摘要: 采用平板限制收縮試驗(yàn)法, 研究了減水劑與膨脹劑及其復(fù)合技術(shù)對(duì)聚丙烯纖維增強(qiáng)高性能混凝土的早期抗裂性的影響。結(jié)果表明, 聚丙烯纖維增強(qiáng)高性能混凝土的早期抗裂性大小順序?yàn)? U EA -N 混凝土膨脹劑與聚羧酸高效減水劑復(fù)合的纖維增強(qiáng)高性能混凝土> A EA 混凝土膨脹劑與聚羧酸高效減水劑復(fù)合的纖維增強(qiáng)高性能混凝土> A EA 混凝土膨脹劑與萘系減水劑復(fù)合的纖維增強(qiáng)高性能混凝土> 纖維增強(qiáng)高性能混凝土。因此, 采用U EA -N 混凝土膨脹劑與聚羧酸高效減水劑的復(fù)合外加劑技術(shù)和聚丙烯纖維增強(qiáng)技術(shù)是防止高性能混凝土發(fā)生塑性收縮開(kāi)裂的比較理想的技術(shù)措施。
關(guān)鍵詞: 混凝土; 開(kāi)裂; 減水劑與膨脹劑復(fù)合技術(shù); 塑性收縮
中圖分類(lèi)號(hào): TU 528 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào): 1005-2615 (2008) 01-0129-05
引 言
高性能混凝土(H igh perfo rm ance concrete,HPC) 是以其“三高”而著稱(chēng), 即耐久性高、工作性高和強(qiáng)度高, 被稱(chēng)為21 世紀(jì)混凝土。HPC 由于其優(yōu)異的性能、顯著的經(jīng)濟(jì)性, 目前已廣泛應(yīng)用于高層建筑、大壩、海工、橋梁等工程[ 1 ]。高性能混凝土澆筑后“在最初幾個(gè)小時(shí)的養(yǎng)護(hù)階段因表面水分蒸發(fā)速度大于內(nèi)部泌水速度”漿體發(fā)生緊縮[ 2 ]。這個(gè)階段混凝土本身強(qiáng)度很低, 當(dāng)毛細(xì)管負(fù)壓產(chǎn)生的收縮應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí), 混凝土暴露向外的表面開(kāi)始出現(xiàn)裂縫。裂縫在混凝土養(yǎng)護(hù)的最初幾個(gè)小時(shí)內(nèi)不斷引發(fā)和擴(kuò)展, 裂縫數(shù)目增多, 裂寬、裂長(zhǎng)增大, 一直到混凝土初凝時(shí)基本停止。這類(lèi)裂縫稱(chēng)為塑性收縮裂縫。塑性收縮裂縫將對(duì)混凝土的抗?jié)B、抗侵蝕、抗凍融等耐久性產(chǎn)生非常不利的影響,混凝土的開(kāi)裂必將加速在耐久性實(shí)驗(yàn)過(guò)程中混凝土的劣化進(jìn)程, 從而引起結(jié)構(gòu)耐久性的降低[ 324 ] , 達(dá)不到設(shè)計(jì)壽命, 所以, 研究高性能混凝土塑性收縮開(kāi)裂及其控制方法具有十分重要的意義。
混凝土達(dá)到高性能最重要的技術(shù)途徑就是使用高效減水劑和膨脹劑, 前者能夠降低混凝土的水膠比, 改善新拌混凝土的工作性和控制混凝土塌落度損失, 賦予混凝土高密實(shí)性和優(yōu)良工作性; 后者是解決混凝土開(kāi)裂的有效措施之一, 它依靠自身的化學(xué)反應(yīng)或與水泥其他成分反應(yīng), 在水化時(shí)產(chǎn)生一定的膨脹, 以補(bǔ)償混凝土的收縮。針對(duì)減水劑與膨脹劑相容性對(duì)高性能混凝土早期塑性收縮開(kāi)裂性能的影響研究較少, 本文應(yīng)用約束平板試驗(yàn)法, 研究了減水劑與膨脹劑復(fù)合技術(shù)對(duì)大摻量礦物摻合料混凝土早期塑性收縮開(kāi)裂的影響。
1 試 驗(yàn)
1.1 原材料與配合比
1.1. 1 原材料
