王怡沁，鐘春玲，張云龍，王 靜

1 吉林建筑大學 土木工程學院,長春 130118 2 吉林建筑大學 經(jīng)濟與管理學院,長春 130118 3 吉林建筑大學 交通科學與工程學院,長春 130118

0 引言

活性粉末混凝土(RPC)是一種新型的超高性能混凝土,由于它剔除了粗骨料,降低了水膠比,添加了非常有效的火山灰材料[1],因而與普通混凝土相比,有著卓越的力學性能和延展性,如RPC具有超高的抗壓強度、抗拉強度和延展性[2].憑借這些優(yōu)點,RPC被認為是一種很有前途的材料,可用于預制混凝土構(gòu)件、橋梁工程等，或者作為修補材料應用于暴露在惡劣環(huán)境下需要加固或者修復的混凝土結(jié)構(gòu)中[3].然而,由于RPC的水膠比很低(通常在0.2以內(nèi)),且RPC幾乎是不滲透的,故外部的水很難進入混凝土內(nèi)部參與水化反應,使得RPC在早期會產(chǎn)生嚴重的自干燥性和較高的自發(fā)收縮.因此,有必要對RPC的早期抗裂性能進行研究,以更好地提高其安全性和耐久性.

用于提高混凝土早期抗裂性能和降低開裂風險的常用方法包括添加纖維、使用內(nèi)養(yǎng)護方式等.其中,纖維增強是改善混凝土抗裂性能的一種非常有效的手段.在混凝土中添加鋼纖維，能提高其力學性能并降低開裂風險.Doo-Yeol Yoo等[4]學者研究表明,摻入2 %的鋼纖維自由收縮應變大約為1 000 με,而不摻鋼纖維的UHPC板的自由收縮應變約為1 700 με.現(xiàn)在大部分的研究都集中在鋼纖維對RPC強度和微觀結(jié)構(gòu)的影響[5],很少有文獻研究鋼纖維對RPC早期收縮和抗裂性能的影響.因此,有必要對摻入鋼纖維的RPC早期收縮和約束鋼環(huán)應變進行研究.本研究在RPC中摻入鋼纖維，通過單因素分析,分別研究其對RPC早期收縮及與抗裂性能有關的鋼環(huán)應變和自收縮的影響,用于評估RPC的早期抗裂性能.

1 試驗方案

1.1 原材料

本文使用的原材料有普通硅酸鹽水泥、硅灰、粉煤灰、機制砂、礦粉、聚丙烯纖維、鋼纖維、高效減水劑和自來水.采用吉林亞泰水泥有限公司生產(chǎn)的硅酸鹽水泥(P.Ⅱ52.5R),其成分見表1；中國河北生產(chǎn)的粉煤灰,其成分見表2；吉林本地生產(chǎn)的機制砂作為細骨料；鞏義市元亨凈水材料廠生產(chǎn)的S95級礦粉,其成分見表3；甘肅三遠硅材料有限公司生產(chǎn)的硅灰,其物理和化學性能見表4；山東魯纖建材科技有限公司生產(chǎn)的鍍銅鋼纖維,長度為13 mm,直徑為0.2 mm,其規(guī)格和尺寸見表5；重慶騰治科技有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑,密度為1.05 g/cm3,用于維持不同混合物的流動性和粘性.

表1 硅酸鹽水泥物理性能和化學成分Table 1 Physical and chemical features of ordinary portland cement

表2 粉煤灰化學成分Table 2 Chemical features of fly ash (%)

表3 礦粉化學成分Table 3 Chemical properties of mineral powder (%)

表4 硅灰化學成分Table 4 Chemical properties of silica fume (%)

表5 鋼纖維的相關尺寸Table 5 Specifications and sizes of steel fiber

1.2 混合物配合比和混合程序

準備一系列樣本用來研究摻入鋼纖維對RPC早期抗裂性能的影響.相關混合物配合比見表6.在表6中,以混合物SP20為例,字母S代表鋼纖維,數(shù)字2為鋼纖維摻量為RPC體積的2 %，所有混合物的水膠比為0.18.本文采用的RPC混合方法如下:首先添加水泥、硅灰、粉煤灰、礦粉、機制砂,攪拌4 min；其次將鋼纖維緩慢加入混合物中攪拌5 min,防止纖維成團；然后將一半的水倒入混合物中,攪拌5 min；最后將剩余的水和高效減水劑加入混合物中,再攪拌5 min.

