王晶 邓宁

1 问题的提出

随着高强混凝土在高层建筑、桥梁工程、港口海洋工程、高架结构、大跨结构、防护工程、地下工程等领域的广泛应用,泵送混凝土施工工艺伴随着上述工程的需要得到极大的发展和推广,但在高强混凝土发展的同时也随之出现了一些问题,早期开裂非常严重。这就提出了本文研究的问题,如何减少高强混凝土的早期开裂,提高混凝土的耐久性。近年来,由于聚丙烯纤维低廉的价格以及使用的方便得到了许多人的关注,但是由于聚丙烯纤维的增稠效应在泵送混凝土中很少使用,本文讨论纤维对高强泵送混凝土性能的影响。

2 原材料的选择

2.1 粗集料(碎石)

粗集料筛分结果见表1。

表1 粗集料筛分结果

2.2 细集料

细集料筛分结果见表2。

表2 细集料筛分结果

2.3 水泥

本文使用的是拉法基P.O42.5级水泥。此外,外加剂使用的是高效泵送剂,掺量为水泥质量的1%,测得坍落度增加值为13 cm,掺加普通聚丙烯纤维、矿渣掺合料。

3 试验结果

3.1 新拌混凝土的工作性

根据以上材料试验设计如下两组配合比,并测得坍落度、扩展度见表3,表4。

表3 A组配合比组成及流动性

表4 B组配合比组成及流动性

由表3,表4可以看出:1)水灰比对流动性的影响:水灰比小,流动性较差,水灰比大,流动性较好,扩展度值大。A1,A2,A3组0 min的坍落度均大于200 mm,三个数值相差不大,其中A1组的水灰比为0.31,所以坍落度和扩展度稍微小于其他两组,但是相差不大,也就是说在坍落度达到一定数值时,水灰比对坍落度的影响很小。2)单位用水量是影响混凝土流动性的重要因素;A组中的单位用水量为168 kg/m3,坍落度和扩展度都较大,并且它们之间的数值相差不大,B组中的单位用水量为180 kg/m3,B组间坍落度和扩展度数值也相近。3)纤维的加入同时减小了坍落度和扩展度,由于纤维增强了混凝土的粘聚性,使混凝土的流动受到了限制,所以坍落度和扩展度会减小,显然纤维带给扩展度的影响更大。

3.2 抗压强度

由抗压强度测定值可以看出:水灰比是决定混凝土强度的重要因素;水泥水化时所需要的结合水只占水泥质量的23%左右,但是在拌制混凝土时,为了获得必要的流动性,常需要较多的水。当混凝土硬化后,多余的水分残留在混凝土中形成水泡,水分蒸发后形成孔隙,从而降低了混凝土的密实性,实质是降低了混凝土抵抗荷载的有效断面积,而且孔隙处往往产生应力集中,促使混凝土在较低的应力下发生裂纹扩展以至断裂。所以水灰比小的混凝土在混凝土硬化后形成的孔隙数量相对较少,强度相对较高。纤维的加入提高了混凝土的抗压强度,但是提高幅度不大。在前面分析过,高强混凝土破坏的最薄弱环节是界面区,界面区的薄弱一方面是氢氧化钙疏松的排列结构以及不利于强度的排列方式;另一方面就是界面区的微裂缝,当混凝土受到荷载作用时,首先是微裂纹的扩展以至破坏,由于纤维的加入连接了微裂纹,使其扩展速度减慢,承受荷载的能力增强,考虑到纤维的强度不是很高,所以即使在混凝土中如我们分析的那样增强了混凝土的强度,这个增强值也不会很大。此外,混凝土的强度还受到养护条件,拌合时间,集料性质等因素的影响。

3.3 劈裂抗拉强度

表5 劈裂抗拉强度测定值

从表5可以看出纤维的加入明显提高了混凝土的劈裂抗拉强度,加入了纤维的三组配合比的混凝土要高出相同水灰比没有加纤维的混凝土的劈裂抗拉强度。

3.4 抗压弹性模量

随着水灰比的增大,抗压弹性模量减小,并且纤维减小了混凝土的抗压弹性模量。

3.5 混凝土的干缩

从混凝土的干缩测定值可以看出,对于A组,14 d前,A1和A3组的收缩比较大,由于A1组的水泥用量最大,所以收缩主要是由于水泥的水化引起的。而对于A3组,它的用水量相对较大,所以收缩主要是由于水分的蒸发引起的,由于混凝土的收缩原因很多,所以分析比较复杂,并且各个原因引起的收缩不同,比较混乱。而对于60 d的测量结果表明,混凝土的继续水化占收缩很大的比重,并且A1组的28 d～60 d的收缩率增加很快,而其他两组相对较小。

