膨脹劑配比改性的纖維混凝土粘接抗裂及力學性能研究

王 敏,王照耀

(1.楊凌職業技術學院,陜西 楊凌 712100;2.西安建筑科技大學,陜西 西安 710055)

近年來,在混凝土結構工程中不斷出現裂縫,影響了該結構的正常使用,造成了安全隱患。為防止或減少混凝土開裂,大量的研究選擇在混凝土中添加纖維等有機材料。通常添加到混凝土中的纖維主要是碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維等。其中,玄武巖纖維是一種新型的無機材料,是一種高性能的纖維有機材料,具有環保的優勢。其密度為2.65～3.0 g/cm3,接近混凝土密度,抗拉強度為3 000～4 800 MPa,在水泥等堿性介質中均能保持較高的穩定性[1]。玄武巖纖維能提高混凝土的抗彎承載力,限制其自由變形,減少裂縫發生的危險[2]。

對玄武巖纖維與陶粒在水泥砂漿中的作用進行了試驗,結果表明:玄武巖纖維混凝土和陶瓷砂雙摻混凝土的收縮開裂趨勢明顯降低[3]。探討了玄武巖纖維的長度與寬度比例對混凝土的收縮效應,結果發現:玄武巖纖維對混凝土的收縮有明顯的抑制作用[4]。討論了玄武巖摻量及長度等對泡沫材料的收縮開裂影響,結果表明:當摻入比為0.3%,長度為10 mm時,混凝土具有顯著的收縮裂縫效果[5]。研究玄武巖纖維含量和直徑對混凝土力學及耐久性能的影響,結果表明:6 mm玄武巖纖維混凝土在摻量為2%時可達到最大強度[6]。研究鋼纖維和膨脹劑對混凝土中鋼筋粘接性能的影響,結果表明:2種材料可以極大提高粘接強度和粘接剛度[7]。

目前單纖維摻入提高混凝土抗裂性具有局限性,其機理和效果也存在爭議。已有學者表明無機材料膨脹劑的加入會在水泥水化過程中形成石英晶體,從而提高混凝土的抗裂性。但對無機材料膨脹劑和有機材料纖維協同作用下混凝土的力學和抗裂性的研究較少。鑒于此,本文在混凝土中同時加入玄武巖纖維和鈣鎂膨脹劑,開展不同摻量纖維、膨脹劑及水灰比對混凝土力學性能和抗裂性能的影響。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

普通硅酸鹽水泥P·O 42.5(江蘇省南京某水泥公司生產);一級粉煤灰(江蘇省南京某公司生產);玄武巖礫石(粒徑5～30 mm);天然河砂(細度模量為2.56);玄武巖纖維(上海某公司生產,力學性能見表1);鈣鎂膨脹劑(山東某公司生產,化學成分見表2);聚羧酸型減水劑(江蘇南京水泥有限公司生產,減水率為30%～40%)。

表1 纖維力學性能Tab.1 Mechanical properties of fiber

表2 膨脹劑化學成分質量分數Tab.2 Chemical composition of expansion agent

1.2 試驗方法

本試驗設定混凝土強度等級為C40。水灰比(W/C)(A)、膨脹劑(B)和玄武巖纖維(C)3個因素的正交試驗,正交試驗因子表如表3所示。

表3 正交試驗因子Tab.3 Orthogonal test factors

抗彎試驗及抗壓試驗使用300 kN的MTS-E45.305萬能試驗機。混凝土抗壓強度、抗拉強度、抗彎強度、收縮變形試驗均按照規范進行[8];收縮變形試驗采用55 mm×55 mm×280 mm的試樣;掃描電鏡檢測采用JSM-6510高分辨率掃描電子顯微鏡觀察其微觀結構。

2 結果和討論

2.1 抗壓強度

試件經過7、28 d標準養護后,各摻量下混凝土的抗壓強度試驗結果如圖1(a)所示。對試驗結果進行了擬合,進一步研究不同纖維摻量、水灰比等不同因素對混凝土抗壓強度的影響,計算結果如圖1(b)～圖1(d)所示。

(a)抗壓強度

從圖1(b)～圖1(d)可以看出,混凝土的抗壓強度隨水灰比的增加而逐漸降低。隨膨脹劑摻入比例的增大,混凝土的抗壓強度先增大,后減小;當鈣鎂膨脹劑摻量為7%時,混凝土抗壓強度達最大,主要是由于鈣鎂膨脹劑在水泥水化時產生大量的石英晶體,使其內部結構更緊湊;如果鈣鎂膨脹劑用量過大,會在混凝土骨架結構中出現大量孔隙,增加混凝土的孔隙率,導致混凝土內部微觀結構劣化,使試件抗壓強度呈下降趨勢。隨玄武巖纖維摻量增加,混凝土的抗壓強度先呈上升趨勢,在達到最大值后又開始呈下降趨勢;當玄武巖纖維摻量為1.0%時,抗壓強度最大。這是因為玄武巖纖維填充混凝土內部孔隙,纖維在混凝土內部起著一定的連接作用,降低了收縮變形,提高了抗壓強度;當玄武巖纖維量摻量超過1%時,大量纖維難以分散,同時,由于纖維易于凝聚,不能完全填充混凝土的孔隙,導致其壓縮性能降低。同時,纖維的比表面積較大,特別是對于玄武巖纖維這種無機材料,需要包裹大量的水泥漿[9]。若纖維摻入量太大,則會使有限數量的水泥漿無法將玄武巖纖維全部包覆,使纖維與骨料間在混凝土局部區域發生直接接觸,造成它們在受力時產生相對滑移和空隙,大大降低混凝土抗壓強度。由極差分析可知,玄武巖纖維摻量對其抗壓強度的影響最大,其次是水灰比,最后是膨脹劑。