表6 配合比Table 6 Mix proportion

當以上混合序列完成后,將混凝土倒入特定的模具,在振動臺上進行壓實,為防止水分蒸發(fā),立即用塑料膜覆蓋直至脫模,最后進行相應的實驗.

1.3 約束圓環(huán)測試

本文所用的鋼環(huán)的內(nèi)徑表示為RIS,外徑表示為ROS.混凝土環(huán)的外徑表示為ROC,內(nèi)徑表示為RIC.相關尺寸為RIS=142.5 mm,ROS=RIC=152.5 mm,ROC=212.5 mm,鋼環(huán)厚度t=10 mm,所使用鋼環(huán)的高度h=100 mm.根據(jù)文獻[6]提議,至少使用2個電阻應變片檢測鋼環(huán)中應變的發(fā)展.本研究每個圓環(huán)采用4個應變片,分別貼在鋼環(huán)內(nèi)表面的中間高度.鋼環(huán)應變測量從混凝土澆筑開始,每間隔20 min通過將應變片與計算機連接的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)記錄其鋼環(huán)應變,并采用平均值用于應力的計算.

1.4 自由收縮測試

根據(jù)中國標準GB/T 50082-2009,使用長度為515 mm,截面尺寸為100 mm×100 mm的棱柱體試件,采用接觸法測試混凝土的自由收縮.在混凝土澆筑前,為了消除摩擦力的作用,在模具中預先放置一層塑料膜,然后涂上潤滑油,再鋪上一層塑料膜.雖然棱柱體試件的約束條件和環(huán)試件不同,但是當棱柱體試樣和環(huán)試樣有著相同的體表比時,它們有著相同的自由收縮.為了獲得和環(huán)試樣相同的體表比,脫模后用乙烯基在棱柱體試樣的末端密封133 mm長度.然后將棱柱體試樣放在和環(huán)試樣相同的環(huán)境中.如圖1所示,通過棱柱體端的千分表(精度為0.001 mm)來檢測其自由收縮應變.根據(jù)該文獻[7]的建議,從澆筑后的1.5 d開始進行自由收縮測量,此時混凝土處于收縮階段.

圖1 自由收縮測試樣本Fig.1 Free shrinkage samples

1.5 力學強度測試

按照GB/T 31387-2015《活性粉末混凝土》進行混凝土的彈性模量和力學強度試驗，試驗采用SYE-3000B(新型試驗及壓縮機)分別測試各混凝土試件在28 d的立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度和彈性模量.測試抗壓強度和劈裂抗拉強度試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，測試彈性模量試件尺寸為100 mm×100 mm×300 mm，試件在溫度(20±2)℃、相對溫度為(95±5)℃條件下養(yǎng)護24 h，然后在(15±2)℃室內(nèi)自然養(yǎng)護28 d.

2 結(jié)果與討論

2.1 摻入鋼纖維對RPC力學強度的影響

混凝土的力學強度通常反映了混凝土質(zhì)量的優(yōu)劣,因其和水泥漿體的結(jié)構(gòu)密切相關.表7為RPC混合物28 d力學性能測試結(jié)果.對于混合物SP00和SP20,在28 d的抗壓強度分別為97 MPa和107 MPa,與SP00相比,SP20的抗壓強度分別提高了10.3 %.由此可見,添加鋼纖維可以提混凝土的抗壓強度,可能是由于鋼纖維能有效阻礙混凝土內(nèi)部微裂縫的擴大延伸，從而提高抗壓強度.

由表7可知,摻入纖維可以有效提升RPC的劈裂抗拉強度.對于混合物SP00和SP20來說,它在28 d的劈裂抗拉強度分別為11.45 MPa和14.23 MPa.與混合物SP00相比,SP20的劈裂抗拉強度提高了24.3 %,是因為纖維的夾持力有助于防止混凝土的剝落[8].對于混合物SP00和SP20,它們在28 d的彈性模量分別為35 GPa和39 GPa,與SP00相比,SP20彈性模量提高了11.4 %.因為鋼纖維具有更高的強度和彈性模量,使得混凝土的彈性模量有所提高[9].

