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纤维自密实混凝土的研究进展

2016-03-08张志恒熊国恺

湖南科技学院学报 2016年5期
关键词:钢纤维聚丙烯纤维

熊 恩 张志恒 熊国恺



纤维自密实混凝土的研究进展

熊恩1张志恒1熊国恺2

(1.南华大学 城市建设学院,湖南 衡阳 421001;2.南华大学 设计与艺术学院,湖南 衡阳 421001)

自密实混凝土被称为免人工振捣混凝土或高流态混凝土,在提高施工速度、改善施工环境等方面有着诸多优势。在自密实混凝土中添加纤维,能改善自密实混凝土的基本力学性能和耐久性能。本文介绍了纤维种类和性能,以及对自密实混凝土工作性能和力学性能的影响,并探讨纤维自密实混凝土研究中存在的问题和将来研究的方向。

纤维;自密实混凝土;工作性能;力学性能

引 言

自密实混凝土(Self-Compacting Concrete,简称SCC)具有高流动度、不离析、均匀性和稳定性,浇筑时无需外力振捣,能够在自重作用下流动均匀地充满模板空间[1]。自日本的Okamura[31]于1988年在东京大学实验室成功配制自密实混凝土以来,其良好的工作性能受到越来越多工程界的欢迎,在城市建筑结构中的应用量逐年增加。自密实混凝土适应设计复杂、钢筋配制密集等结构,消除传统混凝土导致麻面、蜂窝、混凝土露筋和空洞等质量问题;由于不需要人工振捣,从根本上消除了混凝土振捣对施工人员身体健康和周边居民正常生活的影响。但自密实混凝土为获得高流动性而胶凝材料用量较高,这使得混凝土早期的收缩较大,容易导致裂缝的出现;同时存在和普通混凝土类似的抗折性能和韧性不足的问题。由此可见,自密实混凝土的力学性能和耐久性仍存在改善的空间,近年来不少学者开始研究自密实混凝土的改性,其中通过添加纤维来改善自密实混凝土性能是有效途径之一。

1 纤维种类和性能

各种纤维的物理力学特性是各不相同的,其性质直接影响着纤维自密实混凝土的性能。目前国内所做的纤维( 增强)自密实混凝土试验研究所掺入的纤维主要包括无机纤维和有机纤维,无机纤维包括聚丙烯纤维、钢纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、聚丙烯腈纤维等;有机纤维主要是纤维素纤维[27]。上述纤维的主要优缺点分别概况如下:(1)钢纤维易受到氯盐腐蚀,影响耐久性;钢纤维相对密度7.8左右,不利于减轻结构自重;(2)普通玻璃纤维耐碱性差,易受碱的侵蚀,玻璃纤维与水泥基的相容性差,并且质脆易断,在搅拌过程易受到损坏;(3)碳纤维质轻、高强、弹性模量很高、化学性质稳定,与混凝土粘结性良好;但是由于价格高,应用受到一定的限制;(4)合成纤维虽然具有较高的抗拉强度、极限延伸率、较强的抗碱性且价格经济、但是较易老化、而且合成纤维通常会使混凝土抗压强度下降;(5)纤维素纤维来源广,成本低,是一种可再生的资源;但是纤维素纤维吸水率大、耐碱性能差、柔软性较差、成纱不均匀、限制了产品的进一步开发与应用[29]。根据所选用的纤维的模量不同,纤维可以分为高模量纤维,如钢纤维、碳纤维等和低模量纤维,如聚丙烯纤维、聚丙烯晴纤维以及聚乙烯醇纤维。目前,对纤维自密实混凝土工作性能的研究中,纤维的掺加方式有单掺(包括钢纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维等)和混掺(钢纤维与玻璃纤维混掺、聚丙烯纤维与玄武岩纤维混掺)两种方式。

2 纤维自密实混凝土工作性能

自密实混凝土具有高流动性、填充密实性、高间隙通过性、抗离析性等特点,传统的测定普通混凝土坍落度的单点试验法并不能正确反映自密实混凝土的工作度。目前,测定自密实混凝土工作性通常采用坍落度、坍落扩展度、T500时间、L型仪、U型仪、V型漏斗、J型环、筛分法等其中的一种或几种组合控制自密实混凝土的工作性能[4]。纤维自密实混凝土工作性测试方法与自密实混凝土工作性测试方法是一样的。

