膨脹劑與纖維增強(qiáng)混凝土抗裂性的研究

趙明哲,陳 鵬,唐龍龍,唐 雷，陳李峰

(1. 中交第三公路工程局有限公司 北京市 101300； 2. 南京華路工程設(shè)計有限公司 南京市 210000；3.江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司 南京市 210000)

0 引言

隨著建筑業(yè)的發(fā)展，人們對混凝土材料的抗裂性要求越來越高，混凝土抗裂性能的研究也逐漸增多[1]，這些研究主要集中在纖維、膨脹劑等功能材料對混凝土性能的影響，在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中很少考慮混凝土的抗拉強(qiáng)度，對于混凝土的抗裂性，僅僅研究其抗拉強(qiáng)度是不夠的，拉伸強(qiáng)度和變形能力都是抗裂研究的重要內(nèi)容，特別是當(dāng)拉應(yīng)力超過其極限拉應(yīng)力，需在研究混凝土軸向拉應(yīng)力-應(yīng)變過程的基礎(chǔ)上，探究混凝土裂縫的形成、寬度和演變、應(yīng)力和變形等特征[2]。

徐立斌[3]通過軸向拉伸性能試驗，研究了玄武巖和聚丙烯混雜纖維混凝土的力學(xué)性能，得到了試件的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，建立了本構(gòu)方程；王振波等[4-5]研究了鋼纖維體積、長度比、類型和活性粉體對低體積分?jǐn)?shù)混合纖維混凝土拉伸性能影響；李莉等[6-7]通過拉伸試驗得到了活性粉末混凝土的軸向抗拉強(qiáng)度和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，建立了軸向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。

目前，混凝土抗裂性研究主要集中在摻纖維混凝土的力學(xué)性能上，有一定局限性，論文通過軸向拉伸試驗，研究了摻玄武巖纖維和鈣鎂膨脹劑混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，建立了本構(gòu)方程，為抗裂混凝土的研究和應(yīng)用提供了理論依據(jù)，為分析計算提供了參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗原材料

P·O 42.5普通硅酸鹽水泥和粉煤灰由南京某有限公司生產(chǎn)，12mm短切玄武巖纖維由上海某公司生產(chǎn)，其性能見表1，鈣鎂膨脹劑由山東某公司提供，主要含有氧化鈣和氧化鎂，二者約占90%以上；粗細(xì)骨料為玄武巖石子和天然河砂，均來自南京，石子粒徑為5～20mm。

表1 玄武巖纖維的性能

1.2 試驗配合比設(shè)計

試驗研究采用C40混凝土，其中水泥、砂、石子及聚羧酸減水劑用量均固定為296kg、767kg、1150kg和4.5 kg，每組試驗所摻加膨脹劑、纖維和水見表2。

表2 混凝土配比 kg/m3

1.3 試驗方法

混凝土軸向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變試驗的試件尺寸為100mm×100mm×200mm，螺紋鋼直徑為16mm，其嵌度為50mm，延伸長度為100mm，加載速度為0.05～0.08 MPa/s，位移計放在試件兩側(cè)，然后將位移計與DHDAS靜應(yīng)變測試系統(tǒng)連接，記錄混凝土變形數(shù)據(jù)，試驗裝置如圖1所示。

圖1 軸向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變試驗裝置

2 試驗結(jié)果和討論

2.1 試件開裂過程及破壞方式

抗裂混凝土軸向拉伸破壞過程如圖2所示。

圖2 混凝土抗拉破壞圖

在試驗中，大多數(shù)試件出現(xiàn)裂縫是一致的，基本上出現(xiàn)在中直截面。當(dāng)荷載接近峰值時，會出現(xiàn)橫向小但可見裂縫。隨載荷增加，裂紋不斷擴(kuò)展，其寬度也隨之增大；當(dāng)荷載達(dá)到峰值點時，應(yīng)力為抗拉強(qiáng)度，相應(yīng)的應(yīng)變?yōu)榉逯祽?yīng)變。隨載荷進(jìn)一步增加，曲線開始下降，表面的裂紋寬度增加和擴(kuò)展，然后試樣突然斷裂，下降段曲線并不理想。

2.2 混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

摻膨脹劑和纖維抗裂混凝土的軸向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。

圖3 混凝土軸向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖3可見，各組混凝土的軸向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨勢大致相同，但該曲線上的特征點不同。試驗結(jié)果表明，玄武巖纖維和膨脹劑的摻量對混凝土的延性和峰值應(yīng)力有影響，同時摻加纖維和膨脹劑后，混凝土軸向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段變化不明顯，但下降段斜率比未摻的(Y0)緩和很多。隨纖維量增加，減小截面逐漸變慢，斷裂點應(yīng)變逐漸增大；當(dāng)混凝土出現(xiàn)裂縫時，纖維可承受部分拉應(yīng)力，降低了混凝土脆性開裂的風(fēng)險。

2.3 混凝土軸向拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征點分析

2.3.1應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值點

混凝土軸向拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值點是混凝土破壞前承載力和變形能力最直接表現(xiàn)，峰值處應(yīng)力值越大，軸向抗拉強(qiáng)度越大，峰值對應(yīng)的應(yīng)變越大[8]，說明塑性應(yīng)變能力越大，混凝土的抗裂性越高，各組的峰值應(yīng)力和應(yīng)變?nèi)鐖D4和圖5所示。