表7 RPC相關力學性能Table 7 Mechanical property of RPC

2.2 摻入鋼纖維對RPC早期自由收縮的影響

混凝土的自由收縮對RPC的早期開裂有影響,對于RPC而言,其水膠比低,膠凝材料用量大,易產(chǎn)生嚴重的收縮.如圖2所示,混凝土自由收縮的測試結(jié)果是根據(jù)每種配合物的3個棱柱體的平均值計算得到,混凝土自由收縮所經(jīng)歷的時間是從混凝土澆筑1.5 d后開始計算.由圖2可知,RPC混合物SP00和SP20的自由收縮應變在早期發(fā)展很快,在凈齡期大約10 d后RPC的自由收縮發(fā)展慢慢降低,然后逐漸趨于平穩(wěn).測試結(jié)果表明,摻入鋼纖維可以有效降低RPC的自由收縮值.在摻入鋼纖維后,在凈齡期14 d時,與素混凝土相比,自由收縮應變大約減少了29.9 %.例如,在凈齡期14 d時,對于SP00和SP20混合物來說,自由收縮值分別為-367.867 με和-257.576 με.這是因為摻入纖維后,其在混凝土中的亂向分布降低了RPC的表面析水,提高了RPC的保水能力,使得混凝土內(nèi)部含水量增加,水泥水化更充分,因而減少了干縮[10].可見,在RPC中摻入纖維可以減少混凝土的收縮.

圖2 RPC自由收縮值Fig.2 Free shrinkage values of RPC

2.3 鋼纖維對鋼環(huán)應變的影響

圖3為鋼環(huán)應變和時間的變化關系圖,鋼環(huán)應變值為每種混凝土配合比的兩個圓環(huán)的平均值.根據(jù)ASTM,鋼環(huán)應變值的突然下落(超過30 με))意味著混凝土出現(xiàn)了裂縫.由圖3可知,混合物SP00,SP20分別在混凝土澆筑后的18.75 d和21.5 d產(chǎn)生了收縮開裂,這表明在RPC中摻入纖維可以延緩裂縫出現(xiàn)的時間.這是由于在混凝土中添加纖維可以提高其抗拉強度,并且在首個裂縫出現(xiàn)前能夠承受更多的應力.通常情況下，纖維可以充當纖維橋接,有助于抵制收縮開裂的發(fā)生.A.Sivakumar等[11]人的研究結(jié)果同樣也表明摻入鋼纖維可以延緩裂縫出現(xiàn)的時間.如圖3所示,在早期RPC的鋼環(huán)應變下降非常緩慢,甚至接近于0,是因為RPC此時尚未完全硬化,沒有足夠的強度,對鋼環(huán)產(chǎn)生的收縮應力很小;之后混合物的鋼環(huán)應變開始有了大幅度下降,14 d之后逐漸趨于穩(wěn)定.其中,摻入鋼纖維的RPC的鋼環(huán)應變明顯低于素RPC(SP00).如在RPC澆筑后的18.75 d,對于混合物SP00和SP20,鋼環(huán)應變絕對值分別為153.45 με和133.03 με.與SP00相比降低了13.3 %.此外,對于混合物SP20而言,鋼環(huán)應變的增速明顯低于SP00,這表明摻入鋼纖維是減小RPC的約束收縮的一種有效手段.因此,混凝土的抗裂性能可以通過摻入鋼纖維而得到提升.

圖3 RPC鋼環(huán)應變與齡期的關系Fig.3 Relationship between steel ring strain and age of RPC

3 結(jié)論

本文分析了摻入鋼纖維對RPC與早期抗裂性能有關的自由收縮、鋼環(huán)應變的影響.基于以上的結(jié)果和討論,可以得到以下的結(jié)論:

(1) 與素RPC相比,摻入鋼纖維可以提高RPC的抗壓強度、劈拉強度和彈性模量.由此可見,鋼纖維具有極好的強度和彈性模量,使得RPC的力學強度都有所提高.

(2) 在RPC摻入鋼纖維可以有效降低自由收縮值,在凈齡期14 d時,與素混凝土SP00相比,SP20的自由收縮值降低了29.9 %.

(3) 在RPC中摻入鋼纖維可以降低約束鋼環(huán)應變.在早期RPC的鋼環(huán)應變下降非常緩慢,甚至接近于0,之后RPC的鋼環(huán)應變開始有了大幅度的下降，14 d后逐漸趨于穩(wěn)定；混合物SP00,SP20分別在RPC澆筑后的18.75 d和21.5 d產(chǎn)生了收縮開裂.