何小兵[5]研究聚丙烯纤维对自密实混凝土工作性的影响,通过实验测试,发现在不改变原有自密实混凝土配合比的情况下,聚丙烯纤维体积率达到0.1%时,聚丙烯自密实混凝土工作性能满足自密工作性要求。当聚丙烯纤维的体积掺量超过0.1%时,混凝土工作性已不能满足自密实的工作性要求。在提高胶凝材料和减水剂用量的条件下,聚丙烯纤维体积率最大可以达到0.15%。

毕巧魏[6]研究单掺玄武岩纤维和聚丙烯纤维,然后两种纤维混掺对自密实混凝土工作性能影响。研究发现,无论是单掺玄武岩纤维还是聚丙烯纤维都在一定程度上减小了自密实混凝土的坍落扩展度以及L槽的高差H2/H1,而增大了J型环内外高差以及T50和T40的测试时间,虽然掺加纤维以后自密实混凝土的各工作性能有所降低,但各项工作性能都符合自密实混凝土的标准。通过比较实验结果得出,纤维掺量越少对自密实混凝土工作性能的产生的影响就越小,聚丙烯纤维较玄武岩纤维而言对自密实混凝土工作性能的影响要更为明显。

张根俞等[7]分析不同掺量、不同长度玻璃纤维对自密实混凝土工作性的影响,研究表明小掺量玻璃纤维对混凝土坍落流动度影响不大;纤维长度对自密实混凝土的工作性能影响较小。

张春晓[8]通过将15mm、20mm、30mm三种不同长度,不同掺量的波浪型钢纤维加入自密实混凝土中研究混凝土抗离析性能,结果表明,钢纤维的长度增加到30mm时,自密实混凝土的流动性和扩展度已不能满足工作性的要求。随着长度和掺量的增加,钢纤维在混凝土中的分散系数变小,结团现象出现,影响钢纤维的均匀分布,从而使钢纤维增强自密实混凝土的流动性变差。三种长度的钢纤维自密实混凝土,长度为15mm的钢纤维体积含量可达1.25%,长度为20mm的钢纤维体积含量可达0.5%,30mm长的钢纤维为微量。

耿卓[9]研究了聚丙烯纤维相同体积掺量0.15%,不同长度9mm、12mm、15mm的自密实混凝土工作性能,采用坍落扩展度试验、V形漏斗试验和L-Box试验,结果表明:在三个实验中,不掺纤维时混凝土拌合物流动性最好,相同掺量下掺入短纤维的混凝土拌合物流动性较好,掺入长纤维对混凝土拌合物流动性的降低较大。

卢睿[10]从流变模型入手研究不同体积掺量和不同长径比短切玄武岩纤维对C45自密实混凝土流变性能的影响。试验结果表明,在相同配合比下,玄武岩纤维自密实混凝土坍落流动度随纤维体积掺量的增加而下降,当纤维体积掺量达到0.3%时混凝土的坍落流动变得缓慢,黏度变大;随着短切玄武岩纤维长度的增大,自密实混凝土坍落流动度呈下降趋势;相对于纤维体积掺量对自密实混凝土坍落扩展度的影响,纤维长度的影响相对较小。对于相同配合比的基准混凝土,随着短切玄武岩纤维体积掺量和长度的增加,玄武岩纤维自密实混凝土坍落流动时间呈升高趋势,且满足三级自密实混凝土的要求。

K.M.A.Hossain等[11]在自密实混凝土中分别掺入不同体积率的聚乙烯醇纤维,研究发现当聚乙烯醇纤维的体积率不超过0.125%时,纤维自密实混凝土的工作性能可以达到自密实的要求。

3 纤维自密实混凝土基本力学性能

混凝土的力学性能包括抗压强度、抗拉强度、劈拉强度、韧性、抗渗性等一系列性能,纤维的抗拉强度高、弹性模量大、比重小、韧性强,可以提高混凝土的塑性和应力重分布能力,还可部分代替混凝土中的钢筋、减少裂缝宽度、减低混凝土收缩。所以纤维对自密实混凝土的力学性能影响也是试验研究一项重点内容。

