混合纖維砂漿刀口法抗裂性能試驗(yàn)研究

宮文娟

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院建筑二所，遼寧沈陽(yáng) 110015)

目前，國(guó)內(nèi)外檢驗(yàn)評(píng)價(jià)水泥砂漿、混凝土在約束狀態(tài)下的抗裂性能的方法主要有圓環(huán)法、平板法(包括Kraai法和ICBO法)和棱柱體法等［1］。其中，圓環(huán)法的主要問(wèn)題是測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，敏感性差;棱柱體法不便于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，且對(duì)儀器靈敏度要求高;傳統(tǒng)的Kraai平板法存在試驗(yàn)結(jié)果復(fù)演性差、統(tǒng)計(jì)處理復(fù)雜等問(wèn)題。本文在借鑒ICBO方法基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，采用鋼制刀口裂縫發(fā)生器對(duì)裂縫實(shí)施快速、準(zhǔn)確、等效的誘導(dǎo)發(fā)生，以提高材料開(kāi)裂敏感性和有效性。將1.5 kg/m3和2.5 kg/m3的玄武巖纖維與0.9 kg/m3的杜拉纖維單摻或混摻入砂漿，并與基體試件進(jìn)行24 h內(nèi)抗裂性能試驗(yàn)對(duì)比，研究纖維在水泥砂漿中的阻裂效應(yīng)和影響規(guī)律［2-4］。

1 刀口法試驗(yàn)原理

對(duì)單道刀口進(jìn)行力學(xué)分析可知，在收縮產(chǎn)生的作用力下，刀口兩側(cè)AB及AC兩表面上分別產(chǎn)生反作用力F和F′，將反作用力F和F′按照力學(xué)三角形進(jìn)行分解，其中F1和F1′均為垂直于模具底面的方向，F(xiàn)2和 F2′均為水平方向［5］，如圖1所示。

圖1 刀口法力學(xué)分析

利用公式:

對(duì)A點(diǎn)處做受力分析:當(dāng)材料收縮時(shí)，刀口頂端A點(diǎn)處在材料收縮產(chǎn)生的作用力下，受到左右兩個(gè)方向相反的水平力F2和F2′的作用，還受到豎直向上的F1和F1′的作用。刀口頂端A點(diǎn)存在應(yīng)力集中，屬最危險(xiǎn)點(diǎn)。因此，刀口頂端A點(diǎn)處材料，在方向相反的水平力F2和F2′的作用下最易產(chǎn)生橫向開(kāi)裂，各個(gè)單道刀口頂端在水平力的作用下，產(chǎn)生的誘導(dǎo)裂縫走向均為沿著刀口的平行直線(xiàn)方向，使后期裂縫指標(biāo)的量化處理更為方便。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與原材料

試驗(yàn)選用華日牌42.5普通硅酸鹽水泥，密度為3 000 kg/m3;中砂:密度為2 630 kg/m3，細(xì)度模數(shù)為2.5;碎石:密度為2 930 kg/m3，粒徑為5 mm～12 mm;香港恒律格雷斯(GRACE)公司提供的杜拉纖維，四川航天拓鑫玄武巖實(shí)業(yè)有限公司提供的玄武巖纖維，其中玄武巖纖維抗拉強(qiáng)度1 050 MPa，彈性模量34 GPa，短玄武巖纖維A長(zhǎng)度20 mm，長(zhǎng)玄武巖纖維B長(zhǎng)度30 mm，杜拉纖維C抗拉強(qiáng)度76 MPa，彈性模量3.793 GPa，長(zhǎng)度19 mm。采用0.5的水灰比，0.002%摻用量的引氣劑。國(guó)家水泥混凝土制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的檢測(cè)報(bào)告表明，玄武巖纖維摻量為1.0 kg/m3～3.0 kg/m3時(shí)，混凝土的抗?jié)B性和抗凍性提高約50%［1］。本文取0 kg/m3，1.5 kg/m3和 2.5 kg/m3。采用杜拉纖維常用摻量:0.9 kg/m3。

