玄武岩纤维混凝土及钢筋混凝土早龄期抗裂性研究

2023-06-07周世轩

黑龙江交通科技 2023年6期

周世轩

(大连理工大学土木建筑设计研究院有限公司,辽宁大连 116024)

0 引言

混凝土的塑性收缩一般发生在混凝土凝结过程的几小时内,当混凝表面水分蒸发过快,而混凝土自身抗拉强度还比较低时,会引发混凝土裂缝,这些裂缝包含自混凝土表面向下扩展一定深度的宏观裂缝,也包含混凝土内部的不可见微观裂缝,这些裂缝对混凝土的强度及耐久性会造成不利影响[1]。

研究表明在混凝土中掺入某些短切纤维,能够减小混凝土的塑性裂缝,提高混凝土的早期抗裂性能。闫振鹏[2]、闻洋[3]等的研究表明聚乙烯醇(PVA)纤维,可以有效抑制早期塑性裂缝的产生;张佚伦[4-6]等学者证明了聚丙烯纤维对混凝土早期抗裂的提高效果。而玄武岩纤维与这些纤维相比,存在一些显著的优势。首先是玄武岩纤维的容重与混凝土基本一致,这代表搅拌和振捣后,玄武岩纤维可以更均匀的分布在混凝土中;其次是玄武岩纤维具有可以与玻璃纤维甚至碳纤维相媲美的力学性能(如表1所示[7]),可以增强混凝土的性能;再次,玄武岩纤维具有很强的耐酸、耐碱性,可适用于各类混凝土的配制;最后,玄武岩纤维的制作是通过物理拉拔实现的,相比其他纤维的生产更加的绿色环保。

表1 各种纤维性能对比

目前也有针对玄武岩纤维混凝土的早期抗裂性研究[8-10],但试验数据相对较少,另一方面,工程中通常采用钢筋混凝土结构,而玄武岩纤维在钢筋混凝土早龄期的抗裂性表现,还鲜有论文进行研究,因此通过在素混凝土以及钢筋混凝土中,掺入短切玄武岩纤维,通过混凝土平板早期抗裂性试验,研究玄武岩纤维对混凝土及钢筋混凝土的早期抗裂性影响。

1 原材料和配合比

1.1 原材料

水泥使用大连小野田P.O 42.5R硅酸盐水泥;石子粒径为5～20 mm,级配良好;试验砂采用河砂,符合天然砂Ⅱ区的规定,属于中砂;减水剂采用聚羧酸高效减水剂;纤维采用山西晋投的短切玄武岩纤维,规格为200丝,长度为18 mm,单丝直径15 μm;钢筋采用φ8HRB300热轧带肋钢筋。

1.2 配合比

混凝土强度设计标号为C30,坍落度设计值为180 mm,水灰比选择0.53,砂率为0.47,综合玄武岩纤维混凝土性能及经济性,纤维体积掺量为0.1%,即每立方米混凝土掺2.65 g纤维。玄武岩纤维的加入会降低混凝土的坍落度,基准素混凝土与玄武岩纤维混凝土为了保证相同的和易性,仅调整减水剂掺量,其中减水剂在素混凝土及普通钢筋混凝土中的掺量为胶凝材料的1.45%,减水剂在玄武岩纤维混凝土及玄武岩纤维钢筋混凝土的掺量为胶凝材料的1.5%。基准混凝土具体配合比为,石子∶砂子∶水泥∶水∶减水剂=986.4∶874.8∶339.6∶180∶4.9,单位为kg。

2 试验方法

采用《纤维混凝土试验方法标准(CECS 13:2009)》(以下简称《标准》)混凝土的早期抗裂试验方法,该方法试件成型后即通过电风扇吹风失水,但经试验发现,在夏季温度较高晴朗少云的中午,采用室外暴露法试验效果更佳,该方法的优点在于试件表面温度均匀,同批试验对照组间的试验条件基本一致,试件的尺寸及边界效应小。试验时选择地表温度为40～0 ℃时段,在试件成型之后,装入《标准》规定的早期抗裂模具中并抹面,随后立即置于室外无荫处暴晒,直至试件终凝为止。当裂缝不再扩展时,利用化曲为直的方法,用钢尺测量试件表面可见裂缝的长度,利用裂缝观察仪测量裂缝的宽度,对于短裂缝可以将裂缝长度中间位置的宽度作为裂缝平均宽度,对于长裂缝,应根据宽度分成多条短裂缝,所有裂缝需记录最大宽度,并按下式计算(钢筋)混凝土试件的裂缝总面积

按下式计算裂缝降低系数

式中:β为裂缝降低系数,%;Sc0为基准(钢筋)混凝土试件的裂缝总面积,mm2;Scf为掺有玄武岩纤维(钢筋)混凝土试件的裂缝总面积,mm2。

3 试验结果及分析

为了研究玄武岩纤维在混凝土与钢筋混凝土中对混凝土早期抗裂的作用,共设计两组试验。试验一对比素混凝土(编号S1、S2)及玄武岩纤维混凝土(编号X1、X2)的早期抗裂性能,每组试验素混凝土及玄武岩纤维混凝土各两块试件。试验二对比普通钢筋混凝土(编号GJT1、GJT2)及玄武岩纤维钢筋混凝土(编号XGJT1、XGJT2)的早期抗裂性,每组试验各两块试件,钢筋网间距均为10 cm×10 cm。