佟钰[12]研究短切碳纤维对自密实混凝土的力学强度的影响,以两个强度等级的混凝土作为空白试样,碳纤维的长度和掺量不同。研究结果表明,适量短切碳纤维可有效改善混凝土的力学强度,相比于空白试样,抗压强度增幅不是很明显,劈拉强度和抗折强度提高明显;随着纤维体积率增大,相应的力学强度反而呈降低趋势,抗压强度会低于空白试样的抗压强度,原因在于混凝土受压时在剪切应力作用下发生滑移破坏,而碳纤维易于发生挠曲变形,因此无法提供更有效的抵抗作用;基体混凝土强度由C40提高至C50,尽管碳纤维掺量和长度对混凝土力学强度比的影响趋势大致相同,但各强度比的增涨幅度出现了一定程度的下降,仅纤维大掺量情况下的抗折强度比大致维持在相近水平。断面形貌分析认为,碳纤维的增强效果在相对较弱的基体中可发挥出更显著的增强效果。

何小兵[5][13]研究聚丙烯纤维(PP纤维)对自密实混凝土的强度、抗渗性能和断裂性能的影响。试验研究表明,在不改变自密实混凝土原有配合比情况下,当纤维体积掺量达到0.15%时,3d抗压强度、劈裂强度和弯拉强度相对于普通自密实混凝土分别提高16%,40%和26%;28d抗压强度、劈裂强度和弯拉强度相对于普通自密实混凝土分别提高9%,24%和21%;PP纤维自密实混凝土具有较好的早强特性,3d强度就至少达到28d强度的63%,7d强度最高可达到28d强度的88%;优化配合比(增加减水剂和增加胶凝材料)后,聚丙烯纤维自密实混凝土的早强特性更明显,3d弯拉强度达到28d强度的75%,阻裂效能系数达到89.8%,早期断裂韧性提高37.6%;PP纤维自密实混凝土具有较好的抗水渗透能力,当PP纤维体积掺量不超过0.15%,渗水标号可以达到S35以上;当PP纤维体积掺量不超过0.10%时,PP纤维自密实混凝土渗水高度随着纤维体积掺量的增加而增加。

丁一宁[14]研究钢纤维对自密实混凝土梁抗剪性能的影响,试验梁按照剪跨比、钢纤维掺量和配箍率的不同分为A、B系列。A系列梁剪跨段长360mm,剪跨比λ=3;B系列梁剪跨段长480mm,剪跨比λ=4。两个系列梁均包括4种钢纤维掺量,即0、20、40和60kg/m3,A系列梁包括4种配箍率:0、0.183%、0.367%和0.550%,B系列梁包括两种配箍率:0和0.138%。通过荷载-跨中挠度曲线、荷载-混凝土主应变曲线和荷载-箍筋应变曲线分别分析了剪跨比、配箍率、钢纤维掺量对抗剪性能的影响,得出以下结论:(1)钢纤维可以有效地改善无腹筋梁的抗剪性能,掺量为20kg/mm3的钢纤维使梁的极限承载力提高达97%;(2)钢纤维与箍筋协同抗剪时的正混杂效应十分显著,配箍率为0.183%A系列梁的箍筋与掺量为20kg/mm3的钢纤维共同抗剪时,可使梁的极限承载力提高达130%;(3)由掺量为20kg/mm3的钢纤维部分替代0.183%的箍筋可以使梁的破坏形态由剪切破坏变为弯曲破坏。

巫祖烈等[16]研究大长细比聚丙烯纤维(19mm)对自密实混凝土的力学性能影响,28d抗压强度比未掺纤维混凝土强度降低7%可以忽略,但劈拉强度提高33%,弯拉强度提高36%,其阻裂增强效果显著,混凝土的韧性提高,破坏形态好。

蔡军等[17]研究钢纤维自密实混凝土疲劳性能,钢纤维采用长度30 mm、长径比60的冷拔钢丝弓形钢纤维,抗拉强度为1000MPa。建立不同失效概率下的P-S-N 疲劳方程,分析疲劳方程中的回归参数a,材料的疲劳性能取决于疲劳方程中的回归参数a,参数a反映疲劳曲线的高度,a值越大,疲劳曲线越高,则材料的疲劳性能越好。通过疲劳试验研究,对于相同存活率下的双对数疲劳方程,钢纤维自密实混凝土的回归参数a值相比普通混凝土提高10.2%,钢纤维自密实混凝土的疲劳性能相比普通混凝土明显增强。

