玄武巖纖維混凝土及鋼筋混凝土早齡期抗裂性研究

周世軒

(大連理工大學(xué)土木建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧 大連 116024)

0 引 言

混凝土的塑性收縮一般發(fā)生在混凝土凝結(jié)過(guò)程的幾小時(shí)內(nèi),當(dāng)混凝表面水分蒸發(fā)過(guò)快,而混凝土自身抗拉強(qiáng)度還比較低時(shí),會(huì)引發(fā)混凝土裂縫,這些裂縫包含自混凝土表面向下擴(kuò)展一定深度的宏觀裂縫,也包含混凝土內(nèi)部的不可見(jiàn)微觀裂縫,這些裂縫對(duì)混凝土的強(qiáng)度及耐久性會(huì)造成不利影響[1]。

研究表明在混凝土中摻入某些短切纖維,能夠減小混凝土的塑性裂縫,提高混凝土的早期抗裂性能。閆振鵬[2]、聞洋[3]等的研究表明聚乙烯醇(PVA)纖維,可以有效抑制早期塑性裂縫的產(chǎn)生;張佚倫[4-6]等學(xué)者證明了聚丙烯纖維對(duì)混凝土早期抗裂的提高效果。而玄武巖纖維與這些纖維相比,存在一些顯著的優(yōu)勢(shì)。首先是玄武巖纖維的容重與混凝土基本一致,這代表攪拌和振搗后,玄武巖纖維可以更均勻的分布在混凝土中;其次是玄武巖纖維具有可以與玻璃纖維甚至碳纖維相媲美的力學(xué)性能(如表1所示[7]),可以增強(qiáng)混凝土的性能;再次,玄武巖纖維具有很強(qiáng)的耐酸、耐堿性,可適用于各類混凝土的配制;最后,玄武巖纖維的制作是通過(guò)物理拉拔實(shí)現(xiàn)的,相比其他纖維的生產(chǎn)更加的綠色環(huán)保。

表1 各種纖維性能對(duì)比

目前也有針對(duì)玄武巖纖維混凝土的早期抗裂性研究[8-10],但試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)較少,另一方面,工程中通常采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),而玄武巖纖維在鋼筋混凝土早齡期的抗裂性表現(xiàn),還鮮有論文進(jìn)行研究,因此通過(guò)在素混凝土以及鋼筋混凝土中,摻入短切玄武巖纖維,通過(guò)混凝土平板早期抗裂性試驗(yàn),研究玄武巖纖維對(duì)混凝土及鋼筋混凝土的早期抗裂性影響。

1 原材料和配合比

1.1 原材料

水泥使用大連小野田P.O 42.5R硅酸鹽水泥;石子粒徑為5～20 mm,級(jí)配良好;試驗(yàn)砂采用河砂,符合天然砂Ⅱ區(qū)的規(guī)定,屬于中砂;減水劑采用聚羧酸高效減水劑;纖維采用山西晉投的短切玄武巖纖維,規(guī)格為200絲,長(zhǎng)度為18 mm,單絲直徑15 μm;鋼筋采用φ8HRB300熱軋帶肋鋼筋。

1.2 配合比

混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為C30,坍落度設(shè)計(jì)值為180 mm,水灰比選擇0.53,砂率為0.47,綜合玄武巖纖維混凝土性能及經(jīng)濟(jì)性,纖維體積摻量為0.1%,即每立方米混凝土摻2.65 g纖維。玄武巖纖維的加入會(huì)降低混凝土的坍落度,基準(zhǔn)素混凝土與玄武巖纖維混凝土為了保證相同的和易性,僅調(diào)整減水劑摻量,其中減水劑在素混凝土及普通鋼筋混凝土中的摻量為膠凝材料的1.45%,減水劑在玄武巖纖維混凝土及玄武巖纖維鋼筋混凝土的摻量為膠凝材料的1.5%?；鶞?zhǔn)混凝土具體配合比為,石子∶砂子∶水泥∶水∶減水劑=986.4∶874.8∶339.6∶180∶4.9,單位為kg。

