國產某PVA纖維對混凝土早期開裂和干燥收縮的影響

張 云 杰

(內蒙古工業大學 礦業學院，內蒙古 呼和浩特 010051)

纖維混凝土廣泛應用于我國各地的橋梁工程、水工建筑物中[1-3]。纖維的摻加可顯著改善混凝土的工作性能，目前國內外學者對纖維混凝土的抗裂性能進行了研究并取得了大量成果。Qi C等[4]研究了不同摻量的聚丙烯纖維對混凝土早期開裂的影響，摻加聚丙烯纖維使混凝土早期裂縫寬度大幅降低。Sivakumar等[5]對混雜纖維混凝土的收縮開裂進行了研究，在混凝土內摻加纖維可明顯減少收縮裂縫，且非金屬纖維含量的增加可以在削弱混凝土部分工作性能的同時顯著提升其抗裂性能。邢通等[6]對不同摻量鋼-聚丙烯纖維混凝土的早期開裂進行了研究，混雜纖維可以發揮出正混雜效應，提高早期抗裂能力。唐明等[7]采用平板法對聚丙烯纖維混凝土早期開裂狀態進行了研究，結果表明：隨著纖維摻量的增加、纖維長度的增長，其對混凝土的抗裂性能提升也越大。

PVA纖維模量高、強度高、耐酸堿，目前受到了廣泛關注和研究，摻加PVA纖維可以大幅度提高混凝土的抗拉能力、增強混凝土的抗裂性和耐久性[8-16]，延長結構的使用壽命。目前國內PVA纖維混凝土多數為日本產，因其產量低且需進口，價格居高不下。關于國產PVA纖維早期抗裂和收縮性能的研究較少，本文通過改變纖維長度和摻量對纖維混凝土的早期抗裂性能和干燥收縮性能進行研究，為PVA纖維的工程應用提供參考。

1 試驗概況

1.1 原材料及混凝土配合比

試驗采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，礦物摻和料采用Ⅱ級粉煤灰；細骨料采用中砂，粗骨料采用粒徑在5.0 mm～31.5 mm之間的石子；減水劑采用聚羧酸減水劑；試驗拌合用水為自來水。試樣的水膠比為0.37，水泥、粉煤灰、砂和石子的用量分別為353 kg/m3、67 kg/m3、712 kg/m3和1 068 kg/m3，減水劑用量為42 kg，纖維混凝土的纖維體積摻量為0.9%、1.2%和1.6%。

國產PVA纖維選用內蒙古雙欣高分子材料技術研究院有限公司生產的高強高彈纖維SX-1，纖維長度為8 mm和12 mm，直徑為0.015 m，密度為1.2 g/cm3，彈性模量為42 GPa，斷裂伸長率為7%，抗拉強度為1 600 MPa。

試驗分組編號為C-L-ω，其中，C為混凝土試件，L為纖維長度，ω為纖維摻量。例如，摻加纖維長度8 mm、纖維摻量0.9%的PVA纖維混凝土試件編號為C-8-0.9，其他試驗與組別同理，普通混凝土試件編號為PC。

1.2 試件制備

早期抗裂性能對比試驗參照《纖維混凝土試驗方法標準》[17](CECS13:2009)進行，試件尺寸為1 000 mm×1 000 mm×60 mm，混凝土澆筑進模具后，在24 h內測量裂縫，裂縫長度取兩端直線距離，精確到5 mm。裂縫寬度取裂縫最大寬度，使用裂縫顯微鏡測量，精確到0.01 mm。

干燥收縮試驗參照規范接觸法進行，采用尺寸為100 mm×100 mm×515 mm的棱柱體試件，測量混凝土試件澆筑后自然養護至1 d、3 d、7 d、14 d、28 d、56 d、90 d相應齡期所產生的收縮值。

2 試驗結果與分析

2.1 裂縫形態分析

PVA纖維混凝土早期開裂裂縫形態如圖1所示，其中(a)為8 mm纖維組，(b)為12 mm纖維組。圖2為普通混凝土早期開裂裂縫形態。普通混凝土組和8 mm組試件的裂縫中，有部分裂縫分布在試件中央，且發展方向各異。12 mm組試件的裂縫均全部或部分與試件約束方向垂直，主要分布在試件邊緣，此類裂縫可以認為均由栓釘誘發而成， 12 mm PVA纖維的摻加提升了混凝土試件的開裂閾值。早期裂縫參數見表1。

試件中出現了數根長裂縫，例如PC組14號裂縫、C-8-1.2組6號裂縫、C-12-1.2組4號裂縫、C-12-1.6組3號裂縫,它們呈現出多處各自發展的短裂縫相連接與合流的趨勢，轉折較為生硬，在很小的區域內產生具明顯棱角的轉折。裂縫都是向著結構最脆弱處發展的，而兩條不同起源、長度較短、發展方向沒有發生過變化的短直裂縫趨向同一片區域，可以說明該區域是混凝土的薄弱區域，其內部可能因結構密實性差、均勻性差而儲存了大量等待釋放的斷裂能。試件上呈“彡”型分布的微小的紡錘形裂隙，為混凝土初開裂的形態，當這些裂隙發展、連接為裂縫時，同樣會合流為一條具有分支的長裂縫。

