纖維網格布表層強化混凝土早期開裂特性

李悅媛，許 巍，張 俊，，江 帆，高培偉，胡 成

(1.空軍工程大學航空工程學院，陜西 西安 710038； 2.南京航空航天大學民航學院，江蘇 南京 210016； 3.中國人民解放軍海軍研究院，北京 100070； 4.93023部隊，內蒙古 呼倫貝爾 021000)

通常機場道面水泥混凝土所用的水泥強度等級較高，且施工期多為夏季，導致水泥混凝土道面在施工過程及施工完成后終凝前這段時間極易產生早期微裂縫，在后期環境及飛機荷載的作用下，早期微裂縫會不斷擴展，導致道面面板產生滲漏，腐蝕其組分，加速道面表層破壞，并直接或間接地影響道面強度和道面整體的穩定性，進而影響跑道的使用性能和安全性能，因此尋找一種有效提高道面混凝土早期抗開裂性能的方法具有重大意義[1-5]。

混凝土開裂的原因有多種，但多是由收縮變形引起的。因此解決高性能混凝土開裂的問題，主要從解決收縮變形引起的裂縫入手，其中主要的途徑有兩種：①降低混凝土內部的收縮應力，使其不超過混凝土的自身強度；②提高混凝土早期抵抗收縮應力的能力，目前主要有摻加纖維、外加劑、礦物摻合料及改進養護方式和優化混凝土組分5種方式。施鳳蓮等[6]研究發現在混凝土中摻入纖維是克服混凝土早期塑性收縮裂縫的有效途徑之一；Borg等[7]研究發現聚對苯二甲酸乙二醇酯纖維可以有效抑制混凝土干縮和塑性開裂，且抑制效果與纖維摻量和長度有關；Shen等[8]研究發現摻入3D鋼纖維可以有效地減少高強混凝土自收縮，提高其抗開裂性能；Akkaya等[9]提出通過摻入膨脹劑來抵消水泥基材料的干縮，從而起到增強抗開裂性能的效果；Yoo等[10]提出同時摻入減收縮劑和膨脹劑可以提高混凝土早期抗開裂性能。

養護方式主要從內養護和外養護兩方面考慮。內養護方面，目前對高吸水聚合物的研究較多[11]；外養護包括預濕輕骨料[12]、涂層養護法[13-14]和加熱養護法[15]等。這兩類養護方式均能在一定程度上提高混凝土早期抗開裂的性能。優化混凝土組分主要從水泥細度、粗細集料含量和級配等方面進行改善，在一定程度上能夠提高混凝土早期抗開裂的性能，但仍存在如纖維拌和的不均勻性可能導致道面水泥混凝土其他性能下降、摻加減收縮劑和膨脹劑等外加劑不能很好地兼顧其他性能的強化、摻入礦物摻合料可能導致混凝土強度等性能的下降、養護和組分優化效果有限等一些不足。

纖維網格布是一種以纖維為原材料，經過特定工序制成的強化材料，其在經向和緯向均具有較高的強度。目前，纖維網格布在墻體保溫、防水、混凝土修復等行業已取得成功的應用。張勇超[16]研究發現，無論老化前后，相比素試件，纖維網格布增強聚合物砂漿試件的抗彎比例極限強度和抗彎破壞強度均有大幅度的提高，而且最終破壞時的位移也有很大的提升。封雷等[17]研究得出玻璃纖維網格布增強復合保溫墻板的抗壓強度為4.29 MPa的結論。許景欣[18]認為，復合在抹面砂漿中的耐堿網格布能夠改善面層的機械強度，保證飾面層的抗力連續性，增強防護層的拉伸強度。陳培鑫等[19]認為，耐堿玻纖網格布可以明顯增強抹灰砂漿與墻面的黏結，提高墻面抹灰層的黏結強度；在其他條件相同的情況下，隨著耐堿玻纖網格布單位面積質量的增加，墻面抹灰層的拉伸黏結強度有明顯增強。劉玲玲[20]通過TRC薄板的單軸拉伸試驗、四點抗彎試驗、三點抗折試驗，探討了織物層數、摻入短切鋼纖維及預應力對TRC薄板力學行為的影響。王海濤等[21]通過有限元方法探討了纖維增強復合材料板影響疲勞裂紋修復效果的因素。

