復合纖維水工混凝土抗裂性試驗研究

劉立娟

(朝陽縣水利勘測設計隊,遼寧 朝陽 122000)

水庫面板混凝土相比于常規大體積混凝土具有干縮變形突出、水分散發量大且散發速度快、表面積與體積比大等特點,這種水工薄壁結構混凝土主要有溫度和收縮兩種開裂形式[1]。混凝土在外部變形和內部相對變形的約束作用下會產生不均勻的干縮變形應力,并使得已有表面裂縫進一步擴展或導致混凝土表面收縮開裂,這種現象普遍存在于水庫面板等薄壁結構部位,致使施工期混凝土就形成貫穿裂縫[2-5]。另外,在夏季高溫環境下澆筑混凝土會使得結構內部產生大量水化熱,內外溫差過大就會產生溫度應力和變形,而當齡期混凝土抗拉強度低于這些應力時就會產生貫穿于整個截面的溫度裂縫。對于表面溫度低、散熱塊的較厚部位,內外溫差引起的表面拉應力還會產生表面裂縫[6]。若面板混凝土產生大量的貫穿性或表面裂縫不僅會影響到結構的穩定性、整體性和受力狀況,還會引起內部鋼筋的銹蝕和結構耐久性的下降,甚至會造成變形滲漏,對基礎穩定性構成威脅。大多數水工結構處于水下環境中,水中的Cl-、SO42-等侵蝕性離子沿著裂縫滲入內部,從而加速鋼筋的銹蝕膨脹與混凝土的破壞,使建筑物使用年限的縮短以及結構耐久性的下降[7]。所以,為保證水工結構的耐久性和水利工程的長效穩定運行,有效控制水庫面板混凝土收縮開裂必須采取行之有效的抗裂技術。文章通過試驗探討了聚丙烯腈/多壁碳納米管復合纖維的增強抗裂作用,并進一步揭示混凝土抗裂性能受不同纖維摻量的影響特征,以期為配制出高抗裂性能的水庫面板混凝土提供一定技術支持。

1 試驗方法

1.1 原材料

試驗用盤錦金潤水泥有限責任公司生產的P·O 42.5水泥,粒徑5～10mm的小石和粒徑5～25mm的中石,細度模數2.7的中砂,細度25.0%的F類Ⅱ級粉煤灰,聚羧酸高效減水劑以及聚丙烯腈/多壁碳納米管復合纖維。

1.2 配合比設計

設計強度等級C30,基準配合比為S0。為了保證試驗數據的可比性,最大程度地降低原材料性能差異可能產生的誤差,維持各組基準配合比相同。根據復合纖維相關研究成果和工程應用情況,全面考慮性能要求、經濟指標和應用前景等因素,最終選定聚丙烯腈/多壁碳納米管復合纖維增強混凝土的抗收縮和抗干縮性能,充分發揮其極限拉伸值大、彈強比和抗拉強度高等特點。不同纖維摻量和試驗配合比如表1,為保證新拌混凝土坍落度處于80～100mm范圍,在試配過程中可以調整減水劑用量波動0.2%。

表1 試驗配合比

通過選擇合適的攪拌工藝,以實現復合纖維的均勻分散及其增強效果的充分發揮,具體流程如下:先向臥式攪拌機內倒入石子與砂干拌90s,再加入粉煤灰與水泥干拌150s,然后摻入已將稱量好的復合纖維干拌150s,并倒入總用水量的90%濕拌150s,最后把減水劑與剩余10%的水混合加入并視具體情況再拌150～240s,拌合均勻后倒入試模成型。通過以上操作處理能夠實現復合纖維的均勻分散,充分發揮其增強抗裂的作用效應。

1.3 測試方法

為了探討水工混凝土強度受復合纖維摻量的影響,將不同纖維摻量的混合物制備成邊長150mm的立方體試件,然后利用萬能試驗機測定標養28d的混凝土劈裂和抗壓強度。采用PTS-E0系統測定混凝土的抗裂性能,該系統分度值0.01mm,可以將裂縫放大100倍以便對試驗觀察分析,具體流程如下:①將拌合物澆筑到試模中,并立即平攤,試驗控制拌合物表面略高于模具邊框,隨后放到振動臺上震動10s至密實,抹平表面浮漿。②成型30min后移入相對濕度(60±5)%、溫度(20±2)℃環境中養護,打開風扇調整角度和風速,使裂縫誘導器及試件表面與風向相平行,距離試件正上方100mm處風速為(5±0.5)m/s。③從加水攪拌開始作為試驗起始時間,每隔4h測量一次裂縫長度和長度,觀測齡期72h,試驗所用設備有鋼直尺、計時器和刻度放大鏡(最高放大倍數100倍)。