（1）在冬季澆筑大體積混凝土時，若外界溫度較低，采取保溫措施后仍產生溫度裂縫，需采用導熱系數大的材料進行配置混凝土施工，降低混凝土內外溫差，減小因此而產生的溫度應力，從而有效降低大體積混凝土溫度裂縫的產生。

表1 PVA纖維混凝土的早期裂縫參數

長裂縫的第二種成因是短裂縫的持續發展，即短裂縫在發展過程中，不斷抵達混凝土內部的應力集中區域，引起該區域開裂、釋放能量，并利用被釋放出的能量繼續發展。這種長裂縫形態上的特征比較明顯：轉折較為平緩、沒有明顯的棱角，但是轉折處裂縫寬度大幅增加，將裂縫擴展為裂口。例如C-12-1.2組的4號裂縫，在試件邊緣起的第二個轉折處，裂縫寬度驟增，達到了該組試件的最大裂縫寬度0.3 mm。同時，在第三個轉折處裂縫寬度也達到了0.29 mm。

(a) 8 mm組試件

(b) 12 mm組試件 圖1 PVA纖維混凝土早期開裂裂縫形態

圖2 普通混凝土早期開裂裂縫形態

2.2 裂縫長度與寬度分析

C-8-0.9的最大裂縫長度為370 mm，相比PC下降了33.9%，最大裂縫寬度同樣從0.26 mm下降到0.24 mm。C-8-1.2的最大裂縫長度為360 mm，最大裂縫寬度依舊小于PC。C-8-1.6的最大裂縫長度為310 mm，相比PC下降了44.6%，最大裂縫寬度也僅為0.22 mm?？傮w來說，隨著纖維摻量的增加，最大裂縫長度和最大裂縫寬度均呈現減小的趨勢，C-8-1.6表現出了最優的控制裂縫長度、寬度發展的性能。

C-1.2-0.9的最大裂縫長度為330 mm，相比PC下降了41%，最大裂縫寬度為0.26 mm，與PC相同。而C-12-1.2和C-12-1.6的最大裂縫長度相比C-12-0.9反而開始增長，分別為400 mm和500 mm，最大裂縫寬度也隨之增加到0.3 mm，恢復到了PC的水平?？傮w來說，C-12組內，隨著纖維摻量的增加，最大裂縫長度呈現先減小后增加的趨勢，而最大裂縫寬度則出現了增長的現象。

以上數據分析說明在混凝土中摻加8 mm PVA纖維比摻加12 mm PVA纖維能更好地控制裂縫長度。同時，纖維混凝土的優勢之一是控制裂縫長度和寬度，裂縫越細，代表纖維對混凝土阻裂能力的提升越大，對混凝土耐久性的提升也越大，即摻加8 mm PVA纖維相比摻加12 mm對更有助于提升混凝土的耐久性。

2.3 單位面積上的總開裂面積與裂縫降低系數

不同纖維長度和摻量的PVA纖維混凝土單位面積上的總開裂面積和裂縫降低系數如圖3所示。

圖3 PVA纖維混凝土總開裂面積和裂縫降低系數

隨著纖維摻量的增加，C-8組和C-12組的PVA纖維混凝土單位面積上的總開裂面積均呈現下降趨勢，在摻加PVA纖維后，單位面積上的總開裂面積迅速下降到138.7 mm2，裂縫降低系數達到51%，充分說明了PVA纖維的摻加對控制混凝土早期開裂的顯著效果。隨著摻量的增加，單位面積上的總開裂面積雖然仍在降低但降速有所減小，裂縫降低系數曲線同樣趨于水平，這說明更多纖維的摻加對抗裂性能的提升并不明顯，摻量對抗裂性能的影響不大。另一方面，各纖維摻量組的裂縫降低系數都表現出12 mm組高于8 mm組的趨勢，并且隨著摻量的增加，這種差距越來越大?？傮w來說，纖維的摻加對混凝土早期抗裂性能提升巨大，但這種提升隨著纖維長度、摻量的增加逐漸減弱。

2.4 纖維參數與裂縫面積的關系

Thomas Voigt[18]提出并實驗證明了纖維混凝土中纖維長徑比和摻量的乘積與纖維混凝土開裂的關系。設纖維長徑比與摻量百分比的乘積為參數L，表2列出了各組試驗的參數L、裂縫名義總面積與裂縫平均名義面積，圖4為其關系曲線。

表2 各組試驗參數、裂縫名義總面積、裂縫平均名義面積

圖4 參數L與裂縫名義總面積和裂縫平均名義面積的關系曲線

結合裂縫形態及開裂趨勢的分析，可以認為是較小的裂縫合并成為大裂縫，使裂縫數量減少，使PVA纖維混凝土試件在總開裂面積降低的同時，每根裂縫的平均面積保持在一定的水平。

