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论文初定稿11
本科毕业论文（设计）
纤维对混凝土早期收缩性能的影响
EffectofFiberontheEarlyShrinkageofConcrete
学院化学化工与生命科学学院
专业无机非金属材料工程
届别2013
学生姓名张忍忍
学号09008068
指导教师李红李明玲
职称助教副教授
论文字数
完成时间2013年6月
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保密的毕业论文（设计）在解密后遵守此规定。
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导师签名：
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摘要
混凝土使用范围十分广泛，不仅在各种土木工程中使用，就是造船业，机械工业，海洋的开发，地热工程。
水泥砂浆在使用时，通常要加入一些纤维来改善他的和易性与粘稠度。
本文研究了不同水灰比及不同掺量的纤维净浆和砂浆，通过实验可得混凝土的初凝和终凝时间及混凝土的坍落度和收缩性的影响，对实验数据进行分析可得：
混凝土的凝结时间随着水灰比和纤维的参量的增加而增大，混凝土的坍落度随着纤维的参量的增大而减小，收缩性随着纤维的参量的增加而减小。
关键词：
纤维；混凝土；收缩性
Abstract
Concreteistheuseofawiderange,isusednotonlyincivilengineering,istheshipbuildingindustry,machineryindustry,thedevelopmentofocean,geothermalproject.Cementmortarwheninuse,oftentoaddsomefibertoimprovehisworkabilityandconsistency.Theeffectsofdifferentwatercementratioanddifferentcontentoffiberpasteandmortar,throughexperimentsavailableconcreteinitialsettingandfinalsettingtimeofconcreteslumpandshrinkageeffects,analysisofavailableexperimentaldata:
thesettingtimeofconcreteincreaseswithwatercementratioandtheparametersofthefiber,concreteslumpwithincreasingfiberparameterdecreasing,contractilityanddecreaseswiththeincreaseoffiberparameters.
Keywords：
fiberconcrete;shrinkage;
目录
1绪论1
1.1研究背景1
1.2纤维1
1.2.1碳纤维1
1.2.2聚丙烯纤维2
1.2.3钢纤维
1.3混凝土收缩3
1.3.1收缩的种类3
1.3.2改善收缩的措施4
1.4纤维对水泥基材料性能的影响1
1.4.1纤维对水泥砂浆性能的影响1
1.4.2纤维对混凝土性能的影响2
1.5发展趋势
2实验
2.1原材料
2.2混凝土的配合比6
2.3抗裂性能的测定9
2.3.1凝结时间的测定9
2.3.2抗裂性能的测定8
2.4混凝土收缩开裂
2.4.1评定标准
2.4.2裂缝降低系数和防裂效能等级对照表
3实验结果11
3.1凝结时间和坍落度结果分析
3.2裂缝长度和宽度值及其结果分析
4结论
参考文献
致谢12
纤维对混凝土早期收缩性能的影响
张忍忍
（巢湖学院化学化工与生命科学学院，安徽巢湖238000）
1绪论
1.1研究背景
混凝土是当今社会最大宗的建筑材料之一，混凝土具有资源丰厚，价格低廉，工艺简单的特点，因而使其用量越来越大。
