纖維素纖維礦物摻合料改善高性能混凝土抗裂性能

王德志,孟云芳,萬良興

(1.寧夏大學土木與水利工程學院,寧夏 銀川 750021;

2.旱區(qū)現(xiàn)代農業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心,寧夏銀川 750021)

混凝土成型后在與外界沒有水分交換的情況下,內部相對濕度隨水泥水化的進展而降低,造成毛細孔的水分不飽和而產生壓力,引起混凝土的自行收縮。在水灰比較高的普通混凝土中,這部分收縮較小。近年來,隨著高強混凝土和高性能混凝土的應用和發(fā)展,低水灰比的高強混凝土和高性能混凝土的自收縮比普通混凝土的自收縮大得多。高性能混凝土的水膠比很低,能提供水泥水化的自由水分少,早期強度較高的發(fā)展率會使自由水消耗較快,在外界水分供應不足的情況下,水泥水化不斷消耗水分從而產生原始微裂縫,影響混凝土的強度和耐久性[1-2]。

20世紀60年代以來,研究人員開發(fā)了鋼纖維、聚丙烯纖維、尼龍、滌綸、碳纖維等纖維增強混凝土,通過增大纖維體積率、調整水泥基體的組成并改變制作工藝等,控制水泥基體中微裂縫的產生和擴展,改善混凝土的耐久性能,促進了纖維增強混凝土的迅速發(fā)展。很多天然的有機纖維,如西沙爾、麻、椰子殼的纖維以及甘蔗渣等也可以起到相似的作用。美國ACI 544委員會的報告指出[3],全世界約有40個國家在建筑中使用了非木漿植物纖維,但該制品在使用過程中易發(fā)生質變,強度和韌性隨時間有較大幅度的下降,存在耐久性問題。發(fā)展中國家如巴西、南非等非常重視天然植物纖維在混凝土中的應用研究,近年來一些發(fā)達國家的科研單位在這方面的研究也取得了一定的進展[4-5],但在國內這方面的研究還比較少。筆者應用纖維素纖維提高混凝土的抗裂性。

1 纖維素纖維混凝土性能試驗

1.1 試驗方法

混凝土的拌和、成型養(yǎng)護、抗壓強度、劈裂強度試驗方法依據(jù)DL/T5150—2001《水工混凝土試驗規(guī)程》[6]的規(guī)定實施,采用100mm×100mm×100mm的模型,試件標準養(yǎng)護齡期為28 d。根據(jù)國內外資料混凝土抗裂性能試驗方法主要有3種:環(huán)形收縮試驗法、平板法和溫度應力試驗機(或開裂架)試驗方法,本試驗采用平板法參照CECS 38—2004《纖維混凝土結構技術規(guī)程》[7]的要求研究纖維素纖維混凝土的抗裂性。通過模具邊框中雙排栓釘對混凝土形成約束,通過底部表面粗糙的鋼板與混凝土的直接黏結形成底部約束。試驗采用正交試驗方法,正交試驗中因素水平如表1所示。

表1 正交試驗因素水平

1.2 試驗原材料

a.水泥:采用寧夏賽馬水泥廠生產的52.5MPa普通硅酸鹽水泥,經(jīng)檢測滿足國家標準的要求。

b.細集料:采用寧夏鎮(zhèn)北堡產山砂,細度模數(shù)為 3.0,表觀密度為 2.60 g/cm3,堆積密度為1.50g/cm3,含泥量為1.5%。

c.粗集料:人工碎石,粒徑為5～20mm,連續(xù)級配,壓碎指標為6.5%。

d.粉煤灰:采用寧夏銀欣源熱電工貿有限公司產Ⅰ級粉煤灰,物理性能指標測試結果:細度(45μ m篩余)為0.054(國家標準為小于或等于12),燒失量為0.0203(國家標準為小于或等于5.0),含水率為0.0007(國家標準為小于或等于1.0),SO3為0.002(國家標準為小于或等于3.0),需水量比為0.92(國家標準為小于或等于0.95)。

e.煤矸石:來源于寧夏石嘴山石炭井自燃煤矸石,其主要化學成分為 SiO2(53.1%),Al2O3(36.4%),經(jīng)球磨機磨成粉末后使用,密度為2.71g/cm3,比表面積為560m2/kg。