纖維網格布在建筑行業的應用表明，其可有效增強水泥砂漿等基礎材料的力學性能，特別是胡成等[3]的初步研究結果更加表明纖維網格布可有效增強機場混凝土道面的抗凍性能。因此，通過纖維網格布對混凝土表層進行增強的方法有望解決機場水泥混凝土道面表層抗裂性不足的問題。

為此，本文提出在混凝土表面水泥砂漿層中布設纖維網格布對混凝土進行強化，對不同水灰比、砂率、細度模數的素水泥砂漿以及不同種類、尺寸纖維網格布強化水泥砂漿的早期抗開裂性能進行研究。

1 試 驗 概 況

1.1 試驗材料

試驗用水泥為PO-42.5R硅酸鹽水泥且摻量固定為320 kg/m3。砂是產自西安灞河的天然河砂，按照原中國人民解放軍總后勤部《軍用機場場道工程施工及驗收規范》將砂分級，配制相應的細度模數，所配制出不同細度模數砂的級配曲線如圖1所示。吳勝興等[22]認為骨料分布均勻性是新拌混凝土均勻性的最重要因素。因此，考慮到混凝土的均勻性，本試驗粗集料選用陜西茂縣的石灰石碎石，分為5～10 mm、>10～20 mm和>20～40 mm 3種級配，為2∶3∶6。該比例通過優選法獲得，為振實密度最大時的比例，且該比例需滿足表1中規定的級配范圍。以此配置的混凝土抗折強度試驗結果如表2所示。

圖1 砂的級配曲線Fig.1 Grading curve of sand

表1 粗集料顆粒級配

表2 抗折試驗結果

本文試驗共選用3種纖維網格布，其中玄武巖纖維網格布分為3 mm×3 mm、5 mm×5 mm和10 mm×10 mm 3種；芳綸纖維網格布和碳纖維網格布網孔尺寸均為5 mm×5 mm。纖維網格布外形如圖2所示，性能參數見表3。

圖2 纖維網格布形態Fig.2 Fiber mesh morphology

表3 纖維網格布性能參數

1.2 試驗方法

考慮到機場水泥混凝土道面屬于板狀構件，因此，采用平板式限制收縮法開展試驗。由于混凝土澆筑的平板試件不易出現明顯的裂縫，難以進行數據分析和對比，且早期開裂裂縫主要產生于表層砂漿層中，而纖維網格布強化位置也位于砂漿層，因此，本文通過對水泥砂漿進行早期抗裂研究，來表征纖維網格布表層強化水泥混凝土的早期抗開裂性能。

1.2.1 試驗步驟

提前24 h將原材料置于試驗環境中，使其在進行試驗時，原材料的溫度與室溫一致；并將試驗所需的纖維網格布裁剪成590 mm×590 mm。水泥砂漿攪拌完成后，將拌合物澆筑至試模中并抹平，當需要鋪入纖維網格布時，應將纖維網格布平攤在試件表面，使用抹子將纖維網格布下壓，壓至肉眼不可見時停止并抹面。

試驗在溫度為(20±2)℃，相對濕度為(60±5)%的恒溫恒濕環境中進行，試件成型30 min后水泥砂漿已經初凝，風速不會造成砂漿二次流動，此時開始多風高溫環境模擬。調整風扇距離試件的距離，使試件中心往上0.1 m處保持(5±0.5)m/s的風速大小，吹24 h；開啟風扇的同時開啟距試件1 m高的碘鎢燈進行照射，照射4 h后關閉，如圖3所示。

圖3 水泥砂漿平板開裂試驗Fig.3 Plate cracking test of cement mortar

在試件成型24 h后，開始對試件裂縫信息進行統計。使用讀數顯微鏡和電子游標卡尺測量裂縫寬度，沿裂縫長度預估3個裂縫寬度最大位置進行測量，取最大值作為最大寬度；通過棉線和鋼尺實現對裂縫長度的測量。

1.2.2 評價指標

以單位面積總開裂面積和裂縫降低系數作為評價指標。

a.單位面積總開裂面積。每條裂縫的平均開裂面積A1、單位面積裂縫數b、單位面積的總開裂面積A2公式分別為

(1)

(2)

A2=A1b

(3)

