聚丙烯纤维对混凝土塑性沉降的影响何化南，杨碧成，杜彦成 (大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室， 辽宁 大连 116023) 摘 要：聚丙烯纤维掺入混凝土后能够有效地抑制早期塑性裂缝，但对混凝土的塑性沉降裂缝的影响还未深入探究。为研究聚丙烯纤维对混凝土早期塑性沉降裂缝的影响，通过对纤维混凝土的早期塑性不均匀沉降试验，考察不同纤维掺量下，距钢筋不同位置各点的混凝土塑性沉降的特性，从而探究纤维对混凝土早期塑性沉降裂缝的影响。试验结果表明：混凝土的塑性沉降发展很快，试验开始后大约70 min便会稳定下来，纤维的掺入并未很好地抑制混凝土的塑性沉降，反而加速了混凝土的塑性沉降速度以及加大了塑性沉降量，且钢筋处的塑性沉降差也增大了，恶化了混凝土的早期塑性沉降裂缝。 关键词：纤维混凝土；塑性沉降；裂缝；激光位移传感器；固结理论 新浇筑好的混凝土在自重作用下，会产生泌水塑性沉降现象[1]，在工程中，当混凝土界面存在高度差，或混凝土内部钢筋的存在，极易致使沉降速度不一致，导致不均匀沉降，造成开裂形成了塑性沉降裂缝[2-3]。而该裂缝为外部腐蚀性介质提供了通道，加速了钢筋的腐蚀，恶化了结构的耐久性[4-6]。 混凝土的早期塑性裂缝主要是由水分的蒸发和塑性沉降共同作用产生的[7]，以往在混凝土的早期塑性裂缝的研究中，研究人员多采用在混凝土内部掺加纤维来解决混凝土的早期塑性开裂[8-10]，且以往学者仅研究纤维对塑性收缩裂缝的影响，未单独全面研究纤维对塑性沉降的影响，但塑性沉降裂缝也是混凝土早期塑性裂缝的重要组成部分，例如，韩国有40%的塑性裂缝是塑性沉降裂缝[11]。另外，针对纤维是如何影响混凝土的塑性沉降这个问题，有学者认为，纤维能够有效地阻碍骨料的不均匀沉降[12]，但并未进行试验进行科学的论证。Qi C等[10]通过试验发现，纤维掺入混凝土后能够有效地抑制混凝土的塑性沉降，但该试验并未排除由于水分蒸发引起的塑性收缩对塑性沉降的影响这一因素。因此，本文借鉴Kwak H G等[1]对混凝土塑性沉降的测试方法，通过在新浇筑的混凝土表面覆盖一层润滑油，剔除了由于水分蒸发产生的干燥收缩对塑性沉降产生的影响，且因自收缩大多发生在初凝之后[13]，而本试验在初凝之前已几乎结束，因而本试验也不受自收缩的影响。故本试验在排除其他因素对塑性沉降的影响下，能够较为科学地探究纤维对塑性沉降的影响，为进一步研究提供一定的参考。 本试验采用工程中常用的聚丙烯纤维为试验用纤维，利用激光位移传感器详细研究了纤维掺入混凝土后对混凝土的早期塑性不均匀沉降的影响，进而判断纤维对混凝土的早期塑性沉降裂缝的作用效果。 1 试验概况1.1 材料性能 原材料：42.5R大连小野田水泥；碎石5 mm～10 mm；中砂；常州市天怡工程纤维有限公司生产的聚丙烯纤维，纤维参数如表1所示。 表1 纤维参数  纤维长度/mm纤维直径/μm弹性模量/GPa抗拉强度/MPa18206.5630 1.2 试验分组 为详细研究纤维掺量对混凝土不均匀沉降的影响，设计了5组试验，且每组均试验两遍。详细分组如表2所示。 表2 试验分组  组编号纤维掺量/(kg·m-3)不同材料用量/(kg·m-3)水泥砂石水C-00.04465931102263C-0.30.34465931102263C-0.60.64465931102263C-0.90.94465931102263C-1.21.24465931102263 1.3 试验方法 因混凝土的塑性沉降发生在混凝土的塑性状态，即当时混凝土处于一种流动或半流动状态，无法采用传统的接触式位移计，故本实验采用Panasonic公司生产的HG-C1030型号高精度非接触激光位移传感器测量位移，其详细参数如表3所示。同时，为能够记录混凝土塑性沉降全过程曲线，采用数据采集系统IMC读取数据并记录在计算机中。 表3 激光位移传感器详细参数  型号测量中心距离/mm测量范围/mm精度/μm光束直径μm反应时间/msHG-C103030±510501.5 试验装置以及混凝土试件示意图分别如图1、图2所示，激光位移测试架放置在一个稳固的基座上，防止外界扰动影响。