摘要:采用平板限制收缩试验法,研究了聚丙烯纤维、钢纤维与膨胀剂及其复合技术对大掺量矿物掺合料混凝土早期塑性收缩开裂的影响。结果表明,大掺量矿物掺合料混凝土的早期抗裂性大小顺序为:纤维增强高性能膨胀混凝土> 纤维增强高性能混凝土> 混杂纤维增强高性能混凝土> 混杂纤维增强高性能膨胀混凝土> 高性能膨胀混凝土。因此,采用膨胀剂与钢纤维的复合技术是防止混凝土发生塑性收缩开裂的比较理想的技术措施。
关键词:高性能混凝土;大掺量矿物掺合料;塑性收缩
中图分类号:TU528.572 文献标识码:A 文章编号:1006 - 8996(2006) 06 - 0044 - 04
混凝土的开裂必将加速在耐久性实验过程中混凝土的劣化进程,从而引起结构耐久性的降低[1 ,2 ] 。混凝土的早期塑性收缩开裂是指混凝土在塑性阶段由于各种收缩产生的裂缝。目前,一方面混凝土的早期塑性收缩与开裂问题的研究已经越来越受到人们的关注;另一方面,为满足混凝土耐久性与强度要求,实现水泥混凝土行业和社会的可持续发展,大掺量矿物掺合料混凝土越来越多地被应用到实际工程中。但是,针对大掺量矿物掺合料混凝土的早期塑性收缩开裂的研究报道比较少见。本文应用测定早期塑性收缩开裂的约束平板试验法,研究了纤维与膨胀剂、纤维混杂技术及其与膨胀剂的复合技术对大掺量矿物掺合料混凝土早期塑性收缩开裂的影响。
1 实验
1.1 原材料与配合比
1.1.1 原材料 ①采用江苏嘉新京阳水泥厂生产的P. Ⅱ52.5R 硅酸盐水泥; ②镇江产风选Ⅰ级粉煤灰(Fly ash ,FA) ,细度6.8 % ,含水率0.04 % ,烧失量2.04 % ,需水量比93 % ,SO3 含量1.22 %; ③江苏江南粉磨公司的S95 级磨细矿渣(Slag ,SG) ; ④江苏省建筑科学研究院生产的矿物掺和料(X粉) ; ⑤安徽巢湖速凝剂总厂生产的AEA 铝酸盐混凝土膨胀剂; ⑥南京产黄砂,表观密度2 680 kg/m3 ,堆积密度1 570 kg/m3 ,含泥量2.5 % ,细度模数1.8 ,属于Ⅲ区级配,细砂; ⑦南京六合产玄武岩碎石,最大粒径13 mm ,表观密度2 820 kg/m3 ,堆积密度1 435 kg/m3 ,含泥量0.3 % ,针片状颗粒含量11.4 % ,压碎指标6 % ,基本属于5～10mm 连续级配; ⑧上海华登外加剂厂生产的HP400R 型聚羧酸缓凝高效减水剂,该外加剂为液体,减水率30 %以上,无氯离子,碱含量小于减水剂干重的1 %; ⑨江苏省建筑科学研究院生产的液体JM- 2 000c高效引气剂,推荐掺量为0. 5～1.0/104 ; ⑩常州市天怡工程纤维有限公司生产的束状单丝聚丙烯纤维,密度0.91 g/m3 ,长度19 mm ,直径0.048 mm ,弹性模量≥3.5 GPa ; lv北京海达工顺科技有限公司生产的工顺牌GS - 2005 - 3 哑铃型钢纤维,长度20 mm ,等效直径0.45 mm ,长径比44.4 ,弹性模量200 Gpa 。以上原材料化学成分见表1。
1.1.2 配合比 表2 是实验设计的6 组混凝土的配合比。混凝土分别是大掺量矿物掺合料的聚丙烯纤维或钢纤维增强高性能混凝土(D9、D12) 、大掺量矿物掺合料的混杂纤维增强高性能混凝土(D14) 、大掺量矿物掺合料的高性能膨胀混凝土(D8) 、大掺量矿物掺合料的聚丙烯纤维或钢纤维增强高性能膨胀混凝土(D18、D20) 及大掺量矿物掺合料的混杂纤维增强高性能膨胀混凝土(D21) 。控制混凝土的坍落度在130～220 mm范围内。
1.2 实验与测试方法
1.2.1 约束平板模具 参考中国工程院水利与建筑学部《混凝土结构耐久性设计与施工指南》[3] 中,日本笠井芳夫教授提出的设计方法,本实验的试件尺寸为600 mm ×600 mm ×63 mm ,用于浇注试件的钢制模具见图1a 。模具的四边用æ63 mm ×6.3 mm 的等边角钢制成,四边与底板通过螺栓固定在一起,以提高模具的刚度;在模具每个边上用双螺帽固定下排7 个Φ6 ×100 mm螺栓和上排7 个Φ6 ×50 mm 螺栓。两排螺栓相互交错,便于浇筑的混凝土填充密实。在模具底板的表面铺上低摩阻的聚四氟乙烯薄膜。
1.2.2 混凝土搅拌与试件制作 采用强制搅拌机进行搅拌,投料和搅拌顺序为:先加胶凝材料和砂、石,同时撒入聚丙烯纤维或钢纤维,干拌1 min ,再加入混有高效减水剂和高效引气剂的水,湿拌3～5min。对于掺加混杂纤维的混凝土,聚丙烯纤维在干拌时加入,钢纤维在湿拌过程中均匀撒入。搅拌均匀后出料,测定混凝土混合料的坍落度和扩展度。
