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摘要:本文结合笔者多年实践经验，在介绍高性能混凝土原材料选用及配合比确定工作的基础上，将玄武岩纤维和钢纤维分别与不同掺量的聚丙烯纤维进行混杂，探讨这些纤维对高性能混凝土抗裂性能的影响，并针对实验结果进行分析，为类似实验研究工作提供借鉴意义。
关键词:纤维；高性能混凝土；抗裂性能；配合比
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
高性能混凝土是近年來发展速度较快的一种新型高技术混凝土，具有耐久性好、适应性强、体积稳定性高和经济性好等优点，目前在城市高层建筑施工中得到广泛的应用。高性能混凝土设计特点是采用了低水胶比、选有优质的原材料，且必须掺加大量超细矿物掺合物和高效外加剂，以改善混凝土界面薄弱区的结构形态，从而达到高强高性能的目的。但在这过程中，若混凝土结构体积变化产生的拉应力超过了混凝土的抗拉强度，就容易致使混凝土结构出现开裂的现象，影响到建筑工程混凝土结构的整体质量。大量研究表明，纤维对高性能混凝土的阻烈、增韧、增加等方面具有重要的作用。为此，本文将玄武岩纤维和钢纤维分别与不同掺量的聚丙烯纤维进行混杂，探讨纤维对高性能混凝土抗裂性能的影响。试验结果显示，纤维掺入高性能混凝土中可以改善混凝土早期的抗裂性能。
1 原材料的选用及配合比确定
1.1 试验原材料
胶凝材料:水泥采用塔牌PO52.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰为沙角电厂生产的Ⅱ级粉煤灰；矿渣为矿渣微粉；微珠采用深圳市同成新材料科技公司生产的纳米微珠。
骨料:粗骨料为5～20mm连续级配的碎石；细骨料为西江中砂，细度模数为2.2。
纤维:凯泰(CAT)改性聚丙烯纤维，直径30μm，长度19mm，断裂强度大于530MPa，弹性模量为5.8GPa；玄武岩浸胶短切纱，直径17μm，长度20mm，拉伸强度大于2025MPa，弹性模量93～100GPa；浪型钢纤维，直径为0.5mm，长度为30mm，抗拉强度大于1000MPa，弹性模量150～170MPa。
减水剂:CX－8聚羧酸高效减水剂。
1.2 配合比确定
为分析纤维对高性能混凝土抗裂性能的影响，选用聚丙烯纤维、玄武岩纤维与钢纤维为研究对象，其配合比及其性能见表1，养护龄期为28d混凝土立方体抗压强度均在90MPa以上，坍落度均在110mm以上。其中:M0为基准混凝土；PP0.6、PP0.9、PP1.2为聚丙烯纤维掺量为0.6、0.9、1.2kg·m－3的混凝土；BF2、BF4、BF6为玄武岩纤维掺量为2、4、6kg·m－3的混凝土；BF6－PP0.6～BF6－PP1.2为聚丙烯纤维与玄武岩纤维混杂的混凝土；LSF1～LSF1－PP1。2为聚丙烯纤维与钢纤维混杂的混凝土。
表1 纤维高性能混凝土的配合比、工作性能和强度
2纤维对混凝土抗裂性能的影响分析
2.1 试验方法
混凝土抗裂性能测试采用水泥基材料抗裂性能快速测试诱导开裂法测试，见图1。试件成型后置于相对湿度为(60±5)%，温度为23±3℃环境中。用放大倍数为40倍的裂缝观测仪观测裂缝的发展。诱导开裂法测试混凝土抗裂性能的评价指标主要有开裂时间与开裂面积，且是以24h开裂面积为主要评价指标。开裂面积按下式计算:
