鳞片改性对混凝土细观抗裂性能影响的试验研究<sup>*</sup>

自水泥材料问世以来，混凝土作为建筑材料在工程中运用越来越广泛。然而，混凝土是一种复杂的多相复合材料：在肉眼可见的范围内，可以把混凝土看成为骨料与基质两相材料组成，然而肉眼可见的两相材料并不是均匀分布的，在粗集料附近，骨料周边10～50 μm厚度还存在一个界面过渡区，界面过渡区通常比水泥基和骨料更薄弱，因此该结构对混凝土力学性能的影响远比其尺寸产生的影响大得多[1]；其次，三相中的每一相本身也是多相的，骨料本身就含有裂缝和孔隙，还可能含有多种矿物，水泥浆体和界面过渡区两者一般也都含有不均匀分布的、不同类型的固相、孔隙与微裂缝。可见，混凝土是一个由不同尺度结构组成，并伴有不同尺度的空隙和裂缝的复合结构。

目前工程中常在混凝土中添加纤维来限制裂缝的开展，提高混凝土的抗裂能力，常用的有钢纤维[2]、碳纤维[3]、玻璃纤维、聚丙烯[4-5]和聚乙烯醇纤维[6-7]等，能有效提高混凝土抗裂性能和韧性，但是纤维由于自身尺寸限制，主要对毫米级的裂缝有限制作用，对于混凝土中更细小的裂缝限制效果有限，由此可以通过在混凝土中添加微米级阻裂材料限制混凝土微米级裂缝的发展，从更微观的尺度提高混凝土的抗裂性能。

鳞片材料为某些无机化合物经物理或化学方法处理后，成为一定粒径和厚度的薄片，常见的有玻璃鳞片、玄武岩鳞片、石墨鳞片、锌铝合金鳞片、不锈钢鳞片以及云母鳞片等，鳞片材料呈片状，一般片径为20 μm～2 mm，厚度在2～5 μm之间，具有良好的机械和力学性能。其中玻璃鳞片材料广泛应用于涂料行业[8-9]，能较好地提高涂料的抗冲击性能、抗渗透性和耐磨性能，相对于其他鳞片材料而言，玄武岩鳞片和混凝土具有较高的黏结性能，玄武岩中铁氧化物、氧化铝含量较高，而碱性氧化物则较少，具有更好的耐酸碱性。娄建立通过试验证明鳞片可以改善水泥砂浆机械强度、表面硬度、耐磨性和抗介质渗透性，还可以吸收一部分水泥砂浆在水化或干燥时产生的内应力[10]。基于纤维改性混凝土的思路和成果，本文设计在混凝土中添加不同规格和不同类型的鳞片材料，研究其对混凝土早期抗裂性能、力学性能以及断裂过程的抗裂性能的影响，为采用多种纤维和材料改性混凝土抗裂性能的研究提供新的思路。

1 试验设计

1.1 试验材料

鳞片选择玻璃鳞片和玄武岩鳞片两种，三个规格，根据厂家提供数据和实测的结果，鳞片参数见表1。

混凝土设计强度等级C30，水胶比为0.48。胶凝材料采用普通硅酸盐水泥；骨料采用中砂，粒径为5～20 mm连续级配的石子；采用粉煤灰作为外加剂，粉煤灰掺量采用等量取代法，取代量为17%；鳞片掺量为鳞片与胶凝材料的质量比，分别设置了5%、15%、25%三种掺量。

设计了6种混凝土配合比，具体配合比设计见表2。

1.2 试验设计

基于上述6种混凝土配合比设计了3种试验：平板试验、抗折试验和声发射试验。其中平板试验和声发射试验用试件每组各1个，抗折试验用试件每组3个。试件编号见表3。

注：PB表示平板试验；SS表示声发射试验；KZ表示抗折试验。KZi-j：i为混凝土配合比号;j为同组试件编号。

平板试验试件为800 mm×600 mm×100 mm的平面薄板型试件，试件浇筑在钢制模具中，模具四边由槽钢焊接而成，并用螺栓将四边与底板固定在一起，在模具内平行于短边方向设置7根裂缝诱导器，底板为不小于5 mm厚的硬板，并在底板表面铺设聚乙烯薄膜隔离层，模具如图1所示。

