纖維參數(shù)對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能的影響研究*

顧維, 郭芳, 袁明

(1.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410015;2.湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410132;3.長(zhǎng)沙理工大學(xué), 湖南 長(zhǎng)沙 410114 )

自密實(shí)混凝土無(wú)須額外振搗,它依靠自身質(zhì)量即能充分密實(shí)地填充模板、包裹鋼筋,在橋梁工程等復(fù)雜結(jié)構(gòu)澆筑中得到廣泛應(yīng)用。然而自密實(shí)混凝土的水灰比較低,基體中存在較多不穩(wěn)定的氣泡,硬化后耐久性欠佳,干燥收縮現(xiàn)象也較嚴(yán)重[1]。在自密實(shí)混凝土中摻入纖維材料有利于改善這一問(wèn)題。Yehia S.、Fraz?o C.等的研究表明,纖維的摻入能抑制宏觀裂紋的擴(kuò)展和微裂紋的產(chǎn)生,纖維與自密實(shí)混凝土形成致密的結(jié)構(gòu),在干濕交替、氯化物侵蝕等條件下混凝土的耐久性得到提高[2-3]。馮蒙、朱一丁等認(rèn)為纖維的摻入能增強(qiáng)自密實(shí)混凝土的強(qiáng)度、延展性與韌性,改善自密實(shí)混凝土的干縮現(xiàn)象[4-5]。工作性能是影響自密實(shí)混凝土施工效果的重要指標(biāo),而纖維的摻入可能對(duì)其工作性能產(chǎn)生不利影響。李超等研究了不同摻量玄武巖纖維對(duì)混凝土工作性能的影響[6]。不同類型纖維具有不同的技術(shù)特征,其對(duì)混凝土工作性能的影響不同。同類型纖維的不同參數(shù)(長(zhǎng)度、長(zhǎng)徑比、摻量等)也對(duì)混凝土的工作性能有不同影響。Zeyad A. M.、Gencel O.等通過(guò)測(cè)試坍落擴(kuò)展度、坍落度等指標(biāo),研究了不同類型纖維對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能的影響[7-8]。王晨認(rèn)為鋼纖維、聚丙烯纖維可以提高自密實(shí)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度,但聚丙烯纖維的效果沒有鋼纖維顯著;摻加混雜纖維的自密實(shí)混凝土的力學(xué)性能優(yōu)于單摻纖維自密實(shí)混凝土[9]。自密實(shí)混凝土的流變特性與普通混凝土有較大差異,自密實(shí)混凝土具有流動(dòng)性與黏聚性較大、保水性高與剪切增稠的特點(diǎn)[10-11]。測(cè)試不同纖維參數(shù)對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能的影響,有利于推動(dòng)摻纖維自密實(shí)混凝土的科學(xué)應(yīng)用。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

選用南方水泥有限公司生產(chǎn)的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥;采用一級(jí)粉煤灰,其相對(duì)密度為2.40,比表面積為2 880 cm2/g;硅灰的相對(duì)密度為2.10,比表面積為23 360 cm2/g;選用武漢華軒高新技術(shù)有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑,它為白色粉末,減水率為32%;粗集料采用石灰?guī)r碎石,最大粒徑為16 mm,表觀密度為2 680 kg/m3;細(xì)集料采用中砂,細(xì)度模數(shù)為2.55。集料的篩分結(jié)果見表1。

表1 集料的篩分結(jié)果

選取工程中常用的鋼纖維、聚丙烯纖維、耐堿玻璃纖維摻入自密實(shí)混凝土中,纖維的主要技術(shù)參數(shù)見表2。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 配合比設(shè)計(jì)與試件成型