丁庆军等[18]研究了钢纤维对微膨胀钢管混凝土力学性能与体积变形性能的影响规律,并根据钢管混凝土低温施工要求,研究了自密实补偿收缩钢纤维钢管混凝土的抗冻性设计方法,对其抗冻性进行了验证。研究表明,试验制备的自密实补偿收缩钢纤维钢管混凝土具有较好的抗冻性能,能够满足依托工程钢管混凝土低温灌注施工质量要求。

丁一宁等[19]在自密实混凝土拌合物中分别掺入了钢纤维、聚丙烯纤维、混杂钢纤维和聚丙烯纤维,探究了纤维对自密实混凝土强度和抗弯韧性的影响,研究结果表明:混杂纤维自密实混凝土梁呈现出多条裂缝破坏模式,比只出现一条裂缝破坏模式的钢纤维自密实混凝土梁拉应力分布更均匀,在较短的钢纤维被拔出之后,较长的聚丙烯纤维可继续连接混凝土中的裂缝并传递拉应力,这在一定程度上阻止了裂缝的进一步扩展,因此混杂纤维混凝土梁相比钢纤维自密实混凝土表现出更好的韧性。在混杂纤维混凝土中,钢纤维和聚丙烯纤维的破坏形态有很大区别,钢纤维是被拔出的,而聚丙烯纤维则是部分被拉断,部分被拔出的,聚丙烯纤维抗拉性能的充分发挥可更好地阻止混凝土开裂后钢纤维的进一步拔出。因此,混杂纤维(钢纤维和聚丙烯纤维的组合)可作为配制纤维自密实混凝土的最佳选择之一,混杂纤维比单一纤维能更好地改善纤维自密实混凝土的性能,也是生产纤维自密实混凝土的最佳途径之一。

罗素蓉等[20]在试验中使用钢纤维、聚丙烯腈纤维、钢纤维和聚丙烯腈纤维混杂,通过梁的三点弯曲实验,研究不同掺量和不同种类的纤维对自密实混凝土断裂性能的影响规律。试验中制作了未掺纤维且强度相近的自密实混凝土伴随试件,用以对比并计算断裂能增益比,研究结果表明:钢纤维能显著提高自密实混凝土的断裂性能,随着钢纤维掺量的增加,其断裂能呈线性增加;随着聚丙烯腈纤维掺量的增加,聚丙烯腈纤维自密实混凝土的断裂能并非线性增加,聚丙烯腈纤维对自密实混凝土的断裂性能影响较小,其断裂过程表现出明显的脆性;在钢纤维掺量保持不变,聚丙烯腈纤维掺量不超过最大体积率的情况下,其混凝土的断裂能随聚丙烯腈纤维掺量的增加而增大,聚丙烯腈纤维起到正混杂效应。钢纤维和聚丙烯纤维两种的弹性模量不同,低弹性模量的聚丙烯纤维主要抑制混凝土初期的塑性收缩,控制裂缝的发展,而高弹性模量的钢纤维在裂缝发展较大时来抵抗荷载;此外由钢纤维和聚丙烯腈纤维共同作用所产生的机械咬合力使裂缝间的纤维更难拔出,从而能在更大程度上提高纤维的增强增韧效果。

张猛[21]研究混杂纤维对混凝土耐碱腐蚀能力的影响,试验分为腐蚀30d、60d、90d和120d四个腐蚀龄期,腐蚀液为不同浓度氢氧化钠溶液,设计浓度为10%、20%和30%三个浓度,试验结果得出结论:中等强度碱腐蚀和强碱腐蚀的环境下在高强自密实混凝土中掺入混杂纤维能够明显的降低混凝土抗压强度的损失。但在弱碱腐蚀时混杂纤维的这种能力表现的不明显;碱性环境中,混杂纤维对高强自密实混凝土劈裂抗拉强度的影响要较抗压强度的影响明显,无论是弱碱,中等强度碱还是强碱溶液,掺入混杂纤维都能明显降低混凝土劈裂抗拉强度的衰减,甚至提高劈裂抗拉强度。