2 試驗(yàn)方法

采用《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(CECS 13:2009)》(以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》)混凝土的早期抗裂試驗(yàn)方法,該方法試件成型后即通過(guò)電風(fēng)扇吹風(fēng)失水,但經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在夏季溫度較高晴朗少云的中午,采用室外暴露法試驗(yàn)效果更佳,該方法的優(yōu)點(diǎn)在于試件表面溫度均勻,同批試驗(yàn)對(duì)照組間的試驗(yàn)條件基本一致,試件的尺寸及邊界效應(yīng)小。試驗(yàn)時(shí)選擇地表溫度為40～0 ℃時(shí)段,在試件成型之后,裝入《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的早期抗裂模具中并抹面,隨后立即置于室外無(wú)蔭處暴曬,直至試件終凝為止。當(dāng)裂縫不再擴(kuò)展時(shí),利用化曲為直的方法,用鋼尺測(cè)量試件表面可見(jiàn)裂縫的長(zhǎng)度,利用裂縫觀察儀測(cè)量裂縫的寬度,對(duì)于短裂縫可以將裂縫長(zhǎng)度中間位置的寬度作為裂縫平均寬度,對(duì)于長(zhǎng)裂縫,應(yīng)根據(jù)寬度分成多條短裂縫,所有裂縫需記錄最大寬度,并按下式計(jì)算(鋼筋)混凝土試件的裂縫總面積

按下式計(jì)算裂縫降低系數(shù)

式中:β為裂縫降低系數(shù),%;Sc0為基準(zhǔn)(鋼筋)混凝土試件的裂縫總面積,mm2;Scf為摻有玄武巖纖維(鋼筋)混凝土試件的裂縫總面積,mm2。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了研究玄武巖纖維在混凝土與鋼筋混凝土中對(duì)混凝土早期抗裂的作用,共設(shè)計(jì)兩組試驗(yàn)。試驗(yàn)一對(duì)比素混凝土(編號(hào)S1、S2)及玄武巖纖維混凝土(編號(hào)X1、X2)的早期抗裂性能,每組試驗(yàn)素混凝土及玄武巖纖維混凝土各兩塊試件。試驗(yàn)二對(duì)比普通鋼筋混凝土(編號(hào)GJT1、GJT2)及玄武巖纖維鋼筋混凝土(編號(hào)XGJT1、XGJT2)的早期抗裂性,每組試驗(yàn)各兩塊試件,鋼筋網(wǎng)間距均為10 cm×10 cm。

3.1 素混凝土與玄武巖纖維混凝土工作性及立方體抗壓強(qiáng)度結(jié)果

素混凝土坍落度為184 mm,摻量為18 mm～0.1%的玄武巖纖維混凝土坍落度為185 mm,可見(jiàn)僅通過(guò)調(diào)整減水劑摻量,可以使素混凝土與摻量為18 mm～0.1%的玄武巖纖維混凝土坍落度基本保持一致。素混凝土的28 d立方體抗壓強(qiáng)度為36.1 MPa,摻量為為18 mm～0.1%的玄武巖纖維混凝土28 d立方體抗壓強(qiáng)度為37.4 MPa,可見(jiàn)兩者的抗壓強(qiáng)度也相當(dāng)。

3.2 素混凝土與玄武巖纖維混凝土早期抗裂性對(duì)比結(jié)果

分別從最大裂縫寬度、裂縫平均寬度、裂縫總長(zhǎng)、裂縫總面積以及裂縫降低系數(shù)等方面評(píng)價(jià)纖維對(duì)混凝土早期抗裂性能的影響。每組兩塊試件的抗裂性能評(píng)價(jià)指標(biāo)見(jiàn)表2,試驗(yàn)表明玄武巖纖維混凝土在以上各參數(shù)上,均優(yōu)于素混凝土。

