聚丙烯纖維增強(qiáng)自密實(shí)混凝土的力學(xué)與抗裂抗?jié)B性研究

    0 引言

  自密實(shí)混凝土是指即使在密集配筋條件下,僅靠混凝土自重?zé)o需振搗便能均勻密實(shí)成型的高性能混凝土,能解決傳統(tǒng)混凝土施工的漏振、過振以及鋼筋密集難以振搗等問題,可用它成型普通混凝土難以實(shí)現(xiàn)的形狀復(fù)雜、振搗困難的薄壁結(jié)構(gòu),且施工自動(dòng)化程度高,能提高混凝土的施工效率、縮短工期。

  為克服混凝土抗拉強(qiáng)度較低、易開裂的缺陷,人們研究和應(yīng)用了各類纖維增強(qiáng)混凝土。纖維增強(qiáng)混凝土可以看作是混凝土與相對較短的、離散的、不連續(xù)纖維的復(fù)合體。雖然混凝土的強(qiáng)度可能因纖維的摻入而適度地增加,但纖維的摻入不是以提高混凝土的強(qiáng)度為主要目的,而是通過硬化混凝土內(nèi)纖維的交錯(cuò)橋接作用,改善混凝土的韌性和抗沖擊性,控制混凝土的開裂、抑制塑性收縮、提高混凝土的抗裂抗?jié)B性,進(jìn)而達(dá)到更高的防水要求。

  但纖維的加入使新拌混凝土的粘聚性增大、坍落度和流動(dòng)度下降,和易性受到影響,而良好的和易性與免振自流平性是自密實(shí)混凝土最突出的特點(diǎn)。解決上述矛盾,將自密實(shí)和纖維增強(qiáng)兩種混凝土技術(shù)很好地結(jié)合起來,對更好地將混凝土應(yīng)用于特殊工況、抗?jié)B抗裂要求較高的工程或修復(fù)工程有著重要意義。因此,本文著重研究不同聚丙烯纖維摻量下自密實(shí)混凝土的配制方法及纖維對自密實(shí)混凝土力學(xué)與抗裂抗?jié)B性的影響。

  1 試驗(yàn)研究

  1.1  原材料

水泥(C):42.5普通硅酸鹽水泥,28 d抗壓強(qiáng)度為46.3 MPa。

細(xì)集料:湖南湘江河砂,中砂,細(xì)度模數(shù)為2.7,Ⅱ區(qū)級配合格。

粗集料:湖南長沙市郊產(chǎn)5~20 mm石灰石碎石.壓碎指標(biāo)為7.8%。

摻合料:粉煤灰為湖南湘潭電廠I級粉煤灰,燒失量為3.5%,比表面積為5 400 c㎡/g;磨細(xì)礦
渣來自萍鄉(xiāng)鋼鐵廠,比表面積為4200 c㎡/g,燒失量為3.5%。

高效減水劑:上?;ㄍ趸瘜W(xué)有限公司生產(chǎn)的聚羧酸鹽高效減水劑。

纖維:聚丙烯纖維.長度19 mm,主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1聚丙烯纖維的性能指標(biāo)

  1.2混凝土配合比

  自密實(shí)高性能混凝土基準(zhǔn)配比:水膠比0.30,膠凝材料用量500 kg/m3.其中粉煤灰占膠凝材料的15%,磨細(xì)礦渣占膠凝材料的30%,砂率45%,細(xì)集料。765 kg/m3,粗集料935 kg/m3,高效減水劑為膠凝材料用量的O.8%~1.2%。在保持以上配比的基礎(chǔ)上改變聚丙烯纖維的摻量,分別為0、0.6、0.9、1.2、1.8、2.4 kg/m3。 

  1.3混凝土拌合方法

  先將纖維與砂、石、水泥干拌1.5 min,再加水濕拌,使纖維均勻分布于混凝土中,全部攪拌時(shí)間較拌制普通混凝土延長1~2min。

  1.4試驗(yàn)方法

  1.4.1新拌混凝土自密實(shí)性檢測

  新拌混凝土自密實(shí)性檢測包括:填充性、間隙通過性、抗離析性。填充性采用坍落度筒法測試新拌混凝土坍落度(S)和坍落擴(kuò)展度(SF),并分別于拌合后的l~2 h再測試一次坍落度值,確定坍落度經(jīng)時(shí)損失大小。間隙通過性和抗離析性采用U型儀,潤濕U型儀,將前槽填滿抹平,靜置1 min,提起閘板使混凝土流進(jìn)后槽,當(dāng)停止流動(dòng)后,分別測量前后槽混凝土的高度,計(jì)算填充的高度差△h。當(dāng)新拌混凝土的SF≥550 mm、△h≤30 mm時(shí),則滿足自密實(shí)性的要求。