f.硅灰:來源于濟南銀豐硅制品有限公司生產的金屬硅粉,比表面積為20000m2/kg,其主要化學成分為SiO2(99.2%),Al2O3(0.24%)。

g.外加劑:北京幕湖外加劑廠生產的FDN高濃型萘系高效減水劑。

h.試驗用纖維素纖維采用上海羅洋新材料科技有限公司生產的博凱超纖維(UltraFiber 500)產品,其比表面積為 25 000 cm2/g,抗拉強度為600～900MPa,斷裂伸長率為14%,彈性模量為8500MPa,纖維長度為1.9～2.3mm,纖維直徑為14～17μ m,密度為1.1g/cm3。該纖維通過在纖維素纖維的外表面涂覆1層無機高耐堿材料而具有高耐堿、高耐久性的性能,彌補了天然植物纖維耐堿性差的缺陷。

2 試驗結果與分析

2.1 力學性能試驗

根據(jù)表1進行混凝土力學性能試驗,混凝土28d抗壓強度、劈裂抗拉強度見表2。

表2 混凝土28d正交試驗結果

2.1.1 抗壓強度極差分析、方差分析

混凝土28d抗壓強度極差分析和方差分析分別見表3和表4。

表3 混凝土28d抗壓強度極差分析 MPa

表4 混凝土28d抗壓強度方差分析

R的大小反映相應因素作用的大小,各因素對混凝土28d抗壓強度的影響從主到次的順序為:水膠比→硅灰→煤矸石→砂率→纖維→粉煤灰。水膠比和硅灰對混凝土28d抗壓強度的影響最大,煤矸石、粉煤灰、砂率、纖維素纖維的影響較小。當水膠比的水平為0.28、硅灰的水平為0.8%時混凝土的強度最大,但現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)水膠比的水平為0.28時,混凝土拌合物的流動性很差,標準振動臺不能振搗密實。

由表4可知,水膠比、硅灰對混凝土28d抗壓強度的影響特別顯著,粉煤灰和煤矸石、砂率和纖維對混凝土強度的影響不明顯。

2.1.2 劈裂強度極差分析、方差分析

混凝土28d劈裂抗拉強度極差分析和劈裂強度方差分析見表5和表6。

表5 混凝土28d劈裂抗拉強度極差分析 MPa

表6 混凝土28d劈裂強度方差分析

由表5和表6可知,各因素對混凝土28 d劈拉強度的影響從主到次的順序為:硅灰→水膠比→煤矸石→砂率→纖維→粉煤灰,水膠比、煤矸石、硅灰、砂率對混凝土28d劈裂抗拉強度的影響特別顯著,粉煤灰和纖維對混凝土28d劈裂抗拉強度有一定的影響。當水膠比的水平為0.31、粉煤灰的水平為15%、煤矸石的水平為10%、硅灰的水平為8%、砂率為43%、纖維摻量為0.9kg/m3時,混凝土28d劈裂抗拉強度可取得最大值。

2.1.3 拉壓比極差分析、方差分析

混凝土拉壓比極差分析和方差分析見表7和表8。

表7 混凝土拉壓比極差分析

表8 混凝土拉壓比方差分析

拉壓比是反映混凝土脆性的指標之一。拉壓比越小脆性越大,韌性越小。通過極差分析可知,各因素對混凝土拉壓比的影響從主到次的順序為:水膠比→煤矸石→砂率→硅灰→粉煤灰→纖維。由表8可知,水膠比、煤矸石和砂率對混凝土的拉壓比影響高度顯著,其余因素影響不明顯。當水膠比的水平為0.31、粉煤灰的水平為10%、煤矸石的水平為10%、硅灰的水平為4%、砂率為43%、纖維摻量為1.2kg/m3時,混凝土拉壓比可取得最大值。

2.2 混凝土最優(yōu)配合比的確定

由極差分析和方差分析表明,正交試驗的6種因素對混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度和拉壓比有著不同的影響。本次試驗以混凝土劈裂抗拉強度和拉壓比為主要指標,兼顧抗壓強度,在此基礎上選取最優(yōu)混凝土配合比,通過計算分析混凝土取得最優(yōu)性能的配合比,進行混凝土早期開裂試驗。選擇最優(yōu)配合比的原則是:對于重要因素優(yōu)先確定最優(yōu)水平,對不重要因素根據(jù)提高效率、節(jié)約、方便的原則選擇適當水平。通過以上分析最終確定混凝土最優(yōu)配合比為A2B2C2D3E3F1。

