補(bǔ)償收縮纖維混凝土的抗裂性能研究與工程應(yīng)用

[摘  要]  通過對摻加膨脹劑和聚丙烯纖維配制的補(bǔ)償收縮纖維混凝土性能的研究、討論和工程應(yīng)用，表明補(bǔ)償收縮纖維混凝土能有效地控制混凝土結(jié)構(gòu)早期塑性收縮、干縮和溫度應(yīng)力引起的裂縫，提高結(jié)構(gòu)的抗裂防水能力和耐久性。

[關(guān)鍵詞]  補(bǔ)償收縮 纖維  混凝土  裂縫

 

      收縮是普通混凝土固有的特性，特別是采用泵送大流態(tài)方法進(jìn)行施工的混凝土，早期裂縫更加明顯?；炷廉a(chǎn)生裂縫的因素是多方面的，也很復(fù)雜的。在地下防水工程中，裂縫不但會(huì)影響混凝土的防水性，而且由于水的滲入造成鋼筋銹蝕，會(huì)嚴(yán)重降低鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的壽命，裂縫的長度和寬度擴(kuò)展到一定的程度后，還會(huì)影響結(jié)構(gòu)的安全性，因此要解決混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫問題，設(shè)計(jì)、施工與原材料三個(gè)環(huán)節(jié)必須相互配合。在設(shè)計(jì)和施工方面，采取了很多措施，如設(shè)計(jì)上進(jìn)行嚴(yán)格的荷載計(jì)算，留伸縮縫、調(diào)整配筋量等；施工方面，控制混凝土的坍落度，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，分段澆筑等，但始終不盡人意。材料方面常用的措施有：①摻加膨脹劑配制補(bǔ)償收縮混凝土；②摻加聚丙烯纖維配制纖維混凝土；③摻加膨脹劑和聚丙烯纖維配制補(bǔ)償收縮纖維混凝土等。

      單俊鴻等人^[1] 運(yùn)用美國ACI-544大板法試驗(yàn)研究了聚丙烯纖維摻量，纖維長度及膨脹劑（UEA-W）等對水泥砂漿塑性收縮開裂性能的影響，認(rèn)為聚丙烯纖維可以明顯改善水泥砂漿的抗裂性能，纖維摻量越大，阻裂效果越好，長纖維（19mm）比短纖維（12mm）對水泥砂漿阻裂作用有效一些，并認(rèn)為聚丙烯纖維和膨脹劑一起摻入水泥砂漿在合適的條件下其疊加效果更好。姜國慶等人^[2]研究表明，膨脹劑是化學(xué)防裂手段，而聚丙烯纖維是物理防裂手段，二者的復(fù)合使用體現(xiàn)出“層次抗裂、階段抗裂”的新概念，符合裂縫控制“抗”與“放”的原則，是傳統(tǒng)補(bǔ)償收縮理論與復(fù)合材料理論的有機(jī)結(jié)合。游寶坤^[3]等人認(rèn)為混凝土強(qiáng)度等級高、結(jié)構(gòu)尺寸又厚又長，混凝土有害裂縫出現(xiàn)幾率必然增多，為了提高結(jié)構(gòu)的耐久性和防滲等使用功能，對于墻體、轉(zhuǎn)換層、大跨度梁和自防水結(jié)構(gòu)采用膨脹劑與聚丙烯纖維復(fù)合的補(bǔ)償收縮纖維混凝土，工程實(shí)踐效果是可行的。

      本文討論了膨脹劑和聚丙烯纖維雙摻的情況，試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐表明，補(bǔ)償收縮纖維混凝土可以綜合改善新拌混凝土和硬化混凝土的性能，有效地控制混凝土塑性收縮、干縮和溫度應(yīng)力引起的裂縫，提高混凝土的抗裂防水能力。

 

水泥：P·O42.5MPa；

石子：南京產(chǎn)5～25mm碎石；

砂子：南京產(chǎn)河砂，中砂；

減水劑：南京產(chǎn)JM-B高效緩凝減水劑，粉劑摻量0.5%；

膨脹劑：武漢三源特種建材有限責(zé)任公司生產(chǎn)HEA抗裂防水劑，摻量8%，物理性能指標(biāo)見表1；

聚丙烯纖維：武漢三源特種建材有限責(zé)任公司生產(chǎn)SY-A阻裂纖維，摻量1.2kg/m³,主要物理性能指標(biāo)見表2。

表1 HEA抗裂防水劑物理性能(JC476-2001 標(biāo)準(zhǔn))

項(xiàng)   目			指標(biāo)值	檢測值
細(xì)度	0.08mm篩篩余/%		≤12	6.2
凝結(jié)時(shí)間	初凝/min		≥45	165
	終凝/h		≤10	3:40
限制膨脹率/%	水中	7d	≥0.025	0.028
		28d	≤0.10	0.039
	空氣中	21d	≥-0.020	-0.011
抗折強(qiáng)度/MPa	7d		≥4.5	5.6
	28d		≥6.5	8.7
抗壓強(qiáng)度/MPa	7d		≥25.0	40.4
	28d		≥45.0	50.2

注：HEA摻量8%.

 

表2 聚丙烯纖維物理性能(JT/T525-2004)

項(xiàng)目	指標(biāo)值	檢測值
形狀		束狀單絲
長度規(guī)格/ mm	6~30	19
當(dāng)量直徑/μm	20~50	24.06
抗拉強(qiáng)度/ MPa	≥350	480
彈性模量/ MPa	≥3500	3651.9
密度/(g/cm3)	0.91±0.01	0.91
熔點(diǎn)/ oC	160～170	168.4
斷裂延伸率/%	8～30	24.12
耐堿性能	＞99％	99.8%

注：JT/T525-2004《公路水泥混凝土纖維材料聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維》

 

試驗(yàn)用配合比設(shè)計(jì)如表3所示.