同时混凝土还具有抗压强度高，耐久性好的特点。
随着社会的要求不断提高对混凝土的性能要求不断提升，在混凝土中添加一定量的纤维可以对混凝土产生增强增韧阻裂；可以改善混凝土的强度和抗疲劳性，改善了混凝土容易开裂的问题。
为了适应我国建筑、建材领域高科技、新材料的发展需要，因此，国内外学者不断的对混凝土进行改性研究，来改善其缺点，使其优点不断突显，其中，纤维的加入对混凝土改性研究取得了很多方面的研究成果[1-2]。
1.2纤维
纤维是具有一定弹性和强度而且长度比直径大成千上万倍的纤细物质。
纤维很多用途应用在现在生活中，在水泥基材料中添加纤维可以有效的控制裂缝，通常以水泥净浆、砂浆或者混凝土为基体，向其中添加纤维作为增强材料而形成水泥基复合材料。
自从人类开始采用水泥混凝土作为建筑材料的时候开始，就在探索向其中加入各种的纤维。
1.2.1碳纤维
碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。
碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。
碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500MPa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为230~430GPa亦高于钢［3］。
因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000MPa/（g/cm3）以上，而A3钢的比强度仅为59MPa/（g/cm3）左右，其比模量也比钢高。
材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，因此，碳纤维在工程的广阔应用前景。
1.2.2聚丙烯纤维
聚丙烯纤维是一种强度较高，弹性模量较低的柔性纤维。
在砂浆和混凝土中添加聚丙烯纤维可以有效的提高砂浆的抗裂强度和抗冲击性能[4]。
大大提高混凝土的抗渗性能。
0.9Kg/m3掺量的聚丙烯束状单丝纤维混凝土比普通混凝土的抗渗能力提高了60%～70%[5]。
显著提高混凝土的抗冲击性能和耐磨性能。
聚丙烯纤维虽然刚度较低，传递荷载的能力差，但能吸收冲击能量，有效减小裂隙，增强介质材料连续性，减小了冲击波被阻断引起的局部应力集中现象，因而能大大提高混凝土抗冲击性能和韧性。
提高混凝土的抗冻性能。
在混凝土中加入聚丙烯纤维，可以缓解温度变化而引起的混凝土内部应力的作用，阻止温度裂缝的扩展；同时，混凝土抗渗能力的提高也有利于其抗冻能力的提高。
其实，在刚性混凝土中加入柔性的聚丙烯纤维能整体提高混凝土工程综合性能，实现混凝土的“刚柔并济”。
近年来以聚丙烯纤维为首的合成纤维得到了快速发展。
1.2.3钢纤维
钢纤维是以切断细钢丝法、冷轧带钢剪法、钢锭铣削或钢水快速冷凝法制成长径比（纤维长度与其直径的比值，当纤维截面为非圆形时，采用换算等效截面圆面积的直径）为40～80的纤维［6］。
钢纤维是被最早发现并投入工程使用的纤维。
钢纤维混凝土的研究与应用以美国和英国发展最快，近年来日本亦有较快发展，其他国家也都进行了研究和应用。
在公路工程建设中，钢纤维混凝土桥面已开始使用，但由于纤维增强机尚不够完善，钢纤维混凝土的拌和、捣、成型比较困难、纤维价格太高，因而影响其在公路工程中的推广应用。
1.3混凝土的收缩
混凝土的收缩现象一直存在早在早在波特兰水泥出现不久就为人们所注意，但是如何来解决这现象，一直被人们所关注。
国内外科研机构投入大量人物力对混凝土进行改性研究。
1.3.1收缩的种类
收缩可以分为早期收缩和后期收缩两大类。
1.3.1.1早期收缩
（1）塑性收缩
塑性收缩是混凝土在初凝前的塑性阶段失水形成的，一种情况是新浇筑的混凝土表面泌水，在室外会很快的蒸发；另一种情况是由于新拌混凝土颗粒之间的空间充满了水，浇筑后的混凝土表面受风吹、日晒、外部的高温度和低温度等因素的影响，随着混凝土表面水分的蒸发，内部水分逐渐向外部迁移，继续蒸发水分，造成混凝土在塑性阶段的体积收缩当表面日晒或风大，内部水分迁移速度小于上表面水分蒸发的速度时，混凝土表面的收缩应力远大于混凝土的抗拉强度，就会产生大量不规则微细裂缝，如不及时抹压和覆盖保水养护，此类裂缝会迅速向内部延伸，严重时会造成贯通裂缝［7］。
