摘要:采用平板限制收縮試驗法,研究了聚丙烯纖維、鋼纖維與膨脹劑及其復合技術對大摻量礦物摻合料混凝土早期塑性收縮開裂的影響。結果表明,大摻量礦物摻合料混凝土的早期抗裂性大小順序為:纖維增強高性能膨脹混凝土> 纖維增強高性能混凝土> 混雜纖維增強高性能混凝土> 混雜纖維增強高性能膨脹混凝土> 高性能膨脹混凝土。因此,采用膨脹劑與鋼纖維的復合技術是防止混凝土發生塑性收縮開裂的比較理想的技術措施。
關鍵詞:高性能混凝土;大摻量礦物摻合料;塑性收縮
中圖分類號:TU528.572 文獻標識碼:A 文章編號:1006 - 8996(2006) 06 - 0044 - 04
混凝土的開裂必將加速在耐久性實驗過程中混凝土的劣化進程,從而引起結構耐久性的降低[1 ,2 ] 。混凝土的早期塑性收縮開裂是指混凝土在塑性階段由于各種收縮產生的裂縫。目前,一方面混凝土的早期塑性收縮與開裂問題的研究已經越來越受到人們的關注;另一方面,為滿足混凝土耐久性與強度要求,實現水泥混凝土行業和社會的可持續發展,大摻量礦物摻合料混凝土越來越多地被應用到實際工程中。但是,針對大摻量礦物摻合料混凝土的早期塑性收縮開裂的研究報道比較少見。本文應用測定早期塑性收縮開裂的約束平板試驗法,研究了纖維與膨脹劑、纖維混雜技術及其與膨脹劑的復合技術對大摻量礦物摻合料混凝土早期塑性收縮開裂的影響。
1 實驗
1.1 原材料與配合比
1.1.1 原材料 ①采用江蘇嘉新京陽水泥廠生產的P. Ⅱ52.5R 硅酸鹽水泥; ②鎮江產風選Ⅰ級粉煤灰(Fly ash ,FA) ,細度6.8 % ,含水率0.04 % ,燒失量2.04 % ,需水量比93 % ,SO3 含量1.22 %; ③江蘇江南粉磨公司的S95 級磨細礦渣(Slag ,SG) ; ④江蘇省建筑科學研究院生產的礦物摻和料(X粉) ; ⑤安徽巢湖速凝劑總廠生產的AEA 鋁酸鹽混凝土膨脹劑; ⑥南京產黃砂,表觀密度2 680 kg/m3 ,堆積密度1 570 kg/m3 ,含泥量2.5 % ,細度模數1.8 ,屬于Ⅲ區級配,細砂; ⑦南京六合產玄武巖碎石,最大粒徑13 mm ,表觀密度2 820 kg/m3 ,堆積密度1 435 kg/m3 ,含泥量0.3 % ,針片狀顆粒含量11.4 % ,壓碎指標6 % ,基本屬于5～10mm 連續級配; ⑧上海華登外加劑廠生產的HP400R 型聚羧酸緩凝高效減水劑,該外加劑為液體,減水率30 %以上,無氯離子,堿含量小于減水劑干重的1 %; ⑨江蘇省建筑科學研究院生產的液體JM- 2 000c高效引氣劑,推薦摻量為0. 5～1.0/104 ; ⑩常州市天怡工程纖維有限公司生產的束狀單絲聚丙烯纖維,密度0.91 g/m3 ,長度19 mm ,直徑0.048 mm ,彈性模量≥3.5 GPa ; lv北京海達工順科技有限公司生產的工順牌GS - 2005 - 3 啞鈴型鋼纖維,長度20 mm ,等效直徑0.45 mm ,長徑比44.4 ,彈性模量200 Gpa 。以上原材料化學成分見表1。
1.1.2 配合比 表2 是實驗設計的6 組混凝土的配合比。混凝土分別是大摻量礦物摻合料的聚丙烯纖維或鋼纖維增強高性能混凝土(D9、D12) 、大摻量礦物摻合料的混雜纖維增強高性能混凝土(D14) 、大摻量礦物摻合料的高性能膨脹混凝土(D8) 、大摻量礦物摻合料的聚丙烯纖維或鋼纖維增強高性能膨脹混凝土(D18、D20) 及大摻量礦物摻合料的混雜纖維增強高性能膨脹混凝土(D21) 。控制混凝土的坍落度在130～220 mm范圍內。
1.2 實驗與測試方法
1.2.1 約束平板模具 參考中國工程院水利與建筑學部《混凝土結構耐久性設計與施工指南》[3] 中,日本笠井芳夫教授提出的設計方法,本實驗的試件尺寸為600 mm ×600 mm ×63 mm ,用于澆注試件的鋼制模具見圖1a 。模具的四邊用æ63 mm ×6.3 mm 的等邊角鋼制成,四邊與底板通過螺栓固定在一起,以提高模具的剛度;在模具每個邊上用雙螺帽固定下排7 個Φ6 ×100 mm螺栓和上排7 個Φ6 ×50 mm 螺栓。兩排螺栓相互交錯,便于澆筑的混凝土填充密實。在模具底板的表面鋪上低摩阻的聚四氟乙烯薄膜。
1.2.2 混凝土攪拌與試件制作 采用強制攪拌機進行攪拌,投料和攪拌順序為:先加膠凝材料和砂、石,同時撒入聚丙烯纖維或鋼纖維,干拌1 min ,再加入混有高效減水劑和高效引氣劑的水,濕拌3～5min。對于摻加混雜纖維的混凝土,聚丙烯纖維在干拌時加入,鋼纖維在濕拌過程中均勻撒入。攪拌均勻后出料,測定混凝土混合料的坍落度和擴展度。