采用江蘇嘉新京陽(yáng)水泥廠生產(chǎn)的P. Ê 52.5R硅酸鹽水泥, 其化學(xué)成分見(jiàn)表1。鎮(zhèn)江產(chǎn)風(fēng)選I 級(jí)粉煤灰(F ly ash, FA ) , 細(xì)度6.8% , 含水率0.04% , 燒失量2.04% , 需水量比93% , SO 3 含量1.22% , 化學(xué)成分見(jiàn)表1。江蘇江南粉磨公司的S95 級(jí)磨細(xì)礦渣(Slag, SG) , 化學(xué)成分見(jiàn)表1。江蘇省建筑科學(xué)研究院生產(chǎn)的礦物摻和料(X 粉)。安徽巢湖速凝劑總廠生產(chǎn)的A EA 鋁酸鹽混凝土膨脹劑, 化學(xué)成分見(jiàn)表1。安徽省廬江縣特種建筑材料廠開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的低堿U 型砼膨脹劑U EA -N , 化學(xué)成分見(jiàn)表1。南京產(chǎn)黃砂, 表觀密度2 680 kg/m 3, 堆積密度1 570 kg/m 3,含泥量2.5% , 細(xì)度模數(shù)1.8, 屬于Ë 區(qū)級(jí)配。南京六合產(chǎn)玄武巖碎石, 最大粒徑12 mm , 表觀密度2 820kg/m 3, 堆積密度1 435 kg/m 3, 含泥量0.3% , 針片狀顆粒含量11.4% , 壓碎指標(biāo)6% , 基本屬于5～ 10mm 連續(xù)級(jí)配。上海華登外加劑廠生產(chǎn)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(wú)氯離子, 堿含量小于減水劑干重的1%。江蘇省建筑科學(xué)研究院生產(chǎn)的液體JM -2000c高效引氣劑, 推薦摻量為萬(wàn)分之0.5～ 1.0。常州市天怡工程纖維有限公司生產(chǎn)的束狀單絲聚丙烯(Po lyp ropylene, PP) 纖維, 密度0.91 g/m 3, 長(zhǎng)度19mm , 直徑0.048 mm , 彈性模量≥3.5 GPa。
1.1.2 配合比
表2 為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的4 組混凝土的配合比。分別是單摻聚羧酸減水劑的基準(zhǔn)PP 纖維增強(qiáng)高性能混凝土D9、A EA 型膨脹劑分別與1.2% 聚羧酸減水劑和1.7% 萘系減水劑復(fù)合的PP 纖維增強(qiáng)高性能混凝土(D18、D18-2)、U 型砼膨脹劑U EA -N 與1.2%聚羧酸減水劑復(fù)合的PP 纖維增強(qiáng)高性能混凝土(D18-1)?？刂苹炷恋奶涠仍?30～ 220mm 范圍內(nèi)。
1.2 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試方法
1.2.1 約束平板模具
參考中國(guó)工程院水利與建筑學(xué)部《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》[ 5 ]中日本笠井芳夫教授提出的設(shè)計(jì)方法, 本實(shí)驗(yàn)的試件尺寸為600mm ×600mm ×63mm , 用于澆注試件的鋼制模具見(jiàn)圖1 (a)。模具的四邊用û—63 mm ×6.3 mm 的等邊角鋼制成, 四邊與底板通過(guò)螺栓固定在一起, 以提高模具的剛度; 在模具每個(gè)邊上用雙螺帽固定下排7 個(gè)5 6×100 mm 螺栓和上排7 個(gè)5 6×50mm 螺栓。兩排螺栓相互交錯(cuò), 便于澆筑的混凝土填充密實(shí)。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(qiáng)制攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌, 投料和攪拌順序?yàn)? 先加膠凝材料和砂、石, 同時(shí)撒入聚丙烯纖維,干拌1 m in, 再加入混有高效減水劑和高效引氣劑的水, 濕拌3～ 5m in。攪拌均勻后出料, 測(cè)定混凝土混合料的坍落度和擴(kuò)展度。
試件澆注、振實(shí)、抹平后, 放入觀測(cè)環(huán)境, 控制環(huán)境溫度(28±2) °C和相對(duì)濕度(50±3% ) , 混凝土表面的溫度為(35±2) °C, 用風(fēng)速儀測(cè)量平行試件表面方向的風(fēng)扇風(fēng)速為(3.2±0.3) m /s, 詳見(jiàn)圖1(b)。
1.2.3 早期塑性收縮裂縫觀測(cè)與數(shù)據(jù)處理方法
記錄觀察到的試件表面出現(xiàn)每條裂縫的時(shí)間。當(dāng)試件表面出現(xiàn)貫穿裂縫后很少會(huì)再有新的裂縫出現(xiàn), 這時(shí)每1 h 觀察一次, 直到24 h 觀察結(jié)束。在24 h 后, 仔細(xì)觀測(cè)所有裂縫數(shù)量與總長(zhǎng)、裂縫的最大寬度。裂縫長(zhǎng)度以肉眼可見(jiàn)為準(zhǔn), 用鋼尺測(cè)量長(zhǎng)度, 近似取裂縫兩端直線(xiàn)距離, 當(dāng)裂縫出現(xiàn)明顯彎折時(shí), 以折線(xiàn)長(zhǎng)度之和代表裂縫長(zhǎng)度。裂縫寬度用精度0.02 mm 的讀數(shù)顯微鏡測(cè)量, 取裂縫最寬處的寬度代表該裂縫的裂寬。