  1.4.2混凝土抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度、彈性模量試驗(yàn)

  試驗(yàn)按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)進(jìn)行??箟?、劈裂試件尺寸為150mm×l50 mm×150 mm,成型1 d后拆模。放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)到齡期取出測試。彈性模量試驗(yàn)試件尺寸100 mm×l00mm×300 mm,取應(yīng)力為1/3軸心抗壓強(qiáng)度時(shí)的加荷割線模量。

  1.4.3混凝土抗?jié)B性試驗(yàn)

  1.4.3.1  混凝土抗水滲透性試驗(yàn)

  試驗(yàn)采用頂面直徑為175 mm、底面直徑為185mm、高度為150 mm的圓臺體試件,6個(gè)試件為l組。成型24 h拆模,用鋼絲刷刷去兩端面水泥漿膜.送入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)水壓恒定控制為(1.6_+0.05)MPa/24 h,如試件端面出現(xiàn)滲水(此時(shí)滲水高度為試件高度),即停止試驗(yàn)并記錄時(shí)間;端面未出現(xiàn)滲水,則滲水試驗(yàn)24 h后停止,取出試件,沿縱斷面劈裂為兩半,用墨汁描出水痕。用尺沿水痕等間距量測lO點(diǎn)滲水高度值,讀數(shù)精確至lmm。計(jì)算6個(gè)試件滲水高度的算術(shù)平均值。即為該組試件的平均滲水高度。

  1.4.3.2 NT BUILD 492非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移滲透試驗(yàn)

  成型150 mm×150 mm×300 mm試件,鉆芯取直徑(100±1)mm、高度(50±2)mm的圓柱體,養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行測試。測試前,將試件真空處理3 h,注入飽和石灰水后繼續(xù)保持1 h真空,然后試件繼續(xù)浸泡在溶液中(18±2)h(陰極溶液為濃度10%的NaCl,陽極溶液為濃度0.3 M的NaOH。試件外表面浸在陰極溶液中),試驗(yàn)溫度保持在20~25℃。通電測初始電流以確定測試電壓及持續(xù)通電時(shí)間。通電結(jié)束,用自來水沖洗試件,軸向劈開后,噴濃度為0.1 M的AgNO3溶液,約15 min后白色AgCl在劈裂面可見時(shí),從中間至兩邊每間隔10 mm共測量7個(gè)滲透深度,精確到0.1 mm。

  1.4.4混凝土抗裂性試驗(yàn)

  采用平板抗裂性試驗(yàn)方法評價(jià)混凝土的抗裂性能,試件尺寸600 mm×600 mm×63 mm,澆筑后用塑料薄膜覆蓋,初凝后揭去薄膜,用風(fēng)扇吹平板試件,觀察平板表面裂縫的發(fā)展過程。從澆筑起,記錄到24h,以初裂時(shí)間、裂縫長度和寬度、裂縫面積和外觀等作為試件混凝土抗裂性的評價(jià)指標(biāo)。

  2 試驗(yàn)結(jié)果與分析    

  2.1  纖維自密實(shí)混凝土的配制與調(diào)整

  限于篇幅.本文省略纖維增強(qiáng)自密實(shí)混凝土配制與調(diào)整的試驗(yàn)與分析過程,試驗(yàn)結(jié)果表明:隨著自密實(shí)混凝土中纖維摻量的增多,混凝土的工作性降低進(jìn)而失去自密實(shí)性,但通過調(diào)整各組分配比,在滿足強(qiáng)度要求的前提下,可使纖維摻量較多的新拌混凝土重新達(dá)到白密實(shí)性,實(shí)現(xiàn)自密實(shí)與纖維增強(qiáng)兩種混凝土技術(shù)的結(jié)合。而且在實(shí)際配制過程中,幾種措施可以結(jié)合起來從而滿足自密實(shí)性與纖維增強(qiáng)的要求。

