補償收縮纖維混凝土的抗裂性能研究與工程應(yīng)用
2007-01-12 00:00
[摘 要] 通過對摻加膨脹劑和聚丙烯纖維配制的補償收縮纖維混凝土性能的研究、討論和工程應(yīng)用，表明補償收縮纖維混凝土能有效地控制混凝土結(jié)構(gòu)早期塑性收縮、干縮和溫度應(yīng)力引起的裂縫，提高結(jié)構(gòu)的抗裂防水能力和耐久性。
[關(guān)鍵詞] 補償收縮 纖維 混凝土 裂縫
1前言
收縮是普通混凝土固有的特性，特別是采用泵送大流態(tài)方法進行施工的混凝土，早期裂縫更加明顯?；炷廉a(chǎn)生裂縫的因素是多方面的，也很復(fù)雜的。在地下防水工程中，裂縫不但會影響混凝土的防水性，而且由于水的滲入造成鋼筋銹蝕，會嚴重降低鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的壽命，裂縫的長度和寬度擴展到一定的程度后，還會影響結(jié)構(gòu)的安全性，因此要解決混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫問題，設(shè)計、施工與原材料三個環(huán)節(jié)必須相互配合。在設(shè)計和施工方面，采取了很多措施，如設(shè)計上進行嚴格的荷載計算，留伸縮縫、調(diào)整配筋量等；施工方面，控制混凝土的坍落度，加強養(yǎng)護，分段澆筑等，但始終不盡人意。材料方面常用的措施有：①摻加膨脹劑配制補償收縮混凝土；②摻加聚丙烯纖維配制纖維混凝土；③摻加膨脹劑和聚丙烯纖維配制補償收縮纖維混凝土等。
單俊鴻等人[1] 運用美國ACI-544大板法試驗研究了聚丙烯纖維摻量，纖維長度及膨脹劑（UEA-W）等對水泥砂漿塑性收縮開裂性能的影響，認為聚丙烯纖維可以明顯改善水泥砂漿的抗裂性能，纖維摻量越大，阻裂效果越好，長纖維（19mm）比短纖維（12mm）對水泥砂漿阻裂作用有效一些，并認為聚丙烯纖維和膨脹劑一起摻入水泥砂漿在合適的條件下其疊加效果更好。姜國慶等人[2]研究表明，膨脹劑是化學(xué)防裂手段，而聚丙烯纖維是物理防裂手段，二者的復(fù)合使用體現(xiàn)出“層次抗裂、階段抗裂”的新概念，符合裂縫控制“抗”與“放”的原則，是傳統(tǒng)補償收縮理論與復(fù)合材料理論的有機結(jié)合。游寶坤[3]等人認為混凝土強度等級高、結(jié)構(gòu)尺寸又厚又長，混凝土有害裂縫出現(xiàn)幾率必然增多，為了提高結(jié)構(gòu)的耐久性和防滲等使用功能，對于墻體、轉(zhuǎn)換層、大跨度梁和自防水結(jié)構(gòu)采用膨脹劑與聚丙烯纖維復(fù)合的補償收縮纖維混凝土，工程實踐效果是可行的。
本文討論了膨脹劑和聚丙烯纖維雙摻的情況，試驗研究和工程實踐表明，補償收縮纖維混凝土可以綜合改善新拌混凝土和硬化混凝土的性能，有效地控制混凝土塑性收縮、干縮和溫度應(yīng)力引起的裂縫，提高混凝土的抗裂防水能力。
2試驗材料與方法
2.1試驗材料
水泥：P·O42.5MPa；
石子：南京產(chǎn)5～25mm碎石；
砂子：南京產(chǎn)河砂，中砂；
減水劑：南京產(chǎn)JM-B高效緩凝減水劑，粉劑摻量0.5%；
膨脹劑：武漢三源特種建材有限責(zé)任公司生產(chǎn)HEA抗裂防水劑，摻量8%，物理性能指標見表1；
聚丙烯纖維：武漢三源特種建材有限責(zé)任公司生產(chǎn)SY-A阻裂纖維，摻量1.2kg/m3,主要物理性能指標見表2。
表1 HEA抗裂防水劑物理性能(JC476-2001 標準)
|
項 目 |
指標值 |
檢測值 | ||
|
細度 |
0.08mm篩篩余/% |
≤12 |
6.2 | |
|
凝結(jié)時間 |
初凝/min |
≥45 |
165 | |
|
終凝/h |
≤10 |
3:40 | ||
|
限制膨脹率/% |
水中 |
7d |
≥0.025 |
0.028 |
|
28d |
≤0.10 |
0.039 | ||
|
空氣中 |
21d |
≥-0.020 |
-0.011 | |
|
抗折強度/MPa |
7d |
≥4.5 |
5.6 | |
|
28d |
≥6.5 |
8.7 | ||
|
抗壓強度/MPa |
7d |
≥25.0 |
40.4 | |
|
28d |
≥45.0 |
50.2 | ||
注：HEA摻量8%.
