基于抗裂材料的摻粉煤灰面板混凝土性能研究

王 茜

（沈陽市水務(wù)事務(wù)服務(wù)與行政執(zhí)法中心，沈陽 110000）

0 引 言

混凝土面板是構(gòu)成堆石壩的重要部分，因材料組成及自身結(jié)構(gòu)特性導(dǎo)致其抗拉強(qiáng)度低，變形能力較差[1-2]。實(shí)踐表明，在結(jié)構(gòu)應(yīng)力、干縮應(yīng)力和溫度應(yīng)力作用下面板混凝土極易形成裂縫，而在正常施工情況下因結(jié)構(gòu)應(yīng)力產(chǎn)生的面板混凝土裂縫很少，裂縫大多數(shù)都是干縮應(yīng)力、溫度應(yīng)力導(dǎo)致體積收縮所引起的[3-5]。通過采取有效措施可以預(yù)防這兩種應(yīng)力引起的混凝土裂縫，如喻幼卿等認(rèn)為將增強(qiáng)密實(shí)抗裂劑（WHDF）摻入混凝土中可以有效減小早期干縮值和收縮變形，明顯改善混凝土抗裂性能；董云等綜合利用纖維材料、優(yōu)質(zhì)粉煤灰、中熱微膨脹水泥、高效減水劑配制出耐久性良好、低彈模、低收縮、高極限拉伸值和抗拉強(qiáng)度的抗裂面板混凝土；秦荷成等將聚丙烯纖維摻入現(xiàn)澆混凝土平板中，顯著增強(qiáng)了其防裂效果；趙正等研究了面板混凝土早期干縮裂縫受聚丙烯纖維和纖維素纖維的影響，并提出纖維素纖維優(yōu)于聚丙烯纖維的干燥收縮抑制效果；趙澤錦等研究認(rèn)為面板混凝土摻不同膨脹劑的膨脹性能具有明顯差異，并以Ⅱ膨脹劑的收縮補(bǔ)償作用最優(yōu)；王德志等試驗(yàn)探討了硅灰、煤干矸石、粉煤灰和纖維素纖維材料對混凝土拉壓比、劈裂強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)纖維素纖維及礦物摻合料能夠增強(qiáng)抗裂性能，并且纖維素纖維的改善作用更加明顯[6-11]。

因此，如何減少或預(yù)防干縮和溫度應(yīng)力引起的裂縫，改善和增強(qiáng)混凝土抗裂性能已成為面板堆石壩研究的熱點(diǎn)之一。通過試驗(yàn)分析面板混凝土受抗裂材料和礦物摻合料的影響，對優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)以及合理選用性能較優(yōu)的抗裂材料具有重要意義。鑒于此，文章研究了單摻聚丙烯纖維抗裂材料、粉煤灰礦物摻合料及兩者復(fù)摻時(shí)的混凝土力學(xué)性能和抗裂性能，深入揭示了聚丙烯纖維和粉煤灰的作用機(jī)理。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

試驗(yàn)采用海螺P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，比表面積368m2/kg，標(biāo)稠用水量25.0%，3d、7d、28d 抗折強(qiáng)度依次為5.61MPa、7.15MPa 和9.34MPa，3d、7d、28d 抗壓強(qiáng)度依次為27.2MPa、32.6MPa、45.7MPa；鞍山成達(dá)F 類Ⅰ級粉煤灰，細(xì)度6.2%，需水量比97%，比表面積382m2/kg，密度2460kg/m3，7d、28d 膠砂強(qiáng)度比為70.8%和80.5%；粗骨料選用天然花崗巖碎石，其中小石(5~20mm)：中石(20~40)配比=50 : 50，碎石粒性良好，細(xì)骨料采用人工砂，級配良好，細(xì)度模數(shù)2.8，石粉含量15.4%，含泥量0.8%，堆積密度為1680kg/m3；外加劑選用DH-9 型引氣劑和蘇博特SBTJM?-Ⅵ系列(緩凝、泵送)高效減水劑，坍落度經(jīng)時(shí)損失20mm，減水率為28%，泌水率26.5%；抗裂材料選用聚丙烯纖維，平均長度12.0mm，直徑30μm，初始彈性模量3~5GPa，抗拉強(qiáng)度300~500MPa；拌合水選用當(dāng)?shù)刈詠硭?/p>

