纤维素纤维矿物掺合料改善高性能混凝土抗裂性能

王德志,孟云芳,万良兴

(1.宁夏大学土木与水利工程学院,宁夏 银川 750021;

2.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心,宁夏银川 750021)

混凝土成型后在与外界没有水分交换的情况下,内部相对湿度随水泥水化的进展而降低,造成毛细孔的水分不饱和而产生压力,引起混凝土的自行收缩。在水灰比较高的普通混凝土中,这部分收缩较小。近年来,随着高强混凝土和高性能混凝土的应用和发展,低水灰比的高强混凝土和高性能混凝土的自收缩比普通混凝土的自收缩大得多。高性能混凝土的水胶比很低,能提供水泥水化的自由水分少,早期强度较高的发展率会使自由水消耗较快,在外界水分供应不足的情况下,水泥水化不断消耗水分从而产生原始微裂缝,影响混凝土的强度和耐久性[1-2]。

20世纪60年代以来,研究人员开发了钢纤维、聚丙烯纤维、尼龙、涤纶、碳纤维等纤维增强混凝土,通过增大纤维体积率、调整水泥基体的组成并改变制作工艺等,控制水泥基体中微裂缝的产生和扩展,改善混凝土的耐久性能,促进了纤维增强混凝土的迅速发展。很多天然的有机纤维,如西沙尔、麻、椰子壳的纤维以及甘蔗渣等也可以起到相似的作用。美国ACI 544委员会的报告指出[3],全世界约有40个国家在建筑中使用了非木浆植物纤维,但该制品在使用过程中易发生质变,强度和韧性随时间有较大幅度的下降,存在耐久性问题。发展中国家如巴西、南非等非常重视天然植物纤维在混凝土中的应用研究,近年来一些发达国家的科研单位在这方面的研究也取得了一定的进展[4-5],但在国内这方面的研究还比较少。笔者应用纤维素纤维提高混凝土的抗裂性。

1 纤维素纤维混凝土性能试验

1.1 试验方法

混凝土的拌和、成型养护、抗压强度、劈裂强度试验方法依据DL/T5150—2001《水工混凝土试验规程》[6]的规定实施,采用100mm×100mm×100mm的模型,试件标准养护龄期为28 d。根据国内外资料混凝土抗裂性能试验方法主要有3种:环形收缩试验法、平板法和温度应力试验机(或开裂架)试验方法,本试验采用平板法参照CECS 38—2004《纤维混凝土结构技术规程》[7]的要求研究纤维素纤维混凝土的抗裂性。通过模具边框中双排栓钉对混凝土形成约束,通过底部表面粗糙的钢板与混凝土的直接黏结形成底部约束。试验采用正交试验方法,正交试验中因素水平如表1所示。

表1 正交试验因素水平

1.2 试验原材料

a.水泥:采用宁夏赛马水泥厂生产的52.5MPa普通硅酸盐水泥,经检测满足国家标准的要求。

b.细集料:采用宁夏镇北堡产山砂,细度模数为 3.0,表观密度为 2.60 g/cm3,堆积密度为1.50g/cm3,含泥量为1.5%。

c.粗集料:人工碎石,粒径为5～20mm,连续级配,压碎指标为6.5%。

d.粉煤灰:采用宁夏银欣源热电工贸有限公司产Ⅰ级粉煤灰,物理性能指标测试结果:细度(45μ m筛余)为0.054(国家标准为小于或等于12),烧失量为0.0203(国家标准为小于或等于5.0),含水率为0.0007(国家标准为小于或等于1.0),SO3为0.002(国家标准为小于或等于3.0),需水量比为0.92(国家标准为小于或等于0.95)。

e.煤矸石:来源于宁夏石嘴山石炭井自燃煤矸石,其主要化学成分为 SiO2(53.1%),Al2O3(36.4%),经球磨机磨成粉末后使用,密度为2.71g/cm3,比表面积为560m2/kg。