表2 聚丙烯纖維物理性能(JT/T525-2004)
|
項目 |
指標值 |
檢測值 |
|
形狀 |
|
束狀單絲 |
|
長度規(guī)格/ mm |
6~30 |
19 |
|
當量直徑/μm |
20~50 |
24.06 |
|
抗拉強度/ MPa |
≥350 |
480 |
|
彈性模量/ MPa |
≥3500 |
3651.9 |
|
密度/(g/cm3) |
0.91±0.01 |
0.91 |
|
熔點/ oC |
160～170 |
168.4 |
|
斷裂延伸率/% |
8～30 |
24.12 |
|
耐堿性能 |
＞99％ |
99.8% |
注：JT/T525-2004《公路水泥混凝土纖維材料聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維》
2.3試驗配合比
試驗用配合比設(shè)計如表3所示.
表3 試驗配合比/(kg/m3)
|
水 |
水泥 |
砂 |
石 |
HEA |
纖維 |
減水劑 |
水膠比 |
砂率 |
|
190 |
407 |
707 |
1061 |
35 |
1.2 |
2.2 |
0.43 |
40% |
2.4試驗方法
依據(jù)《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS38：2004,《普通混凝土拌和物性能試驗方法》GB/T50081-2002,《鋼纖維混凝土》JG/T3064-1999進行試驗。
3試驗結(jié)果與討論
3.1 混凝土力學(xué)性能
由表4的試驗結(jié)果顯示，聚丙烯纖維混凝土對混凝土7d強度略有提高，而28d強度則略有降低。聚丙烯纖維加入混凝土，在某種程度上相當于在混凝土中加入一定量的雜質(zhì)，聚丙烯纖維的彈性模量又低于混凝土一個數(shù)量級，再加上聚丙烯纖維與混凝土結(jié)合界面并不完美，因此聚丙烯纖維混凝土的抗壓強度、抗折強度比普通混凝土有所降低，但由于聚丙烯纖維摻量較低（一般為體積的0.05%-0.1%），且纖維處于三維亂向分布的狀態(tài)，因此，正常情況下纖維單摻不會明顯提高混凝土的抗壓強度和抗折強度。
關(guān)于摻加纖維對混凝土抗壓強度的貢獻，有的測試結(jié)果表明，低摻率聚丙烯纖維加入砂漿或混凝土中對抗壓強度沒有顯著影響；有些研究結(jié)果甚至反映由于纖維的加入，混凝土的抗壓強度略有降低。龔益等人[4]推斷：（1）纖維混凝土關(guān)于抗壓強度的影響可能與混凝土的配合比有關(guān)；甚至可能更主要地取決于混凝土配合比設(shè)計的影響；（2）低摻率的合成纖維對混凝土抗壓強度影響不大，因此試驗結(jié)果的分散性即有可能掩蓋纖維自身對于抗壓強度的貢獻。廉慧珍[5]認為：“摻纖維的同時必須調(diào)整混凝土的配合比，以改善簡單摻入時的損失”。
表4 纖維和膨脹劑雙摻對混凝土力學(xué)性能的影響
|
檢測項目 |
空白對比混凝土強度/MPa |
摻纖維混凝土強度/MPa |
強度比/% | |||
|
7d |
28d |
7d |
28d |
7d |
28d | |
|
混凝土抗壓強度 |
38.5 |
58.3 |
39.2 |
56.1 |
102 |
96 |
|
混凝土抗折強度 |
6.44 |
6.94 |
6.66 |
6.76 |
103 |
97 |
注：按表3配合比制備試件后，在標準條件下養(yǎng)護至相應(yīng)齡期。
