玄武巖纖維混凝土及鋼筋混凝土早齡期抗裂性研究

周世軒

(大連理工大學土木建筑設計研究院有限公司,遼寧 大連 116024)

0 引 言

混凝土的塑性收縮一般發生在混凝土凝結過程的幾小時內,當混凝表面水分蒸發過快,而混凝土自身抗拉強度還比較低時,會引發混凝土裂縫,這些裂縫包含自混凝土表面向下擴展一定深度的宏觀裂縫,也包含混凝土內部的不可見微觀裂縫,這些裂縫對混凝土的強度及耐久性會造成不利影響[1]。

研究表明在混凝土中摻入某些短切纖維,能夠減小混凝土的塑性裂縫,提高混凝土的早期抗裂性能。閆振鵬[2]、聞洋[3]等的研究表明聚乙烯醇(PVA)纖維,可以有效抑制早期塑性裂縫的產生;張佚倫[4-6]等學者證明了聚丙烯纖維對混凝土早期抗裂的提高效果。而玄武巖纖維與這些纖維相比,存在一些顯著的優勢。首先是玄武巖纖維的容重與混凝土基本一致,這代表攪拌和振搗后,玄武巖纖維可以更均勻的分布在混凝土中;其次是玄武巖纖維具有可以與玻璃纖維甚至碳纖維相媲美的力學性能(如表1所示[7]),可以增強混凝土的性能;再次,玄武巖纖維具有很強的耐酸、耐堿性,可適用于各類混凝土的配制;最后,玄武巖纖維的制作是通過物理拉拔實現的,相比其他纖維的生產更加的綠色環保。

表1 各種纖維性能對比

目前也有針對玄武巖纖維混凝土的早期抗裂性研究[8-10],但試驗數據相對較少,另一方面,工程中通常采用鋼筋混凝土結構,而玄武巖纖維在鋼筋混凝土早齡期的抗裂性表現,還鮮有論文進行研究,因此通過在素混凝土以及鋼筋混凝土中,摻入短切玄武巖纖維,通過混凝土平板早期抗裂性試驗,研究玄武巖纖維對混凝土及鋼筋混凝土的早期抗裂性影響。

1 原材料和配合比

1.1 原材料

水泥使用大連小野田P.O 42.5R硅酸鹽水泥;石子粒徑為5～20 mm,級配良好;試驗砂采用河砂,符合天然砂Ⅱ區的規定,屬于中砂;減水劑采用聚羧酸高效減水劑;纖維采用山西晉投的短切玄武巖纖維,規格為200絲,長度為18 mm,單絲直徑15 μm;鋼筋采用φ8HRB300熱軋帶肋鋼筋。

1.2 配合比

混凝土強度設計標號為C30,坍落度設計值為180 mm,水灰比選擇0.53,砂率為0.47,綜合玄武巖纖維混凝土性能及經濟性,纖維體積摻量為0.1%,即每立方米混凝土摻2.65 g纖維。玄武巖纖維的加入會降低混凝土的坍落度,基準素混凝土與玄武巖纖維混凝土為了保證相同的和易性,僅調整減水劑摻量,其中減水劑在素混凝土及普通鋼筋混凝土中的摻量為膠凝材料的1.45%,減水劑在玄武巖纖維混凝土及玄武巖纖維鋼筋混凝土的摻量為膠凝材料的1.5%?；鶞驶炷辆唧w配合比為,石子∶砂子∶水泥∶水∶減水劑=986.4∶874.8∶339.6∶180∶4.9,單位為kg。

2 試驗方法

采用《纖維混凝土試驗方法標準(CECS 13:2009)》(以下簡稱《標準》)混凝土的早期抗裂試驗方法,該方法試件成型后即通過電風扇吹風失水,但經試驗發現,在夏季溫度較高晴朗少云的中午,采用室外暴露法試驗效果更佳,該方法的優點在于試件表面溫度均勻,同批試驗對照組間的試驗條件基本一致,試件的尺寸及邊界效應小。試驗時選擇地表溫度為40～0 ℃時段,在試件成型之后,裝入《標準》規定的早期抗裂模具中并抹面,隨后立即置于室外無蔭處暴曬,直至試件終凝為止。當裂縫不再擴展時,利用化曲為直的方法,用鋼尺測量試件表面可見裂縫的長度,利用裂縫觀察儀測量裂縫的寬度,對于短裂縫可以將裂縫長度中間位置的寬度作為裂縫平均寬度,對于長裂縫,應根據寬度分成多條短裂縫,所有裂縫需記錄最大寬度,并按下式計算(鋼筋)混凝土試件的裂縫總面積