（2）水化收缩
水泥水化反应后，反应产物的体积与剩余自由水体积之和小于反应前水泥矿物体积与水体积之和，形成水化反应收缩［8］。
在混凝土初凝前，水化反应收缩一部分反应在塑性收缩中，在混凝土初凝后的水泥水化反应收缩则主要形成混凝土内部的毛细孔，在养护不及时或养护时间过短时，会产生收缩裂缝。
（3）自生干缩
水泥在水化过程中不断消耗水分，当养护不良或混凝土内部水分不充分时，混凝土毛细孔中水分消耗过多，导致毛细孔内产生负压，引起混凝土内部出现自生干缩裂缝［9］。
由于常态混凝土的水胶比较高，混凝土内有较充裕的水分，一般不会发生自生干缩裂缝；而对于水灰比低于0.38的混凝土，内部往往产生大量自生干缩裂缝，导致早期混凝土体积收缩。
在约束条件下，会引起混凝土产生表面裂缝。
（4）温降收缩
大体积混凝土由于水泥水化热导致混凝土内部温度较高，当混凝土表面温度与气温相差过大时，会产生温度收缩裂缝。
1.3.1.2后期收缩
（1）干燥收缩
混凝土硬化后，内部的游离水会由表及里逐渐蒸发，导致混凝土由表及里逐渐产生干燥收缩。
在约束条件下，收缩变形导致的收缩应力大于混凝土的抗拉强度时，混凝土就会出现由表及里的干燥收缩裂缝［10］。
混凝土的干燥收缩是从施工阶段撤除养护时开始的，早期的收缩裂缝比较细微。
随着时间的推移，混凝土的蒸发量和干燥收缩量逐渐增大，裂缝也明显起来。
（2）碳化收缩
在相对湿度合适的条件下，空气中的能和混凝土表面由于水泥水化生成的水化物很快地起反应，称之为碳化，碳化的过程伴随着体积的收缩，称为碳化收缩。
碳化收缩是不可逆的［11］。
受碳化或淡水腐蚀等原因致使混凝土空隙液中pH值降低，氢氧化钙量不足时，会有一部分CSH凝胶或水化铝酸钙分解，析出氢氧化钙，以补充体系中的碱度，分解过程中都同时产生游离水，这些游离水进一步蒸发都会导致混凝土体积收缩。
这些收缩都发生在混凝土硬化后较长时间内，一般会使干燥收缩裂缝扩宽或向深处发展。
1.3.2改善收缩的措施
1.3.2.1施工方面
（1）由于商品混凝土坍落度大，稍加振捣即出现石子下沉、浆体上浮，时常有较多泌水，随着水分蒸发，表面出现大量塑性收缩裂缝。
（2）在粗钢筋和粗骨料下面，也会出现泌水层，水分蒸发后形成孔隙，影响混凝土的密实性和抗渗性能，也降低钢筋的握裹力。
在混凝土拌和物中有多余水量，混凝土硬结后，随着水分的蒸发，比较容易产生干燥收缩裂缝。
（3）大流动性混凝土振捣时间不易过长，振捣时间长，在振捣处会出现富浆部位，富浆部位较容易出现塑性收缩裂缝，终凝后继续收缩发展成贯通裂缝。
有的工地，为减少拆装泵管次数，将混凝土拌合物留在原处，导致混凝土不均匀，浆体多的部分出现塑性收缩裂缝和干缩裂缝。
（4）施工单位为赶工期，过早拆模，导致蒸发失水过快，出现塑性收缩裂缝。
1.3.2.2材料方面
（1）混凝土中水灰比越大，收缩越大；泌水量大表面含水量高，表面早期收缩大；混凝土含水量越高，表现为水泥砂浆越大，坍落越大，收缩越大。
（2）水泥活性越高，颗粒越细，比表面积越大，收缩越大；矿渣水泥收缩比普通水泥收缩大，粉煤灰水泥收缩较小；快硬水泥收缩较大，矿渣水泥及粉煤灰水泥的水化热比普通水泥低，故应根据构件厚度决定水泥品种。
（3）集料对混凝土收缩的影响：
砂岩作骨料收缩大幅度增加；粗细骨料中含泥量越大收缩越大；骨料粒径越小，砂率越高，收缩越大；骨料颗粒的弹性模量越高收缩越小；外加剂及掺合料选择不当，严重增加收缩。
（4）在混凝土中加入纤维可以有效的改善混凝土的收缩。
1.4纤维对水泥基材料性能的影响
目前，世界上应用纤维作为水泥基材料掺合料已被60多个国家接受，由于纤维的加入，从而大大地减轻水泥基材料的塑性龟裂，而且还能降低成本。
国内使用纤维水泥基材料，是从20世纪90年代中期才开始的，但发展速度比较快。
当时，美国几家纤维生产厂家相继来我国开拓市场，其纤维产品在水泥基材料的结构工程等方面受到了广泛应用。
