材料质量不达标；混凝土配比不合理；水化热温升、自身体积变形等热学、力学性能不能满足抗裂能力的要求；另一方面是外因：外界环境温湿度变化；基础、老混凝土的约束；基础不均匀沉陷和外界荷载作用等[1]。将短而细，具有高抗拉强度、高极限延伸率、高抗碱性等金属、无机或有机等纤维增强材料掺入水工混凝土中可提高混凝土抗拉强度、增大极限延伸率、提高混凝土脆性和抗裂性能[2-3]。本文采用平板试验法研究掺加不同种类纤维的水工混凝土初期塑性收缩开裂性能，探讨分析纤维种类提高混凝土抗裂性能的作用机理。
1 原材料及方法
1.1 试验原材料
本实验所用水泥为42.5型复合硅酸盐水泥；水为清洁自来水；砂为中砂，细度模数为2.6，级配连续；石为5～25mm连续级配；外加剂是高效减水剂；聚丙烯纤维Ⅰ长度：12mm；直径：12.7μm；弹性模量：3.5GPa；抗拉强度：500～600MPa；密度：0.91g/cm3。聚丙烯纤维Ⅱ长度12mm；直径：40-50um；弹性模量：3GPa；密度2.7 g/cm3；抗拉强度275-350MPa。玻璃纤维长度：9mm；直径：14μm；弹性模量：72GPa；抗拉强度：1700MPa；密度：2.7g/cm3。
1.2 试验原材料及方法
基准组混凝土配合比为：水：175 kg/m3；水泥：455 kg/m3；砂：620 kg/m3；石：1111 kg/m3；外加剂：4.25 kg/m3。聚丙烯纤维Ⅰ组、聚丙烯纤维Ⅱ组、玻璃纤维组纤维掺量占水泥质量百分比分别为0.9%、0.9%、30%。其余组分掺量同基准组。试验前先将水泥和粗细骨料倒入搅拌机干拌1～3min，再加入纤维进行拌合1～3 min，最后加入水和高效减水剂一起拌合2 min，观察是否有离析或纤维成团等状况，直至混凝土中纤维分散均匀。
水工混凝土抗裂性试验采用平板试验测试方法。用于试件浇筑的钢制模具见图1，试件尺寸为600mm×600mm×63mm，模具每边上同时用双螺帽固定两排共14个M10×100mm 螺栓伸向模具内侧，两排螺栓相互交错，提供约束作用。混凝土拌合物拌合完成后，分两层浇入平板模具中，插捣、振实、抹平后用塑料薄膜覆盖，密封养护2个小时。2小时后取下薄膜，将试件连同模具置于吹风条件下，保持恒定风速为8m/s。保持环境温度为20±1℃，相对湿度为60±5%。从取下薄膜开始记录各组混凝土试件的开裂情况：初始开裂时间、裂缝长度、宽度及数量。裂缝评价参考裂缝的平均裂开面积（全部裂缝面积和除以裂缝2倍裂缝总数）；单位面积的开裂裂缝数目条数（裂缝总数除以平板面积）；单位面积上的总裂开面积（全部裂缝面积和除以裂缝2倍平板面积）。试件早期的开裂敏感性评价准则如下：①仅有非常细的裂纹；②平均开裂面积﹤10 mm2；③单位面积开裂裂缝数目﹤10根/ mm2；④单位面积上的总裂开面积﹤10mm2/m2。按以上四个准则，将开裂敏感性划分为五个等级：Ⅰ级——全部满足上述四个条件；Ⅱ级——满足上述四个条件中的3个；Ⅲ级——满足上述四个条件中的2个；Ⅳ级——满足四个中一个条件；Ⅴ级—— 一个也不满足。本实验利用上述方法对混凝土平板抗裂性进行评价。如果不同组混凝土裂缝评价结果处于同一等级，则通过结合初裂时间和总开裂面积的对比结果来判定抗裂性优劣。
2 试验结果与分析
各组混凝土平板开裂试验结果见表1。由表中数据可以看出：四组平板试件的开裂时间顺序依次为：基准混凝土、玻璃纤维混凝土、聚丙烯纤维Ⅱ混凝土、聚丙烯纤维Ⅰ混凝土，可见纤维的掺入可明显延迟初始裂缝的出现；在常用掺量下，玻璃纤维对圆环初始裂缝出现的延迟效果不如聚丙烯纤维，且聚丙烯纤维Ⅰ混凝土开裂时间晚于聚丙烯纤维Ⅱ混凝土。掺入纤维的混凝土最初裂缝长度、最终最大裂缝长度、最初裂缝宽度、最终最大裂缝宽度和最终裂缝数量均要小于基准混凝土。聚丙烯纤维提高混凝土抗裂性效果要优于玻璃纤维，其中聚丙烯纤维Ⅰ混凝土抗裂性最好。