2.3 混凝土早期開裂試驗

在最優(yōu)配合比的基礎上進行混凝土抗裂性能試驗,研究纖維素纖維和礦物摻合料對混凝土抗裂性能的影響,混凝土抗裂性試驗及結果配合比見表9和表10。

表9 混凝土抗裂性試驗配合比 kg/m3

表10 混凝土抗裂性能試驗結果

混凝土成型并停放2h后重新抹面,然后風扇吹試件表面,風速為5m/s,加速混凝土開裂,成型后24h觀察裂縫數(shù)量、長度和寬度。由表10可知,纖維素纖維對混凝土抗裂性影響明顯:①使第1條裂縫的出現(xiàn)時間推遲。C2組和C4組分別較基準組C1推遲72min,79min。②使最大裂縫寬度降低,C2組和C4組的最大裂縫寬度較C1組均降低73%。③使開裂面積減少,C2組和C4組的較C1組降低70.2%和73.3%。礦物摻合料也改善了混凝土的抗裂性,C3組裂縫出現(xiàn)時間比C1組推遲35min、最大裂縫寬度和開裂面積分別減少約40%和30.2%。

3 機理分析

纖維素纖維摻入混凝土后,按混合定律進行測算。由于纖維素纖維與混凝土基體的彈性模量比很低(僅為1/9～1/6),抗壓強度、抗拉強度、拉壓比與素混凝土相比變化不大甚至還會降低,且因纖維摻量甚小,故其降低幅度可以忽略不計。

纖維素纖維可阻止水泥基體中微裂縫的產生與擴展。水泥基體在澆筑后的24h內抗拉強度極低,若處于約束狀態(tài),其所含水分急劇蒸發(fā)時極易生成大量裂縫,均勻分布于水泥基體中的纖維可承受因塑性收縮引起的拉應力,從而阻止或減少裂縫的生成。水泥基體硬化后,因周圍環(huán)境溫度與濕度的變化而引起的拉應力超過其抗拉強度時,也極易生成大量裂縫,此情況下纖維素纖維可阻止或減少裂縫的生成。

在混凝土中摻入的硅灰、粉煤灰等礦物細摻料,均勻分散到水泥漿體中,會成為大量水化物沉積的核心,隨著水化齡期的進展,這些細微顆粒及其水化反應產物填充水泥石孔隙,改善了混凝土孔結構和抗裂性能。

4 結 論

a.正交試驗的極差和方差分析表明纖維素纖維對混凝土的強度幾乎無影響,但抗裂性能試驗表明纖維素纖維可以顯著改善混凝土的抗裂性能,摻加0.9kg/m3的纖維后開裂面積降低70.2%。礦物摻合料的復摻同樣可以改善混凝土的抗裂性,使開裂面積減少30.2%。

b.硅灰使混凝土抗壓強度、劈裂強度和拉壓比顯著提高,最優(yōu)摻量為8%。但是由于價格的原因,硅灰的使用應該慎重;粉煤灰對混凝土28d強度的影響不明顯,主要是由于齡期較短,摻量少的原因;煤矸石可顯著提高混凝土28d劈裂強度和拉壓比;砂率改善了混凝土的拉壓比。

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[1]NAWY EG.Fundamentals of high performance concrete[M].2nd edition.New York:John Wiley&Sonns,Inc,2001:14-22.

[2]管學茂,楊雷,姚燕.低水灰比高性能混凝土的耐久性研究[J].混凝土,2004(10):3-5.

[3]ACI 544.1R—96 Fiber reinforced concrete[S].

[4]SAVASTANO Jr H,WARDEN P G,Coutts R S P.Potential of alternative fibre cements asbuilding materials for developing areas[J].Cement&Concrete Composites,2003,25:585.

[5]RANA A K,MANDAL A,MITRA B C.Short jute fibre reinforced polypropylene composites[J].J Appl Polym Sci,1998,69(2):329.

[6]DL/T5150—2001 水工混凝土試驗規(guī)程[S].

[7]CECS38—2009 纖維混凝土結構技術規(guī)程[S].