采用絕對(duì)體積法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì),水泥、粉煤灰、硅灰用量分別為360 kg/m3、95 kg/m3、25 kg/m3,水灰比為0.40,減水劑用量為1.85 kg/m3。纖維按體積分?jǐn)?shù)計(jì)算摻入。為了使纖維拌和均勻,先將纖維、集料、水泥、粉煤灰和硅灰加入攪拌機(jī)中干拌2 min,然后加入水和外加劑混合攪拌2 min。在攪拌結(jié)束后5 min內(nèi)對(duì)新拌混凝土進(jìn)行試驗(yàn)。

表2 纖維的技術(shù)參數(shù)

1.2.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)JGJ/T 283—2012《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》,通過(guò)坍落拓展度試驗(yàn)與J環(huán)拓展度試驗(yàn)測(cè)試自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性,并在試驗(yàn)時(shí)觀察混凝土拌和物是否出現(xiàn)泌水現(xiàn)象。測(cè)試從坍落度筒提起開始至坍落擴(kuò)展開的混凝土外緣初觸平板上所繪直徑500 mm圓周時(shí)的擴(kuò)展時(shí)間,評(píng)價(jià)自密實(shí)混凝土的充填能力和黏稠度。計(jì)算J環(huán)試驗(yàn)中坍落的混凝土在鋼筋內(nèi)外的高度差(以下簡(jiǎn)稱高度差),評(píng)價(jià)混凝土通過(guò)鋼筋的間隙通過(guò)性。通過(guò)離析率篩析試驗(yàn)測(cè)試拌和物的抗離析性能,自密實(shí)混凝土的離析率為試驗(yàn)中通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)篩的砂漿質(zhì)量與倒入標(biāo)準(zhǔn)篩中混凝土質(zhì)量的比值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 纖維長(zhǎng)度對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能的影響

不同纖維長(zhǎng)度下自密實(shí)混凝土的工作性能試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

從圖1可以看出:隨著纖維長(zhǎng)度的增加,坍落拓展度減小,自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性降低。纖維長(zhǎng)度增加會(huì)增加纖維與骨料之間的碰撞,影響拌和物的流動(dòng)性。纖維長(zhǎng)度從12 mm變化為24 mm時(shí),摻加聚丙烯纖維與玻璃纖維的自密實(shí)混凝土的擴(kuò)展時(shí)間分別增加1.7 s、2.1 s。纖維長(zhǎng)度越大,纖維與骨架間的搭接作用越大,纖維間容易形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),阻礙拌和物的流動(dòng)。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果,J環(huán)坍落拓展度在600 mm以上時(shí)自密實(shí)混凝土?xí)霈F(xiàn)一定泌水現(xiàn)象,而摻入纖維的自密實(shí)混凝土的泌水現(xiàn)象較少。聚丙烯纖維長(zhǎng)度由6 mm增加到24 mm時(shí),離析率下降27%,纖維的摻入增強(qiáng)了自密實(shí)混凝土的穩(wěn)定性。

圖1 纖維長(zhǎng)度對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能的影響

2.2 纖維長(zhǎng)徑比對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能的影響

不同纖維長(zhǎng)徑比下自密實(shí)混凝土的工作性能試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 纖維長(zhǎng)徑比對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能的影響

由圖2可知:1) 纖維長(zhǎng)徑比越小,對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能的影響越小。鋼纖維長(zhǎng)徑比從40增大到80時(shí),擴(kuò)展時(shí)間增大35.8%,高度差增大62.5%;玻璃纖維長(zhǎng)徑比從600變化為1 600時(shí),坍落拓展度下降130 mm,J環(huán)拓展度下降165 mm。纖維長(zhǎng)徑比越大,混凝土的擾動(dòng)體積越大,導(dǎo)致工作性能降低。纖維長(zhǎng)徑比影響纖維的比表面積,纖維的比表面積較大時(shí),纖維表面會(huì)吸附較多的水泥漿體,集料間潤(rùn)滑漿液數(shù)量減少,混凝土的稠度增大,流動(dòng)性降低。2) 長(zhǎng)徑比對(duì)自密實(shí)混凝土離析率的影響較小,與摻鋼纖維的自密實(shí)混凝土相比,摻聚丙烯纖維及玻璃纖維的自密實(shí)混凝土的離析率更低。

