聚丙烯纖維增強(qiáng)自密實(shí)混凝土的力學(xué)與抗裂抗?jié)B性研究

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0引言

自密實(shí)混凝土是指即使在密集配筋條件下，僅靠混凝土自重?zé)o需振搗便能均勻密實(shí)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(shí)現(xiàn)的形狀復(fù)雜、振搗困難的薄壁結(jié)構(gòu)，且施工自動(dòng)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(qiáng)度較低、易開裂的缺陷，人們研究和應(yīng)用了各類纖維增強(qiáng)混凝土。纖維增強(qiáng)混凝土可以看作是混凝土與相對(duì)較短的、離散的、不連續(xù)纖維的復(fù)合體。雖然混凝土的強(qiáng)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(qiáng)度為主要目的，而是通過硬化混凝土內(nèi)纖維的交錯(cuò)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(jìn)而達(dá)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(dòng)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(shí)混凝土最突出的特點(diǎn)。解決上述矛盾，將自密實(shí)和纖維增強(qiáng)兩種混凝土技術(shù)很好地結(jié)合起來(lái)，對(duì)更好地將混凝土應(yīng)用于特殊工況、抗?jié)B抗裂要求較高的工程或修復(fù)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(shí)混凝土的配制方法及纖維對(duì)自密實(shí)混凝土力學(xué)與抗裂抗?jié)B性的影響。

1試驗(yàn)研究

1.1原材料

水泥(C)：42．5普通硅酸鹽水泥，28d抗壓強(qiáng)度為46.3MPa。

細(xì)集料：湖南湘江河砂，中砂，細(xì)度模數(shù)為2.7，Ⅱ區(qū)級(jí)配合格。

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

摻合料：粉煤灰為湖南湘潭電廠I級(jí)粉煤灰，燒失量為3.5%，比表面積為5400c㎡／g；磨細(xì)礦
渣來(lái)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(xué)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(zhǎng)度19mm，主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1聚丙烯纖維的性能指標(biāo)

1.2混凝土配合比

自密實(shí)高性能混凝土基準(zhǔn)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(xì)礦渣占膠凝材料的30%，砂率45%，細(xì)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(chǔ)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(shí)間較拌制普通混凝土延長(zhǎng)1～2min。

1.4試驗(yàn)方法

1.4.1新拌混凝土自密實(shí)性檢測(cè)

新拌混凝土自密實(shí)性檢測(cè)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(cè)試新拌混凝土坍落度(S)和坍落擴(kuò)展度(SF)，并分別于拌合后的l～2h再測(cè)試一次坍落度值，確定坍落度經(jīng)時(shí)損失大小。間隙通過性和抗離析性采用U型儀，潤(rùn)濕U型儀，將前槽填滿抹平，靜置1min，提起閘板使混凝土流進(jìn)后槽，當(dāng)停止流動(dòng)后，分別測(cè)量前后槽混凝土的高度，計(jì)算填充的高度差△h。當(dāng)新拌混凝土的SF≥550mm、△h≤30mm時(shí)，則滿足自密實(shí)性的要求。

1.4.2混凝土抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度、彈性模量試驗(yàn)

試驗(yàn)按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB／T50081—2002)進(jìn)行?？箟骸⑴言嚰叽鐬?50mm×l50mm×150mm，成型1d后拆模。放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)到齡期取出測(cè)試。彈性模量試驗(yàn)試件尺寸100mm×l00mm×300mm，取應(yīng)力為1／3軸心抗壓強(qiáng)度時(shí)的加荷割線模量。

1.4.3混凝土抗?jié)B性試驗(yàn)

1.4.3.1混凝土抗水滲透性試驗(yàn)

試驗(yàn)采用頂面直徑為175mm、底面直徑為185mm、高度為150mm的圓臺(tái)體試件，6個(gè)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)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(shí)滲水高度為試件高度)，即停止試驗(yàn)并記錄時(shí)間；端面未出現(xiàn)滲水，則滲水試驗(yàn)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(cè)lO點(diǎn)滲水高度值，讀數(shù)精確至lmm。計(jì)算6個(gè)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(yàn)

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(hù)28d后進(jìn)行測(cè)試。測(cè)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(yáng)極溶液為濃度0.3M的NaOH。試件外表面浸在陰極溶液中)，試驗(yàn)溫度保持在20～25℃。通電測(cè)初始電流以確定測(cè)試電壓及持續(xù)通電時(shí)間。通電結(jié)束，用自來(lái)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(shí)，從中間至兩邊每間隔10mm共測(cè)量7個(gè)滲透深度，精確到0．1mm。

1.4.4混凝土抗裂性試驗(yàn)

采用平板抗裂性試驗(yàn)方法評(píng)價(jià)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(fēng)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(shí)間、裂縫長(zhǎng)度和寬度、裂縫面積和外觀等作為試件混凝土抗裂性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1纖維自密實(shí)混凝土的配制與調(diào)整