式中:Wi为第i根裂缝的宽度(mm)；Li第i根裂缝的长度(mm)；N为总裂缝数目(根)。
图1 诱导开裂试验装置(单位:mm)
2.2 试验结果及其分析
图2为聚丙烯纤维高性能混凝土的抗裂性能测试结果。由图2可知，掺量为0.6、0.9和1.2kg·m－3的聚丙烯纤维高性能混凝土，比基准高性能混凝土的开裂时间增加了14.4%、36%和121.6%，开裂面积降低了41%、45.5%和46。5%。当聚丙烯纤维掺量从0增加到0.6kg·m－3，混凝土抗裂性能提高显著；当聚丙烯纤维掺量从0.6kg·m－3增加到0.9kg·m－3，混凝土抗裂性能亦有明显提高；但当纤维掺量从0.9kg·m－3增加到1.2kg·m－3时，其抗裂性能基本不变。
图2 聚丙烯纤维高性能混凝土的抗裂性能
图3为玄武岩纤维高性能混凝土的抗裂性能测试结果。由图3可知，掺量为2、4和6kg·m－3的玄武岩纤维高性能混凝土，比基准高性能混凝土的开裂时间增加了20.8%、39.2%和47.2%，开裂面积降低了17%、22%和28%。掺入玄武岩纤维可以明显抑制混凝土的开裂，且随着玄武岩纤维掺量的增大，高性能混凝土的抗裂性能随之提高，但与聚丙烯纤维相比，玄武纤维对抑制高性能混凝土的早龄期裂缝作用有限。
图3 玄武岩纤维高性能混凝土的抗裂性能
图4为玄武岩纤维与聚丙烯纤维混杂高性能混凝土与单掺聚丙烯纤维高性能混凝土的抗裂性能对比图。从图4可知，掺量为6kg·m－3的玄武岩纤维分别与掺量为0.6、0.9和1.2kg·m－3的聚丙烯纤维混杂的纤维高性能混凝土，比相应的单掺聚丙烯纤维高性能混凝土，开裂时间增加了8.4%、0%和－20.9%，开裂面积降低了13.6%、32.1%和59.8%；并且，比掺量为6kg·m－3的单掺玄武岩纤维高性能混凝土，开裂时间增加了－15.8%、－7.6%和19%，开裂面积降低了29.2%、48.6%和70.1%。这说明，玄武岩纤维和聚丙烯纤维互掺能明显改善高性能混凝土的早龄期抗裂性能，并且随着聚丙烯纤维掺量的增加混凝土的抗裂性能越来越好，与单掺纤维高性能混凝土相比混杂纤维高性能混凝土的抗裂性更佳。
图4 玄武岩－聚丙烯混杂纤维高性能混凝土的抗裂性能
图5为钢纤维与聚丙烯纤维混杂高性能混凝土与单掺聚丙烯纤维高性能混凝土的抗裂性能对比图。从图5可知，钢纤维体积掺量为1%时，掺量为0.6%与1.2%聚丙烯纤维混杂的纤维高性能混凝土，比相应的单掺聚丙烯纤维高性能混凝土，开裂时间增加了87.4%、6.5%，开裂面积降低了73。7%、91.6%。比单掺钢纤维为1%时混凝土的开裂时间分别增加了21.3%与33.4%，开裂面积减小了58.1%与87.8%。这说明，体积掺量为1%的钢纤维和聚丙烯纤维互掺能显著提高高性能混凝土的早龄期抗裂性能，比单掺聚丙烯纤维或单掺钢纤维高性能混凝土的抗裂性均更佳。
图5 钢－聚丙烯混杂纤维高性能混凝土的抗裂性能
3 结语
通过探讨纤维对高性能混凝土抗裂性能的影响，笔者总结了以下几点结论：①聚丙烯纤维的掺入可以有效抑制高性能混凝土的早龄期收缩开裂；②玄武岩纤维对提高高性能混凝土抗裂性能具有一定的作用，但效果明显低于聚丙烯纤维；③将玄武岩纤维和聚丙烯纤维混杂对高性能混凝土起到的抗裂性明显高于单掺玄武岩纤维或聚丙烯纤维。以上实验结果希望对往后混凝土研究工作起到指导作用。
参考文献