試件尺寸為800 mm×600 mm×100 mm，待試件成型30 min后，電風(fēng)扇直吹試件表面，風(fēng)向順著刀口方向平行于試件表面。24 h后測(cè)量裂縫，裂縫長(zhǎng)度取裂縫兩端直線(xiàn)距離為裂縫長(zhǎng)度，當(dāng)一個(gè)刀口上有兩條裂縫時(shí)，可將兩條裂縫的長(zhǎng)度相加，折算成一條裂縫，測(cè)量每條裂縫的最大寬度。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

纖維混凝土抗裂實(shí)驗(yàn)配比表見(jiàn)表1。

表1 纖維混凝土抗裂實(shí)驗(yàn)配比表 kg/m3

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

較大水膠比的混凝土的早期開(kāi)裂特征是以干燥塑性收縮為主要原因，開(kāi)裂時(shí)間較早，往往在初凝之前就出現(xiàn)開(kāi)裂，1 d之內(nèi)基本穩(wěn)定，之后的2 d～3 d裂縫變化不大。采用以下指標(biāo)作為被測(cè)混凝土材料的開(kāi)裂評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1)裂縫的平均開(kāi)裂面積:

2)單位面積的開(kāi)裂裂縫數(shù)目:

3)單位面積上的總開(kāi)裂面積:

4)裂縫降低系數(shù):

其中，Wi，max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)，根;A為平板的面積，取0.48 m2;Afcr為纖維混凝土試件裂縫名義總面積，mm2;Amcr為基體試件裂縫總面積，mm2。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)過(guò)對(duì)24 h后抗裂試件的觀察和測(cè)量，得到纖維砂漿開(kāi)裂形態(tài)。

纖維砂漿刀口法抗裂試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，表3。

圖2 裂縫總面積比（24 h）

圖3 裂縫總長(zhǎng)度比（24 h）

圖4 最大裂縫寬度比（24 h）

圖5 降低系數(shù)比（24 h）

由圖2～圖5可以看出:1)纖維的摻入明顯減少水泥砂漿的裂縫總面積、裂縫總長(zhǎng)度、最大裂縫寬度。說(shuō)明纖維使得砂漿早齡期收縮面積減小、收縮裂縫變短、早齡期收縮裂縫變細(xì)。2)SP-3試件(混摻2.5 kg/m3的長(zhǎng)玄武巖纖維B和0.9 kg/m3的杜拉纖維C)裂縫總面積最小，裂縫總長(zhǎng)度最小，最大裂縫寬度最小，其抗裂性最好。SP-4試件(摻加1.5 kg/m3的短玄武巖纖維A)抗裂性最差。纖維抗裂性和纖維的數(shù)量與長(zhǎng)度有一定關(guān)系。

4 結(jié)語(yǔ)

1)纖維的加入，使得砂漿早齡期約束收縮裂縫變得更短、更細(xì)、更少，使結(jié)構(gòu)不容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，更細(xì)小、更少的裂縫可以減少侵蝕性物質(zhì)和水進(jìn)入建材的可能性，減少結(jié)構(gòu)破壞，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)的耐久性。

表2 纖維砂漿抗裂性

表3 纖維砂漿裂縫降低系數(shù)

2)纖維抗裂性和纖維的數(shù)量與長(zhǎng)度有一定關(guān)系。SP-3試件(混摻2.5 kg/m3的長(zhǎng)玄武巖纖維B和0.9 kg/m3的杜拉纖維C)抗裂性最好。SP-4試件(單摻1.5 kg/m3的短玄武巖纖維A)抗裂性最差。

［1］ 國(guó)家水泥混凝土制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心.玄武巖纖維混凝土與聚丙烯纖維混凝土、聚丙烯腈纖維混凝土性能測(cè)試研究報(bào)告［R］.國(guó)家水泥混凝土制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，2006.

［2］ 黃功學(xué)，趙 軍，高丹盈.聚丙烯纖維混凝土凍融后力學(xué)性能試驗(yàn)研究［J］.人民黃河，2009，31(5):105-108.

［3］ 張樹(shù)青，王彩英，吳學(xué)禮.混凝土早期抗裂性與強(qiáng)度的關(guān)系［J］.混凝土與水泥制品，2003(3):6-8.

［4］ 張艷玲.混凝土早期開(kāi)裂因素的初探［J］.混凝土，2005(5):18.

［5］ 叢 溪.用于地下結(jié)構(gòu)的纖維混凝土阻裂防滲性能研究［D］.哈爾濱:東北大學(xué)，2009.