式中：Wi為第i條裂縫的最大寬度，精確到0.01 mm；Li為第i條裂縫的長度，精確到1 mm；N為總裂縫數，條；A為平板面積，m2。

b.裂縫降低系數。根據統計的裂縫信息，計算每個試件的裂縫名義總面積Acr，然后計算裂縫降低系數η：

(4)

(5)

表4 試驗方案

式中需作比較的砂漿試件記為Afcr，基準試件記為Amcr。

1.3 試驗方案

用水量、細集料用量及粗細程度、水泥等級、水泥用量及細度和外部環境等都會對混凝土早期開裂造成一定的影響，因此本文主要通過水泥砂漿早期開裂試驗研究水灰比、砂率、細度模數、不同種類和網格尺寸的纖維網格布對混凝土早期開裂性能的影響。首先研究不同水灰比、灰砂比、細度模數的素水泥砂漿，之后對纖維網格布表層強化水泥砂漿的早期開裂性能進行對比。試驗配合比采用絕對體積法得到，水泥用量固定為320 kg/m3，試驗方案如表4所示，每組包括3個試件，取平均值作為試驗結果。

2 試驗結果與分析

2.1 素水泥砂漿早期開裂試驗

2.1.1 水灰比對水泥砂漿早期開裂性能影響

不同水灰比的水泥砂漿平板開裂試驗結果如圖4所示。由圖4可以看出，隨著水灰比的不斷增大，4種開裂參數均呈現先減小后增大的趨勢，說明隨著水灰比的不斷增長，水泥砂漿的早期抗開裂性能呈現出先增大后減小的趨勢，在所研究的范圍內，當水灰比為0.43時早期抗開裂性能最好，相對于水灰比為0.50時，其最大裂縫寬度減少了40%，單位面積總開裂面積減少了38.5%，裂縫總長度降低了27.3%，若以水灰比為0.5的水泥砂漿作為基準砂漿組，當水灰比為0.43時，裂縫降低系數可達27.7%。

圖4 裂縫評價參數(不同水灰比)Fig.4 Crack evaluation parameters (different water cement ratio)

水泥漿體包括液相和固相兩部分，水化反應會導致液相減小，減小的部分由固相填充，是一個逐漸密實的過程。水灰比越小，需固相填充的地方越少，說明混凝土更加密實。低水灰比可以很大程度地提高混凝土強度，但會對混凝土收縮性能造成較大影響。影響道面混凝土早期開裂的收縮主要是自收縮、塑性收縮和干燥收縮。當水灰比較低時，自收縮起主導作用。Tazawa等[23]的研究結果表明，隨著水灰比的減小，自收縮值占總收縮值的比例不斷增大，當水灰比為0.40、0.30和0.19時，自收縮所占比例分別為25%、35%和75%。因此，當水灰比小于某個臨界值時，水灰比越低，自收縮越大，而開裂程度越明顯。依據本次試驗結果，水灰比臨界值為0.43，幾乎接近Powers[24]確定的臨界值0.42。當水灰比超過該臨界值時，隨著水灰比的不斷增大，水泥砂漿的含水量增大，在外部高溫干燥環境作用下，其塑性收縮值和干燥收縮值增大，從而開裂程度更加明顯。

2.1.2 灰砂比對水泥砂漿早期開裂性能影響

不同灰砂比的水泥砂漿平板開裂試驗結果如圖5所示。由圖5可以看出，隨著灰砂比的減小，最大裂縫寬度逐漸增大，單位面積總開裂面積逐漸減小，裂縫總長度規律不夠明顯，總裂縫數呈現先增大后減少的趨勢。雖然不同參數表現出的開裂性能規律不一樣，但因評價其開裂性能的主要參數為單位面積總開裂面積，因此可以認為，在所研究的范圍內，隨著灰砂比的不斷減小，水泥砂漿早期抗開裂性能不斷增強。以第6組水泥砂漿為基準砂漿，當灰砂比為0.47時，其裂縫降低系數可達13.8%，這與馬一平等[25]開展的結構工程水泥砂漿塑性干縮開裂試驗結果一致。其試驗結果表明：當灰砂比從1∶1減小到1∶3時，水泥砂漿塑性開裂總權值不斷減小，以1∶1灰砂比為基準，當灰砂比為1∶2和1∶3時，塑性開裂總權值可減少50%和90%。

圖5 裂縫評價參數(不同灰砂比)Fig.5 Crack evaluation parameters (different cement sand ratio)