被测试的试件放置在测试架的底板上，该试件为刚浇筑好的新拌混凝土，尺寸为300 mm×150 mm×150 mm，且在试件中间放置一根Φ16的带肋钢筋，距混凝土表面25 mm，用于阻碍混凝土的自由沉降，形成不均匀沉降，并在混凝土表面铺放3 mm厚的工业润滑油以封闭混凝土表面，防止水分的蒸发而引起毛细管负压的变化，因为毛细管负压也会引起混凝土塑性收缩，干扰了混凝土的早期塑性沉降测试。测试架上安置了6个激光位移传感器，以测试混凝土表面的沉降量。其中1号测试点测试的是钢筋处的混凝土表面沉降位移，2号、3号、4号、5号测试点分别测试的是距离钢筋30 mm、60 mm、90 mm、120 mm处的混凝土表面沉降位移。然而，由于混凝土上方铺设了一层润滑油，激光无法在混凝土表面形成较好的反射，难以精确地测量位移变化，为此，把6 mm×6 mm×6 mm大小的橡皮方块放置到混凝土表面作为激光反射点，高出了3 mm厚的油层，通过测试橡皮方块的沉降来表示该处混凝土表面的沉降。另外，为使橡皮更好地反射激光，在激光反射面贴上铝箔纸，且橡皮加上铝箔纸的重量为0.5 g，对混凝土的塑性沉降影响可以忽略不计。  图1 试验装置图 纤维混凝土在搅拌过程中，为了使纤维更好地分散在混凝土中，采用如下搅拌工艺：先加入沙子，石子和少量的水，搅拌均匀后，加入纤维，搅拌至纤维较好分散在骨料中，最后把水泥和剩下的水一起倒入搅拌桶中，搅拌充分至均匀。把搅拌好的混凝土浇筑在准备好的模具中，模具中间放置一根Φ16的带肋钢筋。待新拌混凝土浇筑振捣完毕后，并使混凝土的表面距模具的上沿5 mm,立即把试件搬至激光位移测试架底板上，并在混凝土表面放3 mm厚的润滑油，待润滑油铺满混凝土的表面时，马上打开激光传感器测试位移变化。混凝土振捣完毕到开始试验经历在3 min内，时间较短，故对塑性沉降的影响可以忽略不计。试验开始到沉降稳定大约为70 min左右，为保证试验数据的可靠性，整个试验进行至120 min达到初凝后试验完毕。试验在无风恒温的室内环境进行以保证不受外界干扰。  图2 混凝土试件示意图 2 试验结果与分析2.1 固结理论 固结理论起先广泛应用在土体领域中，即土体在外界荷载作用下，产生超静孔隙水压力，导致孔隙中的水缓慢排出，进而造成土体压缩，产生沉降，随着超静孔隙水压力的消散直至完全消失，孔隙中水的排出也趋于结束，土体的压缩和沉降也趋于稳定[14]。Powers T C[15]率先把固结理论应用到混凝土领域，随后很多学者把固结理论应用到混凝土领域中[16-18]，由于新拌混凝土在装模、振捣后呈现出流动状态，与饱和土具有相近的物理特性，含水率高，塑性指数较大，具有较高的压缩性，在自重的作用下，混凝土中的固体颗粒趋于紧密和下沉，引起混凝土中自由水的向上排出，且自由水向上排出有两种途径[19-20]，均匀排出以及通过孔隙通道向上排出，同样混凝土在自重作用下，孔隙中水产生了超静孔隙水压力，导致孔隙中水的排出。随着自重作用下混凝土固体颗粒越来越紧密以及超静孔隙水压力的慢慢消散，颗粒周围的自由水以及孔隙中的水的排出也趋于结束，混凝土早期的塑性沉降也趋于稳定。 2.2 试验结果与分析 2.2.1 各组试验结果 对各组中的各个激光点位的最终沉降量的平均值进行了详细列表，如表4所示，其中各个点处的沉降对应着图1中的激光测试点处的沉降，负数表示向下发生位移变化，即沉降位移。 表4 各组中各点的最终沉降量  组编号不同点沉降量/μm1号点2号点3号点4号点5号点C-0-69.6-894.5-1253.4-1295.5-1217.7C-0.3-130.6-956.5-1209.8-1294.0-1195.8C-0.6-42.7-1005.0-1346.5-1434.7-1393.5C-0.9-34.4-992.4-1391.4-1537.6-1440.8C-1.2-127.6-838.4-1293.4-1359.6-1278.5 由表4中可以发现，各组数据中沉降最大点均为4号点(距钢筋处90 mm)，而最小沉降点为1号点(钢筋处)。最大的沉降点与最小的沉降点形成了较大的沉降差，而较大的沉降差易在混凝土中产生拉应力而引起裂缝，分析可知，由于混凝土内部钢筋的存在，极易形成塑性沉降裂缝。 2.2.2 素混凝土塑性沉降结果与分析 因篇幅有限，且纤维混凝土的塑性沉降过程与素混凝土的较为一致，故只列出素混凝土各点的塑性沉降过程曲线图以及沉降结果示例图，如图3及图4所示。  