  2.2聚丙烯纖維對混凝土力學(xué)性能的影響

  通過調(diào)整高效減水劑的用量,使各纖維摻量的新拌混凝土達(dá)到自密實(shí)性。試驗(yàn)結(jié)果表明:隨著纖維摻量的增加,混凝土3 d、7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度呈大致相同的變化趨勢:當(dāng)聚丙烯纖維摻量較低時(shí)(小于0.6 kg/m3),混凝土的抗壓強(qiáng)度略有提高;聚丙烯纖維摻量較高時(shí),混凝土抗壓強(qiáng)度略有降低??傊w維摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響不大。劈裂抗拉強(qiáng)度隨著纖維的增多而逐漸提高,但當(dāng)大于1.2 kg/m3時(shí),混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度變化趨于平緩?;炷翉椥阅A縿t隨聚丙烯纖維摻量的增加呈下降趨勢。

  聚丙烯纖維對混凝土力學(xué)性能的影響源于其阻裂效應(yīng)和弱界面效應(yīng)的共同作用。阻裂效應(yīng)是指分散的纖維減緩粗集料的下沉和水的上升,從而阻礙沉降裂縫的形成,控制混凝土硬化初期由于離析、泌水收縮等因素形成的原生裂隙并減小其數(shù)量和尺度,這對混凝土后期力學(xué)性能是有利的。弱界面效應(yīng)是由于聚丙烯纖維細(xì)度高、比表面積大、不親水,使混凝土中形成大量纖維一混凝土基體界面,該界面具有比基材更高的水灰比,導(dǎo)致混凝土孔隙率增大.對混凝土力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。隨著纖維摻量的增加,纖維在混凝土基體的均勻分散性變差,弱界面效應(yīng)變得更明顯。因此試驗(yàn)中纖維摻量較低時(shí)(小于0.6 kg/m3),纖維的阻裂效應(yīng)大于弱界面效應(yīng),使得混凝土的抗壓強(qiáng)度略有提高。當(dāng)纖維摻量較高,尤其是大于1.2 kg/m3時(shí),纖維對混凝土的弱界面效應(yīng)大于阻裂效應(yīng)。使得抗壓強(qiáng)度有所降低。由于纖維的阻裂橋接交錯(cuò)作用,劈裂抗拉強(qiáng)度呈上升趨勢,但當(dāng)纖維摻量大于1.2 kg/m3時(shí),纖維對混凝土抗劈裂強(qiáng)度的阻裂效應(yīng)與弱界面效應(yīng)相當(dāng).此時(shí)混凝土的抗拉強(qiáng)度沒有得到相應(yīng)的增加而呈平緩的變化趨勢。

  2.3  纖維對混凝土抗裂抗?jié)B性的影響

  試驗(yàn)表明:隨著纖維摻量的增加,混凝土的抗裂性增強(qiáng),出現(xiàn)裂縫的時(shí)間變晚,裂縫變少且變細(xì)。當(dāng)纖維摻量在1.2 kg/m3時(shí).裂縫面積僅為未摻加纖維混凝土的4.4%,且沒有出現(xiàn)大于lmm的裂縫(見表2)???jié)B試驗(yàn)中(表3),混凝土的滲水高度隨著纖維摻量的增加而降低,說明混凝土的抗?jié)B透性得到了增強(qiáng)。但當(dāng)纖維摻量大于1.8 kg/m3時(shí),滲水高度反而逐漸增大?;炷恋目?jié)B透性呈下降趨勢?;炷恋穆入x子滲透系數(shù)也呈大致相同的變化趨勢,這說明抗氯離子滲透與抗水滲透試驗(yàn)具有較好的相關(guān)性。但在混凝土氯離子滲透試驗(yàn)中,纖維摻量為0.9 kg/m3的混凝土抗氯離子滲透性最好,隨著纖維摻量的進(jìn)一步增加,氯離子滲透系數(shù)逐步提高;當(dāng)纖維摻量為2.4kg/m3時(shí),氯離子滲透系數(shù)反而高于未摻纖維的混凝土。從表3中也可看出,混凝土氯離子滲透試驗(yàn)較抗水滲透試驗(yàn)對于纖維摻量的變化更敏感。

