纖維對(duì)泵送高強(qiáng)混凝土的影響

王晶 鄧寧

1 問題的提出

隨著高強(qiáng)混凝土在高層建筑、橋梁工程、港口海洋工程、高架結(jié)構(gòu)、大跨結(jié)構(gòu)、防護(hù)工程、地下工程等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,泵送混凝土施工工藝伴隨著上述工程的需要得到極大的發(fā)展和推廣,但在高強(qiáng)混凝土發(fā)展的同時(shí)也隨之出現(xiàn)了一些問題,早期開裂非常嚴(yán)重。這就提出了本文研究的問題,如何減少高強(qiáng)混凝土的早期開裂,提高混凝土的耐久性。近年來,由于聚丙烯纖維低廉的價(jià)格以及使用的方便得到了許多人的關(guān)注,但是由于聚丙烯纖維的增稠效應(yīng)在泵送混凝土中很少使用,本文討論纖維對(duì)高強(qiáng)泵送混凝土性能的影響。

2 原材料的選擇

2.1 粗集料(碎石)

粗集料篩分結(jié)果見表1。

表1 粗集料篩分結(jié)果

2.2 細(xì)集料

細(xì)集料篩分結(jié)果見表2。

表2 細(xì)集料篩分結(jié)果

2.3 水泥

本文使用的是拉法基P.O42.5級(jí)水泥。此外,外加劑使用的是高效泵送劑,摻量為水泥質(zhì)量的1%,測(cè)得坍落度增加值為13 cm,摻加普通聚丙烯纖維、礦渣摻合料。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 新拌混凝土的工作性

根據(jù)以上材料試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下兩組配合比,并測(cè)得坍落度、擴(kuò)展度見表3,表4。

表3 A組配合比組成及流動(dòng)性

表4 B組配合比組成及流動(dòng)性

由表3,表4可以看出:1)水灰比對(duì)流動(dòng)性的影響:水灰比小,流動(dòng)性較差,水灰比大,流動(dòng)性較好,擴(kuò)展度值大。A1,A2,A3組0 min的坍落度均大于200 mm,三個(gè)數(shù)值相差不大,其中A1組的水灰比為0.31,所以坍落度和擴(kuò)展度稍微小于其他兩組,但是相差不大,也就是說在坍落度達(dá)到一定數(shù)值時(shí),水灰比對(duì)坍落度的影響很小。2)單位用水量是影響混凝土流動(dòng)性的重要因素;A組中的單位用水量為168 kg/m3,坍落度和擴(kuò)展度都較大,并且它們之間的數(shù)值相差不大,B組中的單位用水量為180 kg/m3,B組間坍落度和擴(kuò)展度數(shù)值也相近。3)纖維的加入同時(shí)減小了坍落度和擴(kuò)展度,由于纖維增強(qiáng)了混凝土的粘聚性,使混凝土的流動(dòng)受到了限制,所以坍落度和擴(kuò)展度會(huì)減小,顯然纖維帶給擴(kuò)展度的影響更大。

3.2 抗壓強(qiáng)度

由抗壓強(qiáng)度測(cè)定值可以看出:水灰比是決定混凝土強(qiáng)度的重要因素;水泥水化時(shí)所需要的結(jié)合水只占水泥質(zhì)量的23%左右,但是在拌制混凝土?xí)r,為了獲得必要的流動(dòng)性,常需要較多的水。當(dāng)混凝土硬化后,多余的水分殘留在混凝土中形成水泡,水分蒸發(fā)后形成孔隙,從而降低了混凝土的密實(shí)性,實(shí)質(zhì)是降低了混凝土抵抗荷載的有效斷面積,而且孔隙處往往產(chǎn)生應(yīng)力集中,促使混凝土在較低的應(yīng)力下發(fā)生裂紋擴(kuò)展以至斷裂。所以水灰比小的混凝土在混凝土硬化后形成的孔隙數(shù)量相對(duì)較少,強(qiáng)度相對(duì)較高。纖維的加入提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度,但是提高幅度不大。在前面分析過,高強(qiáng)混凝土破壞的最薄弱環(huán)節(jié)是界面區(qū),界面區(qū)的薄弱一方面是氫氧化鈣疏松的排列結(jié)構(gòu)以及不利于強(qiáng)度的排列方式;另一方面就是界面區(qū)的微裂縫,當(dāng)混凝土受到荷載作用時(shí),首先是微裂紋的擴(kuò)展以至破壞,由于纖維的加入連接了微裂紋,使其擴(kuò)展速度減慢,承受荷載的能力增強(qiáng),考慮到纖維的強(qiáng)度不是很高,所以即使在混凝土中如我們分析的那樣增強(qiáng)了混凝土的強(qiáng)度,這個(gè)增強(qiáng)值也不會(huì)很大。此外,混凝土的強(qiáng)度還受到養(yǎng)護(hù)條件,拌合時(shí)間,集料性質(zhì)等因素的影響。

3.3 劈裂抗拉強(qiáng)度

表5 劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)定值

從表5可以看出纖維的加入明顯提高了混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度,加入了纖維的三組配合比的混凝土要高出相同水灰比沒有加纖維的混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度。