[1] 常洪雷;金祖权;李允伟.纤维增强混凝土早期抗裂性能研究[J].混凝土与水泥制品.2013年第02期
[2] 蔡安兰.混杂纤维高性能混凝土的收缩抗裂性能[J].四川建筑科学研究.2011年第04期
关键词:纤维；高性能混凝土；抗裂性能；配合比
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
高性能混凝土是近年來发展速度较快的一种新型高技术混凝土，具有耐久性好、适应性强、体积稳定性高和经济性好等优点，目前在城市高层建筑施工中得到广泛的应用。高性能混凝土设计特点是采用了低水胶比、选有优质的原材料，且必须掺加大量超细矿物掺合物和高效外加剂，以改善混凝土界面薄弱区的结构形态，从而达到高强高性能的目的。但在这过程中，若混凝土结构体积变化产生的拉应力超过了混凝土的抗拉强度，就容易致使混凝土结构出现开裂的现象，影响到建筑工程混凝土结构的整体质量。大量研究表明，纤维对高性能混凝土的阻烈、增韧、增加等方面具有重要的作用。为此，本文将玄武岩纤维和钢纤维分别与不同掺量的聚丙烯纤维进行混杂，探讨纤维对高性能混凝土抗裂性能的影响。试验结果显示，纤维掺入高性能混凝土中可以改善混凝土早期的抗裂性能。
1 原材料的选用及配合比确定
1.1 试验原材料
胶凝材料:水泥采用塔牌PO52.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰为沙角电厂生产的Ⅱ级粉煤灰；矿渣为矿渣微粉；微珠采用深圳市同成新材料科技公司生产的纳米微珠。
骨料:粗骨料为5～20mm连续级配的碎石；细骨料为西江中砂，细度模数为2.2。
纤维:凯泰(CAT)改性聚丙烯纤维，直径30μm，长度19mm，断裂强度大于530MPa，弹性模量为5.8GPa；玄武岩浸胶短切纱，直径17μm，长度20mm，拉伸强度大于2025MPa，弹性模量93～100GPa；浪型钢纤维，直径为0.5mm，长度为30mm，抗拉强度大于1000MPa，弹性模量150～170MPa。
减水剂:CX－8聚羧酸高效减水剂。
1.2 配合比确定
为分析纤维对高性能混凝土抗裂性能的影响，选用聚丙烯纤维、玄武岩纤维与钢纤维为研究对象，其配合比及其性能见表1，养护龄期为28d混凝土立方体抗压强度均在90MPa以上，坍落度均在110mm以上。其中:M0为基准混凝土；PP0.6、PP0.9、PP1.2为聚丙烯纤维掺量为0.6、0.9、1.2kg·m－3的混凝土；BF2、BF4、BF6为玄武岩纤维掺量为2、4、6kg·m－3的混凝土；BF6－PP0.6～BF6－PP1.2为聚丙烯纤维与玄武岩纤维混杂的混凝土；LSF1～LSF1－PP1。2为聚丙烯纤维与钢纤维混杂的混凝土。
表1 纤维高性能混凝土的配合比、工作性能和强度
2纤维对混凝土抗裂性能的影响分析
2.1 试验方法
混凝土抗裂性能测试采用水泥基材料抗裂性能快速测试诱导开裂法测试，见图1。试件成型后置于相对湿度为(60±5)%，温度为23±3℃环境中。用放大倍数为40倍的裂缝观测仪观测裂缝的发展。诱导开裂法测试混凝土抗裂性能的评价指标主要有开裂时间与开裂面积，且是以24h开裂面积为主要评价指标。开裂面积按下式计算:
式中:Wi为第i根裂缝的宽度(mm)；Li第i根裂缝的长度(mm)；N为总裂缝数目(根)。
图1 诱导开裂试验装置(单位:mm)
2.2 试验结果及其分析
