玄武岩纤维混凝土早期收缩开裂的实验研究

　　摘要：采用平板法研究玄武岩纤维对混凝土收缩开裂的影响，实验结果表明：玄武岩纤维能有效的抑制裂缝的产生和扩展，抵抗塑性收缩能力显著，其最佳掺量为1.0-1.2kg/m3。
　　关键词：混凝土；玄武岩纤维；开裂；掺量
　　
　　1概述
　　近年来混凝土技术得到了快速发展与应用，混凝土广泛的应用于建筑工程之中。但是，人们通过大量的工程实例发现多数混凝土设施的破坏，其不是由于强度不足而是耐久性不够造成的。目前，在结构工程领域存在一个相当普遍且严重的问题是结构物的早期收缩开裂，严重影响混凝土的耐久性和结构物的使用年限，已经成为必须解决的技术难题[1]。混凝土产生早期裂缝的原因有多种，尤以收缩变形引起的裂缝最多。塑性收缩是由于混凝土在凝聚前表面失水引起毛细孔压力增大而产生了表面收缩，裂缝在混凝土浇筑后3h-15h左右形成，不均匀分布。收缩裂缝在混凝土路面，混凝土板，混凝土梁等大面积暴露的结构表面尤为明显，长度甚至达1-2m。加强混凝土早期塑性收缩开裂的研究具有重要的理论和现实意义[1-2]。
　　国内外水泥和混凝土界的专家学者都很重视混凝土收缩性能和抗裂性能的研究。1985美国PaulP.Kraai教授首次采用平板法研究混凝土收缩开裂；清华大学的安明哲等对高性能混凝土的自收缩试验方法进行了系统的研究；一些学者对低掺量玄武岩等纤维混凝土的阻裂、抗渗机理、等耐久性以及玄武岩纤维对混凝土的力学性能的影响等进行了初步实验，并得出了一些符合实验的结论[3]。大量研究表明，混凝土中掺加纤维能够提高其延性和韧性，增强抗裂能力。玄武岩纤维作为一种新型的无机纤维，具有耐高温、耐烧蚀、耐酸碱性能强、耐化学性能好和热稳定性优越等优点。目前我们对玄武岩纤维阻止混凝土开裂的研究虽然取得了一些成果，但还有待深入[4]。
　　本文研究了在混凝土中掺入适量的玄武岩纤维，对混凝土在浇筑后早期硬化阶段的塑性收缩裂缝和微裂纹的影响，从而为玄武岩纤维在工程中的应用提供参考。
　　2原材料与实验方法
　　2.1原材料
　　选用冀东水泥厂生产的P.O42.5R型普通硅酸盐水泥；细骨料选用秦皇岛河砂；粗骨料选用5-25mm级配良好的碎石；采用萘系高效减水剂，减水率为22%；粉煤灰选用内蒙古元宝山电厂Ⅰ级粉煤灰；选用俄金玄武岩纤维有限公司玄武岩纤维，直径13µm，长度15mm。混凝土强度等级为C40，基准配合比为：水泥:粉煤灰:砂石:石子:水:减水剂=350:100:180:750:1050:3.6，纤维掺量分别为0、0.6、1.2、1.8kg/m3，对应编号为：C40-B0、C40-B1、C40-B2、C40-B3。
　　2.2实验方法
　　本试验参照Kraai平板实验方法[5]试模：钢制试模，尺寸为600mm×900mm×50mm底部铺设塑料薄膜，周边装配φ10mm×100mm钢筋。
　　将受检混凝土与基准混凝土浇注入试模，抹平后，置于晴天、湿度小于60%的风吹环境中。对混凝土板每隔10分钟观察一次，直到混凝土终凝。记录每个混凝土板上裂缝的出裂时间（开始出现裂缝的时间），裂缝尺寸（终凝前的最大裂缝宽度），及裂缝数量（终凝前裂缝总条数及长度在5cm以上裂缝的条数）。
　　裂缝检测方法：
　　(1)裂缝宽度：用比对卡测读裂缝宽度。每条裂缝取3个宽度值，然后取其平均值为该裂缝宽度值。
　　(2)裂缝长度：裂缝以肉眼可见裂缝为准，用钢尺测量其长度。可近似取裂缝两端直线距离为裂缝长度；当裂缝出现明显弯折时，可以按折线长度之和代表裂缝长度。
　　(3)应按下列公式计算裂缝总面积：
　　
　                         　　
　　不同玄武岩纤维掺量的混凝土开裂情况见表1所示。
　　表1各玄武岩纤维掺量下混凝土的开裂情况
　                 　　
　　从表1可以看出，在混凝土中掺入玄武岩纤维后可抑制混凝土塑性收缩裂缝，抵抗早期塑性收缩作用显著，且混凝土开裂的时间延迟；玄武岩纤维混凝土宽度缩减系数达到了75%，总开裂面积减缩系数更是达到了98%左右。随纤维体积分数的增加，混凝土开裂面积明显减少，裂缝降低系数逐渐增大，对混凝土的开裂抑制作用越强，在掺量为1.2以下时纤维的抗裂效果最佳。当掺量大于1.2时，这时再增加纤维的掺量防裂效果提高已经不再明显，对混凝土开裂的抑制作用又有下降的趋势。分析其可能由于纤维掺量增多，纤维之间存在的结团现象较为突出，使之不易均匀分散于水泥基材料之中，从而使抗裂性能略有下降。
　　玄武岩纤维在混凝土中成不规则均匀乱向分布，这种分布形式在混凝土中形成了大量的微配筋，故微裂缝在发展的工程中遭到了玄武岩纤维的阻挡，吸收了混凝土的应力。微细纤维的加入在微观层次上显著减少了材料的缺陷，尤其是微细裂纹和内部损伤。从而在宏观意义上带来了显著阻裂的效果。试验研究表明，玄武岩纤维能有效的减少塑性收缩裂缝（比如与基准混凝土相比裂缝总面积减少60%以上），由以上图表可以得出能有效抑制裂缝的最佳纤维掺量为1.0~1.2。同时在实验过程中的各种混凝土的塑性收缩裂缝还受试验场地外加剂、施工操作(抹平方向及速率)、构件断面深度、纤维的分散均匀程度等因素的影响。
　　4结论
　　（1）混凝土中加入玄武岩纤维，对提高混凝土抵抗早期收缩和开裂效果十分显著。玄武岩纤维混泥土抵抗早期收缩开裂性能比普通混凝土有较大提高，其最高裂缝降低系数达98%。
　　（2）玄武岩纤维抵抗混凝土早期收缩开裂的最佳掺量为1.0-1.2kg/m3，随着纤维含量的增加，纤维掺量多使之不易均匀分散容易结团，使抗裂性能略有降低。
　　（3）玄武岩纤维的加入显著改善了混凝土内部微观结构，即在水泥凝结硬化过程中纤维分布形成大量微配筋，吸收了混凝土的应力，阻碍微裂缝的发展从而达到抗裂的目的。
　　参考文献：
　　[1]徐至均.纤维混凝土技术及应用[M].北京:中国建筑工业出版社，2003
　　[2]史小兴,王新民.合成纤维在混凝土中的效果和机理综述[J].河南科学.2002,6:621-6251
　　[3]廉杰,杨勇新,杨萌,等.短切玄武岩纤维增强混凝土力学性能的试验研究[J].工业建筑,200,37(6):8–10.
　　[4]黄承逵.纤维混凝土结构[M].北京:机械工业出版社,2004.
　　[5]PaulP.Kraai.Aproposedtesttodeterminethecrackingpotentialduetodryingshrinkageofconcrete.ConcreteConstruction.September1985,pp775-778.