3.4 抗壓彈性模量

隨著水灰比的增大,抗壓彈性模量減小,并且纖維減小了混凝土的抗壓彈性模量。

3.5 混凝土的干縮

從混凝土的干縮測(cè)定值可以看出,對(duì)于A組,14 d前,A1和A3組的收縮比較大,由于A1組的水泥用量最大,所以收縮主要是由于水泥的水化引起的。而對(duì)于A3組,它的用水量相對(duì)較大,所以收縮主要是由于水分的蒸發(fā)引起的,由于混凝土的收縮原因很多,所以分析比較復(fù)雜,并且各個(gè)原因引起的收縮不同,比較混亂。而對(duì)于60 d的測(cè)量結(jié)果表明,混凝土的繼續(xù)水化占收縮很大的比重,并且A1組的28 d～60 d的收縮率增加很快,而其他兩組相對(duì)較小。

對(duì)于B組,前28 d的情況和A組很接近,同樣是B1和 B3組的收縮較大,但是在60 d的時(shí)候,收縮卻突然變小,小于 28 d的收縮,主要是由于溫度的升高,混凝土受到熱脹冷縮的作用,收縮變小;另外一個(gè)因素就是纖維,減少了水分的蒸發(fā),對(duì)收縮產(chǎn)生了有利的影響,這兩個(gè)方面綜合起來,表現(xiàn)出混凝土60 d的收縮情況。但是對(duì)于A組60 d的收縮之所以會(huì)很大,一方面是水分的蒸發(fā),另一方面是水泥的水化,雖然溫度也同樣升高,但是熱脹數(shù)值顯然是很微小的。

4 低摻量聚丙烯纖維在混凝土中的效應(yīng)分析

4.1 增稠效應(yīng)(降低了坍落度)

纖維的增稠效應(yīng)主要表現(xiàn)在對(duì)坍落度的減小,稠度是指新拌混凝土軟硬稀稠程度,是混凝土的一項(xiàng)重要的工作性指標(biāo),增大新拌混凝土的稠度才能夠減少泌水和離析,但是也減小了混凝土的流動(dòng)性,增大了混凝土振動(dòng)密實(shí)排氣的難度,為了保證強(qiáng)度,應(yīng)適當(dāng)增長(zhǎng)成型振動(dòng)的時(shí)間。

4.2 阻裂效應(yīng)(提高了劈裂抗拉強(qiáng)度和減小了混凝土的收縮)

纖維的阻裂效應(yīng)表現(xiàn)在增加了劈裂抗拉強(qiáng)度和減小了收縮。聚丙烯纖維的阻裂效應(yīng)是指對(duì)混凝土早期塑性開裂的抑制作用,也是聚丙烯纖維最為主要的效應(yīng)。纖維阻止混凝土發(fā)生不規(guī)則、無取向性的塑性開裂的能力與混凝土中纖維的間距有關(guān),對(duì)于不同品種的纖維,這種能力則體現(xiàn)在纖維的細(xì)度上。宏觀上理解聚丙烯纖維的阻裂效應(yīng),可以看成是纖維對(duì)塑性期混凝土的增強(qiáng)作用,這種增強(qiáng)效應(yīng)的有效性主要和纖維在混凝土中的分散程度有關(guān),即纖維越細(xì),纖維間距越小,增強(qiáng)作用越有效。

實(shí)際上,纖維的阻裂效應(yīng)不僅表現(xiàn)在能阻止塑性裂縫的產(chǎn)生,還能有效抑制混凝土內(nèi)部由于失水、水化熱、泌水、收縮、自干燥等引起的微裂縫的產(chǎn)生,聚丙烯纖維的阻裂效應(yīng)實(shí)際是通過使硬化的混凝土具有更好的整體性,達(dá)到了改善混凝土的內(nèi)在品質(zhì)和性能。但是面臨的問題是纖維的阻裂效應(yīng)對(duì)混凝土的有益處很難通過室內(nèi)的試驗(yàn)加以評(píng)價(jià)。

5 結(jié)語(yǔ)

1)通過對(duì)原材料的嚴(yán)格控制和檢驗(yàn),摻加礦物摻合料,選用優(yōu)質(zhì)的P.O42.5R水泥可以配制出適合泵送工藝的高強(qiáng)混凝土。

2)聚丙烯纖維在高強(qiáng)混凝土中可以起到增稠效應(yīng)、阻裂效應(yīng),增加了混凝土的抗拉強(qiáng)度,降低混凝土的彈性模量,減少混凝土的收縮,可以減少高強(qiáng)混凝土的早期開裂問題,并且由于聚丙烯纖維的價(jià)格比較低,代替部分的鋼纖維可以取得一定的經(jīng)濟(jì)效益。但是,由于聚丙烯纖維的增稠效應(yīng)減小了混凝土的流動(dòng)性,所以當(dāng)使用泵送施工時(shí),應(yīng)結(jié)合泵送高度考慮適當(dāng)增大泵送劑的用量來提高混凝土的流動(dòng)性。

3)礦渣的加入根據(jù)理論的分析改善了混凝土界面區(qū)的性質(zhì),使混凝土的強(qiáng)度得到提高,在減少了水泥用量的同時(shí),減小了水化初期的水化熱,并且由于水泥用量的減少,改善了收縮和開裂。尤其需要指出的是,水泥的用量對(duì)收縮產(chǎn)生了很大的影響,在水灰比適宜的情況下要盡可能的減少水泥用量,同時(shí)增大礦物摻合料的摻量。

4)根據(jù)本文中的A1和B1組的配合比可用于C70的混凝土;根據(jù)本文中的A2,A3,B2,B3組的配合比可以用于C60混凝土。

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