阻礙收縮裂縫發(fā)生，從而降低混凝土早期的收縮開裂。

2）纖維素纖維具備內水養(yǎng)護作用，隨著齡期增長，混凝土膠凝材料持續(xù)水化，產生水化物可進一步充填內部孔隙，使混凝土更加致密，起到增強作用。

3）澆筑后3～5 h，是纖維混凝土發(fā)生塑性開裂風險最大的時段，應關注這個特殊時刻，提前做好養(yǎng)護保溫工作。

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Reinforcing Concrete Slabs Using Cellulose Fiber

CHEN Xiaopan1, CHANG Shiju1*, JIA Peng1, YU Chuanyong1, WANG Likui1, ZHAO Jie1, TAN Jianjun2

(1. Henan Tianchi Pumped Storage Power Company Limited, Nanyang 473000, China;2. China Power Construction Group Guiyang Survey Design & Research Institute Co., Ltd., Guiyang 550000, China)

【Objective】Cellulose fiber is a material increasingly used to reinforce concrete and this paper investigates its improvement of concrete slabs against cracking.【Method】Concrete slabs made by cement mixed with fly ash, cement mixed with fly ash and MgO, were compared with slabs made by cement-fly ash reinforced by cellulose fiber. For each slab, we measured its strength, deformation property, resistance against macro-cracks and emergence of micro-crack.【Result】Concrete slab reinforced by cellulose fibers are mechanically best, and its splitting tensile strength and ultimate tensile strength are both higher than other slabs. The cellulose fibers not only delays the initiation of cracks but also reduces cracking density (numbers of cracks per unit area). Ninety days after the slab is casted, SEM analysis shows that the structure of the reinforced slabs is relatively compact and a large number of short-rod clusters are formed inside it. Energy spectrum analysis shows that the cellulose fiber reduces the proportion of calcium while increasing the proportion of silicon and aluminum in the slabs. Fly ash hydration consumes a certain amount of calcium, thereby reducing the calcium-silicon ratio and increasing the strength of the slabs.【Conclusion】Comparison shows that reinforcing concrete slabs by cellulose fiber can significantly improve their resistance against cracking and tensile strength.

cellulosic fiber concrete; face slab concrete; crack resistance

1672 - 3317（2023）02 - 0123 - 07

TV431

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021379

陳小攀, 常世舉, 賈朋, 等. 纖維素纖維增強面板混凝土制備與機理研究[J]. 灌溉排水學報, 2023, 42(2): 123-129.

CHEN Xiaopan, CHANG Shiju, JIA Peng, et al. Reinforcing Concrete Slabs Using Cellulose Fiber[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(2): 123-129.

2021-08-18

陳小攀，男，河南許昌人。工程師，學士，主要從事抽水蓄能工程管理工作。E-mail: 1096369962@qq.com

常世舉，男，河南漯河人。工程師，研究生，主要從事抽水蓄能工程管理工作。E-mail: 1029672133@qq.com

責任編輯：趙宇龍