图3 素混凝土各点的沉降过程曲线  图4 素混凝土沉降结果示意图 从图中3可以发现，混凝土的塑性沉降发展过程较快，时间约为70 min，主要由于此时的混凝土处于塑性状态，在自重作用下，混凝土中的自由水以及孔隙水出现了超静水压力，并在超静水压力的作用下随之快速排出，即混凝土发生了泌水，产生了塑性沉降。但70 min后便会稳定下来，因自重作用下混凝土固体颗粒越来越紧密以及超静孔隙水压力的慢慢消散，颗粒周围的自由水以及孔隙中的水的排出也趋于结束，混凝土早期的塑性沉降也趋于稳定，不再发生沉降，试验进行到120 min亦不再沉降，而此时混凝土发生了初凝硬化，产生了强度，终止了混凝土的塑性沉降。 从图3以及图4中可以看出，混凝土沉降曲线关于钢筋对称，其中1号点(钢筋处)的沉降最小，沉降量为69.6 μm，随着距离钢筋越远，混凝土的沉降越大，而最大沉降为4号点，距钢筋9 cm处，沉降量为1 295.5 μm。1号点与4号点之间过大的沉降差在钢筋上方的混凝土内部产生较大的拉应力，极易使钢筋上的混凝土处产生塑性沉降裂缝，且试验结果亦出现较大的裂缝。由于1号点为钢筋处，塑性沉降裂缝会加速了钢筋的锈蚀，严重影响了结构的耐久性。 2.2.3 纤维掺量对纤维混凝土塑性沉降的影响 图5中我们可以看出：通过比较不同纤维掺量下最大沉降(4号点的沉降)之间的对比发现，纤维掺量从0.0 kg/m3增加到0.3 kg/m3时，其沉降量几乎没有变化，因纤维掺入量过少，故对混凝土的沉降并未产生太大的影响，但最大沉降差(1号点与4号点之间的沉降差)却出现了降低，可能是因为1号点的沉降量过小，容易产生误差，致使最大沉降差出现了降低。但当纤维掺量超过0.3 kg/m3增加到0.9 kg/m3(工程中常用掺量)时，却加大了混凝土的最大沉降以及最大沉降差，恶化了混凝土的塑性沉降裂缝。当纤维掺量增加到1.2 kg/m3时，其塑性沉降量和沉降差均出现回落，但亦大于素混凝土。通过上面两项重要指标的分析发现，纤维掺量的增加到正常掺量时不仅没有较好地抑制混凝土的塑性沉降，反而加重了混凝土的塑性沉降以及不均匀沉降。  图5 不同纤维掺量下最大沉降以及最大沉降差的变化 混凝土的早期塑性沉降是由于自由水以及孔隙中的水排出导致的，随着较多的纤维掺入混凝土后，均匀地乱向分布在混凝土中，能够有效地连通孔隙以及连通混凝土内部和外界，起到良好的输水通道作用，加速了孔隙中水向外排出以及加大了排出量，故加大了混凝土的塑性沉降以及不均匀沉降。董祥等[21]通过试验发现，聚丙烯纤维以及钢纤维与水泥基体均存在一定的间隙，并未紧密贴合在一起。根据Maso对集料和水泥基界面的假说[22]，混凝土经浇筑振捣之后，集料，纤维表面会形成一层水膜，而聚丙烯纤维为非极性材料，表面憎水，与水泥基界面形成一层较厚的水膜。且本试验的塑性沉降发生在混凝土的初凝之前，水泥中的化合物还未充分进入到水膜层中发生水化反应，因而混凝土中水分能够在纤维界面形成的水膜层中较好地流动，故纤维能够较好地提供输水通道作用，进而纤维掺入混凝土后反而加重了混凝土的塑性沉降。 3 结 论综上可以发现，纤维并未较好地抑制混凝土的塑性沉降，是因为该纤维较细，在长度方向几乎没有刚度，其在混凝土的乱向分布是无法起到阻碍骨料不均匀沉降作用，反而是起到提供输水通道作用，加快了内部水分的排出，加大了混凝土的塑性沉降以及沉降差，加重了混凝土的塑性沉降裂缝。 (1) 新浇筑好的混凝土在自重作用下，其内部自由水以及孔隙水出现了超静水压力，并在超静水压力的作用下随之快速排出，发生了泌水，产生了塑性沉降，且塑性沉降发展很快，混凝土的几个测试点均在大约70 min时便会稳定下来。 (2) 钢筋处(1号点)沉降最小，随着距离钢筋越远，混凝土的沉降越大，距钢筋90 mm处(4号点)沉降最大，之间形成了较大的沉降差，且因沉降曲线关于钢筋对称，故在钢筋上方的混凝土内部产生较大的拉应力，并在钢筋上方形成裂缝。 (3) 在排出水分蒸发引起的塑性收缩对塑性沉降的影响下，随着纤维掺量增加到0.9 kg/m3(工程中常用掺量)，反而加大了混凝土的塑性沉降以及钢筋处的不均匀沉降，进而加重了塑性沉降裂缝。但当纤维掺量超过0.9 kg/m3达到1.2 kg/m3时，可能因纤维掺量过多，反而阻止孔隙中水的自由排出，造成了混凝土塑性沉降的降低以及减轻了沉降差。 