表2 18 mm～0.1%摻量混凝土早齡期抗裂性對(duì)比表

素混凝土不僅裂縫寬度要比玄武巖纖維混凝土要大,裂縫深度也更深。素混凝土試件存在貫穿試件頂、底面的通縫,而摻量為18 mm～0.1%的玄武巖纖維混凝土試件的裂縫并未貫通至底板,僅在表面較淺的范圍內(nèi)。

盡管玄武巖纖維可以有效的減小素混凝土的早期裂縫寬度、裂縫數(shù)量以及裂縫深度,但是玄武纖維的作用主要體現(xiàn)在微觀層面,并不能阻止宏觀裂縫的發(fā)生。可見(jiàn),當(dāng)裂縫寬度較大時(shí),纖維表現(xiàn)出一端被拔出的現(xiàn)象,可見(jiàn)玄武巖纖維由于分散后直徑相對(duì)裂縫寬度太小,同時(shí)玄武巖纖維的延性又較差,對(duì)橋接宏觀裂縫的作用是非常有限的,其在抑制宏觀裂縫的表現(xiàn)上,與鋼纖維和聚丙烯纖維差別較大。

3.3 普通鋼筋混凝土與玄武巖纖維鋼筋混凝土早期抗裂性對(duì)比結(jié)果

由于實(shí)際工程中的構(gòu)件通常為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),而并非單純的混凝土結(jié)構(gòu),鋼筋可以限制混凝土裂縫的產(chǎn)生,那么此時(shí)玄武巖纖維對(duì)提高鋼筋混凝土的早期抗裂性有多大作用是值得研究的。表3給出了普通鋼筋混凝土及18 mm長(zhǎng)摻量為0.1%的玄武巖纖維鋼筋混凝土早期抗裂性指標(biāo)的對(duì)比結(jié)果。與表3對(duì)比可知,鋼筋顯著的減小了普通混凝土及玄武巖纖維混凝土裂縫的最大寬度、平均寬度以及裂縫總面積;玄武巖纖維在鋼筋混凝土試件中,也能顯著提高混凝土的早期抗裂性;由于鋼筋對(duì)混凝土的減裂作用,玄武巖纖維在鋼筋混凝土中的早期減裂效率比在素混凝土中略有降低。

表3 18 mm～0.1%摻量玄武巖纖維鋼筋混凝土早齡期抗裂性對(duì)比表

玄武巖纖維使鋼筋混凝土的早期裂縫更加分散,長(zhǎng)度和數(shù)量也要低于普通鋼筋混凝土。

3.4 玄武巖纖維改善混凝土早期抗裂性能的機(jī)理分析

(1)對(duì)比摻玄武巖纖維混凝土與基準(zhǔn)混凝土的裂縫分布情況,可以發(fā)現(xiàn)適量短切玄武巖纖維的加入,可以降低混凝土裂縫的擴(kuò)展范圍;從裂縫的寬度來(lái)看,適量玄武巖纖維的加入可以降低混凝土裂縫的最大寬度和平均寬度;從裂縫在試件的擴(kuò)展深度來(lái)看,玄武巖纖維可以降低裂縫的深度。可見(jiàn)玄武巖纖維對(duì)裂縫的發(fā)展限制是空間性的。分布在混凝土內(nèi)部的纖維,組成了空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu),由于纖維的比表面積要比骨料大很多,結(jié)晶體沿著纖維也更易生長(zhǎng),從而降低了泌水。泌水率的降低會(huì)減小混凝土毛細(xì)孔的外張力,裂縫的數(shù)量、長(zhǎng)度和寬度也會(huì)相應(yīng)減少。另一方面,這種纖維空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)也會(huì)在一定程度上,延緩或降低骨料的下沉,起到一定支撐作用,也會(huì)阻止內(nèi)部裂縫的發(fā)展。