3.2纖維分散性試驗
工程界在使用纖維時普遍關(guān)心纖維在混凝土中能否均勻分散的問題，擔(dān)心由于纖維分散不均勻、結(jié)團而引起堵泵管等現(xiàn)象的發(fā)生。試驗參照鋼纖維體積率的測試方法，稱取新拌纖維混凝土1kg，沖洗，并去掉砂石，置于水中，撈取聚丙烯纖維，然后稱取纖維重量?；炷撩芏?415kg/m3，取兩次試驗的平均值，平均摻量為0.94kg/m3，纖維在在混凝土中分散基本均勻，混凝土拌合物狀態(tài)良好，有利于泵送混凝土的施工。另外，將摻有纖維的混凝土試件，1d齡期后在試驗機上破型，觀察纖維的分布情況，結(jié)果顯示，纖維分布基本均勻，上表面纖維分布略高于下表面。
表5 纖維混凝土分散性試驗結(jié)果
|
NO |
混凝土質(zhì)量/kg |
聚丙烯纖維質(zhì)量/g |
纖維摻量/（kg/m3） |
平均摻量/（kg/m3） |
|
1 |
1.00 |
0.392 |
0.95 |
0.94 |
|
2 |
1.00 |
0.381 |
0.92 |
3.3抗裂性能試驗
根據(jù)《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS38：2004中纖維混凝土和砂漿收縮裂縫試驗方法進行試驗。試件尺寸為600mm×600 mm×20mm的平面薄板，模板底部襯有一層聚乙烯塑料薄膜，以減小底板對試件收縮變形的影響，模具邊框用高20mm的等肢角鋼制作，邊框內(nèi)設(shè)φ6、間距60 mm的單排栓釘，栓釘長度為100 mm，用于限制收縮變形。模具如圖1所示。同時成型纖維砂漿和對比用基體試件各1個為一組試件，配合比為，水灰比0.5，灰砂比1：1.5，試件經(jīng)澆筑、振實、抹平用塑薄膜覆蓋2h，環(huán)境溫度為（20±2）℃。
|
|
  圖1 纖維砂漿開裂試驗?zāi)＞邎D |
試件成型2h后取下塑料薄膜，每個試件用1臺電風(fēng)扇吹試件表面，風(fēng)向平行試件表面，風(fēng)速0.5m/s,環(huán)境溫度（20±2）℃，相對濕度不大于60%。24h后測讀裂縫的數(shù)量、寬度與長度，計算裂縫總面積及裂縫降低系數(shù)，以此評定砂漿的早齡期限裂效能等級。試驗結(jié)果見表6。
表6 纖維砂漿早期抗裂試驗結(jié)果
|
最大裂縫寬度 |
基準砂漿 |
纖維砂漿 | ||||
|
裂縫條數(shù) |
開裂總長度
/mm |
開裂影響面積/mm2 |
裂縫條數(shù) |
開裂總長度
/mm |
開裂影響面積/mm2 | |
|
2 mm左右 |
1 |
242 |
484 |
0 |
0 |
0 |
|
1mm左右 |
2 |
436 |
436 |
0 |
0 |
0 |
|
0.5mm左右 |
5 |
773 |
386.5 |
3 |
360 |
180 |
|
0.25mm左右 |
7 |
919 |
230 |
4 |
190 |
47.5 |
|
開裂影響總面積 |
|
|
1536.5 |
|
|
227.5 |
我國纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程規(guī)定：用每條裂縫名義最大裂縫寬度乘以相應(yīng)裂縫長度定義為裂縫名義面積，再相加起來的總和稱為裂縫名義總面積（Acr），表達式為 。纖維砂漿試件裂縫名義總面積表示為Afcr，基體試件裂縫名義總面積表示為Amcr，n為裂縫降低系數(shù)，表 ，纖維砂漿早齡期阻裂效能等級按表7評定。