f.硅灰:来源于济南银丰硅制品有限公司生产的金属硅粉,比表面积为20000m2/kg,其主要化学成分为SiO2(99.2%),Al2O3(0.24%)。

g.外加剂:北京幕湖外加剂厂生产的FDN高浓型萘系高效减水剂。

h.试验用纤维素纤维采用上海罗洋新材料科技有限公司生产的博凯超纤维(UltraFiber 500)产品,其比表面积为 25 000 cm2/g,抗拉强度为600～900MPa,断裂伸长率为14%,弹性模量为8500MPa,纤维长度为1.9～2.3mm,纤维直径为14～17μ m,密度为1.1g/cm3。该纤维通过在纤维素纤维的外表面涂覆1层无机高耐碱材料而具有高耐碱、高耐久性的性能,弥补了天然植物纤维耐碱性差的缺陷。

2 试验结果与分析

2.1 力学性能试验

根据表1进行混凝土力学性能试验,混凝土28d抗压强度、劈裂抗拉强度见表2。

表2 混凝土28d正交试验结果

2.1.1 抗压强度极差分析、方差分析

混凝土28d抗压强度极差分析和方差分析分别见表3和表4。

表3 混凝土28d抗压强度极差分析 MPa

表4 混凝土28d抗压强度方差分析

R的大小反映相应因素作用的大小,各因素对混凝土28d抗压强度的影响从主到次的顺序为:水胶比→硅灰→煤矸石→砂率→纤维→粉煤灰。水胶比和硅灰对混凝土28d抗压强度的影响最大,煤矸石、粉煤灰、砂率、纤维素纤维的影响较小。当水胶比的水平为0.28、硅灰的水平为0.8%时混凝土的强度最大,但现场试验发现水胶比的水平为0.28时,混凝土拌合物的流动性很差,标准振动台不能振捣密实。

由表4可知,水胶比、硅灰对混凝土28d抗压强度的影响特别显著,粉煤灰和煤矸石、砂率和纤维对混凝土强度的影响不明显。

2.1.2 劈裂强度极差分析、方差分析

混凝土28d劈裂抗拉强度极差分析和劈裂强度方差分析见表5和表6。

表5 混凝土28d劈裂抗拉强度极差分析 MPa

表6 混凝土28d劈裂强度方差分析

由表5和表6可知,各因素对混凝土28 d劈拉强度的影响从主到次的顺序为:硅灰→水胶比→煤矸石→砂率→纤维→粉煤灰,水胶比、煤矸石、硅灰、砂率对混凝土28d劈裂抗拉强度的影响特别显著,粉煤灰和纤维对混凝土28d劈裂抗拉强度有一定的影响。当水胶比的水平为0.31、粉煤灰的水平为15%、煤矸石的水平为10%、硅灰的水平为8%、砂率为43%、纤维掺量为0.9kg/m3时,混凝土28d劈裂抗拉强度可取得最大值。

2.1.3 拉压比极差分析、方差分析

混凝土拉压比极差分析和方差分析见表7和表8。

表7 混凝土拉压比极差分析

表8 混凝土拉压比方差分析

拉压比是反映混凝土脆性的指标之一。拉压比越小脆性越大,韧性越小。通过极差分析可知,各因素对混凝土拉压比的影响从主到次的顺序为:水胶比→煤矸石→砂率→硅灰→粉煤灰→纤维。由表8可知,水胶比、煤矸石和砂率对混凝土的拉压比影响高度显著,其余因素影响不明显。当水胶比的水平为0.31、粉煤灰的水平为10%、煤矸石的水平为10%、硅灰的水平为4%、砂率为43%、纤维掺量为1.2kg/m3时,混凝土拉压比可取得最大值。

2.2 混凝土最优配合比的确定

由极差分析和方差分析表明,正交试验的6种因素对混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度和拉压比有着不同的影响。本次试验以混凝土劈裂抗拉强度和拉压比为主要指标,兼顾抗压强度,在此基础上选取最优混凝土配合比,通过计算分析混凝土取得最优性能的配合比,进行混凝土早期开裂试验。选择最优配合比的原则是:对于重要因素优先确定最优水平,对不重要因素根据提高效率、节约、方便的原则选择适当水平。通过以上分析最终确定混凝土最优配合比为A2B2C2D3E3F1。