表2纖維自密實(shí)混凝土抗裂性試驗(yàn)結(jié)果

表3纖維自密實(shí)混凝土抗?jié)B性試驗(yàn)結(jié)果

  剛澆筑的混凝土表面水分大量蒸發(fā),尤其在烈日照射或大風(fēng)吹刮下,表面水分蒸發(fā)更為快速.使得表面產(chǎn)生收縮,但由于受到內(nèi)層混凝土的限制而使表面混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力,而處于塑性狀態(tài)與硬化初期階段的混凝土尚未具有足夠的強(qiáng)度抵抗該拉應(yīng)力.故表在的工況下,纖維的最佳摻量范圍為0.9~1.2 kg/m3;在有氯離子遷移滲透的工況下,纖維的最佳摻量范圍為0.6~0.9 kg/m3。

  面極易產(chǎn)生大量不規(guī)則無固定取向的裂縫。若在混凝土中摻加適量非常細(xì)的聚丙烯纖維,每m3混凝土中均勻散布3 000萬~6 000萬根纖維,就可以在混凝土基體中形成均勻分布的三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu),增強(qiáng)混凝土抵抗因收縮而產(chǎn)生微裂縫的能力,從而抑制裂縫的生成與發(fā)展,使纖維自密實(shí)混凝土的抗裂性得到大幅增強(qiáng)。纖維自密實(shí)混凝土中由于纖維能減少水泥漿與集料的離析傾向,提高整體的均勻性,減少內(nèi)部裂縫和滲水通道,短纖維的三維亂向分布阻斷混凝土內(nèi)的毛細(xì)作用,因此可以提高混凝土的抗?jié)B性能【6。對于水滲透和氯離子滲透性試驗(yàn),當(dāng)纖維摻量分別大于1.8 kg/m3和0.9 kg/m3時(shí),抗?jié)B透性呈下降趨勢。這主要是隨著纖維摻量的增加,纖維分散不均勻,與混凝土基體形成更多的泌水區(qū),這些泌水區(qū)水灰比較大,從而形成更多的微裂縫和離子進(jìn)入通道;同時(shí),更多的纖維使混凝土工作性下降,在不振搗的情況下,混凝土硬化后密實(shí)性降低、弱界面增多,導(dǎo)致混凝土的抗?jié)B性下降。因此,對于抗?jié)B性來說,聚丙烯纖維摻量不是越大越好。至于為什么水滲透試驗(yàn)比氯離子滲透性試驗(yàn)所得出的最佳纖維摻量要大,主要是由于水滲透試驗(yàn)所施加的應(yīng)力有利于激發(fā)纖維對混凝土基體的阻裂和增強(qiáng)效應(yīng),導(dǎo)致最佳摻量偏大。這也得出不同工況下聚丙烯纖維的最佳摻量范圍:在有壓力水存在的工況下,如排水管道、防水屋面等,纖維的最佳摻量范圍為0.9~1.2 kg/m3;在有氯離子滲透的工況下.如海洋平臺、碼頭、港口等,纖維的最佳摻量范圍為0.6~0.9 kg/m3。

  3 結(jié)語

  1)在滿足混凝土強(qiáng)度等級的前提下,通過調(diào)整砂率、增加膠凝材料用量、增加用水量、減小骨料最大粒徑、增加高效減水劑用量等措施相結(jié)合將聚丙烯纖維增強(qiáng)與自密實(shí)兩種看似矛盾的混凝土技術(shù)很好地結(jié)合起來.這對于將混凝土更好地利用在特殊工況、不易振搗、抗?jié)B抗裂要求較高的工程或修復(fù)工程等有著重要意義。

  2)聚丙烯纖維對混凝土力學(xué)性能的影響源于其阻裂效應(yīng)和弱界面效應(yīng)的共同作用。本試驗(yàn)表明,聚丙烯纖維摻量較低時(shí),纖維的摻入對自密實(shí)混凝土的力學(xué)性能沒有明顯影響;當(dāng)摻量較高(大于1.8 kg/m3)時(shí),對自密實(shí)混凝土的力學(xué)性能產(chǎn)生不良影響。

  3)聚丙烯纖維可大幅度提高自密實(shí)混凝土的抗裂性能,摻量越大,抗裂性越高。

  4)聚丙烯纖維在適量摻量下,能提高自密實(shí)混凝土的抗?jié)B性,但摻量過大時(shí)抗?jié)B性呈下降趨勢。通過試驗(yàn)還得出了不同工況下聚丙烯纖維的最佳摻量范圍:在有壓力水存。


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2024-12-24 09:09:10