2.2 抗拉強度

不同纖維及膨脹劑摻量下混凝土抗拉強度的結果如圖2(a)所示;圖2(b)～圖2(d)為抗拉強度試驗擬合結果和極差分析結果。

(a)抗拉強度

由圖2(b)～圖2(d)可以看出,混凝土抗拉強度隨水灰比的增加而降低;隨著膨脹劑體積的增大,呈先增大后減小的趨勢,在膨脹劑摻量為7%時達到最大值;隨著玄武巖纖維摻量的增加,混凝土抗拉強度先緩慢增大,然后顯著降低。抗拉強度的變化規律與抗壓強度相似,其原因與抗壓強度分析中所描述的相同。由極差分析可知,玄武巖纖維摻量對抗拉強度的影響最大,水灰比次之,膨脹劑的影響最小。

2.3 抗彎強度

不同纖維及膨脹劑摻量下混凝土抗彎強度的結果如圖3(a)所示;圖3(b)～圖3(d)為抗彎強度試驗擬合結果和極差分析結果。

(a)抗彎強度

從圖3(b)～圖3(d)可以看出,隨著水灰比的增加,抗彎強度趨于緩慢下降。隨著膨脹劑量的增加,抗彎強度先增大,然后略有下降;當膨脹劑摻量為7%時,抗彎強度達到最大;玄武巖纖維摻入量越大,抵抗抗彎強度效果越明顯,當纖維摻量為1%時,抗彎強度達到最大,抗彎強度的提高可歸因于纖維在整個混凝土基體中良好分散,導致的“橋效應”[10],進一步使纖維與粗細骨料的表面緊密結合,增加基體界面處的相互作用或粘附力[11]。抗彎強度的變化規律與抗壓強度和抗拉強度相似。通過極差分析表明,玄武巖纖維摻量對抗拉強度的影響最大,水膠比次之,膨脹劑的影響最小。

2.4 收縮變形試驗

收縮變形試驗結果如圖4所示。

圖4 收縮變形

從圖4可以看出,使用玄武巖纖維和膨脹劑可以有效地提高混凝土收縮率。其中,膨脹劑對收縮率的影響最大;水灰比對收縮率的影響次之。當水灰比增加時,由于混凝土中自由水的增多,可以補償毛細孔隙中的水分損失,降低其干縮[12]。另外,在混凝土中,含水量的增大會加速膠凝物質的水化速度,致使內部結構更密實。且纖維與膨脹劑在一定程度上抑制了混凝土自身的膨脹與變形。鈣鎂膨脹劑由于具有較大的比表面積,可以吸收混凝土中的部分游離水,降低混凝土的塑性收縮[13]。然而,過量的膨脹劑吸收大量的水分,混凝土表面的水分蒸發也會消耗大量的水分[14]。因此,過量的膨脹劑會增加混凝土的收縮率。玄武巖纖維在混凝土基質中的隨機分布可以支持骨料,防止骨料下沉,減少了復合材料的表面崩解,提高了混凝土的均勻性[15-16]。因此,纖維可以有效地防止混凝土開裂。此外,玄武巖纖維對早期硬化混凝土具有顯著的增強作用,而混凝土的彈性模量比玄武巖纖維低,因而能有效地抑制裂縫的發生。纖維能有效地抑制裂紋的進一步擴大,使其在混凝土中的應力場變得更為持續和均勻,可以有效提高混凝土的延性和開裂性。而膨脹劑的摻入增強了纖維與混凝土基體的結合性能,有利于纖維發揮抗裂作用[17-19]。

2.5 SEM

微觀試驗選擇CZ0和CZ2進行微觀分析,結果如圖5所示。

從圖5可以看出,混凝土的內部主要含有水化產物,如C—S—H凝膠、水合鋁酸鈣晶體、層狀氫氧化鈣等。普通混凝土中(CZ0)的孔隙相對較大,結構相對較松散[20]。而在混凝土加入纖維和膨脹劑,可以明顯看到纖維與石英晶體,可有效提高纖維與水泥基體之間的粘合強度,填充混凝土內部的微裂縫和孔洞。晶體的產生也會導致混凝土膨脹并形成結構更緊湊,有效地提高了混凝土的力學性能和抗裂性。

3 結語

(1)添加適量的玄武巖纖維和膨脹劑可以有效提高混凝土力學性能。同時,纖維和膨脹劑雙摻也能有效抑制混凝土收縮和變形;

(2)隨著水灰比的增加,混凝土強度呈降低趨勢。隨著纖維和膨脹劑用量的增加,混凝土的力學性能呈先增后減的趨勢。當玄武巖纖維質量分數為1%,膨脹劑質量分數為7%時,膨脹纖維混凝土的力學性能最好。纖維對混凝土力學性能的影響最大,其次是水灰比,膨脹劑的影響最小;

(3)從SEM圖像表明,加入適量的膨脹劑可以促進混凝土的水化程度,同時玄武巖纖維填充內部孔隙,有效提高混凝土力學性能,減少其收縮變形。