聚丙烯纖維增強自密實混凝土的力學與抗裂抗?jié)B性研究

0引言

自密實混凝土是指即使在密集配筋條件下，僅靠混凝土自重無需振搗便能均勻密實成型的高性能混凝土，能解決傳統(tǒng)混凝土施工的漏振、過振以及鋼筋密集難以振搗等問題，可用它成型普通混凝土難以實現(xiàn)的形狀復雜、振搗困難的薄壁結(jié)構(gòu)，且施工自動化程度高，能提高混凝土的施工效率、縮短工期。

為克服混凝土抗拉強度較低、易開裂的缺陷，人們研究和應用了各類纖維增強混凝土。纖維增強混凝土可以看作是混凝土與相對較短的、離散的、不連續(xù)纖維的復合體。雖然混凝土的強度可能因纖維的摻入而適度地增加，但纖維的摻入不是以提高混凝土的強度為主要目的，而是通過硬化混凝土內(nèi)纖維的交錯橋接作用，改善混凝土的韌性和抗沖擊性，控制混凝土的開裂、抑制塑性收縮、提高混凝土的抗裂抗?jié)B性，進而達到更高的防水要求。

但纖維的加入使新拌混凝土的粘聚性增大、坍落度和流動度下降，和易性受到影響，而良好的和易性與免振自流平性是自密實混凝土最突出的特點。解決上述矛盾，將自密實和纖維增強兩種混凝土技術(shù)很好地結(jié)合起來，對更好地將混凝土應用于特殊工況、抗?jié)B抗裂要求較高的工程或修復工程有著重要意義。因此，本文著重研究不同聚丙烯纖維摻量下自密實混凝土的配制方法及纖維對自密實混凝土力學與抗裂抗?jié)B性的影響。

1試驗研究

1.1原材料

水泥(C)：42．5普通硅酸鹽水泥，28d抗壓強度為46.3MPa。

細集料：湖南湘江河砂，中砂，細度模數(shù)為2.7，Ⅱ區(qū)級配合格。

粗集料：湖南長沙市郊產(chǎn)5～20mm石灰石碎石．壓碎指標為7.8%。

摻合料：粉煤灰為湖南湘潭電廠I級粉煤灰，燒失量為3.5%，比表面積為5400c㎡／g；磨細礦
渣來自萍鄉(xiāng)鋼鐵廠，比表面積為4200c㎡／g，燒失量為3.5%。

高效減水劑：上?；ㄍ趸瘜W有限公司生產(chǎn)的聚羧酸鹽高效減水劑。

纖維：聚丙烯纖維．長度19mm，主要技術(shù)指標見表1。

表1聚丙烯纖維的性能指標

1.2混凝土配合比

自密實高性能混凝土基準配比：水膠比0.30，膠凝材料用量500kg／m3．其中粉煤灰占膠凝材料的15%，磨細礦渣占膠凝材料的30%，砂率45%，細集料。765kg／m3，粗集料935kg／m3，高效減水劑為膠凝材料用量的O．8%～1.2%。在保持以上配比的基礎上改變聚丙烯纖維的摻量，分別為0、0.6、0.9、1.2、1.8、2.4kg／m3。

1.3混凝土拌合方法

先將纖維與砂、石、水泥干拌1.5min，再加水濕拌，使纖維均勻分布于混凝土中，全部攪拌時間較拌制普通混凝土延長1～2min。

1.4試驗方法

1.4.1新拌混凝土自密實性檢測

新拌混凝土自密實性檢測包括：填充性、間隙通過性、抗離析性。填充性采用坍落度筒法測試新拌混凝土坍落度(S)和坍落擴展度(SF)，并分別于拌合后的l～2h再測試一次坍落度值，確定坍落度經(jīng)時損失大小。間隙通過性和抗離析性采用U型儀，潤濕U型儀，將前槽填滿抹平，靜置1min，提起閘板使混凝土流進后槽，當停止流動后，分別測量前后槽混凝土的高度，計算填充的高度差△h。當新拌混凝土的SF≥550mm、△h≤30mm時，則滿足自密實性的要求。

1.4.2混凝土抗壓、劈裂抗拉強度、彈性模量試驗

試驗按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB／T50081—2002)進行?？箟?、劈裂試件尺寸為150mm×l50mm×150mm，成型1d后拆模。放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護到齡期取出測試。彈性模量試驗試件尺寸100mm×l00mm×300mm，取應力為1／3軸心抗壓強度時的加荷割線模量。

1.4.3混凝土抗?jié)B性試驗

1.4.3.1混凝土抗水滲透性試驗

試驗采用頂面直徑為175mm、底面直徑為185mm、高度為150mm的圓臺體試件，6個試件為l組。成型24h拆模,用鋼絲刷刷去兩端面水泥漿膜．送入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28d后進行試驗。試驗時水壓恒定控制為(1．6_+0．05)MPa／24h，如試件端面出現(xiàn)滲水(此時滲水高度為試件高度)，即停止試驗并記錄時間；端面未出現(xiàn)滲水，則滲水試驗24h后停止，取出試件，沿縱斷面劈裂為兩半，用墨汁描出水痕。用尺沿水痕等間距量測lO點滲水高度值，讀數(shù)精確至lmm。計算6個試件滲水高度的算術(shù)平均值。即為該組試件的平均滲水高度。