2.3 纖維摻量對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能的影響

不同纖維摻量下自密實(shí)混凝土的工作性能試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 纖維摻量對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能的影響

由圖3可知:隨著纖維摻量的增加,摻各類型纖維的自密實(shí)混凝土的工作性能均下降。當(dāng)大量纖維亂向分布在混凝土中時(shí),纖維間搭接形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),阻礙了混凝土的流動(dòng)變形。低摻量與高摻量時(shí)自密實(shí)混凝土的坍落拓展度、J環(huán)拓展度相差較大,高摻量下自密實(shí)混凝土可能無(wú)法有效包裹鋼筋,密實(shí)度下降,對(duì)工程安全不利。新拌和漿體中,漿液包裹、潤(rùn)滑骨料,且部分骨料懸浮,形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)以抵制離析。隨著纖維摻量的增加,纖維表面包裹更多的水泥漿,集料間的潤(rùn)滑程度降低。大量纖維對(duì)混凝土的阻礙與摩擦作用增強(qiáng),混凝土的流動(dòng)性降低。由于玻璃纖維對(duì)水泥漿的親和性比聚丙烯纖維差,玻璃纖維對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能的影響更大。

3 摻纖維自密實(shí)混凝土的工作性能分析

3.1 熵權(quán)法改進(jìn)的TOPSIS法的正負(fù)理想序列求解

熵權(quán)法改進(jìn)的TOPSIS法是一種多屬性決策方法,它在傳統(tǒng)TOPSIS方法的基礎(chǔ)上引入熵權(quán)法,可更好地解決屬性權(quán)重不確定問(wèn)題。利用熵權(quán)法求取自密實(shí)混凝土工作性能的多個(gè)指標(biāo)權(quán)重,通過(guò)信息熵獲得坍落拓展度、J環(huán)拓展度、擴(kuò)展時(shí)間和高度差對(duì)工作性能的客觀影響權(quán)重。計(jì)算步驟如下[12-13]:

(1) 按式(1)對(duì)正向指標(biāo)值進(jìn)行歸一化處理,按式(2)對(duì)負(fù)向指標(biāo)值進(jìn)行歸一化處理,得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣B=xij(m×n)。

(1)

(2)

式中:xij為標(biāo)準(zhǔn)化后指標(biāo)值;kij為評(píng)價(jià)指標(biāo)的初始值;max(kij)、min(kij)分別為kij的最大值和最小值。

(2) 按式(3)計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)下i個(gè)樣本指標(biāo)值的比例fij,得到矩陣F=fij(m×n)。

(3)

(3) 采用熵權(quán)法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重。按式(4)計(jì)算信息熵值ej,信息熵值ej越大,第j個(gè)指標(biāo)的信息熵越大。按式(4)計(jì)算權(quán)重,熵值法計(jì)算所得指標(biāo)系數(shù)越大,權(quán)重越大,對(duì)結(jié)果的貢獻(xiàn)越大。

(4)

(5)

R=|rij|m×n=|wj×xij|m×n

(6)

Z+=max{rij}

(7)

Z-=min{rij}

(8)

(9)

(10)

(11)

熵權(quán)法計(jì)算結(jié)果如下:坍落拓展度的權(quán)重為16.6%;J環(huán)拓展度的權(quán)重為19.8%;擴(kuò)展時(shí)間的權(quán)重為17.8%;高度差的權(quán)重為21.1%;離析率的權(quán)重為24.59%。熵權(quán)法改進(jìn)的TOPSIS評(píng)價(jià)法計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 熵權(quán)法改進(jìn)的TOPSIS評(píng)價(jià)法計(jì)算結(jié)果