此后，国内很多科研院所开始对纤维在水泥基材料中的应用进行系统研究，在增强机理和应用方面取得了很多显著的成果，这些成果为纤维水泥基材料的进一步推广应用提供了重要的理论依据。
1.4.1纤维对水泥砂浆性能的影响
砂浆中加入纤维主要是，赋予砂浆一定的韧性，改善砂浆的抗裂性能，抑制砂浆早期裂缝的产生，主要有以下作用阻裂,阻止砂浆基体中原有缺陷的扩展并有效延缓裂缝的出现；二是防渗:
提高砂浆基体的密实性，阻止外界水份侵入；耐久：
改善砂浆基体抗冻，抗疲劳等性能，提高其耐久性抗冲击，提高砂浆基体耐受变形能力，从而改善其韧性和抗冲击性；抗拉：
使用纤维可以起到提高基体的抗拉强度的作用；韧性高，砂浆纤维具有较高的韧性和强度，在砂浆搅拌中不易打弯成球,网状聚丙烯纤维其外观为多根纤维单丝相互交连而成网状结构［］。
1.4.2纤维对混凝土性能的影响
在混凝土中添加纤维可以有效的提高砂浆的抗裂强度和抗冲击性能，大大提高混凝土的抗渗性能。
和0.9Kg/m3掺量的聚丙烯束状单丝纤维混凝土比普通混凝土的抗渗能力提高了60%～70%；显著提高混凝土的抗冲击性能耐磨性能。
聚丙烯纤维虽然刚度较低，传递荷载的能力差，但能吸收冲击能量，有效减小裂隙，增强介质材料连续性，减小了冲击波被阻断引起的局部应力集中现象，因而能大大提高混凝土抗冲击性能和韧性；提高混凝土的抗冻性能［］。
在混凝土中加入纤维，可以缓解温度变化而引起的混凝土内部应力的作用，阻止温度裂缝的扩展；同时，混凝土抗渗能力的提高也有利于其抗冻能力的提高。
其实，在刚性混凝土中加入柔性的聚丙烯纤维能整体提高混凝土工程综合性能，实现混凝土的“刚柔并济”。
近年来以聚丙烯纤维为首的合成纤维得到了快速发展。
1.4.3纤维的发展趋势
（1）积极开发高性能水泥砂浆，提高纤维增强水泥砂浆的工作性能，减少水泥用量，合理的利用工业废渣来代替一部分水泥，减少环境污染。
（2）积极探索新型材料，复合化是提高水泥砂浆性能的一个重要手段，从复合化理论研究来提高水泥砂浆的科学水平，探索水泥、廉价纤维及矿物掺合料的复合。
（3）加强研究手段，试验和理论分析相结合。
新型材料力学性能的研究往往通过试验的方法来研究，造成材料和结构力学分析的脱离。
所以，应该将新型材料应用于结构模型中，进行软件模拟分析，验证试验结果的准确性，正确的推导出理论计算公式以便更好的指导工程应用。
（4）国内外学者研究表明[12-15]，采用纤维复合化途径对水泥砂浆进行性能改善，是水泥砂浆发展的重要方向。
2实验
2.1原材料
水泥：
镇江京阳水泥公司生产的P·Ⅱ52.5硅酸盐水泥。
粉煤灰：
南通某粉煤灰公司供应。
细集料：
江砂，细度模数为2.6～2.8，含泥量为0.8%。
粗集料：
石灰石，粒径5～20mm，连续级配，含泥量为0.7%。
外加剂：
都是由江苏博特新材料有限公司提供的。
萘系高效减水剂
碳纤维：
单丝长度为10mm，在混凝土和砂浆中具有很好的分散性。
拌和用水：
自来水。
2.2混凝土的配合比
胶凝材料总用量480Kg/m3，其中水泥占80%，粉煤灰占20%，砂率以0.38计算；用表观密度法（设为2500Kg/m3）计算。
见表1。
表1混凝土配合比/kg
序号
减水剂及其掺量（w%）
纤维掺量（Vol%）
水泥
粉煤灰
水（水胶比）
砂
石
1
0.8
0
384
96
163.2（0.34）
705.6
1151.2
2
0.8
0.2
384
96
163.2（0.34）
705.6
1151.2
3
0.8
0.4
345
87
163.2（0.34）
705.6
1151.2
2.3抗裂性能的测定
2.3.1凝结时间的测定
分别按水灰比为0.34加入水，并加入不同掺量的纤维，拌制好净浆，其中水泥为384g，粉煤灰为96g，立即一次装进圆模，振动数次后刮平，然后，放入养护箱内。
测定时，从养护箱中取出盛有净浆的圆模，置于试针下，使试针与净浆面接触，拧紧螺丝。
然后突然放松螺丝，让试针自由沉入净浆，观察指针读数。
最初测试时，应轻轻扶持金属棒，使其徐徐下降，以防试会撞弯，测试过程中，圆模不受振动。