不論是增加纖維長度或是增加纖維摻量，都可以降低PVA纖維混凝土早期開裂的裂縫名義總面積，即提高早期抗裂性能，但是在當L值超出一定值后，繼續添加纖維無法繼續改善纖維混凝土單根裂縫的尺寸或形態，同時可能會使小裂縫發展為大裂縫，進一步削弱纖維混凝土早期抗裂性能。

2.5 機理分析

新澆筑的混凝土在3 h～12 h內處于塑性階段，當表面失水速率大于內部水分遷移速率時，混凝土內部的毛細管失壓，混凝土開始收縮硬化并產生細微裂縫。PVA纖維的摻加改善了混凝土的流變性和均質性，有效阻隔了水分的溢出。纖維與纖維、纖維與骨料之間相互錯位交織形成了復雜致密的三維亂向骨架，有效阻止了內部微裂縫的發展，纖維的橋接作用起到了傳遞荷載的作用，使得微裂縫尖端的應力集中得到釋放，削減了應力集中區域，使混凝土內部的應力場均勻。另一方面，纖維的摻加也使得混凝土裂縫需要更多的能量才能繼續擴展，這就有效抑制了裂縫長度的發展。當摻加的PVA纖維為12 mm時，雖然裂縫降低系數和限裂效能等級比8 mm纖維表現優異，但加入過長過多的PVA纖維不利于纖維在混凝土內部均勻分散，甚至有可能在內部結團，出現應力集中區域。裂縫一旦出現便有可能受應力集中區域的誘使發展為長裂縫。同時，纖維的結團行為降低了橋接作用，削弱了纖維控制裂縫寬度的能力。這使得摻加12 mm PVA纖維組的最大裂縫長度隨摻量逐漸增加甚至接近普通混凝土，最大裂縫寬度超過了普通混凝土。

2.6 干燥收縮性能

圖5為PVA纖維混凝土累積收縮值。當摻加纖維長度較小且摻量較少時，即纖維長度為8 mm、纖維摻量為0.9%時，纖維可以很好的發揮自身特性：傳遞應力以減少混凝土內的應力集中區域，利用纖維與基體界面的黏結力和機械摩擦力橋接混凝土基體，提升混凝土的抗干燥收縮性能。

圖5 PVA纖維混凝土累積收縮值

當纖維摻量提升至1.6%時，由圖5可知，混凝土在56 d～90 d期間的收縮值相比纖維摻量0.9%時有所下降，但是下降量有限。由此可知，摻加8 mm PVA纖維可以有效提升混凝土的抗干燥收縮性能，但是纖維摻量的進一步提升帶來的性能提升較小。當摻加PVA纖維長度為12 mm時，混凝土各階段收縮值均明顯大于同摻量的8 mm纖維混凝土，可以認為8 mm PVA纖維對混凝土抗干燥收縮能力的提升是幾乎作用于干燥收縮全階段的。

對比摻加12 mm PVA纖維的混凝土干燥收縮數據可知，收縮值為0.9%組<1.2%組<1.6%組，隨著纖維摻量的增加而增加?？梢钥闯?，12 mm PVA纖維的摻加也可以提升混凝土的抗干燥收縮性能，但隨著纖維摻量的提升，12 mm纖維混凝土抗干燥收縮性能逐漸下降。12 mm纖維在混凝土基體內起阻裂作用的原理與8 mm纖維相同，但是因12 mm纖維長度較大，其搭建的三維亂向骨架中留出的孔隙較粗，水分更容易從其中逸散。同時，因為這些孔隙尺寸相比8 mm纖維混凝土的孔隙尺寸僅有少量增加，使這些孔隙依然屬于毛細孔隙，所以依然能保持一定程度上的阻裂能力。因為這些孔隙自纖維混凝土澆筑時便已存在，所以在每一段干燥收縮試驗周期內，8 mm PVA纖維混凝土對混凝土抗干燥收縮能力的提升都是優于12 mm PVA纖維混凝土的，這些微小的優勢隨著時間的發展累積，在長期的干燥收縮過程中會累積為較大的性能優勢。

3 結 論

(1) 摻加國產PVA纖維可以顯著提升混凝土的早期抗裂性能，裂縫降低系數均大于0.5。隨著纖維摻量的增加，裂縫數量減少、名義開裂面積減小，且裂縫分布集中在模具邊緣的預制栓釘附近。

(2) PVA纖維的摻加對混凝土早期抗裂性能提升巨大，混凝土中摻加8 mm長度PVA纖維比摻加12 mm PVA纖維能更好地控制裂縫長度，呈現出隨著纖維長度、摻量的增加逐漸減弱的趨勢。纖維的摻加使得混凝土裂縫需要更多能量才能繼續擴展，有效抑制了裂縫的發展。

(3) PVA纖維的摻加對混凝土抗干燥收縮能力的提升體現在整個干燥收縮階段，并且8 mm PVA纖維對混凝土抗干燥收縮能力的提升優于12 mmPVA纖維，而纖維摻量的進一步增加帶來的性能提升較小。在齡期達到90 d后時，摻加PVA纖維的混凝土收縮值已經幾乎可以忽略不計，普通混凝土的收縮值依然明顯。

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