1.2 配合比及拌合物性能

為揭示聚丙烯纖維抗裂材料、粉煤灰礦物摻合料對面板混凝土力學(xué)、干縮及其早期抗裂性能的影響，以二級配C30W12F200 混凝土為基準(zhǔn)配合比J-0，單摻20%粉煤灰為方案J-1，單摻0.2%聚丙烯纖維為方案J-2，雙摻20%粉煤灰+0.2%聚丙烯纖維為方案J-3，利用圓環(huán)法設(shè)計(jì)4 個(gè)凈漿配合比(水膠比0.25)進(jìn)行水泥抗裂試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中通過控制砂率、水膠比和用水量不變，調(diào)整拌合物坍落度70~90mm 之間，含氣量4.0%~6.0%范圍，合理控制小石、中石用量以防止拌合物出現(xiàn)骨料分離的情況。經(jīng)多次調(diào)整適配，最終確定性能較優(yōu)的配合比，如表1 所示。

表1 試驗(yàn)配合比及拌合物性能

然后利用手動(dòng)插搗的方式將拌合物分層倒入試模，抹平表面，再用塑料薄膜覆蓋以防水分蒸發(fā)，室溫靜置24h 后拆模，將試件標(biāo)養(yǎng)至規(guī)定齡期。

1.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》、《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》中相關(guān)要求測定混凝土的力學(xué)性能、干縮性能以及早期抗裂性能，按照規(guī)程推薦的平板法、圓環(huán)法測定水泥凈漿和混凝土試件的抗裂性。

2 結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

單摻聚丙烯纖維抗裂材料、粉煤灰礦物摻合料及兩者復(fù)摻時(shí)的混凝土力學(xué)性能，如圖1 所示。結(jié)果表明，J-1 單摻20%粉煤灰組較J-0 基準(zhǔn)組的7d極限拉伸值、劈拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均有所下降，其中7d 抗壓強(qiáng)度下降幅度達(dá)到21.0%，但后期的力學(xué)性能增長較快，90d 極限拉伸值、劈拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度基本接近基準(zhǔn)組。J-2 單摻聚丙烯纖維組較J-0 基準(zhǔn)組的各齡期抗壓強(qiáng)度均明顯下降，但極限拉伸值和劈拉強(qiáng)度有所增大，其28d、90d 極限拉伸值較J-0 基準(zhǔn)組增大3.6%和3.4%，28d、90d 劈拉強(qiáng)度較J-0 基準(zhǔn)組增大3.6%和6.5%，這表明摻入聚丙烯纖維可以提高混凝土的極限拉伸值和劈拉強(qiáng)度，有利于改善混凝土韌性和抗裂性能。J-3 復(fù)摻聚丙烯纖維與粉煤灰組較J-0 基準(zhǔn)組的7d、28d抗壓強(qiáng)度減小21.0%、10.6%，但90d 抗壓強(qiáng)度相差不大，28d、90d 極限拉伸值和劈拉強(qiáng)度略高于J-0基準(zhǔn)組，這表明聚丙烯纖維與粉煤灰復(fù)摻可以同時(shí)發(fā)揮抗裂增韌及后期強(qiáng)度快速增長的作用。

圖1 力學(xué)性能測試結(jié)果

2.2 干縮性能

單摻聚丙烯纖維抗裂材料、粉煤灰礦物摻合料及兩者復(fù)摻時(shí)的混凝土干縮性能，如圖2 所示。結(jié)果表明，聚丙烯纖維和粉煤灰的摻入能夠在不同程度上降低混凝土干縮值。這是因?yàn)樗嗟乃潭群退俣冗h(yuǎn)高于粉煤灰，粉煤灰等量替代水泥相當(dāng)于發(fā)揮了混凝土干縮抑制效果；另外，水泥顆粒的彈性模量低于粉煤灰，粉煤灰具有限制水泥漿體收縮的效應(yīng)，從而降低了混凝土干縮。收縮過程中混凝土基體產(chǎn)生一定的拉伸應(yīng)力，而摻入的聚丙烯纖維發(fā)揮著收縮約束作用，故J-3 復(fù)摻聚丙烯纖維與粉煤灰組較J-0 基準(zhǔn)組的干縮率明顯下降。

