纤维对混凝土早期抗裂性能的影响
发布时间：2020-09-21
摘要：混凝土综合性能会直接影响到工程建筑的施工质量，尤其是混凝土抗裂能力，在一定程度上可以促进工程项目的顺利完工与后期应用效果。因此，文章以混凝土抗裂能力为切入点，重点研究纤维对混凝土抗裂性能的影响，首先阐述了实验材料与方式，其次从多方面对混凝土试件开展性能实验，最后针对实验结果进行分析。实验结果表明：在混凝土中掺入纤维可以科学提升早期抗裂性能，希望对相关研究人员提供参考与借鉴。
关键词：纤维;混凝土;抗裂性能;实验
前言：混凝土属于脆性材料，其最大缺点是抗拉强度低，受拉变形能力小，近年来随着外加剂、掺合料在混凝土材料中的加入，混凝土裂缝出现的时间也大大提前。早期可见和不可见裂缝在混凝土内部造成损伤,是混凝土后期各种有害介质传递的通道，这些裂缝不但影响建筑物的美观及正常使用，甚至严重影响到建筑物的安全性和耐久性。根据研究表明,通过在混凝土中掺入纤维,可以显著提高混凝土早期抗拉强度,有效防止早期裂缝的出现。因此，文章针对混凝土掺入纤维的实验进行综合分析，明确混凝土的早期抗裂性能，对促进混凝土的应用质量具有重要意义。
一、实验材料及方法
本实验的原材料为河砂、普通硅酸盐水泥、破碎石灰石、钢纤维、玄武岩纤维以及C40混凝土等。基本力学性能实验参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2019)，混凝土抗裂性能实验参照Kraai等提出的平板试验方法，试件尺寸为600mm×1000mm×50mm。
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在制定混凝土试件时，为保证纤维分布的均匀性，首先要将石块、河砂以及水泥搅拌均匀，搅拌时间较普通混凝土延长2min，随后将新搅拌混凝土注入模板中，选择连续调节风机对试件表面进行烘干，保证试件中心线的风速大于5m/s，当混凝土试件产生第一条裂缝时开始计时，并且对裂缝宽度及变化程度进行准确记录，以此来计算出试件的裂缝面积。
二、实验过程
(一)开裂荷载实验
首先针对混凝土试件进行开裂荷载实验，随着外部荷载力的不断增加，混凝土试件的开裂条数也会增加，当外部应力数值达到临界点时，混凝土内部结构的稳定性便会崩溃，进而产生混凝土裂缝，并且在荷载力增加的过程中，混凝土裂缝的宽度与面积也会不断增加。将纤维掺入到混凝土试件中，可以在内部形成一定的网状结构，可以在一定程度上分解外在拉应力。例如当纤维长度为12mm时，混凝土试件的抗剪开裂荷载提升8.14%;当纤维长度为30mm时，混凝土试件的抗剪开裂荷载与抗弯开裂荷载分别提升7.79%与17.67%，这也说明在随着纤维掺入量的提升，混凝土试件的力学性能可以得到强化。
(二)裂缝拓展实验
由于混凝土在应用过程中容易受到外在力的影响，而在混凝土中掺入纤维，就是为科学抑制混凝土裂缝的产生与发展。因此还要针对混凝土裂缝的拓展问题进行实验，本研究中分别采用钢纤维与玄武岩纤维对混凝土进行掺加处理，当掺入玄武岩纤维时，可以提升混凝土的开裂荷载，采用纤维重新强化裂缝两端的抗拉能力。
(三)破坏形态实验
