补偿收缩纤维混凝土的抗裂性能研究与工程应用
2007-01-12 00:00
[摘 要] 通过对掺加膨胀剂和聚丙烯纤维配制的补偿收缩纤维混凝土性能的研究、讨论和工程应用，表明补偿收缩纤维混凝土能有效地控制混凝土结构早期塑性收缩、干缩和温度应力引起的裂缝，提高结构的抗裂防水能力和耐久性。
[关键词] 补偿收缩 纤维 混凝土 裂缝
1前言
收缩是普通混凝土固有的特性，特别是采用泵送大流态方法进行施工的混凝土，早期裂缝更加明显。混凝土产生裂缝的因素是多方面的，也很复杂的。在地下防水工程中，裂缝不但会影响混凝土的防水性，而且由于水的渗入造成钢筋锈蚀，会严重降低钢筋混凝土结构的寿命，裂缝的长度和宽度扩展到一定的程度后，还会影响结构的安全性，因此要解决混凝土结构的裂缝问题，设计、施工与原材料三个环节必须相互配合。在设计和施工方面，采取了很多措施，如设计上进行严格的荷载计算，留伸缩缝、调整配筋量等；施工方面，控制混凝土的坍落度，加强养护，分段浇筑等，但始终不尽人意。材料方面常用的措施有：①掺加膨胀剂配制补偿收缩混凝土；②掺加聚丙烯纤维配制纤维混凝土；③掺加膨胀剂和聚丙烯纤维配制补偿收缩纤维混凝土等。
单俊鸿等人[1] 运用美国ACI-544大板法试验研究了聚丙烯纤维掺量，纤维长度及膨胀剂（UEA-W）等对水泥砂浆塑性收缩开裂性能的影响，认为聚丙烯纤维可以明显改善水泥砂浆的抗裂性能，纤维掺量越大，阻裂效果越好，长纤维（19mm）比短纤维（12mm）对水泥砂浆阻裂作用有效一些，并认为聚丙烯纤维和膨胀剂一起掺入水泥砂浆在合适的条件下其叠加效果更好。姜国庆等人[2]研究表明，膨胀剂是化学防裂手段，而聚丙烯纤维是物理防裂手段，二者的复合使用体现出“层次抗裂、阶段抗裂”的新概念，符合裂缝控制“抗”与“放”的原则，是传统补偿收缩理论与复合材料理论的有机结合。游宝坤[3]等人认为混凝土强度等级高、结构尺寸又厚又长，混凝土有害裂缝出现几率必然增多，为了提高结构的耐久性和防渗等使用功能，对于墙体、转换层、大跨度梁和自防水结构采用膨胀剂与聚丙烯纤维复合的补偿收缩纤维混凝土，工程实践效果是可行的。
本文讨论了膨胀剂和聚丙烯纤维双掺的情况，试验研究和工程实践表明，补偿收缩纤维混凝土可以综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缩、干缩和温度应力引起的裂缝，提高混凝土的抗裂防水能力。
2试验材料与方法
2.1试验材料
水泥：P·O42.5MPa；
石子：南京产5～25mm碎石；
砂子：南京产河砂，中砂；
减水剂：南京产JM-B高效缓凝减水剂，粉剂掺量0.5%；
膨胀剂：武汉三源特种建材有限责任公司生产HEA抗裂防水剂，掺量8%，物理性能指标见表1；
聚丙烯纤维：武汉三源特种建材有限责任公司生产SY-A阻裂纤维，掺量1.2kg/m3,主要物理性能指标见表2。
表1 HEA抗裂防水剂物理性能(JC476-2001 标准)
|
项 目 |
指标值 |
检测值 | ||
|
细度 |
0.08mm筛筛余/% |
≤12 |
6.2 | |
|
凝结时间 |
初凝/min |
≥45 |
165 | |
|
终凝/h |
≤10 |
3:40 | ||
|
限制膨胀率/% |
水中 |
7d |
≥0.025 |
0.028 |
|
28d |
≤0.10 |
0.039 | ||
|
空气中 |
21d |
≥-0.020 |
-0.011 | |
|
抗折强度/MPa |
7d |
≥4.5 |
5.6 | |
|
28d |
≥6.5 |
8.7 | ||
|
抗压强度/MPa |
7d |
≥25.0 |
40.4 | |
|
28d |
≥45.0 |
50.2 | ||
注：HEA掺量8%.