对于B组,前28 d的情况和A组很接近,同样是B1和 B3组的收缩较大,但是在60 d的时候,收缩却突然变小,小于 28 d的收缩,主要是由于温度的升高,混凝土受到热胀冷缩的作用,收缩变小;另外一个因素就是纤维,减少了水分的蒸发,对收缩产生了有利的影响,这两个方面综合起来,表现出混凝土60 d的收缩情况。但是对于A组60 d的收缩之所以会很大,一方面是水分的蒸发,另一方面是水泥的水化,虽然温度也同样升高,但是热胀数值显然是很微小的。

4 低掺量聚丙烯纤维在混凝土中的效应分析

4.1 增稠效应(降低了坍落度)

纤维的增稠效应主要表现在对坍落度的减小,稠度是指新拌混凝土软硬稀稠程度,是混凝土的一项重要的工作性指标,增大新拌混凝土的稠度才能够减少泌水和离析,但是也减小了混凝土的流动性,增大了混凝土振动密实排气的难度,为了保证强度,应适当增长成型振动的时间。

4.2 阻裂效应(提高了劈裂抗拉强度和减小了混凝土的收缩)

纤维的阻裂效应表现在增加了劈裂抗拉强度和减小了收缩。聚丙烯纤维的阻裂效应是指对混凝土早期塑性开裂的抑制作用,也是聚丙烯纤维最为主要的效应。纤维阻止混凝土发生不规则、无取向性的塑性开裂的能力与混凝土中纤维的间距有关,对于不同品种的纤维,这种能力则体现在纤维的细度上。宏观上理解聚丙烯纤维的阻裂效应,可以看成是纤维对塑性期混凝土的增强作用,这种增强效应的有效性主要和纤维在混凝土中的分散程度有关,即纤维越细,纤维间距越小,增强作用越有效。

实际上,纤维的阻裂效应不仅表现在能阻止塑性裂缝的产生,还能有效抑制混凝土内部由于失水、水化热、泌水、收缩、自干燥等引起的微裂缝的产生,聚丙烯纤维的阻裂效应实际是通过使硬化的混凝土具有更好的整体性,达到了改善混凝土的内在品质和性能。但是面临的问题是纤维的阻裂效应对混凝土的有益处很难通过室内的试验加以评价。

5 结语

1)通过对原材料的严格控制和检验,掺加矿物掺合料,选用优质的P.O42.5R水泥可以配制出适合泵送工艺的高强混凝土。

2)聚丙烯纤维在高强混凝土中可以起到增稠效应、阻裂效应,增加了混凝土的抗拉强度,降低混凝土的弹性模量,减少混凝土的收缩,可以减少高强混凝土的早期开裂问题,并且由于聚丙烯纤维的价格比较低,代替部分的钢纤维可以取得一定的经济效益。但是,由于聚丙烯纤维的增稠效应减小了混凝土的流动性,所以当使用泵送施工时,应结合泵送高度考虑适当增大泵送剂的用量来提高混凝土的流动性。

3)矿渣的加入根据理论的分析改善了混凝土界面区的性质,使混凝土的强度得到提高,在减少了水泥用量的同时,减小了水化初期的水化热,并且由于水泥用量的减少,改善了收缩和开裂。尤其需要指出的是,水泥的用量对收缩产生了很大的影响,在水灰比适宜的情况下要尽可能的减少水泥用量,同时增大矿物掺合料的掺量。

4)根据本文中的A1和B1组的配合比可用于C70的混凝土;根据本文中的A2,A3,B2,B3组的配合比可以用于C60混凝土。

[1] 冯乃谦.高性能混凝土[M].北京:中国建筑工业出版社,1996:13-14.

[2] 徐至钧.纤维混凝土技术及应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2003:18.

[3] 刘数华,方坤河,曾 力,等.混凝土抗裂评价指标综述[J].公路,2004(4):105-107.

[4] 王银国.泵送混凝土现浇板早期裂缝分析[J].温州大学学报,2004,17(4):69-71.

[5] 施 骏,李 翔,施 杰.高强混凝土应用中存在的关键性问题及对策[J].山西建筑,2008,34(1):175-176.