鋼纖維混凝土早期抗裂性能應(yīng)用研究

孫 彰，肖新瑜，羅人賓

（1、深圳地鐵建設(shè)集團有限公司 深圳 518035；2、廣州城市理工學(xué)院 廣州 510800）

0 引言

混凝土開裂是工程中普遍存在的現(xiàn)象，主要由外荷載和變形引起［1］。裂縫的開展源于裂縫處材料的最大拉應(yīng)力大于實際抗拉強度，對超長結(jié)構(gòu)和超大尺寸結(jié)構(gòu)而言，混凝土的裂縫中有80%是非荷載因素造成的［2］。結(jié)構(gòu)在約束狀態(tài)下，承受混凝土收縮應(yīng)力和溫度應(yīng)力的影響，在早期容易出現(xiàn)收縮裂縫和溫度裂縫［3］?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范：GB 50010—2010》［4］中規(guī)定，為減小收縮與溫度變化等因素引起開裂，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)置伸縮縫的最大間距建議值為30 m。但隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，我國公建項目的體量越來越大，但有些特殊的大體量結(jié)構(gòu)，如地鐵工程結(jié)構(gòu)，受結(jié)構(gòu)功能和環(huán)境因素制約，變形縫相對其他建筑結(jié)構(gòu)更容易出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象，一般采用不設(shè)或少設(shè)伸縮縫處理，從而也導(dǎo)致需要承受車輛動荷載的地鐵工程車輛段的側(cè)壁和上蓋的尺寸遠(yuǎn)超過文獻(xiàn)［4］要求，因此需要有較為有效的防裂措施保證混凝土不出現(xiàn)早期裂縫。目前國內(nèi)外常見的混凝土防裂措施有3 種［5］：預(yù)應(yīng)力混凝土、纖維混凝土和收縮補償混凝土。其中纖維混凝土主要有鋼纖維和聚丙烯纖維、PVA 纖維等?；炷林袚饺肜w維，能在混凝土內(nèi)部形成較為均勻的亂向支撐體系，提高混凝土的粘聚性，有效抑制混凝土開裂方向的任意性，減少裂縫的寬度和數(shù)量［6-10］。

目前工程領(lǐng)域中，采用聚丙烯纖維、PVA 纖維進(jìn)行工程運用較多，對鋼纖維的實際運用案例較少，本文結(jié)合深圳地鐵某車輛段大平臺混凝土頂板項目，對摻加了鋼纖維的混凝土和常規(guī)抗?jié)B混凝土進(jìn)行對比研究，比對現(xiàn)場試驗和抽樣試驗結(jié)果，探索大分塊混凝土結(jié)構(gòu)抗裂能力的提升方法，為類似工程提供參考借鑒。

1 工程概況

深圳地鐵某車輛段位于沈海高速公路以北，秀沙路以西，淡水河南側(cè)，占地面積約為40.73 公頃，車輛段預(yù)留上蓋物業(yè)開發(fā)條件并設(shè)置2 座上蓋橋梁，主要包含大架修庫、運用庫、物資總庫、咽喉區(qū)、綜合體等18個蓋內(nèi)外建筑單體，如圖1所示。

圖1 深圳地鐵某車輛段平面示意圖Fig.1 Plan Diagram of a Shenzhen Metro Depot

該車輛段上蓋平臺建筑面積為237 298 m2，平面尺寸可長達(dá)400～500 m，寬200～300 m。為減少變形縫數(shù)量，兼顧塔吊作業(yè)范圍，大平臺頂板共分為11 個施工區(qū)，平均每塊面積約21 000 m2，如圖2所示。分塊后的11 個板塊仍屬于大平臺分塊，遠(yuǎn)超過文獻(xiàn)［4］建議的最大變形縫間距30 m的要求［3］。其中施工七區(qū)采用添加鋼纖維的混凝土，為試驗區(qū)，施工一區(qū)采用未添加鋼纖維的普通商品混凝土，混凝土等級為C35，抗?jié)B等級為P6，為對比區(qū)。兩個施工區(qū)板厚均為200 mm，均根據(jù)施工需要設(shè)置二級分區(qū)，二級分區(qū)面積相近，均為2 500 mm2左右，二級分區(qū)預(yù)留后澆帶，以有效釋放混凝土收縮成型變形能，后澆帶寬800 mm，間距為30～50 mm［11］，混凝土早期約束條件相近。