参考文献： [1] Kwak H G, Ha S, Weiss W J. 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Influence of Polypropylene Fiberon on Plastic Settlement of Concrete HE Huanan, YANG Bicheng, DU Yancheng (State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian, Liaoning 116023, China) Abstract：Polypropylene fiber can effectively inhibit the early plastic cracks of concrete after mixing with concrete, but the influence of the fiber on the plastic settlement cracks of concrete is not yet explored in depth. In order to study the effect of polypropylene fiber on the early plastic settlement crack of concrete, the early plastic differential settlement test of fiber concrete was conducted to analyze the effect of different fiber content on the plastic settlement of fiber reinforced concrete at different distances from the steel bar. Then the influence of fiber on the plastic crack of concrete was discussed. The results show that the plastic settlement of concrete develops rapidly and will stabilize about 70 minutes after the start of the test. The plasticity of the concrete is not inhibited by the incorporation of the fiber, but the plastic settlement of the concrete is accelerated and the plastic settlement is increased. The plastic settlement difference of the reinforcement is also increased, which aggravates the early plastic settlement of the concrete crack. Keywords：fiber concrete; plastic settlement; crack; laser displacement sensor; consolidation theory DOI：10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.004 收稿日期：2016-12-17 修稿日期：2017-01-20 基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2015CB057703) 作者简介：何化南(1972—) ，女，黑龙江哈尔滨人，博士，副教授，硕士生导师，主要从事混凝土材料研究工作。 E-mail: hehuanandl@ 163.com 中图分类号：TU528.572 文献标识码：A 文章编号：1672—1144(2017)02—0021—05 |
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