因此，工程中可通過適當增加砂的含量來提高水泥砂漿的早期抗開裂性能。砂對水泥砂漿早期抗開裂性能的影響主要包括兩方面，一方面一定程度增加砂的含量有助于增強水泥砂漿的泌水性，另一方面增加砂的比例意味著水泥所占比例減少，因此早期水化反應消耗的水量也相應地減少，從而減小了收縮應力。但是灰砂比不宜過小，因為砂的含量過多，會減小水泥砂漿的和易性，致使其早期抗拉強度降低，不利于早期抗開裂。

2.1.3 細度模數對水泥砂漿早期開裂性能影響

不同細度模數的水泥砂漿平板開裂試驗結果如圖6所示。由圖6可以看出，隨著細度模數逐漸增大，最大裂縫寬度、單位面積總開裂面積及裂縫總長度均逐漸減小，總裂縫數逐漸增大。在所研究的范圍內，當細度模數為3.4時，水泥砂漿早期抗開裂性能最好。以第10組水泥砂漿作為基準砂漿，當細度模數為3.4時，裂縫降低系數為15.8%。本文認為細度模數主要影響砂的比表面積，從而影響水泥砂漿早期開裂性能，細度模數增大，比表面積減小，一方面會使砂表面的吸附水減小，一定程度增加了砂漿可蒸發的水量，從而減緩水泥砂漿早期開裂，這與馬一平等[25]所得結論一致。另一方面，采用平板式限制收縮法進行試驗，是考慮比表面積減小會使水泥砂漿之間的黏聚力減小，從而導致開裂程度增加。因此，相對于細砂和粗砂，中砂早期開裂程度更加明顯。

圖6 裂縫評價參數(不同細度模數)Fig.6 Crack evaluation parameters (different fineness modulus)

2.2 纖維網格布表層強化水泥砂漿早期開裂試驗

2.2.1 纖維網格布種類的影響

表5 不同種類纖維網格布裂縫評價參數

不同種類纖維網格布強化水泥砂漿平板開裂試驗結果如表5所示。由表5可以看出，相對于對照組，纖維網格布表層強化水泥砂漿的最大裂縫寬度、單位面積總開裂面積和裂縫總長度都有了較大程度的降低，以玄武巖纖維網格布表層強化水泥砂漿組為例，其裂縫降低系數為92.9%。事實上，纖維網格布對水泥砂漿抗裂效果的增強實際效果要比試驗效果更好，這是因為為了使存在一定傾斜變形的玄武巖纖維網格布能夠順利鋪入水泥砂漿中，試驗中將纖維網格布大小統一定為590 mm×590 mm，而對于經纖維網格布強化后的水泥砂漿，其大部分裂縫都在試件邊角，在試件中心區域裂縫很少?？梢钥闯?，纖維網格布極大提高了水泥砂漿早期抗開裂性能；3種纖維網格布中，玄武巖纖維網格布提升效果最好，芳綸纖維網格布次之，最后是碳纖維網格布。

纖維網格布對水泥砂漿早期抗開裂性能的增強機理可用復合力學理論來解釋。纖維網格布以耐堿纖維網格布為主，采用中無堿纖維砂，主要成分是鋁硼硅酸鹽，其化學性質穩定。中無堿纖維砂是由高溫熔制成連續的纖維絲再紡織成網狀形成的。纖維網格布由多種不同化學特性的成分熔制而成，成網狀結構，且表面并不光滑連續，水泥砂漿可以充分地流入并包裹住纖維網格布，待到水泥砂漿硬化后形成一個整體，纖維網格布與水泥砂漿之間的拉伸黏結力和摩擦力大大增大，同時，在黏結面的空氣大大減少，從而提高了拉伸黏結力，增強了水泥砂漿的早期抗開裂性能。