试件浇注、振实、抹平后,放入观测环境,控制环境温度(28 ℃) 和相对湿度(50 %) ,混凝土表面的温度为35 ℃,用风速仪测量平行试件表面方向的风扇风速为3.2 m/s ,详见图1b。
1.2.3 裂缝观测与数据处理方法 记录观察到的试件表面出现每条裂缝的时间。当试件表面出现贯穿裂缝后很少会再有新的裂缝出现,这时每1 h 观察一次,直到24 h 观察结束,再仔细观测所有裂缝数量与总长、裂缝的最大宽度。裂缝长度以肉眼可见为准,用钢尺测量长度,近似取裂缝两端直线距离,当裂缝出现明显弯折时,以折线长度之和代表裂缝长度。裂缝宽度用精度0.02 mm 的读数显微镜测量,取裂缝最宽处的宽度代表该裂缝的裂宽。
根据观测结果,分别计算不同配合比混凝土的总裂开面积A(单位mm2 ) 和单根裂缝的平均开裂面积a (单位mm2/根) ,计算公式如下
式中,wi 为第i 根裂缝的最大宽度,mm; li 为第i 根裂缝的长度,mm; N 为总裂缝数目,根。
2 结果与讨论
2.1 单掺纤维和膨胀剂对大掺量矿物掺合料的高性能混凝土早期塑性收缩开裂的影响
图2 是单掺聚丙烯纤维(D9) 、钢纤维(D12) 和膨胀剂(D8) 的大掺量矿物掺合料高性能混凝土的总裂开面积和单根裂缝的平均开裂面积。结果表明,D9 的早期塑性收缩抗裂性优于D12 和D8。单掺0.1 %的聚丙烯纤维可使混凝土早期塑性收缩开裂的裂缝细化,其提高混凝土抗裂性的机理是:在混凝土塑性阶段,聚丙烯纤维在混凝土中乱向分布,降低了表面泌水和集料的离析[4 ,5 ] ,收缩应力和能量被分散到纤维上,有效削弱了塑性收缩应力,缓和了裂缝尖端的应力集中程度[6 ] ,从而阻止了裂缝的进一步扩展,减小了裂缝的尺寸。
图2 还表明,单掺10 %膨胀剂的混凝土D8 的开裂程度最高,单掺0.8 %钢纤维的混凝土D12 的开裂程度介于D9 和D8 之间,这可能与膨胀剂还未充分水化形成膨胀性的钙矾石有关。因此,同单掺0.1 % 聚丙烯纤维相比,单掺10 % 膨胀剂的抑制混凝土塑性收缩开裂的能力是有限的。
2.2 混杂纤维、膨胀剂与纤维或混杂纤维的复合技术对大掺量矿物掺合料高性能混凝土的早期塑性收缩开裂的影响
图3 是掺加混杂纤维(0.1 %聚丙烯纤维+ 0.7 %钢纤维) 、复合掺加(10 %膨胀剂+ 0.1 %聚丙烯纤维) 、复合掺加(10 %膨胀剂+ 0.8 %钢纤维) ,以及复合掺加(10 %膨胀剂+ 0.8 %混杂纤维) 的大掺量矿物掺合料高性能混凝土的总裂开面积和单根裂缝的平均开裂面积。混凝土的编号分别是D14、D18、D20和D21。由图3 可知,D20 的早期塑性收缩抗裂性最好,说明不仅膨胀剂已经充分地发挥了补偿收缩的作用,而且钢纤维同时发挥了有效的限缩与止裂作用。此外,D14 的早期抗裂性优于D21 ,再次说明膨胀剂受环境条件等的限制,其膨胀作用很不稳定。复掺膨胀剂与聚丙烯纤维的D18 ,由于水胶比较大,其早期塑性收缩开裂程度最严重。
2.3 几种大掺量矿物掺合料高性能混凝土早期抗裂性的比较图4 是D9、D12、D14、D8、D18、D20 及D21 的总裂开面积。由图4 可知,综合评价大掺量矿物掺合料的早期塑性收缩的抗裂性能,复合掺加(10 %膨胀剂+ 0.8 %钢纤维) 的D20 最优,其次是单掺0.1 %聚丙烯纤维的D9、单掺0.8 %钢纤维的D12 以及掺加0.8 %混杂纤维(0.1 %聚丙烯纤维+ 0.7 %钢纤维) 的D14 ,再次是复合掺加(10 %膨胀剂+ 0.8 %混杂纤维) 的D21。本实验条件下,单掺10 %膨胀剂的D8 以及复合掺加(10 %膨胀剂+ 0.1 %聚丙烯纤维) 的D18 的开裂程度比较严重。
3 结论
(1) 单掺0.1 %聚丙烯纤维或0.8 %钢纤维能显著改善大掺量矿物掺合料高性能混凝土的早期塑性收缩的抗裂性。
(2) 掺加(0.1 %聚丙烯纤维+ 0.7 %钢纤维) 的混杂纤维及其与10 %膨胀剂的复合措施,对抑制大掺量矿物掺合料高性能混凝土的早期塑性收缩开裂的比较显著。
(3) 采用掺加(10 %膨胀剂+ 0.8 %钢纤维) 的复合技术,是大掺量矿物掺合料高性能混凝土的最佳抗裂技术路线。但是,采用复合掺加膨胀剂与混杂纤维的技术路线,对于大掺量矿物掺合料混凝土的早期塑性收缩抗裂性能的影响很不稳定,需进一步研究。
参考文献:
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