表7纖維砂漿早齡期阻裂效能等級
|
阻裂效能等級 |
評定標準/% |
|
一級 |
n≥70 |
|
二級 |
55≤ n< 70 |
|
三級 |
40≤n<55 |
在本試驗配合比中，纖維在摻量為1.2kg/m3時，對抗折和抗壓強度影響不大，混凝土中纖維分散基本均勻，能顯著減少砂漿板的裂縫數(shù)目和開裂影響總面積，裂縫降低系數(shù)為85%，限裂效能等級為一級，從而明顯改善了砂漿早期抗裂性能。
4補償收縮纖維混凝土的工程應(yīng)用
在大量試驗與技術(shù)論證的基礎(chǔ)上，近兩年來，我們在蘇州陽光水榭會所、常州大酒店、昆山客運站、武漢金都漢宮大體積混凝土等幾十項工程中采用了補償收縮纖維混凝土，取得了良好的使用效果，茲介紹如下：
4.1蘇州陽光水榭會所地下工程
工程結(jié)構(gòu)為地下一層、地上三層，±0.0m以下為地下車庫及人防工程。地下室結(jié)構(gòu)布局為“凹”型，平面尺寸長191.8m，寬61.6m，底板厚0.3m，側(cè)墻厚0.35m，頂板厚0.3m。底板、側(cè)墻、頂板混凝土設(shè)計強度等級為C35P8。在橫軸方向設(shè)置為一條后澆帶，一條膨脹加強帶，縱軸方向設(shè)置一條后澆帶（見圖2），整個地下室工程采用UEA-W膨脹劑和SY-A型阻裂纖維。施工時采用泵送混凝土，混凝土配合比見表8。
表8 蘇州陽光水榭會所償收縮纖維混凝土配合比/（kg/m3）
|
水 |
水泥 |
砂 |
碎石 |
Ⅰ級粉煤灰 |
UEA-W膨脹劑 |
SY-A纖維 |
TH-2B泵送劑 |
|
175 |
331 |
714 |
1116 |
48 |
29 |
0.6 |
7.2 |
注：蘇州華新金貓水泥公司產(chǎn)P·O42.5。
|
圖2蘇州陽光水榭會所地下車庫底板膨脹加強帶及后澆帶示意圖 |
4.2常州大酒店地下車庫工程
工程地下三層，地上為綠化景觀；地下平面尺寸為：長74.2m，寬63 m，底板厚0.5 m，側(cè)墻厚0.35 m，頂板厚0.25 m，埋深-16.0 m，混凝土設(shè)計強度等級為C35P8，通過設(shè)置膨脹加強帶，采用”錦源”牌HEA抗裂防水劑，聚丙烯纖維，配制補償收縮纖維混凝土，進行超長鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)無連續(xù)施工，解決了混凝土裂縫技術(shù)難題，達到了令人滿意的防滲效果，施工配合比見表9，入泵坍落度140±20mm；初始坍落度180mm，1h后為165mm。
表9 常州大酒店地下車庫超長結(jié)構(gòu)補償收縮纖維混凝土配合比/（kg/m3）
|
結(jié)構(gòu)部位 |
強度等級 |
水 |
水泥 |
砂 |
碎石 |
粉煤灰 |
HEA |
纖維 |
泵送劑 |
|
底板、側(cè)墻及頂板 |
C35P8 |
190 |
324 |
714 |
1074 |
60 |
32 |
0.9 |
7.5 |
|
膨脹加強帶 |
C40P8 |
180 |
360 |
685 |
1075 |
60 |
48 |
1.2 |
9.4 |
4.3湖北巴東長江大橋橋面鋪裝[6]