表2 聚丙烯纤维物理性能(JT/T525-2004)
|
项目 |
指标值 |
检测值 |
|
形状 |
|
束状单丝 |
|
长度规格/ mm |
6~30 |
19 |
|
当量直径/μm |
20~50 |
24.06 |
|
抗拉强度/ MPa |
≥350 |
480 |
|
弹性模量/ MPa |
≥3500 |
3651.9 |
|
密度/(g/cm3) |
0.91±0.01 |
0.91 |
|
熔点/ oC |
160～170 |
168.4 |
|
断裂延伸率/% |
8～30 |
24.12 |
|
耐碱性能 |
＞99％ |
99.8% |
注：JT/T525-2004《公路水泥混凝土纤维材料聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维》
2.3试验配合比
试验用配合比设计如表3所示.
表3 试验配合比/(kg/m3)
|
水 |
水泥 |
砂 |
石 |
HEA |
纤维 |
减水剂 |
水胶比 |
砂率 |
|
190 |
407 |
707 |
1061 |
35 |
1.2 |
2.2 |
0.43 |
40% |
2.4试验方法
依据《纤维混凝土结构技术规程》CECS38：2004,《普通混凝土拌和物性能试验方法》GB/T50081-2002,《钢纤维混凝土》JG/T3064-1999进行试验。
3试验结果与讨论
3.1 混凝土力学性能
由表4的试验结果显示，聚丙烯纤维混凝土对混凝土7d强度略有提高，而28d强度则略有降低。聚丙烯纤维加入混凝土，在某种程度上相当于在混凝土中加入一定量的杂质，聚丙烯纤维的弹性模量又低于混凝土一个数量级，再加上聚丙烯纤维与混凝土结合界面并不完美，因此聚丙烯纤维混凝土的抗压强度、抗折强度比普通混凝土有所降低，但由于聚丙烯纤维掺量较低（一般为体积的0.05%-0.1%），且纤维处于三维乱向分布的状态，因此，正常情况下纤维单掺不会明显提高混凝土的抗压强度和抗折强度。
关于掺加纤维对混凝土抗压强度的贡献，有的测试结果表明，低掺率聚丙烯纤维加入砂浆或混凝土中对抗压强度没有显著影响；有些研究结果甚至反映由于纤维的加入，混凝土的抗压强度略有降低。龚益等人[4]推断：（1）纤维混凝土关于抗压强度的影响可能与混凝土的配合比有关；甚至可能更主要地取决于混凝土配合比设计的影响；（2）低掺率的合成纤维对混凝土抗压强度影响不大，因此试验结果的分散性即有可能掩盖纤维自身对于抗压强度的贡献。廉慧珍[5]认为：“掺纤维的同时必须调整混凝土的配合比，以改善简单掺入时的损失”。
表4 纤维和膨胀剂双掺对混凝土力学性能的影响
|
检测项目 |
空白对比混凝土强度/MPa |
掺纤维混凝土强度/MPa |
强度比/% | |||
|
7d |
28d |
7d |
28d |
7d |
28d | |
|
混凝土抗压强度 |
38.5 |
58.3 |
39.2 |
56.1 |
102 |
96 |
|
混凝土抗折强度 |
6.44 |
6.94 |
6.66 |
6.76 |
103 |
97 |
注：按表3配合比制备试件后，在标准条件下养护至相应龄期。
3.2纤维分散性试验
工程界在使用纤维时普遍关心纤维在混凝土中能否均匀分散的问题，担心由于纤维分散不均匀、结团而引起堵泵管等现象的发生。试验参照钢纤维体积率的测试方法，称取新拌纤维混凝土1kg，冲洗，并去掉砂石，置于水中，捞取聚丙烯纤维，然后称取纤维重量。混凝土密度2415kg/m3，取两次试验的平均值，平均掺量为0.94kg/m3，纤维在在混凝土中分散基本均匀，混凝土拌合物状态良好，有利于泵送混凝土的施工。另外，将掺有纤维的混凝土试件，1d龄期后在试验机上破型，观察纤维的分布情况，结果显示，纤维分布基本均匀，上表面纤维分布略高于下表面。
表5 纤维混凝土分散性试验结果
|
NO |
混凝土质量/kg |
聚丙烯纤维质量/g |
纤维掺量/（kg/m3） |
平均掺量/（kg/m3） |
|
1 |