根據(jù)熵權(quán)法計(jì)算結(jié)果,自密實(shí)混凝土的坍落拓展度、J環(huán)拓展度、擴(kuò)展時(shí)間、離析率等工作性能指標(biāo)中,離析率的權(quán)重最大,說(shuō)明其相對(duì)重要性較高;坍落拓展度的權(quán)重較小,說(shuō)明其相對(duì)重要性較低。

由表3可知:G-24-1600-15試樣的綜合得分較低,與G-6-600-8試樣相比下降44.7%,其工作性能較差;摻入0.8%長(zhǎng)度為6 mm玻璃纖維的自密實(shí)混凝土的工作性能綜合評(píng)價(jià)最佳,摻入1.5%長(zhǎng)度為24 mm聚丙烯纖維的自密實(shí)混凝土的工作性能綜合評(píng)價(jià)最差。

3.2 基于灰色關(guān)聯(lián)的摻纖維自密實(shí)混凝土工作性能分析

基于灰色關(guān)聯(lián)分析方法[14],以坍落拓展度、J環(huán)拓展度、擴(kuò)展時(shí)間、高度差及離析率作為母序列,影響系統(tǒng)行為的因素組成的3個(gè)纖維特征參數(shù)的數(shù)據(jù)序列作為子序列進(jìn)行分析,結(jié)果見表4。

表4 灰色關(guān)聯(lián)法分析結(jié)果

在灰色關(guān)聯(lián)分析中,關(guān)聯(lián)度越大表示變量之間的關(guān)聯(lián)程度越強(qiáng),可根據(jù)關(guān)聯(lián)度分析纖維特征參數(shù)與自密實(shí)混凝土工作性能的關(guān)聯(lián)程度。由表4可知:1) 纖維長(zhǎng)度與自密實(shí)混凝土工作性能的關(guān)聯(lián)程度最高,其次為纖維摻量,纖維長(zhǎng)徑比的關(guān)聯(lián)度較小。為保證自密實(shí)混凝土具有良好的工作性能,應(yīng)控制纖維長(zhǎng)度和纖維摻量。2) 坍落拓展度、J環(huán)拓展度與纖維特征參數(shù)的關(guān)聯(lián)度較小,對(duì)系統(tǒng)變化的響應(yīng)較弱,不宜作為響應(yīng)系統(tǒng)變化的敏感指標(biāo);擴(kuò)展時(shí)間、高度差、離析率與纖維特征參數(shù)的關(guān)聯(lián)度較高,表明纖維特征參數(shù)變化主要對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能中充填性能和間隙通過(guò)性能產(chǎn)生影響,對(duì)流動(dòng)性的影響較小。若要求自密實(shí)混凝土具有較好的充填能力與間隙通過(guò)能力,則應(yīng)著重考慮纖維特征參數(shù)的影響。

4 結(jié)論

(1) 纖維的摻入會(huì)不同程度降低自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性、充填性能和通過(guò)性,但有助于提高自密實(shí)混凝土的穩(wěn)定性。

(2) 纖維摻量增加會(huì)顯著降低自密實(shí)混凝土的充填性能;隨著纖維長(zhǎng)徑比的增大,自密實(shí)混凝土的工作性能降低;各類纖維中,摻玻璃纖維自密實(shí)混凝土的工作性能較好,摻鋼纖維的自密實(shí)混凝土的抗離析性能較差。

(3) 纖維長(zhǎng)度是影響自密實(shí)混凝土工作性能的主要因素,隨著纖維長(zhǎng)度的增加,自密實(shí)混凝土的各項(xiàng)工作性能指標(biāo)降低;其他纖維參數(shù)的影響較小,其中纖維長(zhǎng)徑比與自密實(shí)混凝土工作性能的關(guān)聯(lián)程度較低。在實(shí)際工程中,可通過(guò)控制纖維長(zhǎng)度控制自密實(shí)混凝土的工作性能,同時(shí)根據(jù)需要適當(dāng)調(diào)整纖維的其他特征參數(shù),以獲得工作性能更好的自密實(shí)混凝土。