骆冰冰[22]采用压汞法对混杂纤维自密实混凝土(玄武岩纤维和聚丙烯纤维的混杂)进行微观孔结构试验,并进行抗压强度试验,分析了混杂纤维自密实混凝土孔结构的孔隙率、孔径尺寸与级配、孔分布特征与强度的关系,得出混杂纤维自密实混凝土孔结构与抗压强度的关系趋势。研究结果表明,在自密实混凝土中混杂掺入玄武岩纤维和聚丙烯纤维,其微观孔结构的改善对提高抗压强度有着直接的影响。

4 纤维自密实混凝土的工程应用

目前,纤维自密实混凝土的工程应用尚处于起步阶段,但具有广阔的应用前景。

天津市某立交桥建于80年代,由于多年盐侵蚀、冻融以及碱集料反应的破坏,对结构已形成很大的影响,外观较差,需对该桥进行维修美化。桥的柱子和梁损坏最为严重,表皮部分泛碱、脱落、严重的露出钢筋。经各部门商讨,维修方案如下: 柱子和梁需剔除表面松动混凝土,锈蚀钢筋除锈,严重锈蚀还需补筋,将柱子和梁用混凝土加厚5cm。由于加固厚度较薄、易开裂,柱子较高,梁跨度大,无法振捣,一般混凝土无法完成结构的修补加固,因此选用了合成纤维免振自密实混凝土进行施工。该材料具有较高的流动性、较好的稳定性、良好的自密实性、极佳的抗开裂性以及优良的力学性能和耐久性能,而且该材料在现场加水即可应用,施工无需振捣,拆模后表观较好,适合本工程的应用[24]。

中央电视台新台址工程,是北京市重点工程之一,主楼部分外简柱设计为型钢混凝土组合柱,外筒为SRC柱工程,由于结构特殊外筒柱尺寸超出常规,内部型钢柱够复杂,外包混凝土钢筋密集,混凝土浇注作业困难,为顺利施工,保证混凝土成型质量,采用C60钢纤维自密实混凝土施工[25]。

武汉市青菱至郑店高速公路是武汉市规划的七条快速出口通道中的一条南部高速公路,其中的钢箱梁桥桥面净宽9.50 m,总长为三跨144 m(42 m+60 m+42 m),为保证桥面铺装施工质量,同时又不增加钢桥梁的荷载而影响桥梁结构安全,决定在桥面上应用钢纤维轻集料自密实混凝土进行铺装。研制的钢纤维增强轻集料自密实混凝土完全能够满足无振捣、自密实施工要求;混凝土经泵送后直接无振捣、自流平,但须经人工抹面;混凝土的表面没有发现裂缝,混凝土的耐久性能得到明显改善,通常两年后未出现推移、拥包等病害[26]。

5 存在的问题和研究展望

纤维自密实混凝土是在自密实混凝土的基础上发展的,结合了自密实混凝土和纤维混凝土两者的优点,这使得将在以后的工程会被广泛地应用。但是,纤维自密实混凝土在得到更好的性能的同时也存在一些问题亟待解决:

(1)新拌自密实混凝土的工作性能会随着纤维的掺入而降低,且掺量越大工作性能越差,当纤维掺量达到一定量时,新拌合物甚至达不到自密实的要求。工作性能是自密实混凝土一项重要的性能,如何提高掺量纤维自密实混凝土的工作性能是仍需要继续研究的课题。

(2)目前研究纤维自密实混凝土性能的主要方法是在实验室做实验,需要耗费大量的人力和材料,对于利用计算机和有限元软件来分析纤维自密实混凝土性能还很少,建立纤维自密实混凝土有限元本构模型是以后研究的重点。

(3)目前纤维自密实混凝土研究的强度等级还不是很高,缺乏实际工程应用的高强度等级混凝土的研究资料,高强度等级的施工纤维自密实混凝土是以后研究重点。

(4)目前对于自密实混凝土、纤维自密实混凝土的研究较多,而对于轻骨料纤维自密实混凝土的研究很少,轻骨料纤维自密实混凝土的工作性能和力学性能有待研究。

(5)纤维自密实混凝土在国内的工程应用较少,相关的工程应用的详细规范和技术性文件也缺乏,仍需要大量的理论和试验研究来推动规范和技术文件的制定,使得设计人员做到有据可依。

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(责任编校:何俊华)

2016-03-25

熊恩(1985-),男,湖南沅江人,硕士,研究方向为土木工程。

TU5

A

1673-2219(2016)05-0058-04

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