泵送纖維混凝土工作性與自由收縮性能試驗(yàn)研究

寧喜亮，李媛媛

(東北電力大學(xué) 建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

泵送纖維混凝土工作性與自由收縮性能試驗(yàn)研究

寧喜亮，李媛媛

(東北電力大學(xué) 建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

摘要：本文通過(guò)測(cè)定不同配合比新拌混凝土及0.5 h和1.0 h后的坍落度，研究了砂的含泥量以及聚丙烯纖維對(duì)泵送混凝土工作性能的影響；參照德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(DIN)測(cè)定不同配合比混凝土的自由收縮量，研究了聚丙烯纖維對(duì)混凝土自由收縮性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，低摻量聚丙烯纖維對(duì)混凝土的坍落度影響不大，而砂的含泥量卻對(duì)混凝土坍落度及其經(jīng)時(shí)損失影響較大，砂的含泥量應(yīng)控制在4.2%以內(nèi)；摻加0.9 kg/m3聚丙烯纖維可明顯降低混凝土自由收縮應(yīng)變，降低達(dá)15.3%，明顯改善混凝土的抗裂性能。最后，將本文實(shí)測(cè)混凝土自由收縮應(yīng)變與ACI 209建議模型及王鐵夢(mèng)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)ACI 209更適用于預(yù)測(cè)纖維混凝土的收縮應(yīng)變。

關(guān)鍵詞：聚丙烯纖維；新拌混凝土；含泥量；坍落度；自由收縮

泵送混凝土要求具有較高的流動(dòng)性，以便于施工。然而，受到運(yùn)輸條件的限制，混凝土在澆筑前經(jīng)常由于坍落度損失過(guò)大而不能進(jìn)行泵送施工[1]。作為混凝土重要組成部分的細(xì)骨料占混凝土體積的30%左右，但其含泥量對(duì)新拌混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失影響的研究還很少見(jiàn)。此外，泵送混凝土通常需要較低的水膠比，而隨著水膠比的降低，混凝土材料自由收縮應(yīng)變隨之增加，當(dāng)這種收縮應(yīng)變受到限制時(shí)，混凝土材料就會(huì)由于拉應(yīng)變過(guò)大而開(kāi)裂，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。

混凝土材料中裂縫的產(chǎn)生是不可避免的，但裂縫又是可以控制在一定范圍內(nèi)的。研究表明[2-9]，在普通混凝土中加入隨機(jī)分布的纖維得到的纖維混凝土材料具有優(yōu)良的抗拉、抗沖擊、抗疲勞、以及較好的韌性和耐久性。纖維混凝土開(kāi)裂后，跨越開(kāi)裂截面的纖維通過(guò)橋接作用傳遞應(yīng)力并限制裂縫寬度的進(jìn)一步擴(kuò)展，抵抗混凝土早齡期的收縮。

本文通過(guò)對(duì)新拌混凝土的坍落度及經(jīng)時(shí)損失和自由收縮應(yīng)變的測(cè)定，研究了砂的含泥量及聚丙烯纖維對(duì)混凝土工作性的影響以及聚丙烯纖維對(duì)不同配合比混凝土收縮性能的影響。結(jié)果表明，低摻量聚丙烯纖維對(duì)混凝土的坍落度影響不大，砂的含泥量對(duì)混凝土坍落度的經(jīng)時(shí)損失影響較大；聚丙烯纖維的加入可明顯降低混凝土的自由收縮應(yīng)變，改善混凝土的抗裂性能。

1試驗(yàn)概況

1.1試驗(yàn)原材料

混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C45。采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，3 d抗折強(qiáng)度為6.5 MPa，3d抗壓強(qiáng)度為31.0 MPa；一級(jí)袋裝粉煤灰，其技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1；優(yōu)質(zhì)礦渣粉，其技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2；細(xì)骨料為連續(xù)級(jí)配的河砂，含泥量為7.8%，水洗后含泥量為4.2%，細(xì)度模數(shù)為2.6，屬中砂；粗骨料為連續(xù)級(jí)配的碎石，粒徑5-31.5 mm；聚羧酸系高效減水劑，減水率30%左右；國(guó)產(chǎn)聚丙烯短纖維(圖1)，纖維長(zhǎng)度為18 mm，長(zhǎng)徑比為600，抗拉強(qiáng)度為570 MPa，纖維摻量為0.9 kg/m3。經(jīng)反復(fù)試配選取其中四種配合比，列于表3。