平板浇筑0.5 h后送入养护室(图2)，在环境温度在(20±2)℃，相对湿度为(60±5)%的恒温、湿室中养护。从混凝土搅拌加水开始，到24 h后测读裂缝，统计24 h后平板开裂裂缝数量和宽度，计算试件总开裂面积[11]。

抗折试验依据GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》[12]进行，试验装置为浙江辰鑫机械设备有限公司生产的300 kN数显压力试验机(YES-300)，试件大小依据GB/T 50081—2002取150 mm×150 mm×550 mm，加载速率控制在1.125～1.8 kN/s。具体试验过程见图3。

1.2.3 声发射试验

材料中局部区域应力集中，快速释放能量并产生瞬态弹性波的现象称为声发射，材料在应力作用下的变形与裂纹扩展，是结构失效的重要机制。这种直接与变形和断裂机制有关的源，被称为声发射源。利用这种“应力波发射”进行无损检测，具有其他无损检测方法无法替代的效果[13-18]。

试验采用的声发射仪器为北京声华兴业科技有限公司生产的SAEU2S 5通道声发射检测仪，传感器为5个谐振频率为150 kHz的压电换能器，信号经前置放大器增益40 dB，参数门限设置为40 dB，单个通道最大采样率10 M点/s[19]。用凡士林将5个传感器与梁相应测点耦合在一起，分别布置在距梁中心界面100 mm处，如图4所示。抗弯试件尺寸为515 mm×100 mm×100 mm，试件在养护26 d后，在中间位置切一个50 mm深的开口。声发射试验加载装置为300 kN液压万能试验机(WE-30)，可实现恒定位移速度加载，本试验设置加载速度为0.05 mm/min。

声发射传感器接收到的信号是各种机制破坏信号的重叠。由于同一破坏机制产生的声发射信号特征具有相似的特性，如持续时间、振幅和振铃数[20-22]等。因此可以根据声发射信号特征区分不同破坏模式。通过记录试件养护28 d后在加载破坏过程中产生的声发射信号，根据信号特征的不同筛选出不同尺度破坏的声发射信号，分析不同尺度破坏随加载进程的变化趋势评价不同组混凝土试件的抗裂性能。

2 试验结果及分析

2.1 平板试验

通过平板试验得到的平板开裂面积见表4。当掺量不同时，掺入玻璃鳞片G80的平板试件开裂面积随掺量的变化趋势如图5所示。可知：平板开裂面积随着鳞片掺量的提高，开裂面积逐渐减小，如试件PB2、PB3、PB4，当鳞片掺量为5%、15%、25%时，开裂总面积相比基准混凝土分别减少了35%、75%、94%，有近似线性的提升效果，说明鳞片材料对早期裂缝有一定的抑制效果，随着掺量的增加，抗裂效果逐渐提升，但随着鳞片掺量的增加，新拌混凝土的工作性能会下降，混凝土坍落度较小，不易拌和。根据测试分析结果，鳞片掺量的质量比在20%左右较好。

比较相同掺量但鳞片规格不同时的效果(表4)可以看出：粒径不同的鳞片影响不显著，如PB3和PB5为相同掺量不同粒径的玻璃鳞片，其中过80目筛径(180 μm)的玻璃鳞片平板试件裂缝开裂面积比对照组减少了约75%，而掺过200目筛径(75 μm)的玻璃鳞片相比对照组开裂面积减少了约81%，裂缝阻裂效果略优，但相差不大，没有明显影响。

PB5和PB6分别为掺加过200目筛径(75 μm)的玻璃鳞片和玄武岩鳞片且掺量相同，比较不同类型鳞片的影响效果(表4)可知，两种试件的开裂面积分别比对照组开裂面积减少了约81%和83%，说明玄武岩鳞片抵抗早期抗裂性能略优于玻璃鳞片，但这种影响差别很小。

