混凝土因其抗拉强度较低, 早期开裂现象在混凝土结构物中较为常见, 成为影响混凝土结构耐久性的主要问题之一。在混凝土结构裂缝中, 荷载原因引起的裂缝约占20%;非荷载原因引起的裂缝约占80%, 其中混凝土收缩变形产生的裂缝占绝大多数^[1,2,3]。

　　 综合国内外研究现状来看, 控制混凝土早期开裂主要从减小混凝土收缩和提高其抗拉强度出发, 目前可采取的措施主要有掺入膨胀剂、减缩剂、纤维等。其中, 膨胀剂的应用较为普遍, 尤其对低水胶比混凝土, 主要是通过早期形成预膨胀压力从而抵抗后期因干燥和温度导致的收缩应力, 可有效地抑制混凝土的收缩^[4,5,6,7]。另外, 研究^[8,9,10,11]表明, 在混凝土掺入纤维是一种有效抗裂的手段, 其增韧阻裂作用对于减缓混凝土开裂时间或减少混凝土裂缝数量和宽度、提高混凝土耐久性非常重要。故膨胀剂和纤维的复合使用可有效提高混凝土的抗裂性能。

　　 因此, 本文基于紧密堆积理论和微粒级配数学模型设计的水泥基材料配合比, 研究了不同水胶比下, 膨胀剂A+聚丙烯纤维PP的复合掺入和膨胀剂B+纤维素纤维C的复合掺入对砂浆的强度、自收缩、干燥收缩及对圆环约束砂浆收缩开裂的影响。

　　 水泥:采用“浑河牌”P·MH 42.5级中热硅酸盐水泥, 比表面积为323m²/kg, 表观密度为3 100kg/m³, 其主要化学成分见表1。粉煤灰:采用Ⅱ级粉煤灰, 比表面积为359m²/kg, 表观密度为2 090kg/m³, 其主要化学成分见表1。硅灰:采用微硅粉, 其中Si O₂含量为85.51%, 比表面积为1 306m²/kg, 表观密度为2 280kg/m³。砂:采用机制砂, 其细度模数为2.78, 石粉 (粒径小于0.16mm) 含量为14%~16%, 石粉的比表面积为187m²/kg, 表观密度为2 630kg/m³。膨胀剂:采用高效CSA-Ⅲ膨胀剂A和膨胀剂B两种钙矾石类膨胀组分。纤维:采用纤维素纤维C和聚丙烯纤维PP两种类型。减水剂:采用聚羧酸高效减水剂, 掺量为胶凝材料的0.2%~0.4%。水:采用哈尔滨市自来水。

　　 砂浆力学性能测试试件为棱柱体, 其尺寸为40mm×40mm×160mm。试件经搅拌并振实成型, 由塑料薄膜密封养护24h后脱模移至标准养护室中养护, 测试3d和28d的强度。

　　 本研究中采用CABR-NES非接触式混凝土收缩变形测定仪进行砂浆早期自收缩试验, 相关规定可参考国家标准《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》 (GB/T 50082—2009) , 测定仪的量程为2mm, 精度为1.0μm。试件为棱柱体, 尺寸为100mm×100mm×515mm, 在混凝土初凝后开始测量自收缩变形, 共持续3d。

　　 干燥收缩测量采用100mm×100mm×400mm的棱柱体试件, 试件成型1d后脱模并移至标准养护室养护3d, 3d后取出试件放入实验室, 实验室温度为 (20±2) ℃, 湿度在60%左右, 测量天数为28d。干燥收缩测量装置采用接触式位移传感器 (即LVDT传感器) 和数字显示仪表, 其中, LVDT传感器的量程为±2mm, 测量精度为1×10^-4mm。

　　 干燥收缩开裂风险评估试验采用受钢环约束的砂浆环, 钢环装置由内钢环、外钢环、底板三部分组成, 其中, 内钢环壁厚12.5mm、外直径为305mm, 外钢环内直径为425mm, 除去底板厚度圆环净高为100mm。在钢环内侧1/2高度处粘贴互成120°角的3个应变片。通过应变采集系统对钢环进行实时测试, 取3个应变片的平均值作为钢环的收缩应变。自浇筑至3d内, 置于实验室内, 密封养护;3d后拆除外钢环, 以拆除外钢环且开始应变测量的时刻为零点, 测量持续时间为28d。

　　 混凝土早期抗裂试验根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》 (GB/T 50082—2009) 的相关规定进行, 不再详细阐述。

　　 微粒级配数学模型表达式^[12]如下:

　　 式中:ρ为体系密实度;X_j, X_N分别为颗粒j和纤维颗粒N的体积含量比;f (i, j) , g (i, j) 分别为松动效应函数和壁效应函数;i, j为体系中存在的两个不同颗粒。

　　 基于式 (1) 设计砂浆配合比, 具体见表2。试验过程中, 对不同水胶比砂浆, 基于流动度指标相同的原则, 调整减水剂的用量, 砂浆具体配合比设计见表2。

　　 不同水胶比试件的抗压强度和抗折强度如图1所示。从图1中可知, 与基准试件相比, 在3d龄期时, 掺入膨胀剂和纤维后砂浆的抗压强度略有降低, 其抗折强度随水胶比的变化增减不一, 28d龄期时, 抗压强度和抗折强度降低幅度随水胶比的减小逐渐增大, 但是降低幅度较小。总的来说, 两种类型的膨胀剂和纤维复合对强度的影响相差不大。

　　 图1不同水胶比W/B下试件的抗压强度和抗折强度

　　 不同水胶比下自收缩应变如图2所示, 分析可知, 不同水胶比下, 基准试件均表现为收缩, 而掺有膨胀剂和纤维的试件一直表现为膨胀。总的来说, 水胶比越小收缩越大, 掺入膨胀剂和纤维补偿以后剩余的膨胀量就越小。

　　 图2 不同水胶比W/B下试件的自收缩应变

　　 图3为不同水胶比下砂浆试件的干燥收缩应变, 由图3可知, 相对于基准砂浆, 掺加膨胀剂A+聚丙烯纤维PP降低了干燥收缩;掺加膨胀剂B+纤维素纤维C增加了干燥收缩;干燥收缩规律基本呈现出水胶比越大, 干燥收缩越大的规律, 但是对于掺加膨胀剂A+聚丙烯纤维PP的砂浆来说, 水胶比为0.4的砂浆比水胶比为0.26砂浆的干燥收缩更小, 可能和膨胀剂的膨胀程度和显微结构不同有关。所以, 在水胶比0.26和0.4时, 膨胀剂A+聚丙烯纤维PP的复合掺入对砂浆干燥收缩抑制效果明显优于膨胀剂B+纤维素纤维C。

　　 图3不同水胶比W/B下砂浆试件的干燥收缩应变

　　 在圆环约束条件下, 砂浆收缩对钢环产生径向压力, 而钢环的反作用力使砂浆环受到张拉, 内部产生拉应力。砂浆环受力的材料力学简化模型如图4所示。

　　 基于图4和本试验所采用钢环尺寸, 可假定p作用于砂浆环并使其内部受到均匀的单向轴拉应力σ_c的作用。σ_c可按下式计算:

　　 式中:σ_c为砂浆环内部拉应力;p为砂浆与钢环之间的径向作用力;R_IC为砂浆内环半径;h_c为砂浆厚度。

　　 内钢环所受的压应力可通过下式计算得到:

　　 式中:σ_s为钢环所受压应力;R_OS为内钢环外环半径;E_s为内钢环的弹性模量;ε_s为内钢环的压应变;h_s为内钢环厚度。

　　 由于砂浆内环和内钢环外环半径相同, 即R_IC=R_OS, 故可得:

　　 由式 (4) 可知, 基于已知的内钢环弹性模量、内钢环的实时应变、砂浆环厚度和内钢环厚度的数值, 可计算得到圆环约束过程中砂浆所受的拉应力变化, 本次约束砂浆环试验开裂应力的计算结果详见表3。

　　 由图5分析可知, 在拆除外钢环后, 砂浆环开始干燥收缩过程中, 砂浆环收缩应变均随时间逐渐增大, 直至达到最大应变值。说明环境干燥引起砂浆早期收缩, 导致砂浆环中产生的收缩拉应力继续发展。

　　 当砂浆环向的收缩拉应力发展至某一水平, 大于砂浆的抗拉强度时, 砂浆环将开裂。由图5 (a) 可以看出, 基准试件和掺加膨胀剂B+纤维素纤维C试件应变分别在6d和17d左右呈现“跳跃式”释放的特征, 即表明试件发生了开裂。然而, 对掺加膨胀剂A+聚丙烯纤维PP试件, 干燥过程中砂浆收缩应变速率随时间呈现出现增大后逐渐趋于平缓的趋势, 其应变未出现“跳跃式”突变, 而是最终稳定在某一近乎恒定的压应变值, 表明砂浆未出现开裂。在图5 (b) 同样可以看出, 基准试件和掺加膨胀剂B+纤维素纤维C试件均出现开裂, 而掺加膨胀剂A+聚丙烯纤维PP试件未出现开裂。