根据以上试验测得的数据，参照混凝土平板法裂缝评价方法，对结果进行分析计算，得出抗裂性评定指标及评定结果：基准混凝土裂缝平均裂开面积1.21 mm2/根；单位面积裂缝数目49根/ m2；单位面积总裂开面积59.34 mm2/ m2；抗裂性等级Ⅳ。聚丙烯纤维Ⅰ混凝土裂缝平均裂开面积0.14 mm2/根；单位面积裂缝数目9根/ m2；单位面积总裂开面积1.23 mm2/ m2；抗裂性等级Ⅰ。聚丙烯纤维Ⅱ混凝土裂缝平均裂开面积0.21 mm2/根；单位面积裂缝数目19根/ m2；单位面积总裂开面积4.03 mm2/ m2；抗裂性等级Ⅱ。玻璃纤维混凝土裂缝平均裂开面积0.44 mm2/根；单位面积裂缝数目23根/ m2；单位面积总裂开面积10.19 mm2/ m2；抗裂性等级Ⅲ。由评定可见，掺入聚丙烯纤维Ⅰ的混凝土抗裂等级高于聚丙烯纤维Ⅱ；掺入聚丙烯纤维的混凝土抗裂等级高于玻璃纤维。基准组混凝土抗裂等级最低，说明纤维能有效降低水工混凝土早期收缩开裂趋势。
根据纤维间距理论，由于纤维拉应力的作用，在接近于裂缝的纤维的周围会产生一定范围的粘结应力分布，裂缝尖端若要发展，必须克服纤维对它的约束和阻挡，这就迫使裂缝只能绕过纤维或将纤维拔出或拉断，这样裂缝才能继续发展，这就势必需要消耗更多的来克服纤维的阻碍作用，从而提高了混凝土的抗裂性能。单位面积内的纤维数越多，纤维间距越小，纤维对裂缝的约束越强，开裂强度提高的效果也越好。由于在常用掺量下，玻璃纤维混凝土的纤维间距与聚丙烯纤维的纤维间距不同，其对裂缝的约束作用不同，导致所需的断裂能不同，因此玻璃纤维混凝土和聚丙烯纤维混凝土的抗裂性能也不同。聚丙烯纤维与玻璃纤维的掺入均可有效减小主裂缝的宽度及其发展，玻璃纤维的减小效果要弱于聚丙烯纤维，这与纤维对初始裂缝出现时间的影响相一致。根据纤维增强的复合机理，纤维的掺入可以和基体共同作用承受由于收缩引起的拉应力，提高试件破坏所需的断裂能。由于纤维方向性、纤维有效长度和界面粘结性能对纤维混凝土抗拉强度的影响，尤其是玻璃纤维长度小于聚丙烯纤维，导致玻璃纤维混凝土的初裂抗拉强度低于聚丙烯纤维[4-5]。
3 结论
由以上试验结果与分析得出以下结论：在水工混凝土掺入聚丙烯纤维Ⅰ、聚丙烯纤维Ⅱ、玻璃纤维均能有效降低混凝土早期收缩开裂趋势。在常用掺量下，聚丙烯纤维Ⅰ对混凝土抗裂性能的改善效果最好，聚丙烯纤维Ⅱ次之，玻璃纤维最差。
【参考文献】
[1]杨华全，李文伟.水工混凝土研究与应用[M].中国水利水电出版社，2005.
[2]Zollo R F. Fiber-reinforced Concrete： An Overview after 30 Years of Development[J]. Cement and Concrete Composites， 1997， 19（2）：107-122.
[3]吴科如，张雄.土木工程材料[M].同济大学出版社，2003，1.
[4]姚武.钢纤维高强混凝土的力学性能研究[J].新型建筑材料，1999（10）：18-19.
[5]姚武，封志辉.聚丙烯纤维对水泥砂浆干缩开裂的影响[J].建筑材料学报， 2006，9（3）：357-360.
[责任编辑：杨扬]
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