(2)從纖維在宏觀裂縫的破壞形式來(lái)看,纖維不是自中間被拉斷的,否則不會(huì)每根纖維的對(duì)側(cè)都沒(méi)有對(duì)應(yīng)的另一半纖維,纖維是從混凝土中拔出破壞的,從玄武纖維的材料特性也可以很容易的理解這點(diǎn)。這一方面說(shuō)明,短切玄武巖纖維對(duì)橋接宏觀裂縫的作用是很有限的,另一方面我們也可以推測(cè)玄武巖纖維在微觀裂縫上,也是以同樣的方式工作的,即玄武巖纖維與結(jié)晶體主要為粘結(jié)效應(yīng),這樣纖維一方面可以橋接微裂縫、微缺陷,也可以將混凝土內(nèi)部收縮產(chǎn)生的應(yīng)力,均勻的分布在纖維長(zhǎng)度上,降低了應(yīng)力集中,也就限制了裂縫的發(fā)生。

(3)顯然玄武巖纖維想在混凝土內(nèi)部形成空間網(wǎng)架效應(yīng)以及降低混凝土收縮應(yīng)力集中的前提是要足夠分散,否則有些微裂縫發(fā)生的位置沒(méi)有纖維,自然纖維不起作用;有些位置的纖維發(fā)生結(jié)團(tuán),由于結(jié)團(tuán)的纖維并不能像粗骨料那樣作為一個(gè)整體受力,反而有可能因?yàn)榕c結(jié)晶體的結(jié)合面過(guò)多而造成更多的缺陷,盡管可以降低局部的泌水,但可能會(huì)成為混凝土內(nèi)部的薄弱環(huán)節(jié),影響其他性能。

4 結(jié) 論

(1)摻量18 mm～0.1%的玄武巖纖維混凝土與素混凝土相比,玄武巖纖維混凝土在最大裂縫寬度、裂縫平均寬度、裂縫總長(zhǎng)、裂縫總面積、裂縫深度等各方面均得到改善,裂縫降低系數(shù)達(dá)到73.6%,摻量為18 mm～0.1%的短切玄武巖纖維可以顯著提高混凝土結(jié)構(gòu)的早期抗裂性。

(2)盡管玄武巖纖維可以有效的減小素混凝土的早期裂縫寬度、裂縫數(shù)量以及裂縫深度,但是玄武纖維的作用主要體現(xiàn)在微觀層面,并不能阻止宏觀裂縫的發(fā)生。對(duì)于宏觀裂縫,玄武巖纖維表現(xiàn)為出拔出破壞,對(duì)橋接宏觀裂縫的作用非常有限。

(3)摻量18 mm～0.1%的玄武巖纖維鋼筋混凝土與普通鋼筋混凝土相比,玄武巖纖維鋼筋混凝土同樣在最大裂縫寬度、裂縫平均寬度、裂縫總長(zhǎng)、裂縫總面積、裂縫深度等各方面均得到改善,裂縫降低系數(shù)達(dá)到63.6%,摻量為18 mm～0.1%的短切玄武巖纖維也可以顯著提高鋼筋混凝土的早期抗裂性。

(4)鋼筋的加入也可以減小混凝土裂縫寬度和深度,短切玄武巖纖維在鋼筋混凝土的早期抗裂提高效果略低于在素混凝土中的抗裂提高效果,但總體來(lái)說(shuō),當(dāng)玄武巖纖維摻量在0.1%時(shí),無(wú)論在素混凝土還鋼筋混凝土中,玄武巖纖維的加入均可以顯著提高混凝土的早期抗裂性能。

(5)鋼筋是典型的限制混凝土宏觀裂縫的工具,在限制宏觀裂縫上,纖維的作用與鋼筋不可同日而語(yǔ)。而玄武巖纖維對(duì)鋼筋混凝土早期抗裂的顯著提高表明,早期抗裂主要體現(xiàn)在混凝土的微觀效應(yīng)上,也再次證明了,一定摻量的短切玄武巖纖維對(duì)改善混凝土整體微觀特性的良好效果。