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

2.2聚丙烯纖維對(duì)混凝土力學(xué)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(dá)到自密實(shí)性。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著纖維摻量的增加，混凝土3d、7d、28d的抗壓強(qiáng)度呈大致相同的變化趨勢(shì)：當(dāng)聚丙烯纖維摻量較低時(shí)(小于0.6kg／m3)，混凝土的抗壓強(qiáng)度略有提高；聚丙烯纖維摻量較高時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度略有降低?？傊?，纖維摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響不大。劈裂抗拉強(qiáng)度隨著纖維的增多而逐漸提高，但當(dāng)大于1.2kg／m3時(shí)，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)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(shì)。

聚丙烯纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響源于其阻裂效應(yīng)和弱界面效應(yīng)的共同作用。阻裂效應(yīng)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(duì)混凝土后期力學(xué)性能是有利的。弱界面效應(yīng)是由于聚丙烯纖維細(xì)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(dǎo)致混凝土孔隙率增大．對(duì)混凝土力學(xué)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(yīng)變得更明顯。因此試驗(yàn)中纖維摻量較低時(shí)(小于0.6kg／m3)，纖維的阻裂效應(yīng)大于弱界面效應(yīng)，使得混凝土的抗壓強(qiáng)度略有提高。當(dāng)纖維摻量較高，尤其是大于1.2kg/m3時(shí)，纖維對(duì)混凝土的弱界面效應(yīng)大于阻裂效應(yīng)。使得抗壓強(qiáng)度有所降低。由于纖維的阻裂橋接交錯(cuò)作用，劈裂抗拉強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，但當(dāng)纖維摻量大于1.2kg/m3時(shí)，纖維對(duì)混凝土抗劈裂強(qiáng)度的阻裂效應(yīng)與弱界面效應(yīng)相當(dāng)．此時(shí)混凝土的抗拉強(qiáng)度沒有得到相應(yīng)的增加而呈平緩的變化趨勢(shì)。

2.3纖維對(duì)混凝土抗裂抗?jié)B性的影響

試驗(yàn)表明：隨著纖維摻量的增加，混凝土的抗裂性增強(qiáng)，出現(xiàn)裂縫的時(shí)間變晚，裂縫變少且變細(xì)。當(dāng)纖維摻量在1.2kg/m3時(shí)．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(yàn)中(表3)，混凝土的滲水高度隨著纖維摻量的增加而降低，說(shuō)明混凝土的抗?jié)B透性得到了增強(qiáng)。但當(dāng)纖維摻量大于1.8kg／m3時(shí)，滲水高度反而逐漸增大?；炷恋目?jié)B透性呈下降趨勢(shì)。混凝土的氯離子滲透系數(shù)也呈大致相同的變化趨勢(shì)，這說(shuō)明抗氯離子滲透與抗水滲透試驗(yàn)具有較好的相關(guān)性。但在混凝土氯離子滲透試驗(yàn)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(jìn)一步增加，氯離子滲透系數(shù)逐步提高；當(dāng)纖維摻量為2.4kg／m3時(shí)，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(yàn)較抗水滲透試驗(yàn)對(duì)于纖維摻量的變化更敏感。

表2纖維自密實(shí)混凝土抗裂性試驗(yàn)結(jié)果

表3纖維自密實(shí)混凝土抗?jié)B性試驗(yàn)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(fēng)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(yīng)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(qiáng)度抵抗該拉應(yīng)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(wú)固定取向的裂縫。若在混凝土中摻加適量非常細(xì)的聚丙烯纖維，每m3混凝土中均勻散布3000萬(wàn)～6000萬(wàn)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(qiáng)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(shí)混凝土的抗裂性得到大幅增強(qiáng)。纖維自密實(shí)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(xì)作用，因此可以提高混凝土的抗?jié)B性能【6。對(duì)于水滲透和氯離子滲透性試驗(yàn)，當(dāng)纖維摻量分別大于1.8kg／m3和0.9kg／m3時(shí)，抗?jié)B透性呈下降趨勢(shì)。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(jìn)入通道；同時(shí)，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(shí)性降低、弱界面增多，導(dǎo)致混凝土的抗?jié)B性下降。因此，對(duì)于抗?jié)B性來(lái)說(shuō)，聚丙烯纖維摻量不是越大越好。至于為什么水滲透試驗(yàn)比氯離子滲透性試驗(yàn)所得出的最佳纖維摻量要大，主要是由于水滲透試驗(yàn)所施加的應(yīng)力有利于激發(fā)纖維對(duì)混凝土基體的阻裂和增強(qiáng)效應(yīng)，導(dǎo)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(tái)、碼頭、港口等，纖維的最佳摻量范圍為0.6～0.9kg／m3。

3結(jié)語(yǔ)

1)在滿足混凝土強(qiáng)度等級(jí)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(qiáng)與自密實(shí)兩種看似矛盾的混凝土技術(shù)很好地結(jié)合起來(lái)．這對(duì)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(fù)工程等有著重要意義。

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

3)聚丙烯纖維可大幅度提高自密實(shí)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(shí)混凝土的抗?jié)B性，但摻量過大時(shí)抗?jié)B性呈下降趨勢(shì)。通過試驗(yàn)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。

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