试述高强钢纤维混凝土收缩性能

试述高强钢纤维混凝土收缩性能

张俊友

内蒙古农业大学职业技术学院内蒙古014100

摘要：近年来，由于良好的抗压、抗拉及耐久性能，高强钢纤维混凝土在建筑工程的各个领域获得了广泛的应用。由于高强钢纤维混凝土的水灰比较低，其收缩，尤其是自生收缩显著的大于普通混凝土。当高强纤维混凝土的收缩受到钢筋、钢板或外部结构的约束时，即使没有外力作用，混凝土内部也会产生拉应力。当这类拉应力大于混凝土当时龄期的抗拉强度时，混凝土即会开裂。裂缝的出现，不仅会降低混凝土的承载能力，还将为有害物质腐蚀混凝土内部钢筋提供通道，进而劣化结构的耐久性能。因此，研究高强钢纤维混凝土的收缩、约束收缩性能对于帮助设计人员、工程人员降低结构的开裂风险具有重要的作用。

关键词：高强钢纤维混凝土；混凝土自由收缩；配筋混凝土收缩；GFＲP筋

1试验

1．1试验材料

研究共设计了三种配合比的高强混凝土，以研究不同钢纤维掺量对混凝土自由收缩的影响。其中1号配合比未掺钢纤维，2号配合比钢纤维体积率为0．5%，3号配合比钢纤维体积率为1．0%。8d龄期时，1号配合比混凝土立方体抗压强度为63．5MPa，2号配合比混凝土立方体抗压强度为81．2MPa，3号配合比混凝土立方体抗压强度为88．5MPa。

其中：水泥：普通硅酸盐水泥P·O42．5，细度为0．6%；水：采用自来水；钢纤维：铣削型钢纤维，平均长度34．55mm，等效直径0．89mm，弹性模量200GPa；粉煤灰：重庆珞璜Ⅱ级，细度为21%，需水比103%，活性为70%（28d）；减水剂：FND缓凝型减水剂，减水率24%；机制砂：细度模数3．1，石粉含量15%，MB值0．6；河砂：细度模数1．1，其含泥量小于2%；碎石：粒径范围为10～20mm，含泥量为0．7%；小碎石：粒径范围为5～10mm，含泥量为0．5%。共有2种配筋率、2种钢筋表面形式以及2种约束筋材料被用来研究约束筋对高强钢纤维混凝土收缩的影响。其中，GFＲP筋即为由玻璃纤维增强塑料所制成的约束筋。

1．2试验环境

温度和环境是影响混凝土收缩行为的重要因素，为避免环境温度及湿度改变对本次试验的影响，试验养护环境温度控制在（20±1）℃内，环境湿度控制在60%±5%内。

1．3混凝土早期收缩、湿度测试

用于测试混凝土早期收缩及内部湿度的模具由特氟龙塑料制成，其内部用于成型试件的尺寸为100mm×100mm×325mm。模具的四周部分可拆卸，当混凝土初凝后即拆除以保证试件仅受到钢筋或GFＲP筋的约束。同时在模具的底部铺有两层1mm厚的特氟龙薄膜以降低试件对混凝土收缩的影响。

混凝土的收缩通过位于试件两端的线性位移传感器测量。传感器通过预埋于混凝土中的预埋件保持与试件的充分接触。传感器量程为2．0mm，测试精度为1．0μm，数据由计算机每0．5h自动读数一次。

试验对未配筋试件中混凝土的湿度进行了测试。湿度传感器测量精度为3%。为使得传感器能够测量混凝土内部的湿度，在浇筑过程中将一个内径为20mm，底端封闭，下部带有切口的PVC塑料管垂直插入距离混凝土表面50mm的位置。为防止混凝土从切口侵入管中，PVC管中套入了一个完整的外径为20mm的薄钢管。在混凝土浇筑完成3h后将薄钢管取出，放入温湿度传感器，并用密封胶隔绝混凝土内部与外界环境的湿度、热量交换。