图2为聚丙烯纤维高性能混凝土的抗裂性能测试结果。由图2可知，掺量为0.6、0.9和1.2kg·m－3的聚丙烯纤维高性能混凝土，比基准高性能混凝土的开裂时间增加了14.4%、36%和121.6%，开裂面积降低了41%、45.5%和46。5%。当聚丙烯纤维掺量从0增加到0.6kg·m－3，混凝土抗裂性能提高显著；当聚丙烯纤维掺量从0.6kg·m－3增加到0.9kg·m－3，混凝土抗裂性能亦有明显提高；但当纤维掺量从0.9kg·m－3增加到1.2kg·m－3时，其抗裂性能基本不变。
图2 聚丙烯纤维高性能混凝土的抗裂性能
图3为玄武岩纤维高性能混凝土的抗裂性能测试结果。由图3可知，掺量为2、4和6kg·m－3的玄武岩纤维高性能混凝土，比基准高性能混凝土的开裂时间增加了20.8%、39.2%和47.2%，开裂面积降低了17%、22%和28%。掺入玄武岩纤维可以明显抑制混凝土的开裂，且随着玄武岩纤维掺量的增大，高性能混凝土的抗裂性能随之提高，但与聚丙烯纤维相比，玄武纤维对抑制高性能混凝土的早龄期裂缝作用有限。
图3 玄武岩纤维高性能混凝土的抗裂性能
图4为玄武岩纤维与聚丙烯纤维混杂高性能混凝土与单掺聚丙烯纤维高性能混凝土的抗裂性能对比图。从图4可知，掺量为6kg·m－3的玄武岩纤维分别与掺量为0.6、0.9和1.2kg·m－3的聚丙烯纤维混杂的纤维高性能混凝土，比相应的单掺聚丙烯纤维高性能混凝土，开裂时间增加了8.4%、0%和－20.9%，开裂面积降低了13.6%、32.1%和59.8%；并且，比掺量为6kg·m－3的单掺玄武岩纤维高性能混凝土，开裂时间增加了－15.8%、－7.6%和19%，开裂面积降低了29.2%、48.6%和70.1%。这说明，玄武岩纤维和聚丙烯纤维互掺能明显改善高性能混凝土的早龄期抗裂性能，并且随着聚丙烯纤维掺量的增加混凝土的抗裂性能越来越好，与单掺纤维高性能混凝土相比混杂纤维高性能混凝土的抗裂性更佳。
图4 玄武岩－聚丙烯混杂纤维高性能混凝土的抗裂性能
图5为钢纤维与聚丙烯纤维混杂高性能混凝土与单掺聚丙烯纤维高性能混凝土的抗裂性能对比图。从图5可知，钢纤维体积掺量为1%时，掺量为0.6%与1.2%聚丙烯纤维混杂的纤维高性能混凝土，比相应的单掺聚丙烯纤维高性能混凝土，开裂时间增加了87.4%、6.5%，开裂面积降低了73。7%、91.6%。比单掺钢纤维为1%时混凝土的开裂时间分别增加了21.3%与33.4%，开裂面积减小了58.1%与87.8%。这说明，体积掺量为1%的钢纤维和聚丙烯纤维互掺能显著提高高性能混凝土的早龄期抗裂性能，比单掺聚丙烯纤维或单掺钢纤维高性能混凝土的抗裂性均更佳。
图5 钢－聚丙烯混杂纤维高性能混凝土的抗裂性能
3 结语
通过探讨纤维对高性能混凝土抗裂性能的影响，笔者总结了以下几点结论：①聚丙烯纤维的掺入可以有效抑制高性能混凝土的早龄期收缩开裂；②玄武岩纤维对提高高性能混凝土抗裂性能具有一定的作用，但效果明显低于聚丙烯纤维；③将玄武岩纤维和聚丙烯纤维混杂对高性能混凝土起到的抗裂性明显高于单掺玄武岩纤维或聚丙烯纤维。以上实验结果希望对往后混凝土研究工作起到指导作用。
参考文献
[1] 常洪雷;金祖权;李允伟.纤维增强混凝土早期抗裂性能研究[J].混凝土与水泥制品.2013年第02期
[2] 蔡安兰.混杂纤维高性能混凝土的收缩抗裂性能[J].四川建筑科学研究.2011年第04期