圖2 深圳地鐵某車輛段施工分區(qū)Fig.2 The Construction Division of a Shenzhen Metro Depot

2 現(xiàn)場試驗

2.1 鋼纖維混凝土配置

本工程試驗塊所采用的混凝土需考慮工程經(jīng)濟性，添加的鋼纖維含量應(yīng)滿足并貼近《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程：JGJ∕T 221—2010》［12］5.3 節(jié)鋼纖維混凝土的纖維體積率下限要求，同時減少原材料中的膠凝材料，優(yōu)化前后的材料配量如表1所示：膠凝材料用量從原配合比336 kg 調(diào)整到295 kg，粉煤灰占膠凝材料總量20%以內(nèi)，添加30 kg 普通鋼纖維，纖維長度20～60 mm，直徑0.3～0.9 mm，長徑比30～80 之間，鋼纖維體積率為0.38%，貼近文獻(xiàn)［12］規(guī)定的普通鋼纖維混凝土中的纖維體積率下限要求0.35%。優(yōu)化前后的水膠比相當(dāng)，保證混凝土強度相當(dāng)。

表1 優(yōu)化前后的材料配量Tab.1 Material Allocation before and after Optimization

對鋼纖維混凝土采用強制式攪拌機攪拌，為了保證纖維均勻分散在混凝土中，先將纖維和粗、細(xì)骨料干拌，以較好打散鋼纖維，再加入其他材料共同濕拌。保證優(yōu)化前后的混凝土拌合物具有良好的和易性，不得離析、泌水或纖維聚團，保證鋼纖維混凝土和普通混凝土的坍落度相當(dāng)。

纖維混凝土在運輸過程中不應(yīng)離析和分層。當(dāng)纖維混凝土拌合物因運輸或等待澆筑的時間較長而造成坍落度損失較大時，需在卸料前摻入適量減水劑進(jìn)行攪拌，但不得加水?？杀眯詰?yīng)符合現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程：JGJ∕T 10—2011》［13］的規(guī)定。

2.2 混凝土應(yīng)變監(jiān)測與分析

混凝土收縮和溫度變化均會引起結(jié)構(gòu)板在平面內(nèi)的變形，大平臺結(jié)構(gòu)頂板厚度200 mm，混凝土本身已具備較好的散熱條件，與外環(huán)境溫差小，降溫速率適中。因此忽略溫度應(yīng)力引起結(jié)構(gòu)開裂，主要考慮大尺寸結(jié)構(gòu)收縮應(yīng)力的影響。

為了驗證鋼纖維混凝土和普通混凝土對收縮應(yīng)力的影響，本項目對試驗區(qū)和對比區(qū)分別預(yù)埋了12個傳感器，位置為：在頂板上部鋼筋處共布置4 個點位，每個點位沿平行于長邊和垂直于長邊兩個方向各布置1個傳感器，共計8個傳感器，在下部鋼筋處共布置2 個點位，每個點位沿平行于長邊和垂直于長邊兩個方向各布置1 個傳感器，共計4 個傳感器。如圖3 所示，奇數(shù)表示水平方式的應(yīng)變片編號，偶數(shù)表示豎直方向的應(yīng)變片編號，實心表示應(yīng)變片放置于板底，空心表示應(yīng)變片放置于板頂。本文采用的測試點編號為：YL2-應(yīng)變片編號。普通混凝土監(jiān)測時間為9 d，鋼纖維混凝土監(jiān)測時間為17 d，采集儀每間隔30 min 自動采集數(shù)據(jù)并上傳至安全監(jiān)測云信息平臺。

圖3 監(jiān)測點編號Fig.3 Monitoring Point Number

2.2.1 確定應(yīng)變零點及有效數(shù)據(jù)

實際應(yīng)變零點的確定關(guān)系到測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為準(zhǔn)確確定應(yīng)變零點，該項目同一板塊保證同天完成澆筑，但由于混凝土不可能在同一時間統(tǒng)一澆筑完成，澆筑過程中存在時間差導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)具有滯后性，并且應(yīng)考慮澆搗過程中存在著對測試點位置的擾動，因此采用溫度數(shù)據(jù)突變和相對應(yīng)變數(shù)據(jù)突變相結(jié)合的方式確定實際應(yīng)變零點。

