高性能纖維膨脹混凝土抗裂性能研究

檀小龍，劉 輝，余文文

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

高性能混凝土是一種新型高技術(shù)混凝土［1］，大都是通過降低水膠比、摻加礦物摻合料來提高混凝土中水泥石的密實度，改善混凝土界面薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)形態(tài)，從而達(dá)到高強(qiáng)高性能目的。一般來講，與普通混凝土相比，其早期自收縮、溫度收縮、干燥收縮大、彈性模量高、徐變能力小;當(dāng)混凝土收縮受到約束時，會引發(fā)很大的自應(yīng)力［2］。所以，高強(qiáng)高性能混凝土有著比普通混凝土更大的開裂趨勢。本文研究了聚丙烯纖維及膨脹劑對高性能混凝土的抗裂性能的影響。

1 混凝土早期抗裂性能研究

1.1 開裂機(jī)理

混凝土的強(qiáng)度與工作性能的好壞關(guān)鍵在塑性階段，塑性階段的水化反應(yīng)、體積變化等一切復(fù)雜反應(yīng)對后期的性能影響很大?；炷羶?nèi)部的微裂縫主要在塑性階段形成，嚴(yán)格控制好混凝土塑性階段的裂縫至關(guān)重要。

塑性階段混凝土的開裂主要是混凝土的收縮引起。混凝土表面的大空隙及粗孔中自由水蒸發(fā)不會引起混凝土的收縮，但在混凝土塑性階段，在混凝土的表面會形成上部彎曲的毛細(xì)管，混凝土內(nèi)部的水份會通過這些毛細(xì)管向外面移動，在表面張力的作用下，以水珠形式存在于混凝土表面，當(dāng)風(fēng)力或溫度作用使其蒸發(fā)掉，內(nèi)部的水份再由毛細(xì)通道移動，補(bǔ)充蒸發(fā)掉的水珠，如此循環(huán)，如同一個微型水泵。混凝土內(nèi)部的水分不停地被抽走，導(dǎo)致混凝土在內(nèi)壓力作用下開裂，被稱為毛細(xì)管微泵開裂機(jī)理。毛細(xì)孔壓力可通過下列方程計算［3］:

式中:ΔP為曲面兩側(cè)的壓力差，σ為氣體與液體界面的表面張力，γ為毛細(xì)孔半徑，α為固體與液體的接觸角度。

1.2 試驗原材料

水泥:C40采用淮南八公山水泥廠生產(chǎn)的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，C50采用蚌埠海螺水泥廠生產(chǎn)的海螺牌P.O 42.5R普通硅酸鹽水泥，C70選用寧國海螺水泥廠生產(chǎn)的海螺牌P.O 52.5R早強(qiáng)型普通硅酸鹽水泥。

粗細(xì)骨料:粗骨料為粒徑5～31.5mm連續(xù)級配的石灰?guī)r和粒徑5～20mm連續(xù)級配的玄武巖。細(xì)骨料采用河沙，細(xì)度模數(shù)Mx=2.9，級配合格。堆積密度為1540kg/m3，含泥量為1.6%。

礦渣:選用合肥鋼鐵集團(tuán)建材有限公司生產(chǎn)的比表面積為3500 cm2/g、密度為2.89g/cm3的礦渣。

外加劑:采用NF型高效減水劑，減水率≥10%。

膨脹劑:采用UEA－IV型膨脹劑。

聚丙烯纖維:由武漢天匯纖維材料有限公司生產(chǎn)的強(qiáng)不裂水泥混凝土防裂纖維，其物理性能參數(shù)如表1。

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1.3 混凝土配合比

本次試驗采用兩組試件，一組為C40普通混凝土，一組為C50高性能混凝土，試件配比如表2所示。

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1.4 試驗方法及結(jié)果

對于混凝土早期抗裂性的評價，主要有平板約束性試驗、單軸約束收縮試驗與干縮試驗，平板約束性試驗又有加拿大疊合板約束法、美國ACI－544大板法和德國角方法［4］。綜合試驗室的條件和實際情況，最終選擇改進(jìn)式的美國ACI－544大板法。美國ACI－544大板法采用 914mm×610mm×19mm試件，但在本次試驗中，改為直徑600mm，高100mm的圓環(huán)模板。模板底部墊有塑料膜，以減少對試件收縮變形的阻力。試模周圍有兩圈金屬釘，用于限制收縮變形。試件澆筑后放在室內(nèi)環(huán)境溫度約為22℃，相對濕度為50%，將1000W的鎢燈放在試件上方1.5 m處，連續(xù)照明4 h，電風(fēng)扇一臺風(fēng)速為4.5 m/s，放在試模邊150mm處，連續(xù)吹24 h。

24 h后，利用DJCK－2型裂縫測寬儀測量混凝土裂縫寬度，根據(jù)裂縫寬度將裂縫分為5級，每一級對應(yīng)一權(quán)數(shù)，用每一級寬度的裂縫長度乘以相應(yīng)的權(quán)數(shù)，再相加起來的總和稱為開裂指數(shù)。開裂指數(shù)愈小，抗裂性愈優(yōu)越，按下式計算裂縫降低率:

式中:H為裂縫降低率，Amcr為普通混凝土的裂縫總面積，Afcr為纖維膨脹混凝土的裂縫總面積。

測得的試驗結(jié)果如表3所示。

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從表3可以看出，摻有聚丙烯纖維與膨脹劑的高性能混凝土開裂指數(shù)明顯小于普通混凝土，裂縫總長減少62%，抗裂性能比普通混凝土好得多。普通混凝土在小于0.5mm、0.5mm與1mm之間、1mm與2mm之間的裂縫長度相差不大，而高性能纖維膨脹混凝土明顯有一個梯度，小于0.5mm的裂縫減少37%;0.5mm與1mm之間的裂縫減少60%;1mm與2mm之間的裂縫減少92%，說明高性能纖維膨脹混凝土能有效抑制大裂縫的生成，能使裂縫細(xì)化。

2 硬化混凝土的抗裂性能研究

2.1 混凝土配合比

配合比如下表4所示。

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2.2 試驗方法

高性能纖維膨脹混凝土硬化后的抗裂性能貢獻(xiàn)情況，也是必須要研究的問題。對于硬化后混凝土來說，韌性指標(biāo)比強(qiáng)度指標(biāo)更能反應(yīng)出混凝土的抗裂性能，混凝土具有更好的韌性，其極限拉應(yīng)力或極限伸長率就會提高，更能抵抗裂縫的生成。

本試驗采用大連理工大學(xué)的剩余強(qiáng)度法，它是檢測混凝土防裂性能的一項重要試驗方法，采用三分點加載簡支梁測試形式。試件為100mm×100mm×515mm，棱柱體試件與加載塊和支承塊接觸的試件表面平滑，沒有突起、凹陷、孔洞或刻痕。加載面和支承面必須為圓柱體，同時垂直于試件的縱軸。試驗裝置安放好后，試件接觸面墊有厚度均勻(厚度=6.4mm，寬度=25～50mm，長度≥試件寬度)的皮質(zhì)襯墊，沒有超過0.38mm的空隙。加載速率為0.8 MPa/min，直到斷裂出現(xiàn)再停止加載。試件分為J、F、U、FU四組。加載方式見圖1所示。

圖1 三分點法混凝土抗彎試驗裝置

極限抗彎應(yīng)力按下式計算

式中:ffc，m為混凝土的抗彎應(yīng)力(MPa)，F(xiàn)max為破壞荷載(N)，L為支座間距(mm)，b為試件截面寬度(mm)，h為試件截面高度(mm)。

當(dāng)截面采用100mm×100mm的試件時，要乘以0.82的系數(shù)。

2.3 試驗結(jié)果及分析

混凝土抗彎試驗結(jié)果見表5。

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荷載—撓度曲線如下圖2。

從混凝土的荷載—撓度曲線中可以看出:

圖2 混凝土的荷載—撓度曲線

(1)當(dāng)混凝土中摻有聚丙烯纖維時，其抗彎應(yīng)力比基準(zhǔn)混凝土提高了27.8%，而且破壞曲線平滑，說明混凝土韌性好，聚丙烯纖維對混凝土有明顯的增韌作用。

(2)混凝土強(qiáng)度越高，其抗彎性能越好，F(xiàn)U70比FU50的抗彎應(yīng)力提高了13%，混凝土強(qiáng)度高，則混凝土密實、連續(xù)，相應(yīng)地其抗拉、抗彎性能就好。但其彈性模量相應(yīng)地也高，在荷載作用下，其變形率小，若不摻聚丙烯纖維，其韌性會很差。

(3)不摻聚丙烯纖維與膨脹劑的JC50的荷載—撓度曲線明顯不同于其它混凝土，其彈性模量高，在荷載作用下，混凝土變形量小，呈脆性，韌性差。

(4)荷載—撓度曲線并不是一平滑曲線，會出現(xiàn)時而平滑，時而曲折，有時變化會很急促，說明混凝土中會存在固有的裂縫，這些裂縫在試驗中，有的會被擠壓，體積減小，有的被拉伸增大。

3 結(jié)論

(1)聚丙烯纖維的加入能減少高性能混凝土的干縮率、減少塑性階段與硬化后混凝土的裂縫的產(chǎn)生，提高抗裂性能。而且聚丙烯纖維性能穩(wěn)定、成本低、易于攪拌，能廣泛地用于各種建設(shè)工程中。

(2)膨脹劑化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物，體積增大，能有效地補(bǔ)償混凝土的收縮，使混凝土更加致密。特別在限制條件下，膨脹劑的膨脹作用能使混凝土顆粒產(chǎn)生相向變形，使混凝土密實，強(qiáng)度提高。

(3)在聚丙烯纖維與膨脹劑雙摻情況下，會產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)。聚丙烯纖維對膨脹劑的膨脹有限制作用，避免了膨脹劑的過度膨脹。膨脹劑的膨脹作用會使聚丙烯纖維與水泥基體粘結(jié)更牢固。聚丙烯纖維與膨脹劑復(fù)合作用能夠減少或細(xì)化裂縫，填補(bǔ)孔隙，密實微觀結(jié)構(gòu)。雙摻比單摻更能提高混凝土的抗裂性能。

［1］李玉琳.高性能混凝土的抗裂性能試驗研究［J］.工程質(zhì)量，2003(6):35－38

［2］魯統(tǒng)衛(wèi).深凍結(jié)井井壁高強(qiáng)高性能混凝土抗裂性能試驗研究［J］.建井技術(shù)，2009，30(6):15 －19

［3］孫道勝.聚丙烯纖維增強(qiáng)膨脹混凝土及其在道面工程中的應(yīng)用［D］.南京工業(yè)大學(xué)，2004

［4］鄧宗才.高性能合成纖維混凝土［M］.北京:科學(xué)出版社，2003