根據(jù)觀測(cè)結(jié)果, 分別計(jì)算不同配合比混凝土的總裂開(kāi)面積A (單位mm 2) 和單根裂縫的平均開(kāi)裂面積a (單位mm 2/根) , 計(jì)算公式如下
式中:w i 為第i 根裂縫的最大寬度; li 為第i 根裂縫的長(zhǎng)度;N 為總裂縫數(shù)目。
2 結(jié)果與討論
2.1 UEA-N 膨脹劑對(duì)PP 纖維增強(qiáng)高性能混凝土的早期抗裂性能的影響
表3 為D9 和D18-1 的平板塑性收縮裂縫觀測(cè)結(jié)果, 其總裂開(kāi)面積和單根裂縫的平均開(kāi)裂面積如圖2 所示。結(jié)果表明,D18-1 的總裂開(kāi)面積明顯小于D9, 雖然兩者最大裂縫寬度相同, 但是D18-1 的總裂縫條數(shù)為4 條, 比D9 少開(kāi)裂了11 條, 且初裂時(shí)間較D9 推遲了34 m in, 所以,U EA -N 膨脹劑對(duì)提高PP 纖維增強(qiáng)高性能混凝土的早期抗裂性能十分有利。U EA -N 膨脹劑是由硫鋁酸鹽熟料、明礬石和石膏共同磨細(xì)制成, 其產(chǎn)生膨脹的主要化學(xué)反應(yīng)[ 6 ]為
C4A 3 S+ 6Ca (OH) 2+ 8CaSO 4+ 96H2O →3 (C3A ·
3CaSO 4·32H2O ) (3)
2KA l3 (OH) 6 (SO 4) 2+ 13Ca (OH) 2+ 5 CaSO 4+
78H2O →3 (C3A ·3CaSO 4·32H2O ) + 2KOH (4)
由于C4A 3S 活性較高, 在水化初期就產(chǎn)生鈣礬石,產(chǎn)生膨脹, 從而有利于補(bǔ)償混凝土的早期收縮。
2.2 不同膨脹劑與聚羧酸系高效減水劑的復(fù)合作用對(duì)PP 纖維增強(qiáng)高性能砼早期抗裂性的影響
表4 為D18 和D18-1 的平板塑性收縮裂縫觀測(cè)結(jié)果, 其總裂開(kāi)面積和單根裂縫的平均開(kāi)裂面積如圖3 所示。結(jié)果表明: 與D18 的開(kāi)裂程度相比,D18-1 僅有少量細(xì)微裂縫, 其總裂開(kāi)面積不到D18 的4%。所以D18-1 的早期抗裂性明顯優(yōu)于D18。因此,在提高PP 纖維增強(qiáng)高性能混凝土的抗裂性能方面,U EA -N 高效膨脹劑與聚羧酸高效減水劑的相容性好, 復(fù)合效果優(yōu)于A EA 高效膨脹劑與聚羧酸高效減水劑的復(fù)合。
2.3 AEA 膨脹劑與不同高效減水劑的復(fù)合作用對(duì)PP 纖維增強(qiáng)高性能混凝土早期抗裂性的影響
圖4 為D18 和D18-2 的總裂開(kāi)面積和單根裂
縫的平均開(kāi)裂面積, 其平板裂縫統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表5。結(jié)果表明: D18 在開(kāi)裂的裂縫根數(shù)、最大裂縫寬度以及開(kāi)裂面積均小于D18-2, 其早期抗裂性?xún)?yōu)于D18-2?？梢?jiàn),A EA 膨脹劑與聚羧酸減水劑的復(fù)合效果優(yōu)于A EA 與萘系減水劑的復(fù)合效果。因此, 對(duì)于使用A EA 膨脹劑的PP 纖維增強(qiáng)高性能混凝土, 采用聚羧酸有利于提高其早期抗裂性。
3 結(jié)束語(yǔ)
膨脹劑對(duì)PP 纖維增強(qiáng)高性能混凝土的早期塑抗裂性的影響與減水劑種類(lèi)有關(guān), 試驗(yàn)表明, 聚羧酸高效減水劑與A EA 膨脹劑的復(fù)合效應(yīng)優(yōu)于萘系減水劑與A EA 膨脹劑的復(fù)合效果。與膨脹劑的相容性比較好, 當(dāng)與U EA -N 膨脹劑復(fù)合時(shí), PP 纖維增強(qiáng)高性能混凝土的早期抗裂性達(dá)到最優(yōu)效果。關(guān)于膨脹劑與高效減水劑相容性的機(jī)理有待于進(jìn)一步深入研究。
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