2 結果與分析

2.1 力學性能試驗

采用萬能試驗機測定標養28d時不同復合纖維摻量的混凝土劈裂與抗壓強度,如表2所示。水工混凝土摻復合纖維能夠有效增強其劈裂與抗壓強度,摻1.8kg/m3復合纖維的混凝土28d抗壓強度達到40.1MPa,相較于基準對照組S0提高了26.9%。對比分析強度檢測數據可知,水工混凝土抗壓強度隨復合纖維摻量的增加而增大,但增幅逐漸減小,摻1.4kg/m3相較于摻1.2kg/m3復合纖維抗壓強度增加7.9%,而摻1.8kg/m3相較于摻1.6kg/m3復合纖維抗壓強度僅增加2.8%。因此,統籌考慮纖維用量、增強效率和經濟指標等因素,混凝土摻1.4kg/m3復合纖維的性能較優。

表2 劈裂強度與抗壓強度試驗數據

通過對比表2試驗數據可知,復合纖維的摻入能夠更加顯著地增強混凝土抗劈裂能力,這主要與纖維的良好的抗沖擊及抗拉性能有關。摻1.2kg/m3復合纖維的混凝土28d劈裂強度達到3.68MPa,相較于基準對照組S0提高55.9%,對于改善水庫面板混凝土抗劈裂和抗拉性能具有重要意義。復合纖維摻量的進一步增加,其提高劈裂強度的作用效果下降,如摻1.8kg/m3相較于摻1.6kg/m3復合纖維劈裂強度增加5.5%,摻1.6kg/m3相較于摻1.4kg/m3復合纖維抗壓強度增加6.7%。因此,統籌考慮纖維用量及其改善抗沖擊和抗拉性能的效率,混凝土摻1.2kg/m3復合纖維的性能較優。由于劈裂強度和抗壓強度無法全面反映混凝土早期裂縫形成情況及其抗裂性能受復合纖維的影響,必須結合力學性能試驗數據利用平板法全面分析裂縫的形成與發展情況。

2.2 抗裂性能試驗

1)裂縫寬度。根據PTS-E0系統操作要求和設計配合比制作抗裂性能監測試件,統計恒溫恒濕養護72h時摻復合纖維混凝土的最大裂縫寬度如圖1所示。

圖1 摻復合纖維混凝土裂縫寬度

由圖1可知,水工混凝土摻復合纖維能夠有效減小裂縫寬度,摻1.8kg/m3和1.6kg/m3復合纖維混凝土最大裂縫寬度均不超過1.0mm,明顯<摻1.4kg/m3和1.2kg/m3復合纖維試件,試驗表明摻復合纖維試件裂縫寬度處于0.07mm～0.20mm范圍,符合一類環境下混凝土裂縫寬度不超過0.30mm防治要求。

從裂縫形成與發展的角度上,試驗12h時各組混凝土開始出現首條裂縫,試驗12～48h時裂縫條數逐漸增多,48h后裂縫發展趨勢開始放緩,增幅逐漸下降并穩定。水工混凝土摻復合纖維能夠有效抑制貫穿裂縫的形成,S1～S4組均未發現貫穿裂縫,其中摻1.2kg/m3復合纖維混凝土裂縫寬度最大為0.20,試驗發現連續裂縫的情況;在相同條件下,摻1.8kg/m3和1.6kg/m3復合纖維混凝土的裂縫寬度相對較小,裂縫也不連續,尤其是摻1.8kg/m3復合纖維混凝土裂縫寬度最小只有0.07mm,但發現較多的微裂縫。

2)裂縫面積。摻不同復合纖維水工混凝土總裂縫面積Acr利用積分法進行計算,裂縫長度取裂縫連段的直線距離(較直的裂縫)或疊加折線的長度(有明顯曲折的裂縫),計算結果如圖2所示。

圖2 摻復合纖維混凝土裂縫面積

從圖2可以看出,復合纖維具有十分顯著的阻裂效果,摻1.2kg/m3復合纖維混凝土單位面積上的裂縫面積為466mm2,增加復合纖維摻量能夠更加有效地減少裂縫面積,摻1.4kg/m3復合纖維混凝土單位面積上的裂縫面積為285mm2,降幅達到僅40%。隨著纖維摻量的增加其減少裂縫面積的作用效率逐漸下降,摻1.6kg/m3、1.8kg/m3復合纖維混凝土單位面積上的裂縫面積為215mm2和227mm2。

3 結 論

1)水工混凝土摻復合纖維能夠明顯增強其劈裂和抗壓強度,特別是提升劈裂強度作用效果更優,摻1.2kg/m3復合纖維相較于基準混凝土劈裂強度可以增強55.9%,對于改善水庫面板混凝土抗劈裂和抗拉性能效果明顯。但是,復合纖維摻量的進一步增加,其提高劈裂和抗壓強度的作用效果有所降低。

2)水工混凝土摻聚丙烯腈/多壁碳納米管復合纖維可以抑制裂縫的形成與發展,并且摻量越高其裂縫寬度控制效果越顯著,摻復合纖維試件裂縫寬度處于0.07mm～0.20mm范圍,符合一類環境下混凝土裂縫寬度≤過0.30mm的防治要求。

3)在控制裂縫面積上,復合纖維的摻入具有顯著效果,摻量≤1.6kg/m3時,隨纖維摻量的增加其控制裂縫面積的作用效果越明顯,但隨著纖維摻量的進一步增加其減少裂縫面積的作用效率逐漸下降并趨于穩定。