表1　粉煤灰技術(shù)參數(shù)測(cè)定

表2　礦渣粉性能測(cè)定

圖1　聚丙烯短纖維

采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)制備四組混凝土拌合物。攪拌時(shí)投料順序：首先加入砂和水泥干拌1.0 min，然后均勻摻入纖維并干拌1.5 min；加入已攪拌均勻的高效減水劑與80%的拌和水，然后加入剩余的拌和水并攪拌2.0 min，停止攪拌。清理附著于攪拌機(jī)內(nèi)壁的漿體和纖維，同時(shí)觀察混凝土拌和物是否離析、纖維分布是否均勻、是否出現(xiàn)纖維結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。清理完畢后繼續(xù)攪拌1～2 min，立即進(jìn)行工作性指標(biāo)的測(cè)試。

表3　試驗(yàn)用配合比(kg/m3)

圖2　混凝土自由收縮試驗(yàn)裝置

1.2試件制備

依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)[10]制備混凝土抗壓強(qiáng)度試件，每組配合比制備9個(gè)立方體試塊，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，分別用來(lái)測(cè)試3 d，7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度?？箟簭?qiáng)度試驗(yàn)在1 000 kN液壓伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載速率為6 kN/s。

按照德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(DIN)[11]建議的混凝土自由收縮試驗(yàn)方法，測(cè)定四種配合比混凝土45 d的自由收縮量，并計(jì)算平均收縮應(yīng)變，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，試驗(yàn)裝置如圖2所示。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1立方體抗壓強(qiáng)度

不同配合比混凝土立方體抗壓強(qiáng)度按照標(biāo)準(zhǔn)[10]進(jìn)行測(cè)試并計(jì)算，表4列出了不同配合比混凝土立方體試塊3 d、7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度。

表4　不同配合比3 d、7 d、28 d的立方體抗壓強(qiáng)度(MPa)

圖3　不同齡期不同配合比混凝土抗壓強(qiáng)度

圖3為不同齡期不同配比混凝土立方體抗壓強(qiáng)度對(duì)比圖，由圖3和表4可以看出，四組配合比均滿足混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度，是否摻加聚丙烯纖維，對(duì)不同齡期混凝土立方體抗壓強(qiáng)度影響不大。

表5　混凝土坍落度及經(jīng)時(shí)損失(mm)

注：T0為新拌混凝土的坍落度值，T0.5為放置0.5 h后的混凝土坍落度值，T1.0為放置1.0 h后的混凝土坍落度值。

2.2混凝土工作性

混凝土的工作性是混凝土拌和物易于施工操作并獲得質(zhì)量均勻、密實(shí)混凝土的性能[12]。對(duì)于泵送混凝土主要采用坍落度法測(cè)定其的流動(dòng)性。泵送混凝土施工時(shí)要求混凝土具有較高的流動(dòng)性，以滿足泵送混凝土的集中攪拌、遠(yuǎn)距離運(yùn)輸及泵送等過(guò)程的要求。但在泵送混凝土施工過(guò)程中，經(jīng)常遇到由于混凝土坍落度損失過(guò)快，使混凝土難以澆筑成型。

混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失是指新拌混凝土的坍落度隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸減小的現(xiàn)象。影響泵送混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失的因素較多，包括環(huán)境溫、濕度，水泥品種(礦物成分)，水灰比，化學(xué)外加劑(相容性)，礦物外加劑(摻和料)以及砂石骨料的含泥量等因素。

參照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50080-2002)[13]，對(duì)不同配合比的新拌混凝土及放置0.5 h和1.0 h后混凝土的坍落度進(jìn)行測(cè)定，測(cè)試結(jié)果列于表5。

