聚丙烯纤维和膨胀剂对水泥砂浆塑性收缩开裂性能的影响

自从有水泥混凝土以来，裂缝问题一直未曾彻底解决，现已成为人们十分关注的热点。我国解决混凝土裂缝问题的基本技术路线主要有两条：一是添加膨胀剂配制成膨胀混凝土，二是添加合成纤维配制成合成纤维混凝土。许多应用膨胀剂混凝土的工程较成功地解决了混凝土的开裂问题，但有一些工程并未成功解决，主要是因为膨胀剂混凝土有一定的应用范围和使用条件，并且需要较为严格的养护措施，否则不仅不能防裂，反而有可能使混凝土出现裂缝。对于第二种方法，其研究和工程实践都相对滞后，但近几年发展迅速，在工程中的应用越来越多，有许多成功的实例，当然，也有人对它的阻裂作用提出了质疑。

目前，国际上基本一致的认识是纤维混凝土是提高混凝土抗裂性和韧性的有效方法，尤其是聚丙烯纤维在解决混凝土早期塑性开裂、减少混凝土干燥收缩变形方面具有十分独特的作用。每立方混凝土中乱向分布有数千万根聚丙烯纤维，形成三维有力的空间支撑体系，改善了混凝土的内在品质，使混凝土的抗渗性、抗裂性、韧性、抗冲击、抗疲劳、抗冲磨性等性能得到显著提高，延长了结构的使用寿命。

本文运用美国ACI－544大板法，研究了不同掺量、不同长度聚丙烯纤维及膨胀剂对水泥砂浆塑性收缩开裂性能的影响。

2.1  原材料

（1）水泥：普通硅酸盐水泥；

（2）外加剂：凝高效减水剂；

（3）膨胀剂：UEA－I型膨胀剂；

（4）细集料：中粗河砂，细度模数2.85；

（5）纤维：束状聚丙烯单丝纤维，长度分别为19mm、12mm；

（6）水：自来水。

2.2  实验方法

大板法

由ACI－544推荐的大板法所用试模的尺寸为：长×宽×厚＝914mm×610mm×19mm

水泥砂浆塑性收缩裂缝试验过程如下：用手工拌和水泥、砂、纤维以及水约3min，使各成分均匀，将拌和料浇注到平放的木模之中，刮平试件表面后，用位于试模边150mm的电风扇以4.5m/s左右的风速吹向试模，同时开启位于试模上方1.5m处的1000W碘钨灯。试验前，事先在试模底部铺设塑料薄膜，以减少底模对试件收缩变形的影响；内框周边围以874mm×570mm直径8mm圆钢框，钢筋与模板周边距离为20mm，钢筋焊接处用细钢丝做成约6mm的撑脚，以避免钢筋与模底接触。由于水泥与钢筋粘结良好，砂浆收缩受到钢筋限制，在产生收缩时试块周边的移动减至最小，因此裂纹只在钢筋架范围内产生约束力。

在水泥终凝前观察裂纹的产生。光照4h后关掉碘钨灯，风吹24h后关闭电风扇。试验采用Kraai关于计算开裂指数的方法，把裂缝宽度分为4级，分别有对应的代表值。采用读数显微镜测量裂缝宽度，并按裂缝宽度分段测量裂缝长度Li，以列出的裂缝宽度权值Ai，按式（1）计算塑性干缩开裂总权重值W：

                                              W＝ΣAi·Li（1）

W反映了裂缝的总权重值，以mm2计。

试验测得的砂浆（1d）塑性干缩开裂总权重值W。纤维砂浆的试件表面的塑性收缩裂缝分布广而微细，而素砂浆的裂缝比较宽，而且较长，说明纤维砂浆的抗裂性能有了明显的改善。

3.1　纤维体积掺量的影响

可以发现，纤维体积掺量为0.05％时，与素砂浆（S0）相比，其裂缝减少分别达到33.49％（纤维长度19mm）和30.35％（纤维长度12mm）；纤维体积含量为0.15％时，其裂缝减少分别达到76.18％（纤维长度19mm）和70.86％（纤维长度12mm）；随着纤维掺量的增加，开裂指数大幅度下降，其裂缝的趋势是由宽到窄，由大到小，即大裂缝逐渐减少，小裂缝逐渐增多。可见聚丙烯纤维在低含量的范围内可有效地控制砂浆塑性裂缝的产生，降低裂缝的宽度。这主要是因为纤维在砂浆中呈三维乱向分布，当砂浆中一旦有裂缝产生时，纤维与裂缝的前端相交，可以削弱甚至消除裂缝引起的拉应力，使裂缝的发展得到有效的控制。

3.2　纤维长度的影响

对比不难看出长纤维（19mm）控制砂浆塑性裂缝的效果比短纤维（12mm）稍好一些，但权重值对比百分比相差都在7％以下。这是由于纤维长度的增加提高了纤维与水泥砂浆基体的粘结力，因此增强了水泥砂浆的塑性抗裂能力。

3.3　膨胀剂的影响

膨胀剂的加入，在低纤维掺量（0.05％）时，其控制砂浆塑性裂缝的效果较高纤维掺量（0.15％）大。对比可以看出，在低纤维掺量（0.05％）时，膨胀剂的加入，砂浆塑性裂缝减少约25％～30％；在高纤维掺量（0.15％）时，膨胀剂的加入，砂浆塑性裂缝仅减少约5％～10％。膨胀剂的阻裂作用是膨胀剂与水泥通过化学反应生成膨胀性的钙矾石晶体，以膨胀受约束而产生的压应力抵消了部分因干缩而产生的拉应力。从上面的试验也可以看出，纤维含量对控制砂浆塑性裂缝的影响大于膨胀剂的影响。

3.4　纤维和膨胀剂的共同影响

在以上试验中，同时掺入了聚丙烯纤维和膨胀剂，聚丙烯纤维和膨胀剂的正叠加效应对水泥砂浆的抗裂作用更有效。

（1）聚丙烯纤维可以明显改善水泥砂浆的抗裂性能，且纤维掺量越大，阻裂效果越好。

（2）长纤维（19mm）比短纤维（12mm）对水泥砂浆的阻裂作用有效一些。

（3）聚丙烯纤维和膨胀剂一起掺入水泥砂浆，在合适的条件下，其叠加效果更加好。