以YL2-10為例，如圖4 所示，傳感器測量的初始溫度為19.98 ℃，該溫度為鋼纖維混凝土開始澆筑時的大氣溫度。該初始溫度下實驗儀器記錄應(yīng)變零點。在0.7 d的位置，略微下降的溫度曲線出現(xiàn)溫度突變，處于相對零點左右的相對應(yīng)變曲線出現(xiàn)了突變，對應(yīng)溫度22.12 ℃為實際的入模溫度，與入模溫度相對應(yīng)的點A為實際的應(yīng)變零點位置。普通混凝土在大氣溫度為26.57 ℃時開始進(jìn)行澆筑，傳感器測量開始測量數(shù)據(jù)，并記錄為應(yīng)變零點。在0.2～0.3 d的位置，略微下降的溫度曲線出現(xiàn)溫度突變，處于相對零點左右的相對應(yīng)變曲線出現(xiàn)了2 個較大突變，可以考慮此時澆筑對應(yīng)變片產(chǎn)生擾動作用，可以確定34.45 ℃為實際入模溫度，點B為實際的應(yīng)變零點位置。

圖4 YL2-10入模溫度與實際應(yīng)變零點位置Fig.4 Mold Entry Temperature and Actual Strain Zero Position of YL2-10

YL2-1 與YL2-2 數(shù)據(jù)缺失，無法準(zhǔn)確獲得普通混凝土的大氣溫度，其他測點對應(yīng)的大氣溫度、入模溫度如表2 所示。鋼纖維混凝土對應(yīng)的大氣溫度在19～25℃之間，入模溫度為25～32 ℃；普通混凝土對應(yīng)的大氣溫度為26～29 ℃，入模溫度為30～45 ℃，根據(jù)混凝土入模溫度不宜超過35 ℃的要求，選擇YL2-3及YL2-10作為比對的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并以入模溫度確定實際應(yīng)變零點進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

表2 測試點大氣溫度及入模溫度Tab.2 The Atmospheric Temperature of the Test Point and the Temperature of the Mold （℃）

考慮應(yīng)變片安裝位置、傳感器穩(wěn)定性因素的影響，對鋼纖維混凝土及普通混凝土關(guān)于溫度-相對應(yīng)變分析，剔除測量過程中的畸變點，保證數(shù)據(jù)的可靠性。

2.2.2 應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

如表3 所示，對比YL2-3 與YL2-10 試驗點的入模溫度和大氣溫度的溫度差后發(fā)現(xiàn)，鋼纖維混凝土和普通混凝土的溫度差集中在2～8℃之間，鋼纖維混凝土溫度差的平均值為4 ℃，普通混凝土的溫度差平均值為5.6 ℃，鋼纖維混凝土相對比普通混凝土，可以適當(dāng)降低入模溫度，但不存在明顯優(yōu)勢。

表3 入模溫度和大氣溫度的溫度差Tab.3 The Temperature Difference between the Mold Temperature and the Atmosphere Temperature （℃）

結(jié)構(gòu)的抗裂性能與混凝土的累計應(yīng)變關(guān)系密切，在約束條件下大尺寸混凝土產(chǎn)生收縮變形中，支座處的早期開裂相對于其他部位更加明顯，因此本文主要對支座處的YL2-3、YL2-4、YL2-7、YL2-8 的時間-累計負(fù)應(yīng)變進(jìn)行分析，其中普通混凝土監(jiān)測時間為9 d，鋼纖維混凝土監(jiān)測時間為17 d，為保證時間的統(tǒng)一性，均采用前9 d的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析。

混凝土?xí)r間-累計應(yīng)變?nèi)鐖D5 所示，鋼纖維混凝土數(shù)據(jù)分布較為集中，累計負(fù)應(yīng)變的分布范圍集中在（-100～100）με，普通混凝土累計應(yīng)變分布范圍集中在（-150～0）με?？梢钥闯觯谙嗤募s束條件和相同的板塊尺寸條件下，鋼纖維混凝土能有效減少初期應(yīng)變量，達(dá)到較好的抗裂效果。