圖4　不同配合比新拌混凝土及經(jīng)過(guò)0.5 h和1.0 h后的坍落度

圖4為不同配合比新拌混凝土及0.5 h和1.0 h后混凝土的坍落度柱狀圖，由表5和圖4可以看出，新拌混凝土的坍落度均在160 mm±30 mm的范圍內(nèi)，滿足《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T10-2011)[14]的要求。但經(jīng)過(guò)0.5 h和1.0 h后，混凝土拌合物的坍落度損失嚴(yán)重，在1.0 h后，四種配合比混凝土的坍落度幾乎僅為新拌混凝土坍落度的50%。

已有研究往往忽略砂石骨料含泥量對(duì)泵送混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失的影響?？紤]本文所用砂的含泥量較高，達(dá)7.8%。選擇G003和G004兩組配合比，采用清水洗凈的砂(含泥量4.2%)重新配制混凝土，用以研究砂的含泥量在有無(wú)聚丙烯纖維的情況下對(duì)混凝土坍落度及經(jīng)時(shí)損失的影響，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表6。

表6　不同砂含泥量的G003和G004配合比新拌混凝土及0.5 h和1.0 h后的坍落度(mm)

圖5　不同砂含泥量的新拌混凝土及0.5 h和1.0 h后的坍落度

圖5為采用不同含泥量的砂得到的G003和G004新拌混凝土及0.5 h和1.0 h后的坍落度，由表6和圖5可以看出，采用清水洗過(guò)砂所配制混凝土的坍落度經(jīng)時(shí)損失很小，1.0 h后的坍落度仍在100 mm以上，滿足規(guī)范(JGJ/T10-2011)[14]對(duì)泵送混凝土出泵坍落度的要求，而是否摻加聚丙烯纖維，對(duì)混凝土的坍落度影響不大。

圖6　G003和G004混凝土實(shí)測(cè)自由收縮應(yīng)變

2.3混凝土自由收縮

圖6對(duì)比了聚丙烯纖維對(duì)G003和G004兩種配合比混凝土自由收縮性能的影響。由圖6可以看出，兩種配合比的混凝土在拆模后的前1-2 d均保持很快的自由收縮速率，此后自由收縮速率逐漸減慢。聚丙烯纖維的摻入，明顯降低了混凝土的自由收縮應(yīng)變。與素混凝土相比，摻入0.9 kg/m3聚丙烯纖維的混凝土試件的自由收縮應(yīng)變減小了15.3%。在混凝土中加入聚丙烯纖維后，纖維下部會(huì)聚集部分自由水，而纖維構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以阻止粗骨料的下沉，減少泌水，進(jìn)而降低毛細(xì)孔水的不飽和程度，減少混凝土基體的收縮應(yīng)變。這對(duì)改善混凝土的抗裂性能是很有利的。

2.4自由收縮預(yù)測(cè)模型驗(yàn)證

本試驗(yàn)選擇ACI 209[15]推薦的預(yù)測(cè)混凝土自由收縮模型和我國(guó)學(xué)者王鐵夢(mèng)[16]根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和多年工程實(shí)踐提出的混凝土自由收縮應(yīng)變計(jì)算公式計(jì)算G003和G004兩種配合比下混凝土的自由收縮應(yīng)變。

ACI 209[15]計(jì)算混凝土自由收縮應(yīng)變公式為：

(1a)

εsh，∞=780γsh×10-6，

(1b)

式中：ε(t)為收縮應(yīng)變；t為養(yǎng)護(hù)完成拆模以后的天數(shù)(d)；εsh，∞為最終收縮應(yīng)變；780×10-6為標(biāo)準(zhǔn)條件下的自由收縮應(yīng)變；γsh為非標(biāo)準(zhǔn)條件的修正系數(shù)，如砂率、水泥用量、環(huán)境濕度、構(gòu)件尺寸、養(yǎng)護(hù)方法、坍落度、含氣量等七種情況的影響系數(shù)。