1.4.3.2NTBUILD492非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移滲透試驗

成型150mm×150mm×300mm試件，鉆芯取直徑(100±1)mm、高度(50±2)mm的圓柱體，養(yǎng)護28d后進行測試。測試前，將試件真空處理3h，注入飽和石灰水后繼續(xù)保持1h真空，然后試件繼續(xù)浸泡在溶液中(18±2)h(陰極溶液為濃度10%的NaCl，陽極溶液為濃度0.3M的NaOH。試件外表面浸在陰極溶液中)，試驗溫度保持在20～25℃。通電測初始電流以確定測試電壓及持續(xù)通電時間。通電結(jié)束，用自來水沖洗試件，軸向劈開后，噴濃度為0．1M的AgNO3溶液，約15min后白色AgCl在劈裂面可見時，從中間至兩邊每間隔10mm共測量7個滲透深度，精確到0．1mm。

1.4.4混凝土抗裂性試驗

采用平板抗裂性試驗方法評價混凝土的抗裂性能，試件尺寸600mm×600mm×63mm，澆筑后用塑料薄膜覆蓋，初凝后揭去薄膜，用風扇吹平板試件，觀察平板表面裂縫的發(fā)展過程。從澆筑起，記錄到24h，以初裂時間、裂縫長度和寬度、裂縫面積和外觀等作為試件混凝土抗裂性的評價指標。

2試驗結(jié)果與分析

2.1纖維自密實混凝土的配制與調(diào)整

限于篇幅．本文省略纖維增強自密實混凝土配制與調(diào)整的試驗與分析過程，試驗結(jié)果表明：隨著自密實混凝土中纖維摻量的增多，混凝土的工作性降低進而失去自密實性，但通過調(diào)整各組分配比，在滿足強度要求的前提下，可使纖維摻量較多的新拌混凝土重新達到白密實性，實現(xiàn)自密實與纖維增強兩種混凝土技術(shù)的結(jié)合。而且在實際配制過程中，幾種措施可以結(jié)合起來從而滿足自密實性與纖維增強的要求。

2.2聚丙烯纖維對混凝土力學性能的影響

通過調(diào)整高效減水劑的用量，使各纖維摻量的新拌混凝土達到自密實性。試驗結(jié)果表明：隨著纖維摻量的增加，混凝土3d、7d、28d的抗壓強度呈大致相同的變化趨勢：當聚丙烯纖維摻量較低時(小于0.6kg／m3)，混凝土的抗壓強度略有提高；聚丙烯纖維摻量較高時，混凝土抗壓強度略有降低?？傊?，纖維摻量對混凝土抗壓強度的影響不大。劈裂抗拉強度隨著纖維的增多而逐漸提高，但當大于1.2kg／m3時，混凝土劈裂抗拉強度變化趨于平緩?；炷翉椥阅Ａ縿t隨聚丙烯纖維摻量的增加呈下降趨勢。

聚丙烯纖維對混凝土力學性能的影響源于其阻裂效應和弱界面效應的共同作用。阻裂效應是指分散的纖維減緩粗集料的下沉和水的上升，從而阻礙沉降裂縫的形成，控制混凝土硬化初期由于離析、泌水收縮等因素形成的原生裂隙并減小其數(shù)量和尺度，這對混凝土后期力學性能是有利的。弱界面效應是由于聚丙烯纖維細度高、比表面積大、不親水，使混凝土中形成大量纖維一混凝土基體界面，該界面具有比基材更高的水灰比，導致混凝土孔隙率增大．對混凝土力學性能產(chǎn)生不利影響。隨著纖維摻量的增加，纖維在混凝土基體的均勻分散性變差，弱界面效應變得更明顯。因此試驗中纖維摻量較低時(小于0.6kg／m3)，纖維的阻裂效應大于弱界面效應，使得混凝土的抗壓強度略有提高。當纖維摻量較高，尤其是大于1.2kg/m3時，纖維對混凝土的弱界面效應大于阻裂效應。使得抗壓強度有所降低。由于纖維的阻裂橋接交錯作用，劈裂抗拉強度呈上升趨勢，但當纖維摻量大于1.2kg/m3時，纖維對混凝土抗劈裂強度的阻裂效應與弱界面效應相當．此時混凝土的抗拉強度沒有得到相應的增加而呈平緩的變化趨勢。