最后针对混凝土试件进行破坏形态实验，由于玄武岩纤维的掺入可以强化混凝土的受剪开裂荷载，并且随着掺入量的增加，开裂荷载也会随之增加，当混凝土受到破坏时，普通混凝土会产生一条较宽的裂缝，而玄武岩纤维混凝土除有一条连接支座和加载点的主裂缝外，与其平行还有多条不同程度开展的斜裂缝，且只有混凝土表皮轻微的爆裂声，整个破坏过程表现出很好的应用效果。
三、实验结果及分析
(一)纤维对混凝土力学性能的影响
在实验过程中，随着时间的不断推移，混凝土试件的抗折强度、抗压强度都会随着纤维的掺入量产生变化，并且在纤维因素的强化下，混凝土试件的力学强度最高可以增幅20%左右，如图1所示(其中纤维后数据表示纤维掺入量单位为kg/m3)。起初抗折强度与抗压强度会随着纤维量的增加而提升，但是当纤维掺入量达到临界点时，混凝土试件的抗折强度与抗压强度也会呈现出下降趋势。因此可以判定，在纤维掺入量的变化过程中，混凝土试件的力学性能不是始终得到强化。此外，钢纤维与玄武岩纤维掺入后，混凝土试件的抗折强度与抗压强度较单一纤维混凝土略有降低，其原因为纤维的比表面较大，当混凝土试件中的纤维含量达到一定数值后，继续填入纤维不仅不会强化试件的力学性能，还会形成一定的反效果，从而导致混凝土试件产生气孔与微裂缝。
(二)纤维对混凝土抗裂性能的影响
本实验在开展过程中分别对混凝土试件的首条裂缝时间、最大宽度、总面积以及各类系数进行记录，如表1所示。其中裂缝表面能够直接看出混凝土试件的应用效果，当钢纤维的掺入量为80kg/m3时。试件裂缝降低系数为90.1%左右，当试件中玄武岩纤维的掺入量为2kg/m3时，混凝土试件的最大裂缝宽度为0.1mm。同时裂缝降低系数为97%，能够看出玄武岩纤维比钢纤维具有更好的应用效果。由于玄武岩纤维具有数量多、细度高等优点，因此在掺入混凝土试件时可以快速抑制试件的开裂系数，使裂缝数量与宽度得到有效缓解。此外，玄武岩纤维的阻裂性能等级为一级，这样也可以强化混凝土的实用耐久性。
(三)纤维对混凝土早期抗裂机理分析
混凝土的塑性收缩裂缝主要产生在混凝土硬化前，也就是混凝土浇筑作业完毕后的4h至5h之间，该阶段中混凝土的水分会大量蒸发，如果泌水速度低于蒸发速度，那么混凝土表面就会产生相应的拉张力，同时对混凝土的内部结构稳定性造成破坏，当拉张力大于混凝土内部结构应力时，便会从内到外产生混凝土裂缝。而将纤维掺入到混凝土试件时，可以科学强化混凝土试件的早期抗裂机理，也就是阻止混凝土早期裂缝的发生与发展，当混凝土产生早期裂缝时，纤维可以跨越裂缝，起到传递荷载的作用，这样当外部张拉力较低时，可以对内部结构起到一定的强化作用，制约裂缝的拓展速度。因此，想要科学避免或减轻混凝土裂缝问题，便要从混凝土的收缩应力入手，而掺入纤维因素可以形成二次微加筋系统，以此对混凝土的结构韧性进行强化，尤其是在纤维数量不断增加时，比表面也会随之变大，促使混凝土内部产生均匀的支撑体系，进而强化混凝土的抗裂性能。
结论：综上所述，混凝土作为工程建筑的核心应用材料，针对其质量进行强化，可以对施工质量作出保证。文章通过对纤维在混凝土中的应用价值进行实验分析，以此来强化混凝土的早期抗裂性能，从而科学强化工程项目的施工质量与效率。首先阐述了实验材料与方式，其次从多方面对混凝土试件开展性能实验，最后针对实验结果进行分析。实验结果表明：(1)在混凝土试件中掺入纤维后，其力学强度可以达到20%的增幅，可以强化混凝土试件的内部结构;(2)通过在混凝土试件中掺入纤维，可以使最大裂缝宽度减小。在混凝土中掺入纤维可以科学提升早期抗裂性能。——论文作者：王川玲