試件澆注、振實、抹平后,放入觀測環境,控制環境溫度(28 ℃) 和相對濕度(50 %) ,混凝土表面的溫度為35 ℃,用風速儀測量平行試件表面方向的風扇風速為3.2 m/s ,詳見圖1b。
1.2.3 裂縫觀測與數據處理方法 記錄觀察到的試件表面出現每條裂縫的時間。當試件表面出現貫穿裂縫后很少會再有新的裂縫出現,這時每1 h 觀察一次,直到24 h 觀察結束,再仔細觀測所有裂縫數量與總長、裂縫的最大寬度。裂縫長度以肉眼可見為準,用鋼尺測量長度,近似取裂縫兩端直線距離,當裂縫出現明顯彎折時,以折線長度之和代表裂縫長度。裂縫寬度用精度0.02 mm 的讀數顯微鏡測量,取裂縫最寬處的寬度代表該裂縫的裂寬。
根據觀測結果,分別計算不同配合比混凝土的總裂開面積A(單位mm2 ) 和單根裂縫的平均開裂面積a (單位mm2/根) ,計算公式如下
式中,wi 為第i 根裂縫的最大寬度,mm; li 為第i 根裂縫的長度,mm; N 為總裂縫數目,根。
2 結果與討論
2.1 單摻纖維和膨脹劑對大摻量礦物摻合料的高性能混凝土早期塑性收縮開裂的影響
圖2 是單摻聚丙烯纖維(D9) 、鋼纖維(D12) 和膨脹劑(D8) 的大摻量礦物摻合料高性能混凝土的總裂開面積和單根裂縫的平均開裂面積。結果表明,D9 的早期塑性收縮抗裂性優于D12 和D8。單摻0.1 %的聚丙烯纖維可使混凝土早期塑性收縮開裂的裂縫細化,其提高混凝土抗裂性的機理是:在混凝土塑性階段,聚丙烯纖維在混凝土中亂向分布,降低了表面泌水和集料的離析[4 ,5 ] ,收縮應力和能量被分散到纖維上,有效削弱了塑性收縮應力,緩和了裂縫尖端的應力集中程度[6 ] ,從而阻止了裂縫的進一步擴展,減小了裂縫的尺寸。
圖2 還表明,單摻10 %膨脹劑的混凝土D8 的開裂程度最高,單摻0.8 %鋼纖維的混凝土D12 的開裂程度介于D9 和D8 之間,這可能與膨脹劑還未充分水化形成膨脹性的鈣礬石有關。因此,同單摻0.1 % 聚丙烯纖維相比,單摻10 % 膨脹劑的抑制混凝土塑性收縮開裂的能力是有限的。
2.2 混雜纖維、膨脹劑與纖維或混雜纖維的復合技術對大摻量礦物摻合料高性能混凝土的早期塑性收縮開裂的影響
圖3 是摻加混雜纖維(0.1 %聚丙烯纖維+ 0.7 %鋼纖維) 、復合摻加(10 %膨脹劑+ 0.1 %聚丙烯纖維) 、復合摻加(10 %膨脹劑+ 0.8 %鋼纖維) ,以及復合摻加(10 %膨脹劑+ 0.8 %混雜纖維) 的大摻量礦物摻合料高性能混凝土的總裂開面積和單根裂縫的平均開裂面積。混凝土的編號分別是D14、D18、D20和D21。由圖3 可知,D20 的早期塑性收縮抗裂性最好,說明不僅膨脹劑已經充分地發揮了補償收縮的作用,而且鋼纖維同時發揮了有效的限縮與止裂作用。此外,D14 的早期抗裂性優于D21 ,再次說明膨脹劑受環境條件等的限制,其膨脹作用很不穩定。復摻膨脹劑與聚丙烯纖維的D18 ,由于水膠比較大,其早期塑性收縮開裂程度最嚴重。
2.3 幾種大摻量礦物摻合料高性能混凝土早期抗裂性的比較圖4 是D9、D12、D14、D8、D18、D20 及D21 的總裂開面積。由圖4 可知,綜合評價大摻量礦物摻合料的早期塑性收縮的抗裂性能,復合摻加(10 %膨脹劑+ 0.8 %鋼纖維) 的D20 最優,其次是單摻0.1 %聚丙烯纖維的D9、單摻0.8 %鋼纖維的D12 以及摻加0.8 %混雜纖維(0.1 %聚丙烯纖維+ 0.7 %鋼纖維) 的D14 ,再次是復合摻加(10 %膨脹劑+ 0.8 %混雜纖維) 的D21。本實驗條件下,單摻10 %膨脹劑的D8 以及復合摻加(10 %膨脹劑+ 0.1 %聚丙烯纖維) 的D18 的開裂程度比較嚴重。
3 結論
(1) 單摻0.1 %聚丙烯纖維或0.8 %鋼纖維能顯著改善大摻量礦物摻合料高性能混凝土的早期塑性收縮的抗裂性。
(2) 摻加(0.1 %聚丙烯纖維+ 0.7 %鋼纖維) 的混雜纖維及其與10 %膨脹劑的復合措施,對抑制大摻量礦物摻合料高性能混凝土的早期塑性收縮開裂的比較顯著。
(3) 采用摻加(10 %膨脹劑+ 0.8 %鋼纖維) 的復合技術,是大摻量礦物摻合料高性能混凝土的最佳抗裂技術路線。但是,采用復合摻加膨脹劑與混雜纖維的技術路線,對于大摻量礦物摻合料混凝土的早期塑性收縮抗裂性能的影響很不穩定,需進一步研究。
參考文獻:
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