巴東長江大橋是湖北省恩施自治州跨越長江的一座特大型橋梁。該橋為雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土漂浮體系斜拉橋，其主跨長為388m，主塔高212 m。橋梁全長900.5 m，橋面寬19 m，雙向四車道，車行道寬16 m，兩側(cè)各設(shè)1.5 m寬人行道，橋面普通混凝土鋪裝層，由于設(shè)計厚度較薄(80~150 mm)，脆性大，在行車過程中彎拉荷載，沖擊疲勞荷載以及溫度和濕度變形等因素的作用，易導(dǎo)致混凝土面板開裂、破壞，防水失敗。通過聚丙烯纖維的添加可以增強混凝土的抗疲勞、抗沖擊、耐磨損和抗裂，阻裂能力，以及提高韌性和抗?jié)B性，可以有效阻止混凝土內(nèi)部和表面裂縫的擴展或延緩裂縫的出現(xiàn)，用于橋面鋪裝是一種比較理想的材料。同時加入UEA-W膨脹劑，以補償混凝土收縮，延長橋面接縫間距，進一步提高混凝土的抗裂、防滲能力。施工配合比及性能試驗結(jié)果見表10、11。
表10 巴東長江大橋橋面混凝土配合比/（kg/m3）
|
混凝土強度等級 |
水 |
水泥 |
砂 |
碎石 |
減水劑 |
膨脹劑 |
纖維 |
|
C40P22 |
160 |
385 |
710 |
1160 |
4.2 |
35 |
1.35 |
表11 混凝土性能試驗結(jié)果
|
坍落度
/mm |
抗壓強度/MPa |
抗折強/MPa |
沖擊韌性/N．m |
抗?jié)B等級 |
滲透系數(shù)
/（10-10cm/s） |
耐磨強度/（kg/m2） | ||
|
3d |
7d |
28d |
28d |
28d |
28d |
28d |
28d | |
|
60 |
28.0 |
36.5 |
53.9 |
8.35 |
18.68 |
>P22 |
0.57 |
2.28 |
5結(jié)語
根據(jù)試驗和工程實踐，可以得出如下結(jié)論：
5.1采用膨脹劑、聚丙烯纖維合化摻加的補償收縮纖維混凝土，可以綜合改善新拌混凝土和硬化混凝土的性能，有效地控制混凝土早期塑性收縮、干縮和溫度應(yīng)力引起的裂縫，從而提高混凝土的抗裂防水能力；
5.2 膨脹劑和聚丙烯纖維摻入混凝土，會明顯降低了坍落度，為保證混凝土的和易性強度，補償收縮纖維混凝土宜適當增加泵送劑的摻量。同時，為了保證聚丙烯纖維在混凝土中的均勻、分散性，應(yīng)適當延長混凝土攪拌時間；
5.3 補償收縮纖維混凝土是一種生產(chǎn)工藝簡便、價格合理、效果良好的防裂混凝土，正確的養(yǎng)護方法獲得更好的抗裂防滲效果。
[參考文獻]
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[2]姜國慶,孔偉等.聚丙烯纖維離性能混凝土的抗塑性沉降開列性能分析［J］.混凝土.2005.（10）P31～33.
[3]游寶坤,周建啟等.關(guān)于混凝土抗裂材料應(yīng)用的討論［J］.混凝土.2005.10.
[4]龔益,沈榮熹等.杜拉纖維在土建工程中的應(yīng)用［M］.北京.機械工業(yè)出版社.2002.10.
[5]廉惠珍.思維方法和觀念的轉(zhuǎn)變比技術(shù)更重要［J］.商品混凝土，2004，（3），2.
[6]單俊鴻等.微膨脹聚丙烯纖維混凝土的性能及巴東長江大橋橋面鋪裝中的應(yīng)用.先進纖維混凝土試驗·理論·實踐［C］上海.同濟大學(xué)出版社.2004.11
[作者簡介]李暉（1966— ），男，武漢三源特種建材有限責(zé)任公司總工程師，高級工程師。
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