3.1 素混凝土与玄武岩纤维混凝土工作性及立方体抗压强度结果

素混凝土坍落度为184 mm,掺量为18 mm～0.1%的玄武岩纤维混凝土坍落度为185 mm,可见仅通过调整减水剂掺量,可以使素混凝土与掺量为18 mm～0.1%的玄武岩纤维混凝土坍落度基本保持一致。素混凝土的28 d立方体抗压强度为36.1 MPa,掺量为为18 mm～0.1%的玄武岩纤维混凝土28 d立方体抗压强度为37.4 MPa,可见两者的抗压强度也相当。

3.2 素混凝土与玄武岩纤维混凝土早期抗裂性对比结果

分别从最大裂缝宽度、裂缝平均宽度、裂缝总长、裂缝总面积以及裂缝降低系数等方面评价纤维对混凝土早期抗裂性能的影响。每组两块试件的抗裂性能评价指标见表2,试验表明玄武岩纤维混凝土在以上各参数上,均优于素混凝土。

表2 18 mm～0.1%掺量混凝土早龄期抗裂性对比表

素混凝土不仅裂缝宽度要比玄武岩纤维混凝土要大,裂缝深度也更深。素混凝土试件存在贯穿试件顶、底面的通缝,而掺量为18 mm～0.1%的玄武岩纤维混凝土试件的裂缝并未贯通至底板,仅在表面较浅的范围内。

尽管玄武岩纤维可以有效的减小素混凝土的早期裂缝宽度、裂缝数量以及裂缝深度,但是玄武纤维的作用主要体现在微观层面,并不能阻止宏观裂缝的发生。可见,当裂缝宽度较大时,纤维表现出一端被拔出的现象,可见玄武岩纤维由于分散后直径相对裂缝宽度太小,同时玄武岩纤维的延性又较差,对桥接宏观裂缝的作用是非常有限的,其在抑制宏观裂缝的表现上,与钢纤维和聚丙烯纤维差别较大。

3.3 普通钢筋混凝土与玄武岩纤维钢筋混凝土早期抗裂性对比结果

由于实际工程中的构件通常为钢筋混凝土结构,而并非单纯的混凝土结构,钢筋可以限制混凝土裂缝的产生,那么此时玄武岩纤维对提高钢筋混凝土的早期抗裂性有多大作用是值得研究的。表3给出了普通钢筋混凝土及18 mm长掺量为0.1%的玄武岩纤维钢筋混凝土早期抗裂性指标的对比结果。与表3对比可知,钢筋显著的减小了普通混凝土及玄武岩纤维混凝土裂缝的最大宽度、平均宽度以及裂缝总面积;玄武岩纤维在钢筋混凝土试件中,也能显著提高混凝土的早期抗裂性;由于钢筋对混凝土的减裂作用,玄武岩纤维在钢筋混凝土中的早期减裂效率比在素混凝土中略有降低。

表3 18 mm～0.1%掺量玄武岩纤维钢筋混凝土早龄期抗裂性对比表

玄武岩纤维使钢筋混凝土的早期裂缝更加分散,长度和数量也要低于普通钢筋混凝土。

3.4 玄武岩纤维改善混凝土早期抗裂性能的机理分析

(1)对比掺玄武岩纤维混凝土与基准混凝土的裂缝分布情况,可以发现适量短切玄武岩纤维的加入,可以降低混凝土裂缝的扩展范围;从裂缝的宽度来看,适量玄武岩纤维的加入可以降低混凝土裂缝的最大宽度和平均宽度;从裂缝在试件的扩展深度来看,玄武岩纤维可以降低裂缝的深度。可见玄武岩纤维对裂缝的发展限制是空间性的。分布在混凝土内部的纤维,组成了空间网架结构,由于纤维的比表面积要比骨料大很多,结晶体沿着纤维也更易生长,从而降低了泌水。泌水率的降低会减小混凝土毛细孔的外张力,裂缝的数量、长度和宽度也会相应减少。另一方面,这种纤维空间网架结构也会在一定程度上,延缓或降低骨料的下沉,起到一定支撑作用,也会阻止内部裂缝的发展。

(2)从纤维在宏观裂缝的破坏形式来看,纤维不是自中间被拉断的,否则不会每根纤维的对侧都没有对应的另一半纤维,纤维是从混凝土中拔出破坏的,从玄武纤维的材料特性也可以很容易的理解这点。这一方面说明,短切玄武岩纤维对桥接宏观裂缝的作用是很有限的,另一方面我们也可以推测玄武岩纤维在微观裂缝上,也是以同样的方式工作的,即玄武岩纤维与结晶体主要为粘结效应,这样纤维一方面可以桥接微裂缝、微缺陷,也可以将混凝土内部收缩产生的应力,均匀的分布在纤维长度上,降低了应力集中,也就限制了裂缝的发生。

(3)显然玄武岩纤维想在混凝土内部形成空间网架效应以及降低混凝土收缩应力集中的前提是要足够分散,否则有些微裂缝发生的位置没有纤维,自然纤维不起作用;有些位置的纤维发生结团,由于结团的纤维并不能像粗骨料那样作为一个整体受力,反而有可能因为与结晶体的结合面过多而造成更多的缺陷,尽管可以降低局部的泌水,但可能会成为混凝土内部的薄弱环节,影响其他性能。