综合上述结果，鳞片对混凝土初期开裂影响的程度受掺量影响最大，且存在最佳掺量范围。而粒径的大小或者规格、鳞片类型的影响不显著。

2.2 抗折试验

通过抗折试验得到不同配比试件的抗折强度，如表5所示，其中各组强度值均取3个试件的平均值。

图6为掺量与抗折强度的柱状关系。从表5、图6可知：掺加不同种类、不同掺量的鳞片对混凝土抗折强度都有一定的提升；比较KZ2到KZ4组试件的抗折强度，即掺加了5%和25%掺量的玻璃鳞片，相比素混凝土强度提升22%。可见掺加较大粒径(180 μm)鳞片对抗折强度有一定的提升效果，但掺量不同时，这种影响变化不大。

对比KZ3、KZ5组结果(表5)可见：相同掺量(15%)下，粒径小的鳞片(75 μm)比粒径大(180 μm)时增强效果好，抗折强度提升了16%。而对比KZ5、KZ6组结果可知：相同掺量和粒径下，玄武岩鳞片对抗折强度的增强效果优于玻璃鳞片，这主要是因为玄武岩鳞片的抗碱性能好于玻璃鳞片。

综上所述，在本文参数范围内，不同鳞片掺量对抗折强度的提升影响不明显。粒径小的鳞片(75 μm)比粒径大(180 μm)时增强效果好。掺了玄武岩鳞片的效果优于玻璃鳞片的效果。

2.3 声发射试验

采用声发射仪器采集抗弯试件断裂全过程产生的声信号，根据声信号持续时间等特征筛选出混凝土内不同特征的数量级裂缝产生发出的声信号[14]。已有研究表明：混凝土中不同尺度裂缝产生时，其裂缝形成机制的信号对应混凝土内微观裂缝形式信号，其特征如表6所示。

鳞片在混凝土的裂缝发展过程中，主要作用是阻止在集料与水泥基体界面开裂及开裂后的细观微裂缝扩展，具体见表6中的第3到第5种机制的描述。根据各机制的不同，将混凝土中的各种裂缝机制按照尺度的不同，分为微观开裂、细观开裂和宏观开裂三类。其中，微观开裂主要包括混凝土内初始缺陷和孔隙的开裂、聚合以及由此引发的微观裂纹扩展，尺寸大多为纳米层次；细观开裂包括集料与基质界面的开裂以及细观裂缝扩展，为微米层次；宏观开裂为细观裂缝进一步发展汇聚的结果，主要为宏观裂缝的扩展以及粗集料和纤维的断裂，此层次破坏已经肉眼可见，基本为毫米层次。

对6个掺加不同鳞片的试件进行声发射测试，统计分类后不同试件的声发射信号结果见表7。SS2到SS6试件的各类开裂过程的声信号见图7。

由表7可知，掺加鳞片后各类开裂的总数都有不同程度的上升(SS3试件有异常，以下分析中不考虑)。在开裂总数提高的情况下，微观开裂的数量减少，细观开裂的数量大幅增加，宏观开裂的发生占比略有增加，但基本不变，见图8。证明了鳞片的掺加能提高混凝土在细观层次的抗裂能力，通过细观开裂发生数量的提升，扩大细观断裂面积，增加断裂耗能，提升混凝土结构的细观抗裂能力。

基于表7和图8的规律表明：随着鳞片掺量的增加，鳞片改性的混凝土细观开裂的数量增加，微观开裂的数量减少，而宏观开裂数量基本不变。不同种类的鳞片，在掺量相同时基本的开裂规律一致。从总体开裂数量上看，SS6与SS5相比，三种开裂的占比基本相同，但总开裂数量增加了1倍，说明玄武岩鳞片的效果明显高于玻璃鳞片的效果。

3 结束语

在混凝土中掺加不同数量的鳞片，可以改善混凝土的抗裂性能。试验结果表明：

1)随着鳞片掺量的提升，混凝土的平板抗裂面积减小，早期抗裂性能得到改善。

2)随着鳞片掺量的增加，混凝土的抗折强度有一定程度的提升。

3)鳞片改性混凝土的主要原理是增加混凝土中细观抗裂的数量，增加细观层次的耗能，从而提高混凝土的抗裂能力。

4)玄武岩鳞片对混凝土的抗裂改性效果总体上优于玻璃鳞片的效果。

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鳞片改性对混凝土细观抗裂性能影响的试验研究*