1.00 |
0.392 |
0.95 |
0.94 |
|
2 |
1.00 |
0.381 |
0.92 |
3.3抗裂性能试验
根据《纤维混凝土结构技术规程》CECS38：2004中纤维混凝土和砂浆收缩裂缝试验方法进行试验。试件尺寸为600mm×600 mm×20mm的平面薄板，模板底部衬有一层聚乙烯塑料薄膜，以减小底板对试件收缩变形的影响，模具边框用高20mm的等肢角钢制作，边框内设φ6、间距60 mm的单排栓钉，栓钉长度为100 mm，用于限制收缩变形。模具如图1所示。同时成型纤维砂浆和对比用基体试件各1个为一组试件，配合比为，水灰比0.5，灰砂比1：1.5，试件经浇筑、振实、抹平用塑薄膜覆盖2h，环境温度为（20±2）℃。
|
|
  图1 纤维砂浆开裂试验模具图 |
试件成型2h后取下塑料薄膜，每个试件用1台电风扇吹试件表面，风向平行试件表面，风速0.5m/s,环境温度（20±2）℃，相对湿度不大于60%。24h后测读裂缝的数量、宽度与长度，计算裂缝总面积及裂缝降低系数，以此评定砂浆的早龄期限裂效能等级。试验结果见表6。
表6 纤维砂浆早期抗裂试验结果
|
最大裂缝宽度 |
基准砂浆 |
纤维砂浆 | ||||
|
裂缝条数 |
开裂总长度
/mm |
开裂影响面积/mm2 |
裂缝条数 |
开裂总长度
/mm |
开裂影响面积/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 |
|
开裂影响总面积 |
|
|
1536.5 |
|
|
227.5 |
我国纤维混凝土结构技术规程规定：用每条裂缝名义最大裂缝宽度乘以相应裂缝长度定义为裂缝名义面积，再相加起来的总和称为裂缝名义总面积（Acr），表达式为 。纤维砂浆试件裂缝名义总面积表示为Afcr，基体试件裂缝名义总面积表示为Amcr，n为裂缝降低系数，表 ，纤维砂浆早龄期阻裂效能等级按表7评定。
表7纤维砂浆早龄期阻裂效能等级
|
阻裂效能等级 |
评定标准/% |
|
一级 |
n≥70 |
|
二级 |
55≤ n< 70 |
|
三级 |
40≤n<55 |
在本试验配合比中，纤维在掺量为1.2kg/m3时，对抗折和抗压强度影响不大，混凝土中纤维分散基本均匀，能显著减少砂浆板的裂缝数目和开裂影响总面积，裂缝降低系数为85%，限裂效能等级为一级，从而明显改善了砂浆早期抗裂性能。
4补偿收缩纤维混凝土的工程应用
在大量试验与技术论证的基础上，近两年来，我们在苏州阳光水榭会所、常州大酒店、昆山客运站、武汉金都汉宫大体积混凝土等几十项工程中采用了补偿收缩纤维混凝土，取得了良好的使用效果，兹介绍如下：
4.1苏州阳光水榭会所地下工程
工程结构为地下一层、地上三层，±0.0m以下为地下车库及人防工程。地下室结构布局为“凹”型，平面尺寸长191.8m，宽61.6m，底板厚0.3m，侧墙厚0.35m，顶板厚0.3m。底板、侧墙、顶板混凝土设计强度等级为C35P8。在横轴方向设置为一条后浇带，一条膨胀加强带，纵轴方向设置一条后浇带（见图2），整个地下室工程采用UEA-W膨胀剂和SY-A型阻裂纤维。施工时采用泵送混凝土，混凝土配合比见表8。
表8 苏州阳光水榭会所偿收缩纤维混凝土配合比/（kg/m3）
|
水 |
水泥 |
砂 |
碎石 |
Ⅰ级粉煤灰 |
UEA-W膨胀剂 |
SY-A纤维 |
TH-2B泵送剂 |
|
175 |
331 |
714 |
1116 |
48 |
29 |
0.6 |
7.2 |
注：苏州华新金猫水泥公司产P·O42.5。
|
图2苏州阳光水榭会所地下车库底板膨胀加强带及后浇带示意图 |
4.2常州大酒店地下车库工程
工程地下三层，地上为绿化景观；地下平面尺寸为：长74.2m，宽63 m，底板厚0.5 m，侧墙厚0.35 m，顶板厚0.25 m，埋深-16.0 m，混凝土设计强度等级为C35P8，通过设置膨胀加强带，采用”锦源”牌HEA抗裂防水剂，聚丙烯纤维，配制补偿收缩纤维混凝土，进行超长钢筋混凝土结构无连续施工，解决了混凝土裂缝技术难题，达到了令人满意的防渗效果，施工配合比见表9，入泵坍落度140±20mm；初始坍落度180mm，1h后为165mm。
