摘要:采用平板限制收縮試驗(yàn)法,研究了聚丙烯纖維、鋼纖維與膨脹劑及其復(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裂的影響。結(jié)果表明,大摻量礦物摻合料混凝土的早期抗裂性大小順序?yàn)?纖維增強(qiáng)高性能膨脹混凝土> 纖維增強(qiáng)高性能混凝土> 混雜纖維增強(qiáng)高性能混凝土> 混雜纖維增強(qiáng)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(fù)合技術(shù)是防止混凝土發(fā)生塑性收縮開裂的比較理想的技術(shù)措施。
關(guān)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(hào):TU528.572 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1006 - 8996(2006) 06 - 0044 - 04
混凝土的開裂必將加速在耐久性實(shí)驗(yàn)過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[1 ,2 ] ?；炷恋脑缙谒苄允湛s開裂是指混凝土在塑性階段由于各種收縮產(chǎn)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(jīng)越來越受到人們的關(guān)注;另一方面,為滿足混凝土耐久性與強(qiáng)度要求,實(shí)現(xiàn)水泥混凝土行業(yè)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展,大摻量礦物摻合料混凝土越來越多地被應(yīng)用到實(shí)際工程中。但是,針對(duì)大摻量礦物摻合料混凝土的早期塑性收縮開裂的研究報(bào)道比較少見。本文應(yīng)用測(cè)定早期塑性收縮開裂的約束平板試驗(yàn)法,研究了纖維與膨脹劑、纖維混雜技術(shù)及其與膨脹劑的復(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裂的影響。
1 實(shí)驗(yàn)
1.1 原材料與配合比
1.1.1 原材料?、俨捎媒K嘉新京陽(yáng)水泥廠生產(chǎn)的P. Ⅱ52.5R 硅酸鹽水泥; ②鎮(zhèn)江產(chǎn)風(fēng)選Ⅰ級(jí)粉煤灰(Fly ash ,FA) ,細(xì)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(jí)磨細(xì)礦渣(Slag ,SG) ; ④江蘇省建筑科學(xué)研究院生產(chǎn)的礦物摻和料(X粉) ; ⑤安徽巢湖速凝劑總廠生產(chǎn)的AEA 鋁酸鹽混凝土膨脹劑; ⑥南京產(chǎn)黃砂,表觀密度2 680 kg/m3 ,堆積密度1 570 kg/m3 ,含泥量2.5 % ,細(xì)度模數(shù)1.8 ,屬于Ⅲ區(qū)級(jí)配,細(xì)砂; ⑦南京六合產(chǎn)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(biāo)6 % ,基本屬于5～10mm 連續(xù)級(jí)配; ⑧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,無氯離子,堿含量小于減水劑干重的1 %; ⑨江蘇省建筑科學(xué)研究院生產(chǎn)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(chǎn)的束狀單絲聚丙烯纖維,密度0.91 g/m3 ,長(zhǎng)度19 mm ,直徑0.048 mm ,彈性模量≥3.5 GPa ; lv北京海達(dá)工順科技有限公司生產(chǎn)的工順牌GS - 2005 - 3 啞鈴型鋼纖維,長(zhǎng)度20 mm ,等效直徑0.45 mm ,長(zhǎng)徑比44.4 ,彈性模量200 Gpa 。以上原材料化學(xué)成分見表1。
1.1.2 配合比 表2 是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的6 組混凝土的配合比?；炷练謩e是大摻量礦物摻合料的聚丙烯纖維或鋼纖維增強(qiáng)高性能混凝土(D9、D12) 、大摻量礦物摻合料的混雜纖維增強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)高性能膨脹混凝土(D21) ?？刂苹炷恋奶涠仍?30～220 mm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》[3] 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(gè)邊上用雙螺帽固定下排7 個(gè)Φ6 ×100 mm螺栓和上排7 個(gè)Φ6 ×50 mm 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(duì)于摻加混雜纖維的混凝土,聚丙烯纖維在干拌時(shí)加入,鋼纖維在濕拌過程中均勻撒入。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 ℃) 和相對(duì)濕度(50 %) ,混凝土表面的溫度為35 ℃,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 m/s ,詳見圖1b。
1.2.3 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,再仔細(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)度以肉眼可見為準(zhǔn),用鋼尺測(cè)量長(zhǎng)度,近似取裂縫兩端直線距離,當(dāng)裂縫出現(xiàn)明顯彎折時(shí),以折線長(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面積A(單位mm2 ) 和單根裂縫的平均開裂面積a (單位mm2/根) ,計(jì)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(zhǎng)度,mm; N 為總裂縫數(shù)目,根。
2 結(jié)果與討論
2.1 單摻纖維和膨脹劑對(duì)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(jié)果表明,D9 的早期塑性收縮抗裂性優(yōu)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(xì)化,其提高混凝土抗裂性的機(jī)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(yīng)力和能量被分散到纖維上,有效削弱了塑性收縮應(yīng)力,緩和了裂縫尖端的應(yīng)力集中程度[6 ] ,從而阻止了裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)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(guān)。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(fù)合技術(shù)對(duì)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(fù)合摻加(10 %膨脹劑+ 0.1 %聚丙烯纖維) 、復(fù)合摻加(10 %膨脹劑+ 0.8 %鋼纖維) ,以及復(fù)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?；炷恋木幪?hào)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(jīng)充分地發(fā)揮了補(bǔ)償收縮的作用,而且鋼纖維同時(shí)發(fā)揮了有效的限縮與止裂作用。此外,D14 的早期抗裂性優(yōu)于D21 ,再次說明膨脹劑受環(huán)境條件等的限制,其膨脹作用很不穩(wěn)定。復(fù)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(yán)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(píng)價(jià)大摻量礦物摻合料的早期塑性收縮的抗裂性能,復(fù)合摻加(10 %膨脹劑+ 0.8 %鋼纖維) 的D20 最優(yōu),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(fù)合摻加(10 %膨脹劑+ 0.8 %混雜纖維) 的D21。本實(shí)驗(yàn)條件下,單摻10 %膨脹劑的D8 以及復(fù)合摻加(10 %膨脹劑+ 0.1 %聚丙烯纖維) 的D18 的開裂程度比較嚴(yán)重。
3 結(jié)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(fù)合措施,對(duì)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(fù)合技術(shù),是大摻量礦物摻合料高性能混凝土的最佳抗裂技術(shù)路線。但是,采用復(fù)合摻加膨脹劑與混雜纖維的技術(shù)路線,對(duì)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(wěn)定,需進(jìn)一步研究。
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