2结果与讨论

2．1自由收缩

不同钢纤维掺量下的混凝土试件的收缩，无论是否掺入钢纤维，混凝土的收缩均可分为三个阶段：阶段一（膨胀），由于水泥水化作用导致的放热及混凝土的塑性沉降，混凝土构件体积增大。这一阶段约发生在混凝土浇筑完成后的5～15h左右。阶段二（快速收缩），由毛细孔应力理论可知，混凝土收缩的动力来自于其中毛细孔水被消耗而产生的毛细孔应力。在这一时期，由于水化作用、干燥作用的影响，混凝土中的水大量被消耗。因此，在这一时期，混凝土结束膨胀变形，开始收缩，且收缩速度很快。这阶段约发生在混凝土浇筑完成后的15～50h以内。阶段三（缓慢收缩），随着混凝土中激烈水化作用逐渐结束，混凝土中毛细孔水消耗速率降低。这一阶段混凝土的收缩量继续增加，但收缩速度已经显著的下降。

通过对比三组不同钢纤维掺量的混凝土收缩曲线可知，混凝土的收缩随着钢纤维掺量的增加而降低。以混凝土675h龄期为例，不掺钢纤维的试件C1收缩应变为692με，是C2组掺入0．5%体积率钢纤维试件663με的1．04倍，是C3组掺入1%体积率钢纤维试件的1．36倍。这是由于掺入的钢纤维在混凝土内形成了复杂的三维乱向体系，而这一体系在提高混凝土的匀质性的同时，阻碍了混凝土中水份的流动，导致混凝土中水份散失的难度增大，进而减少了混凝土的收缩。于此同时，有研究表明，钢纤维的掺入还将提高混凝土中拥有较大孔径的孔隙数量，而依据毛细孔应力理论，孔径的增大将降低孔中产生的毛细孔应力。

依据Laplace-Kelvin方程，展示不同钢纤维参量下混凝土变形与混凝土内部湿度的相对关系，在掺入钢纤维的条件下，混凝土的变形仍与混凝土的内部湿度存在着显著的线性关系。但随着钢纤维掺量的增加，在相同的湿度下，拟合曲线的斜率降低。这表明在相同的毛细孔应力下，钢纤维将降低混凝土的收缩。

2．2约束收缩

不同配筋条件下高强钢纤维混凝土的收缩情况，在高强钢纤维混凝土中配置约束筋将显著的降低高强钢纤维混凝土的收缩量，进而提高混凝土的开裂风险，这与实际工程中观察到的现象是一致的。但于此同时，配置约束筋并未改变的高强钢纤维混凝土的收缩模式，其收缩仍可分为膨胀，快速收缩及缓慢收缩三个阶段。在表面情况相同时，提高钢筋的配筋率将降低混凝土的收缩量。在28d时，配置1根直径为20mm的钢筋，将降低掺入1%体积率钢纤维的素混凝土约46%的收缩量。而此时，配置1根直径为12mm的钢筋时，混凝土收缩的下降量为27%左右。在直径相同的条件下，钢筋的表面形式对混凝土的收缩影响并不显著。这可能是由于在收缩应力的作用下，钢筋与混凝土间产生的剪应力较小，钢筋肋纹提供的粘结力仍未发生显著作用的结果。降低约束筋的弹性模量将极大的缓解约束筋对混凝土的约束效果。以28d龄期为例，配置GFＲP筋的Ｒ-4试件收缩为435με，是配置相同直径、相同表面形式的钢筋的试验组Ｒ-2收缩1．17倍。

3结论

（1）提高混凝土中的钢纤维掺量，能够显著的降低混凝土的收缩。高强钢纤维混凝土的自由收缩、约束收缩可分为膨胀、快速收缩及缓慢收缩三个阶段；（2）研究提出的计算方法能够很好的计算湿度下降阶段湿度下降导致的混凝土的收缩变形；（3）在高强钢纤维混凝土中配置约束筋将显著的降低混凝土的收缩在使用相同材料的条件下，高强钢纤维混凝土的收缩随着配筋率的提高而降低。钢筋的表面形式对钢筋的约束效果影响并不明显。在相同的配筋率及表面形式下，高强钢纤维混凝土的收缩将随着约束筋所用材料弹性模量的增加而降低。

参考文献

［1］赵顺波，杜晖，钱晓军，等．钢纤维高强混凝土配合比直接设计方法研究［J］．土木工程学报，2008（07）：1-6．

［2］刘永胜，王肖钧，金挺，等．钢纤维混凝土力学性能和本构关系研究［J］．中国科学技术大学学报，2007（07）：717-723．