　　 基于图3和图5的结果, 分析可知, 虽然掺入膨胀剂A和聚丙烯纤维PP的试件都没开裂, 但对于0.26水胶比的砂浆, 补偿以后剩余的膨胀量约为200×10^-6时, 使其最终稳定在某一近乎恒定的压应变值, 砂浆没有开裂;而0.40水胶比砂浆在补偿以后剩余的膨胀量约为350×10^-6时, 在10 d龄期以后应力释放逐渐增大, 表现出应变增大的特征, 砂浆当然也不会开裂。这是由于二级界面显微结构改善, 使砂浆具有高的抗拉强度、良好的变形性能。

　　 约束砂浆环试验开裂情况见表3, 由表3可知, 在两种水胶比下, 水胶比越小, 砂浆产生的开裂应力越大;在相同约束条件下, 膨胀剂和纤维的复合掺入延缓或阻止了砂浆的收缩开裂, 且膨胀剂A+聚丙烯纤维PP的复合掺入对砂浆约束收缩开裂的抑制效果明显优于膨胀剂B+纤维素纤维C的复合掺入的试件。分析其原因主要在于膨胀剂和纤维分别从两个角度改善了砂浆的抗开裂性能:一是膨胀剂的早期膨胀效应, 形成的预压力可抵消部分后期因温湿度产生的收缩拉应力;二是纤维的掺入可提高砂浆的抗拉强度, 并阻止微裂纹的产生从而抑制裂缝的扩展和延伸。因此, 膨胀剂和纤维的复合掺入可很好地改善混凝土的抗开裂性能。

　　 图6为掺入A膨胀剂+聚丙烯纤维PP试件, 混凝土试件在经历了48h试验后, 在混凝土开裂试验装置中的混凝土在肉眼及在放大60倍的情况下未见到裂缝。说明采用膨胀剂A+聚丙烯纤维PP的复合掺入方式可以大大提高混凝土的抗裂性。

　　 从图7中可以看出, 基于微粒级配数学模型设计的水泥基材料, 在掺入膨胀剂后, 均在其二级界面显微结构中形成了钙矾石, 但掺入膨胀剂A后形成了空间网状的钙矾石, 如图7 (a) 所示, 且存在毛头状、网状结构水化硅酸钙填充其间, 如图7 (b) 所示;而掺入膨胀剂B后则形成了短柱状的钙矾石, 如图7 (c) 所示。二级界面结构的改善不仅消除了硬化浆体内部的微裂缝 (图7 (d) ) , 而且可在均匀致密的过渡区内形成网络状显微结构。这种空间网状结构的钙矾石约束了混凝土的早期自收缩变形且抑制了其干燥收缩变形, 同时这种钙矾石可以作为砂浆的基体自生成增强纤维, 其产生的微膨胀还可以补偿早期自收缩变形和干燥收缩变形, 因此减少了砂浆早期微裂缝产生的危险, 从而使砂浆具有更高的抗裂性能。

　　 (1) 基于紧密堆积理论和微粒级配数学模型设计的水泥基材料配合比, 可减少硬化浆体内部的微裂纹。对于水胶比为0.26的砂浆, 掺膨胀剂和纤维补偿以后剩余的膨胀量约为200×10^-6, 不仅能抵抗收缩变形和开裂, 而且空间网状结构的钙矾石能储存残余的膨胀应力。对于0.4水胶比的砂浆, 剩余的膨胀量约为350×10^-6, 在10d龄期以后收缩应变逐渐减小并过渡为膨胀应变, 表现出膨胀趋势, 是由膨胀补偿的残余应变的缘故。

　　 (2) 膨胀剂A+聚丙烯纤维PP的复合掺入有效补偿了砂浆自收缩, 降低了砂浆干燥收缩率;而膨胀剂B+纤维素纤维C的复合掺入增加了干燥收缩率, 前者对砂浆干燥收缩抑制效果明显优于后者。

　　 (3) 相对于开裂的基准砂浆, 膨胀剂和纤维的复合掺入可延缓其开裂的时间或阻止开裂, 膨胀剂B+纤维素纤维C的复合掺入延缓了约束砂浆环的开裂时间, 膨胀剂A+聚丙烯纤维PP的复合掺入明显阻止了约束砂浆环的开裂。

　　 (4) 掺入膨胀剂A后生成空间网状的钙矾石, 同时存在毛头状网状结构水化硅酸钙填充其间, 使混凝土早期抗裂能力大大提高, 混凝土处于圆环约束状态下28d时仍未出现裂缝。