王鐵夢(mèng)[16]計(jì)算混凝土自由收縮應(yīng)變公式如下：

(2)

式中：εy0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的極限收縮，取3.24×10-4；b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般取0.01，養(yǎng)護(hù)較差時(shí)取0.03；Mn為各種非標(biāo)準(zhǔn)條件的修正系數(shù)，如水泥品種、細(xì)度、骨料、水灰比、水泥漿量、初期養(yǎng)護(hù)時(shí)間、環(huán)境濕度、構(gòu)件尺寸、操作方法(振搗、養(yǎng)護(hù)方法)和配筋率等十種情況的影響系數(shù)。

圖7為G003和G004兩組配合比混凝土自由收縮應(yīng)變實(shí)測(cè)值與模型預(yù)測(cè)值對(duì)比圖。由圖7可以看出，是否摻加聚丙烯纖維，ACI 209模型預(yù)測(cè)的混凝土自由收縮應(yīng)變均與實(shí)測(cè)值較為接近，而王鐵夢(mèng)模型預(yù)測(cè)的混凝土自由收縮應(yīng)變明顯低于實(shí)測(cè)值，由于王鐵夢(mèng)模型是建立在中低強(qiáng)度混凝土基礎(chǔ)上的。由此可看出，ACI 209模型更適用于纖維混凝土自由收縮應(yīng)變的預(yù)測(cè)。

圖7　混凝土自由收縮應(yīng)變的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較

3結(jié)論

通過(guò)測(cè)定不同配合比新拌混凝土及0.5 h和1.0 h的坍落度以及不同配合比混凝土的自由收縮應(yīng)變，可以得到如下主要結(jié)論：

(1)聚丙烯纖維的摻入，對(duì)不同齡期混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度影響不大。

(2)砂的含泥量對(duì)混凝土坍落度影響較大，應(yīng)使用含泥量小于4.2%的砂配制泵送混凝土。

(3)摻加0.9 kg/m3的聚丙烯纖維，可使混凝土自由收縮應(yīng)變降低15.3%，明顯改善混凝土抗裂性能。

(4)通過(guò)混凝土自由收縮應(yīng)變實(shí)測(cè)值與模型預(yù)測(cè)值對(duì)比，發(fā)現(xiàn)ACI 209模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，該模型用更適用于纖維混凝土自由收縮應(yīng)變的預(yù)測(cè)。

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Experimental Investigation on the Workability and Free Shrinkage of Pumping Fiber Reinforced Concrete

NING Xi-liang，LI Yuan-yuan

(Architecture Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin，132012)

Abstract：Based on the measurement of the slump for fresh concrete and that after 0.5h and 1.0h of different concrete mix，the effect of clay content and polypropylene fibers on the workability of pumping concrete was investigated.In addition，according to the german guideline (DIN)，the free shrinkage of different concrete mix was measured to investigate the effect of polypropylene fibers on the free shrinkage of concrete.The results showed that polypropylene fibers with low dosage had little effect on the concrete slump.However，the clay content affected the slump and the slump loss of concrete greatly.A clay content lower than 4.2% is suggested.With the addition of 0.9 kg/m3 polypropylene fibers，the free shrinkage at early age decreases by 15.3%，which demonstrates that polypropylene fibers can improve the crack resistance of concrete at early age significantly.Finally，comparisons between experimental data and ACI 209 and Wang’s model were performed and ACI 209 model was found to be suitable for evaluating the free shrinkage strain of fiber reinforced concrete.Key words: Polypropylene fibers；Fresh concrete；Clay content；Slump；Free shrinkage

收稿日期：2015-10-09

基金項(xiàng)目：東北電力大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(BSJXM-201603)

作者簡(jiǎn)介：寧喜亮(1984-)，男，吉林省榆樹(shù)市人，東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院講師，博士，主要研究方向：纖維混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)及理論.

文章編號(hào)：1005-2992(2016)03-0080-06

中圖分類號(hào)：TU528.53

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A