自加水时起到试针沉入净浆中距圆模底玻璃板3－5mm时止，所经历的时间为初凝时间。
自加水时起到试针到试针沉入净浆中不超过0.5mm时止，所经历的时间为终凝时间。
2.3.2.抗裂性能的测定
裂缝长度以肉眼可见为准，用钢尺测量长度，近似取裂缝两端直线距离，当裂缝出现明显弯折时，以折线长度之和代表裂缝长度。
用读数显微镜（分度值为0.01mm）测量裂缝宽度，取裂缝长度中点附近的裂宽代表该裂缝的最大裂宽。
读数显微镜是由上海大庆光学仪器厂生产的，型号是：
JC-10，放大倍数是40倍。
2.3.3模具的选用
试验中采用的是我国最新的《混凝土结构耐久性设计与施工指南》中推荐了一个混凝土（砂浆）早期抗裂性试验设计和评价方法。
所用试件的尺寸为600mm×600mm×63mm的平面薄板，边框内设Φ6、间距60mm的双排栓钉，长度分别为50mm和100mm的两种栓钉间隔分布（见图1）[14-15]。
模具底板采用厚度为16mm的复合板，并在底板上铺一层聚乙烯薄膜，防止试件水分从底面蒸发损失。
试验模具如图2-1。
图2-1塑性收缩开裂试验模具
2.4混凝土收缩开裂
2.4.1.裂缝测量和开裂面积的计算
裂缝长度以肉眼可见为准，用钢尺测量长度，近似取裂缝两端直线距离，当裂缝出现明显弯折时，以折线长度之和代表裂缝长度。
用读数显微镜（分度值为0.01mm）测量裂缝宽度，取裂缝长度中点附近的裂宽代表该裂缝的最大裂宽。
按下列公式计算裂缝开裂总面积：
（3-1）
式中：
Acr—试件裂缝名义总面积，mm2；
Wimax—第i条裂缝名义最大裂缝宽度，mm；
ii—第i条裂缝长度，mm。
2.4.2评定标准
按下式计算裂缝降低系数η：
（3-2）
式中：
Amcr—对比用基体板的总开裂面积，mm2；
Afcr—纤维砂浆或纤维混凝土板的总开裂面积，mm2。
2.4.3混凝土（砂浆）裂缝降低系数和防裂效能等级对照表
表3-2混凝土（砂浆）裂缝降低系数和防裂效能等级对照表
防裂效能等级
评定标准
一级
η≥0.85
二级
0.70≤η＜0.85
三级
0.50≤η＜0.70
3实验结果
3.1凝结时间和坍落度结果分析
凝结时间和混凝土坍落度见表3-1。
编号
坍落度（mm）
凝结时间（h:
min）
Initialsetting
Finalsetting
1
180
3:
40
5:
26
2
170
3:
42
5:
35
3
140
3:
50
5:
48
图表3-1是加入纤维后的混凝土的坍落度和凝结时间值，由表可知随着纤维参量的增加坍落度是减小的，由于纤维的加入阻碍了混凝土的流动从而导致混凝土的坍落度降低。
由表可知混凝土的凝结时间是随着纤维参量的增加而增加的，由于纤维的增加相邻之间的距离减小，水泥的干缩率减小，所以凝结时间变长。
3.2裂缝的长度和宽度值及计算结果
裂缝的长度和宽度值及计算结果见表3-3。
表3-3裂缝的长度和宽度值及计算结果
编号
裂缝数目（条）
最大裂缝长度（cm）
最大裂缝宽度（mm）
总的开裂面积（mm2）
裂缝降低系数（η）
防裂效能等级
1
12
25.0
0.429
326.9
/
/
2
11
6.8
0.228
63.5
0.81
二级
3
7
3.4
0.071
13.8
0.96
一级
表3-3是混凝土裂缝的长度和宽度值，由表3-3数据分析可得随着纤维参量的增加裂缝数是不断减少的，裂缝的长度和宽度也是不断减小的，裂缝的总面积也是不断减小的，混凝土的裂缝降低系数是不断的增加的，能够提升防裂效应。
由于纤维的参入使混凝土内部能构成一种均匀的乱向支撑体系，从而对宏观裂缝起到阻裂作用。
4结论
本文通过对不同水灰比及不同掺量的纤维净浆和砂浆的试验研究，可以得出以下结论：
（1）当水灰比不变时，纤维的参量从0增加到0.4%时，混凝土的凝结时间是增加的。
（2）纤维的参量从0增加到0.4%时，混凝土的坍落度是不断减小的。
（3）随着纤维参量的不断增加，混凝土的防裂效能等级由原来的没级改变成一级效能，增加了混凝土的收缩性。
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