首先，由于纖維網格布與水泥砂漿間的摩擦力增大，它們之間的界面性能發生改變，抗裂性能、抗沖擊性能得到提升，進而提高了承載能力。其次，纖維網格布在水泥砂漿中均勻分布，減少了收縮現象，推遲了微裂縫現象出現的時間，從而防止了開裂。這是因為一方面，通常在砂漿中的纖維網格布分布在各個點所受到的力是平均的，從而提高了抵抗外力的連續性，增強了表層的強度。另一方面，水泥砂漿屬于脆性材料，而纖維網格布有一定的韌性，其與水泥砂漿相結合，會使脆性的水泥砂漿在受到彎力時具有一定的延展性。試驗中在早期開裂的試件底部鋪設了兩層聚乙烯薄膜，水分無法從底部蒸發，因此裂縫主要產生在試模表面。纖維網格布可看作表層水泥砂漿的結構鋼筋，分散并承擔了一定的外部約束，使水泥砂漿產生拉應力。研究結果表明，纖維網格布拉伸強度遠大于水泥砂漿早期能夠產生的拉應力，因此當約束使水泥砂漿內部產生的拉應力值在一定范圍時，纖維網格布表層強化區域幾乎沒有裂縫；但當產生的拉應力超過一定值時，仍會產生開裂現象。與通過添加外加劑等提升抗開裂性能效果不同，纖維網格布存在網格區域，在單獨網格區域中，其包含的水泥砂漿相當于沒有進行強化的水泥砂漿，該區域是否產生開裂與網格尺寸有較大的關系。

2.2.2 纖維網格布網格尺寸的影響

不同網格尺寸的纖維網格布強化水泥砂漿平板開裂試驗結果如表6所示。由表6可以看出，相對于對照組，3種尺寸的玄武巖纖維網格布表層強化砂漿早期抗開裂性能得到了極大的提升；不同尺寸的纖維網格布表層的強化效果不同，網格尺寸越小，其提升效果越明顯。以3 mm×3 mm玄武巖纖維網格布強化水泥砂漿組為例，相對于對照組，最大裂縫寬度、單位面積總開裂面積和裂縫總長度分別減少了87.4%，94.7%和74.6%，裂縫降低系數為94.7%；相對于10 mm×10 mm玄武巖纖維網格布表層強化水泥砂漿組，其最大裂縫寬度、單位面積總開裂面積和裂縫總長度分別減少了53.8%、54.9%和45.7%。由此可見，網格尺寸對纖維網格布強化水泥砂漿早期抗開裂性能有較大的影響，3 mm×3 mm玄武巖纖維網格布對水泥砂漿早期抗開裂性能增強效果最好，但考慮5 mm×5 mm和10 mm×10 mm兩種纖維網格布較為常用，生產較多，為了降低成本并取得較好的抗開裂效果，推薦使用5 mm×5 mm的玄武巖纖維網格布進行混凝土早期抗開裂性能的增強。分析其原因，可能主要是網格尺寸越小，單獨網格所包含的水泥砂漿面積越小，從而纖維網格布能夠分擔更多的約束拉應力，因此試件的開裂程度更小。隨著纖維網格布網格數量的增加，纖維網格布與水泥砂漿之間的摩擦力更大，它們之間的拉伸黏結力也越大，力學性能得到提升。纖維網格布是一種復合材料，根據復合材料的基本理論，網格尺寸越小，采用的纖維含量越高，因此提高了復合材料的性能及抗開裂能力。隨著網格尺寸的減小，纖維網格布的韌性能夠更好地抑制水泥砂漿的開裂，并在一定程度上阻止了裂縫的拓展；同時，增強了纖維網格布表層的強度和彎曲韌性，很好地抵抗了外界拉力。

表6 不同網格尺寸裂縫評價參數

3 結 論

a.水灰比對水泥砂漿早期開裂性能有很大的影響，其主要通過影響自收縮和塑性收縮兩者所占比重來影響水泥砂漿早期開裂性能，當水灰比為0.43時，水泥砂漿早期抗開裂性能最好。

b.灰砂比對水泥砂漿早期開裂性能有較大的影響，其主要通過影響水泥砂漿泌水性和水化反應的耗水量來影響水泥砂漿早期開裂性能，當灰砂比為0.47(對于混凝土砂率為34%)，水泥砂漿早期抗開裂性能最好。

c.細度模數對水泥砂漿早期開裂性能有一定的影響，其主要通過影響比表面積來影響水泥砂漿早期開裂性能，當細度模數為3.4時，水泥砂漿早期抗開裂效果最好。

d.纖維網格布表層強化極大地提升了水泥砂漿早期抗開裂性能，不同纖維網格布提升效果不同，玄武巖纖維網格布效果最好；不同網格尺寸，提升效果不同，當網格尺寸為3 mm×3 mm時，其早期抗開裂性能最好。