按下式計算裂縫降低系數

式中:β為裂縫降低系數,%;Sc0為基準(鋼筋)混凝土試件的裂縫總面積,mm2;Scf為摻有玄武巖纖維(鋼筋)混凝土試件的裂縫總面積,mm2。

3 試驗結果及分析

為了研究玄武巖纖維在混凝土與鋼筋混凝土中對混凝土早期抗裂的作用,共設計兩組試驗。試驗一對比素混凝土(編號S1、S2)及玄武巖纖維混凝土(編號X1、X2)的早期抗裂性能,每組試驗素混凝土及玄武巖纖維混凝土各兩塊試件。試驗二對比普通鋼筋混凝土(編號GJT1、GJT2)及玄武巖纖維鋼筋混凝土(編號XGJT1、XGJT2)的早期抗裂性,每組試驗各兩塊試件,鋼筋網間距均為10 cm×10 cm。

3.1 素混凝土與玄武巖纖維混凝土工作性及立方體抗壓強度結果

素混凝土坍落度為184 mm,摻量為18 mm～0.1%的玄武巖纖維混凝土坍落度為185 mm,可見僅通過調整減水劑摻量,可以使素混凝土與摻量為18 mm～0.1%的玄武巖纖維混凝土坍落度基本保持一致。素混凝土的28 d立方體抗壓強度為36.1 MPa,摻量為為18 mm～0.1%的玄武巖纖維混凝土28 d立方體抗壓強度為37.4 MPa,可見兩者的抗壓強度也相當。

3.2 素混凝土與玄武巖纖維混凝土早期抗裂性對比結果

分別從最大裂縫寬度、裂縫平均寬度、裂縫總長、裂縫總面積以及裂縫降低系數等方面評價纖維對混凝土早期抗裂性能的影響。每組兩塊試件的抗裂性能評價指標見表2,試驗表明玄武巖纖維混凝土在以上各參數上,均優于素混凝土。

表2 18 mm～0.1%摻量混凝土早齡期抗裂性對比表

素混凝土不僅裂縫寬度要比玄武巖纖維混凝土要大,裂縫深度也更深。素混凝土試件存在貫穿試件頂、底面的通縫,而摻量為18 mm～0.1%的玄武巖纖維混凝土試件的裂縫并未貫通至底板,僅在表面較淺的范圍內。

盡管玄武巖纖維可以有效的減小素混凝土的早期裂縫寬度、裂縫數量以及裂縫深度,但是玄武纖維的作用主要體現在微觀層面,并不能阻止宏觀裂縫的發生?？梢?當裂縫寬度較大時,纖維表現出一端被拔出的現象,可見玄武巖纖維由于分散后直徑相對裂縫寬度太小,同時玄武巖纖維的延性又較差,對橋接宏觀裂縫的作用是非常有限的,其在抑制宏觀裂縫的表現上,與鋼纖維和聚丙烯纖維差別較大。

3.3 普通鋼筋混凝土與玄武巖纖維鋼筋混凝土早期抗裂性對比結果

由于實際工程中的構件通常為鋼筋混凝土結構,而并非單純的混凝土結構,鋼筋可以限制混凝土裂縫的產生,那么此時玄武巖纖維對提高鋼筋混凝土的早期抗裂性有多大作用是值得研究的。表3給出了普通鋼筋混凝土及18 mm長摻量為0.1%的玄武巖纖維鋼筋混凝土早期抗裂性指標的對比結果。與表3對比可知,鋼筋顯著的減小了普通混凝土及玄武巖纖維混凝土裂縫的最大寬度、平均寬度以及裂縫總面積;玄武巖纖維在鋼筋混凝土試件中,也能顯著提高混凝土的早期抗裂性;由于鋼筋對混凝土的減裂作用,玄武巖纖維在鋼筋混凝土中的早期減裂效率比在素混凝土中略有降低。