表9 常州大酒店地下车库超长结构补偿收缩纤维混凝土配合比/（kg/m3）
|
结构部位 |
强度等级 |
水 |
水泥 |
砂 |
碎石 |
粉煤灰 |
HEA |
纤维 |
泵送剂 |
|
底板、侧墙及顶板 |
C35P8 |
190 |
324 |
714 |
1074 |
60 |
32 |
0.9 |
7.5 |
|
膨胀加强带 |
C40P8 |
180 |
360 |
685 |
1075 |
60 |
48 |
1.2 |
9.4 |
4.3湖北巴东长江大桥桥面铺装[6]
巴东长江大桥是湖北省恩施自治州跨越长江的一座特大型桥梁。该桥为双塔双索面预应力混凝土漂浮体系斜拉桥，其主跨长为388m，主塔高212 m。桥梁全长900.5 m，桥面宽19 m，双向四车道，车行道宽16 m，两侧各设1.5 m宽人行道，桥面普通混凝土铺装层，由于设计厚度较薄(80~150 mm)，脆性大，在行车过程中弯拉荷载，冲击疲劳荷载以及温度和湿度变形等因素的作用，易导致混凝土面板开裂、破坏，防水失败。通过聚丙烯纤维的添加可以增强混凝土的抗疲劳、抗冲击、耐磨损和抗裂，阻裂能力，以及提高韧性和抗渗性，可以有效阻止混凝土内部和表面裂缝的扩展或延缓裂缝的出现，用于桥面铺装是一种比较理想的材料。同时加入UEA-W膨胀剂，以补偿混凝土收缩，延长桥面接缝间距，进一步提高混凝土的抗裂、防渗能力。施工配合比及性能试验结果见表10、11。
表10 巴东长江大桥桥面混凝土配合比/（kg/m3）
|
混凝土强度等级 |
水 |
水泥 |
砂 |
碎石 |
减水剂 |
膨胀剂 |
纤维 |
|
C40P22 |
160 |
385 |
710 |
1160 |
4.2 |
35 |
1.35 |
表11 混凝土性能试验结果
|
坍落度
/mm |
抗压强度/MPa |
抗折强/MPa |
冲击韧性/N．m |
抗渗等级 |
渗透系数
/（10-10cm/s） |
耐磨强度/（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结语
根据试验和工程实践，可以得出如下结论：
5.1采用膨胀剂、聚丙烯纤维合化掺加的补偿收缩纤维混凝土，可以综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缩、干缩和温度应力引起的裂缝，从而提高混凝土的抗裂防水能力；
5.2 膨胀剂和聚丙烯纤维掺入混凝土，会明显降低了坍落度，为保证混凝土的和易性强度，补偿收缩纤维混凝土宜适当增加泵送剂的掺量。同时，为了保证聚丙烯纤维在混凝土中的均匀、分散性，应适当延长混凝土搅拌时间；
5.3 补偿收缩纤维混凝土是一种生产工艺简便、价格合理、效果良好的防裂混凝土，正确的养护方法获得更好的抗裂防渗效果。
[参考文献]
[1]单俊鸿,周明凯等.聚丙烯纤维和膨胀剂对水泥砂汞塑性收缩开裂性能分析的影响［J］.商品混凝土.2005.（4）P15～17.
[2]姜国庆,孔伟等.聚丙烯纤维离性能混凝土的抗塑性沉降开列性能分析［J］.混凝土.2005.（10）P31～33.
[3]游宝坤,周建启等.关于混凝土抗裂材料应用的讨论［J］.混凝土.2005.10.
[4]龚益,沈荣熹等.杜拉纤维在土建工程中的应用［M］.北京.机械工业出版社.2002.10.
[5]廉惠珍.思维方法和观念的转变比技术更重要［J］.商品混凝土，2004，（3），2.
[6]单俊鸿等.微膨胀聚丙烯纤维混凝土的性能及巴东长江大桥桥面铺装中的应用.先进纤维混凝土试验·理论·实践［C］上海.同济大学出版社.2004.11
[作者简介]李晖（1966— ），男，武汉三源特种建材有限责任公司总工程师，高级工程师。
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