圖2 干縮測試結(jié)果

2.3 抗裂性能

1）水泥凈漿(圓環(huán)法)。單摻聚丙烯纖維抗裂材料、粉煤灰礦物摻合料及兩者復(fù)摻時(shí)的水泥圓環(huán)初始開裂時(shí)間，如圖3 所示。結(jié)果顯示，J-1 單摻粉煤灰組、J-2 單摻聚丙烯纖維組、J-3 聚丙烯纖維與粉煤灰復(fù)摻組較J-0 基準(zhǔn)組的水泥圓環(huán)初始開裂試件明顯增大。具體而言，J-0 基準(zhǔn)組、J-1 單摻粉煤灰組、J-2 單摻聚丙烯纖維組、J-3 聚丙烯纖維與粉煤灰復(fù)摻組的水泥圓環(huán)初始開裂時(shí)間依次為11h、14h、23h 和26h。

圖3 水泥凈漿初始開裂試件

一般地，水膠比< 0.40 時(shí)混凝土開始出現(xiàn)自收縮，水膠比< 0.26 時(shí)就會出現(xiàn)明顯的自收縮現(xiàn)象。本試驗(yàn)中的水泥凈漿水膠比為0.25，在低水膠比和較高濕度條件下水泥漿體出現(xiàn)明顯的自收縮及干縮變形，而粉煤灰和聚丙烯纖維的摻入改善了水泥漿體的抗裂性能。其中，纖維可以有效抑制裂縫的形成與擴(kuò)展，粉煤灰等量替代水泥相當(dāng)于減少了水泥水化的自收縮，并且摻入適量的粉煤灰可以減少內(nèi)部的空隙率，改善漿體結(jié)構(gòu)及其致密性。所以，復(fù)摻聚丙烯纖維與粉煤灰有效延遲了水泥圓環(huán)初始開裂試件，在一定程度上了抑制了漿體的裂紋形成與擴(kuò)展。

2）混凝土試件（平板法）。單摻聚丙烯纖維抗裂材料、粉煤灰礦物摻合料及兩者復(fù)摻時(shí)的混凝土抗裂性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表2 所示。

表2 混凝土開裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表2 可以看出，將聚丙烯纖維或粉煤灰摻入混凝土中可以延后其初裂時(shí)間，提高混凝土抗裂等級，聚丙烯纖維與粉煤灰復(fù)摻時(shí)24h 內(nèi)未發(fā)現(xiàn)裂縫達(dá)到Ⅰ級抗裂等級。對于平板法檢測出的混凝土裂縫，這主要是因?yàn)楸砻媸鹆烁稍锖退苄允湛s，當(dāng)收縮應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生裂縫，而將適量粉煤灰或聚丙烯纖維摻入混凝土中能夠減小早期干燥和塑性收縮應(yīng)力，有效增強(qiáng)抗裂能力。大量亂向分布的微細(xì)聚丙烯纖維可以在混凝土內(nèi)構(gòu)成支撐體系，堵塞內(nèi)部毛細(xì)管通道，有利于減少水分蒸發(fā)，大大降低混凝土的骨料離析和塑性沉降、泌水概率，有效抑制和減少干縮變形。同時(shí)，聚丙烯纖維可以抑制裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展，充分發(fā)揮止裂作用；將粉煤灰等量替代水泥改善了漿體結(jié)構(gòu)的密實(shí)性，具有控制表面泌水和早期收縮開裂的作用[15-17]。

3 結(jié) 論

1）聚丙烯纖維具有良好的抗裂增韌效果，粉煤灰具有快速提高混凝土后期強(qiáng)度的特性，兩者復(fù)摻可以發(fā)揮著疊加作用。復(fù)摻聚丙烯纖維與粉煤灰組較基準(zhǔn)組的90d 抗壓強(qiáng)度相差不大，其28d、90d 極限拉伸值和劈拉強(qiáng)度略高于基準(zhǔn)組，這表明復(fù)摻可以同時(shí)發(fā)揮抗裂增韌及后期強(qiáng)度快速增長的作用。

2）粉煤灰和聚丙烯纖維具有干縮約束作用，兩者的復(fù)摻可以明顯降低混凝土干縮率；結(jié)合圓環(huán)法、平板法試驗(yàn)數(shù)據(jù)，粉煤灰與聚丙烯纖維復(fù)摻時(shí)能夠有效抑制裂縫的形成與擴(kuò)展，大大減少早期收縮，明顯增強(qiáng)混凝土和水泥漿體的抗裂能力。