表3 18 mm～0.1%摻量玄武巖纖維鋼筋混凝土早齡期抗裂性對比表

玄武巖纖維使鋼筋混凝土的早期裂縫更加分散,長度和數量也要低于普通鋼筋混凝土。

3.4 玄武巖纖維改善混凝土早期抗裂性能的機理分析

(1)對比摻玄武巖纖維混凝土與基準混凝土的裂縫分布情況,可以發現適量短切玄武巖纖維的加入,可以降低混凝土裂縫的擴展范圍;從裂縫的寬度來看,適量玄武巖纖維的加入可以降低混凝土裂縫的最大寬度和平均寬度;從裂縫在試件的擴展深度來看,玄武巖纖維可以降低裂縫的深度?？梢娦鋷r纖維對裂縫的發展限制是空間性的。分布在混凝土內部的纖維,組成了空間網架結構,由于纖維的比表面積要比骨料大很多,結晶體沿著纖維也更易生長,從而降低了泌水。泌水率的降低會減小混凝土毛細孔的外張力,裂縫的數量、長度和寬度也會相應減少。另一方面,這種纖維空間網架結構也會在一定程度上,延緩或降低骨料的下沉,起到一定支撐作用,也會阻止內部裂縫的發展。

(2)從纖維在宏觀裂縫的破壞形式來看,纖維不是自中間被拉斷的,否則不會每根纖維的對側都沒有對應的另一半纖維,纖維是從混凝土中拔出破壞的,從玄武纖維的材料特性也可以很容易的理解這點。這一方面說明,短切玄武巖纖維對橋接宏觀裂縫的作用是很有限的,另一方面我們也可以推測玄武巖纖維在微觀裂縫上,也是以同樣的方式工作的,即玄武巖纖維與結晶體主要為粘結效應,這樣纖維一方面可以橋接微裂縫、微缺陷,也可以將混凝土內部收縮產生的應力,均勻的分布在纖維長度上,降低了應力集中,也就限制了裂縫的發生。

(3)顯然玄武巖纖維想在混凝土內部形成空間網架效應以及降低混凝土收縮應力集中的前提是要足夠分散,否則有些微裂縫發生的位置沒有纖維,自然纖維不起作用;有些位置的纖維發生結團,由于結團的纖維并不能像粗骨料那樣作為一個整體受力,反而有可能因為與結晶體的結合面過多而造成更多的缺陷,盡管可以降低局部的泌水,但可能會成為混凝土內部的薄弱環節,影響其他性能。

4 結 論

(1)摻量18 mm～0.1%的玄武巖纖維混凝土與素混凝土相比,玄武巖纖維混凝土在最大裂縫寬度、裂縫平均寬度、裂縫總長、裂縫總面積、裂縫深度等各方面均得到改善,裂縫降低系數達到73.6%,摻量為18 mm～0.1%的短切玄武巖纖維可以顯著提高混凝土結構的早期抗裂性。

(2)盡管玄武巖纖維可以有效的減小素混凝土的早期裂縫寬度、裂縫數量以及裂縫深度,但是玄武纖維的作用主要體現在微觀層面,并不能阻止宏觀裂縫的發生。對于宏觀裂縫,玄武巖纖維表現為出拔出破壞,對橋接宏觀裂縫的作用非常有限。

(3)摻量18 mm～0.1%的玄武巖纖維鋼筋混凝土與普通鋼筋混凝土相比,玄武巖纖維鋼筋混凝土同樣在最大裂縫寬度、裂縫平均寬度、裂縫總長、裂縫總面積、裂縫深度等各方面均得到改善,裂縫降低系數達到63.6%,摻量為18 mm～0.1%的短切玄武巖纖維也可以顯著提高鋼筋混凝土的早期抗裂性。

(4)鋼筋的加入也可以減小混凝土裂縫寬度和深度,短切玄武巖纖維在鋼筋混凝土的早期抗裂提高效果略低于在素混凝土中的抗裂提高效果,但總體來說,當玄武巖纖維摻量在0.1%時,無論在素混凝土還鋼筋混凝土中,玄武巖纖維的加入均可以顯著提高混凝土的早期抗裂性能。

(5)鋼筋是典型的限制混凝土宏觀裂縫的工具,在限制宏觀裂縫上,纖維的作用與鋼筋不可同日而語。而玄武巖纖維對鋼筋混凝土早期抗裂的顯著提高表明,早期抗裂主要體現在混凝土的微觀效應上,也再次證明了,一定摻量的短切玄武巖纖維對改善混凝土整體微觀特性的良好效果。