圖5 混凝土?xí)r間-累計應(yīng)變Fig.5 Time-accumulated Strain of Concrete

3 抽樣試驗

為進(jìn)一步確定鋼纖維混凝土早期抗裂性能，對昂鵝車輛段大平臺頂板的混凝土現(xiàn)場取樣，進(jìn)行早期抗裂性能試驗和收縮率試驗。

3.1 早期抗裂性能試驗

本試驗采用尺寸為800 mm×600 mm×100 mm 平面薄板型試件進(jìn)行早期抗裂試驗，混凝土采用型號為SB-87 強制式單臥軸混凝土攪拌機制作，試驗規(guī)程依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法：GB∕T 50082—2009》［14］。

本試驗每組試件為2 個，分別定義為試件1 和試驗2，對試件早期的抗裂結(jié)構(gòu)根據(jù)文獻(xiàn)［14］對裂縫名義面積、裂縫條數(shù)進(jìn)行相關(guān)計算后，計算24 h 的混凝土早期抗裂性能試驗結(jié)果，如表4所示。

從表4 可以看出，單個試件每條裂縫的平均開裂面積，鋼纖維混凝土相對普通混凝土試件降低了近50%，但單個試件單位面積上裂縫數(shù)量，鋼纖維混凝土并不存在絕對優(yōu)勢，裂縫數(shù)目與普通混凝土相當(dāng)。由此可以得出結(jié)論：加入鋼纖維的混凝土由于纖維本身具有較高的抗拉強度和與水泥有很好的粘結(jié)力，能夠有效控制裂縫的擴展，早期抗裂強度明顯優(yōu)越于普通的混凝土，但采用以文獻(xiàn)［12］下限的鋼纖維含量對于控制裂縫數(shù)量效果不明顯。

表4 混凝土早期抗裂性能試驗結(jié)果（24 h）Tab.4 The Results of Early Crack Resistance Test of Concrete（24 h）

3.2 收縮率試驗

本試驗采用尺寸為100 mm×100 mm×515 mm 的試模進(jìn)行收縮率試驗，混凝土采用型號為SS-01 的收縮膨脹儀測量，試驗期齡為移入恒溫恒濕的室內(nèi)環(huán)境后開始計算，試驗規(guī)程依據(jù)文獻(xiàn)［14］。

混凝土收縮率如圖6 所示：試驗7 d 內(nèi)，鋼纖維混凝土收縮率相對于普通混凝土的收縮率增長較慢，但28 d 后的鋼纖維混凝土與普通混凝土收縮率基本相同，由此可以得出結(jié)論：鋼纖維能有效抑制混凝土早期的收縮變形，但對混凝土后期收縮的抑制作用不存在明顯優(yōu)勢。

圖6 試驗齡期-混凝土收縮率關(guān)系Fig.6 Relationship between Test Age and Concrete Shrinkage

4 結(jié)論

本工程針對大尺寸混凝土結(jié)構(gòu)采取了多種措施進(jìn)行裂縫控制，如優(yōu)先采用水化熱較低的混凝土，低收縮率、低開裂性、低泌水率的水泥膠凝材料等，保證工程結(jié)構(gòu)能夠滿足一級抗?jié)B防水要求，在此基礎(chǔ)上對鋼纖維混凝土的優(yōu)越性進(jìn)行了分析，可以得出以下結(jié)論：

⑴現(xiàn)場試驗需要對應(yīng)變量變化的分析，判斷現(xiàn)混凝土入模溫度及大氣溫度及實際的應(yīng)變零點，該方法可為類似工程分析提供參考。

⑵用鋼纖維混凝土可以適當(dāng)降低入模溫度。

⑶鋼纖維能夠有效減少初期應(yīng)變量，提高早期的抗拉性能，控制裂縫的擴展，但對抑制裂縫數(shù)量效果不明顯。

⑷加鋼纖維能夠有效控制混凝土的早期收縮變形，但對后期收縮的抑制作用不存在明顯優(yōu)勢。

⑸鋼纖維材料成本較高，考慮工程經(jīng)濟性，對于早期抗裂要求高或者無法避免需采用大尺寸的混凝土構(gòu)件，對鋼纖維的含量采用文獻(xiàn)［12］下限即可達(dá)到減少應(yīng)變的效果，提高抗裂能力。