表3 試驗(yàn)配合比/(kg/m³)

水	水泥	砂	石	HEA	纖維	減水劑	水膠比	砂率
190	407	707	1061	35	1.2	2.2	0.43	40%

 

      依據(jù)《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS38：2004,《普通混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法》GB/T50081-2002,《鋼纖維混凝土》JG/T3064-1999進(jìn)行試驗(yàn)。

 

      由表4的試驗(yàn)結(jié)果顯示，聚丙烯纖維混凝土對混凝土7d強(qiáng)度略有提高，而28d強(qiáng)度則略有降低。聚丙烯纖維加入混凝土，在某種程度上相當(dāng)于在混凝土中加入一定量的雜質(zhì)，聚丙烯纖維的彈性模量又低于混凝土一個(gè)數(shù)量級，再加上聚丙烯纖維與混凝土結(jié)合界面并不完美，因此聚丙烯纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度比普通混凝土有所降低，但由于聚丙烯纖維摻量較低（一般為體積的0.05%-0.1%），且纖維處于三維亂向分布的狀態(tài)，因此，正常情況下纖維單摻不會(huì)明顯提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。

      關(guān)于摻加纖維對混凝土抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，有的測試結(jié)果表明，低摻率聚丙烯纖維加入砂漿或混凝土中對抗壓強(qiáng)度沒有顯著影響；有些研究結(jié)果甚至反映由于纖維的加入，混凝土的抗壓強(qiáng)度略有降低。龔益等人^[4]推斷：（1）纖維混凝土關(guān)于抗壓強(qiáng)度的影響可能與混凝土的配合比有關(guān)；甚至可能更主要地取決于混凝土配合比設(shè)計(jì)的影響；（2）低摻率的合成纖維對混凝土抗壓強(qiáng)度影響不大，因此試驗(yàn)結(jié)果的分散性即有可能掩蓋纖維自身對于抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。廉慧珍^[5]認(rèn)為：“摻纖維的同時(shí)必須調(diào)整混凝土的配合比，以改善簡單摻入時(shí)的損失”。

 

 

表4 纖維和膨脹劑雙摻對混凝土力學(xué)性能的影響

檢測項(xiàng)目	空白對比混凝土強(qiáng)度/MPa		摻纖維混凝土強(qiáng)度/MPa		強(qiáng)度比/%
	7d	28d	7d	28d	7d	28d
混凝土抗壓強(qiáng)度	38.5	58.3	39.2	56.1	102	96
混凝土抗折強(qiáng)度	6.44	6.94	6.66	6.76	103	97

注：按表3配合比制備試件后，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期。

      工程界在使用纖維時(shí)普遍關(guān)心纖維在混凝土中能否均勻分散的問題，擔(dān)心由于纖維分散不均勻、結(jié)團(tuán)而引起堵泵管等現(xiàn)象的發(fā)生。試驗(yàn)參照鋼纖維體積率的測試方法，稱取新拌纖維混凝土1kg，沖洗，并去掉砂石，置于水中，撈取聚丙烯纖維，然后稱取纖維重量?；炷撩芏?415kg/m³，取兩次試驗(yàn)的平均值，平均摻量為0.94kg/m³，纖維在在混凝土中分散基本均勻，混凝土拌合物狀態(tài)良好，有利于泵送混凝土的施工。另外，將摻有纖維的混凝土試件，1d齡期后在試驗(yàn)機(jī)上破型，觀察纖維的分布情況，結(jié)果顯示，纖維分布基本均勻，上表面纖維分布略高于下表面。

表5 纖維混凝土分散性試驗(yàn)結(jié)果

NO	混凝土質(zhì)量/kg	聚丙烯纖維質(zhì)量/g	纖維摻量/（kg/m3）	平均摻量/（kg/m3）
1	1.00	0.392	0.95	0.94
2	1.00	0.381	0.92

 

      根據(jù)《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS38：2004中纖維混凝土和砂漿收縮裂縫試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。試件尺寸為600mm×600 mm×20mm的平面薄板，模板底部襯有一層聚乙烯塑料薄膜，以減小底板對試件收縮變形的影響，模具邊框用高20mm的等肢角鋼制作，邊框內(nèi)設(shè)φ6、間距60 mm的單排栓釘，栓釘長度為100 mm，用于限制收縮變形。模具如圖1所示。同時(shí)成型纖維砂漿和對比用基體試件各1個(gè)為一組試件，配合比為，水灰比0.5，灰砂比1：1.5，試件經(jīng)澆筑、振實(shí)、抹平用塑薄膜覆蓋2h，環(huán)境溫度為（20±2）℃。

圖1 纖維砂漿開裂試驗(yàn)?zāi)＞邎D

      試件成型2h后取下塑料薄膜，每個(gè)試件用1臺(tái)電風(fēng)扇吹試件表面，風(fēng)向平行試件表面，風(fēng)速0.5m/s,環(huán)境溫度（20±2）℃，相對濕度不大于60%。24h后測讀裂縫的數(shù)量、寬度與長度，計(jì)算裂縫總面積及裂縫降低系數(shù)，以此評定砂漿的早齡期限裂效能等級。試驗(yàn)結(jié)果見表6。