圖4 曲線峰值應(yīng)力

圖5 曲線峰值應(yīng)變

由圖4可見，除Y3外，其他混凝土軸向拉伸峰值應(yīng)力明顯比未摻纖維和膨脹劑Y0的要高，這是因為纖維和膨脹劑可顯著提高峰值應(yīng)力，即通過添加纖維和膨脹劑可大大提高混凝土最大抗拉強(qiáng)度，其中Y1的峰值應(yīng)力最高，比普通混凝土提高了約52%。

由圖5可見，纖維和膨脹劑對混凝土的峰值應(yīng)變也有明顯的影響，表明纖維和膨脹劑的同時添加對提高混凝土的韌性和塑性變形能力有明顯的作用。與普通混凝土相比，Y3的峰值應(yīng)變增加了16.1%，但峰值應(yīng)力下降了4.3%?？赡艿脑蚴荵3纖維摻量較大，隨纖維摻量增加，纖維在混凝土中分布均勻性下降，導(dǎo)致混凝土抗拉強(qiáng)度下降。

2.3.2初始彈性模量和斷裂點

初始切線模量是曲線上升段的斜率，一般是從初始點到彈性極限的線性段，即初始拉伸彈性模量。初始模量越小，拉伸變形能力越好，斷裂點是混凝土斷裂時的應(yīng)變點。斷裂點應(yīng)變越大，混凝土的延性和變形性能越好，各組斷裂點的初始拉伸模量和應(yīng)變?nèi)鐖D6和圖7所示。

圖6 混凝土初始拉伸模量

圖7 混凝土斷裂點應(yīng)變

由圖6可見，初始拉伸切線模量受纖維和膨脹劑同時添加影響，變化范圍較小。但纖維和膨脹劑的雙摻可降低初始拉伸切線模量，提高彈性變形性能，由于混凝土是一種脆性材料，其彈性變形能力變化不大。

從圖7可見，纖維和膨脹劑的加入對斷裂點的應(yīng)變有很大影響，大大提高了斷裂點應(yīng)變值，較普通混凝土分別提高了102.2%、306.1%、291.7%、74.4%和95.1%，研究表明復(fù)摻纖維和膨脹劑混凝土的延性有顯著的增強(qiáng)作用，抗裂性能明顯提高。

2.4 因素分析與本構(gòu)方程的確定

通過范圍分析探討不同因素對混凝土不同特性的影響，因素A、B、C分別指水膠比、鈣鎂膨脹劑摻量和玄武巖纖維摻量，選擇峰值應(yīng)力、應(yīng)變和初始拉伸模量進(jìn)行分析，R1、R2、R3為各水平的極差，分析如圖8所示。

由圖8可見，隨水膠比增加，峰值應(yīng)力、應(yīng)變和拉伸彈性模量逐漸減小。隨膨脹劑用量增加，峰值應(yīng)力應(yīng)變先增大后減小，彈性模量先減小后增大，最佳含量為7%。這是因為膨脹劑水化作用形成的鈣礬石和水鎂石等膨脹晶體，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，提高了強(qiáng)度和變形性能。若摻加過高，導(dǎo)致過分膨脹，膨脹應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生微細(xì)裂縫，直接影響混凝土的抗拉強(qiáng)度及變形性能。

圖8 因素分析

纖維作用類似于膨脹劑，隨纖維含量增加，峰值應(yīng)變增大，彈性模量逐漸減小。纖維可大大提高混凝土塑性變形能力，峰值應(yīng)力先增大后減小，最佳含量為1%，當(dāng)纖維含量過大時，就需要較多水泥漿體來包裹纖維，那么水泥漿就不能有效地包裹骨料，一些骨料與骨料之間或骨料與纖維間無固定水泥連接，導(dǎo)致這些區(qū)域的應(yīng)力集中，強(qiáng)度大大降低，范圍分析表明，纖維對峰值應(yīng)力、應(yīng)變和彈性模量的影響較大，其次是膨脹劑。

根據(jù)郭振海[9]提出的混凝土拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線兩階段模型，通過調(diào)整本構(gòu)參數(shù)，擬合摻纖維和膨脹劑混凝土無量綱應(yīng)力-應(yīng)變圖，本構(gòu)方程如下。

y=αx+(1.5-1.25α)x2+(0.25α-0.5)x6

(1)

(2)

式中：α和β分別為曲線上升段和下降段的參數(shù)。

曲線擬合后的本構(gòu)參數(shù)如表3所示。

表3 每組混凝土的組成參數(shù)

3 結(jié)論

(1)隨纖維摻加，混凝土的拉伸應(yīng)變和拉伸應(yīng)力增加，拉伸彈性模量降低。玄武巖纖維可有效地提高混凝土的拉伸強(qiáng)度、韌性和延性。鈣鎂膨脹劑也能提高混凝土的強(qiáng)度、韌性和延性。結(jié)果表明，當(dāng)纖維和膨脹劑的摻量為1%和7%時，效果最好。水膠比可降低混凝土的峰值應(yīng)力、應(yīng)變和拉伸彈性模量。

(2)玄武巖纖維對曲線上的峰值應(yīng)力、應(yīng)變和拉伸彈性模量的影響最大，其次是水膠比，最后是鈣鎂膨脹劑。

(3)添加玄武巖纖維和鈣鎂膨脹劑后，軸向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)方程參數(shù)減小，表明上升段和下降段變慢，韌性和延性提高。當(dāng)纖維和膨脹劑的摻量分別為1%和7%時，上升段和下降段α和β分別為0.4和0.23。