2.3纖維對混凝土抗裂抗?jié)B性的影響

試驗表明：隨著纖維摻量的增加，混凝土的抗裂性增強，出現(xiàn)裂縫的時間變晚，裂縫變少且變細。當纖維摻量在1.2kg/m3時．裂縫面積僅為未摻加纖維混凝土的4.4%，且沒有出現(xiàn)大于lmm的裂縫(見表2)?？?jié)B試驗中(表3)，混凝土的滲水高度隨著纖維摻量的增加而降低，說明混凝土的抗?jié)B透性得到了增強。但當纖維摻量大于1.8kg／m3時，滲水高度反而逐漸增大?；炷恋目?jié)B透性呈下降趨勢?；炷恋穆入x子滲透系數(shù)也呈大致相同的變化趨勢，這說明抗氯離子滲透與抗水滲透試驗具有較好的相關(guān)性。但在混凝土氯離子滲透試驗中，纖維摻量為0.9kg／m3的混凝土抗氯離子滲透性最好，隨著纖維摻量的進一步增加，氯離子滲透系數(shù)逐步提高；當纖維摻量為2.4kg／m3時，氯離子滲透系數(shù)反而高于未摻纖維的混凝土。從表3中也可看出，混凝土氯離子滲透試驗較抗水滲透試驗對于纖維摻量的變化更敏感。

表2纖維自密實混凝土抗裂性試驗結(jié)果

表3纖維自密實混凝土抗?jié)B性試驗結(jié)果

剛澆筑的混凝土表面水分大量蒸發(fā)，尤其在烈日照射或大風吹刮下，表面水分蒸發(fā)更為快速．使得表面產(chǎn)生收縮，但由于受到內(nèi)層混凝土的限制而使表面混凝土產(chǎn)生拉應力，而處于塑性狀態(tài)與硬化初期階段的混凝土尚未具有足夠的強度抵抗該拉應力．故表在的工況下，纖維的最佳摻量范圍為0.9～1.2kg／m3；在有氯離子遷移滲透的工況下，纖維的最佳摻量范圍為0.6～0.9kg／m3。

面極易產(chǎn)生大量不規(guī)則無固定取向的裂縫。若在混凝土中摻加適量非常細的聚丙烯纖維，每m3混凝土中均勻散布3000萬～6000萬根纖維，就可以在混凝土基體中形成均勻分布的三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，增強混凝土抵抗因收縮而產(chǎn)生微裂縫的能力，從而抑制裂縫的生成與發(fā)展，使纖維自密實混凝土的抗裂性得到大幅增強。纖維自密實混凝土中由于纖維能減少水泥漿與集料的離析傾向，提高整體的均勻性，減少內(nèi)部裂縫和滲水通道，短纖維的三維亂向分布阻斷混凝土內(nèi)的毛細作用，因此可以提高混凝土的抗?jié)B性能【6。對于水滲透和氯離子滲透性試驗，當纖維摻量分別大于1.8kg／m3和0.9kg／m3時，抗?jié)B透性呈下降趨勢。這主要是隨著纖維摻量的增加，纖維分散不均勻，與混凝土基體形成更多的泌水區(qū)，這些泌水區(qū)水灰比較大，從而形成更多的微裂縫和離子進入通道；同時，更多的纖維使混凝土工作性下降，在不振搗的情況下，混凝土硬化后密實性降低、弱界面增多，導致混凝土的抗?jié)B性下降。因此，對于抗?jié)B性來說，聚丙烯纖維摻量不是越大越好。至于為什么水滲透試驗比氯離子滲透性試驗所得出的最佳纖維摻量要大，主要是由于水滲透試驗所施加的應力有利于激發(fā)纖維對混凝土基體的阻裂和增強效應，導致最佳摻量偏大。這也得出不同工況下聚丙烯纖維的最佳摻量范圍：在有壓力水存在的工況下，如排水管道、防水屋面等，纖維的最佳摻量范圍為0.9～1.2kg／m3；在有氯離子滲透的工況下．如海洋平臺、碼頭、港口等，纖維的最佳摻量范圍為0.6～0.9kg／m3。

3結(jié)語

1)在滿足混凝土強度等級的前提下，通過調(diào)整砂率、增加膠凝材料用量、增加用水量、減小骨料最大粒徑、增加高效減水劑用量等措施相結(jié)合將聚丙烯纖維增強與自密實兩種看似矛盾的混凝土技術(shù)很好地結(jié)合起來．這對于將混凝土更好地利用在特殊工況、不易振搗、抗?jié)B抗裂要求較高的工程或修復工程等有著重要意義。

2)聚丙烯纖維對混凝土力學性能的影響源于其阻裂效應和弱界面效應的共同作用。本試驗表明，聚丙烯纖維摻量較低時，纖維的摻入對自密實混凝土的力學性能沒有明顯影響；當摻量較高(大于1.8kg／m3)時，對自密實混凝土的力學性能產(chǎn)生不良影響。

3)聚丙烯纖維可大幅度提高自密實混凝土的抗裂性能，摻量越大，抗裂性越高。

4)聚丙烯纖維在適量摻量下，能提高自密實混凝土的抗?jié)B性，但摻量過大時抗?jié)B性呈下降趨勢。通過試驗還得出了不同工況下聚丙烯纖維的最佳摻量范圍：在有壓力水存。