2.3 混凝土早期开裂试验

在最优配合比的基础上进行混凝土抗裂性能试验,研究纤维素纤维和矿物掺合料对混凝土抗裂性能的影响,混凝土抗裂性试验及结果配合比见表9和表10。

表9 混凝土抗裂性试验配合比 kg/m3

表10 混凝土抗裂性能试验结果

混凝土成型并停放2h后重新抹面,然后风扇吹试件表面,风速为5m/s,加速混凝土开裂,成型后24h观察裂缝数量、长度和宽度。由表10可知,纤维素纤维对混凝土抗裂性影响明显:①使第1条裂缝的出现时间推迟。C2组和C4组分别较基准组C1推迟72min,79min。②使最大裂缝宽度降低,C2组和C4组的最大裂缝宽度较C1组均降低73%。③使开裂面积减少,C2组和C4组的较C1组降低70.2%和73.3%。矿物掺合料也改善了混凝土的抗裂性,C3组裂缝出现时间比C1组推迟35min、最大裂缝宽度和开裂面积分别减少约40%和30.2%。

3 机理分析

纤维素纤维掺入混凝土后,按混合定律进行测算。由于纤维素纤维与混凝土基体的弹性模量比很低(仅为1/9～1/6),抗压强度、抗拉强度、拉压比与素混凝土相比变化不大甚至还会降低,且因纤维掺量甚小,故其降低幅度可以忽略不计。

纤维素纤维可阻止水泥基体中微裂缝的产生与扩展。水泥基体在浇筑后的24h内抗拉强度极低,若处于约束状态,其所含水分急剧蒸发时极易生成大量裂缝,均匀分布于水泥基体中的纤维可承受因塑性收缩引起的拉应力,从而阻止或减少裂缝的生成。水泥基体硬化后,因周围环境温度与湿度的变化而引起的拉应力超过其抗拉强度时,也极易生成大量裂缝,此情况下纤维素纤维可阻止或减少裂缝的生成。

在混凝土中掺入的硅灰、粉煤灰等矿物细掺料,均匀分散到水泥浆体中,会成为大量水化物沉积的核心,随着水化龄期的进展,这些细微颗粒及其水化反应产物填充水泥石孔隙,改善了混凝土孔结构和抗裂性能。

4 结 论

a.正交试验的极差和方差分析表明纤维素纤维对混凝土的强度几乎无影响,但抗裂性能试验表明纤维素纤维可以显著改善混凝土的抗裂性能,掺加0.9kg/m3的纤维后开裂面积降低70.2%。矿物掺合料的复掺同样可以改善混凝土的抗裂性,使开裂面积减少30.2%。

b.硅灰使混凝土抗压强度、劈裂强度和拉压比显著提高,最优掺量为8%。但是由于价格的原因,硅灰的使用应该慎重;粉煤灰对混凝土28d强度的影响不明显,主要是由于龄期较短,掺量少的原因;煤矸石可显著提高混凝土28d劈裂强度和拉压比;砂率改善了混凝土的拉压比。

:

[1]NAWY EG.Fundamentals of high performance concrete[M].2nd edition.New York:John Wiley&Sonns,Inc,2001:14-22.

[2]管学茂,杨雷,姚燕.低水灰比高性能混凝土的耐久性研究[J].混凝土,2004(10):3-5.

[3]ACI 544.1R—96 Fiber reinforced concrete[S].

[4]SAVASTANO Jr H,WARDEN P G,Coutts R S P.Potential of alternative fibre cements asbuilding materials for developing areas[J].Cement&Concrete Composites,2003,25:585.

[5]RANA A K,MANDAL A,MITRA B C.Short jute fibre reinforced polypropylene composites[J].J Appl Polym Sci,1998,69(2):329.

[6]DL/T5150—2001 水工混凝土试验规程[S].

[7]CECS38—2009 纤维混凝土结构技术规程[S].