纖維參數對自密實混凝土工作性能的影響研究*

顧維, 郭芳, 袁明

(1.湖南省交通科學研究院有限公司, 湖南 長沙 410015;2.湖南交通職業技術學院, 湖南 長沙 410132;3.長沙理工大學, 湖南 長沙 410114 )

自密實混凝土無須額外振搗,它依靠自身質量即能充分密實地填充模板、包裹鋼筋,在橋梁工程等復雜結構澆筑中得到廣泛應用。然而自密實混凝土的水灰比較低,基體中存在較多不穩定的氣泡,硬化后耐久性欠佳,干燥收縮現象也較嚴重[1]。在自密實混凝土中摻入纖維材料有利于改善這一問題。Yehia S.、Fraz?o C.等的研究表明,纖維的摻入能抑制宏觀裂紋的擴展和微裂紋的產生,纖維與自密實混凝土形成致密的結構,在干濕交替、氯化物侵蝕等條件下混凝土的耐久性得到提高[2-3]。馮蒙、朱一丁等認為纖維的摻入能增強自密實混凝土的強度、延展性與韌性,改善自密實混凝土的干縮現象[4-5]。工作性能是影響自密實混凝土施工效果的重要指標,而纖維的摻入可能對其工作性能產生不利影響。李超等研究了不同摻量玄武巖纖維對混凝土工作性能的影響[6]。不同類型纖維具有不同的技術特征,其對混凝土工作性能的影響不同。同類型纖維的不同參數(長度、長徑比、摻量等)也對混凝土的工作性能有不同影響。Zeyad A. M.、Gencel O.等通過測試坍落擴展度、坍落度等指標,研究了不同類型纖維對自密實混凝土工作性能的影響[7-8]。王晨認為鋼纖維、聚丙烯纖維可以提高自密實混凝土的劈裂抗拉強度和抗折強度,但聚丙烯纖維的效果沒有鋼纖維顯著;摻加混雜纖維的自密實混凝土的力學性能優于單摻纖維自密實混凝土[9]。自密實混凝土的流變特性與普通混凝土有較大差異,自密實混凝土具有流動性與黏聚性較大、保水性高與剪切增稠的特點[10-11]。測試不同纖維參數對自密實混凝土工作性能的影響,有利于推動摻纖維自密實混凝土的科學應用。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

選用南方水泥有限公司生產的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥;采用一級粉煤灰,其相對密度為2.40,比表面積為2 880 cm2/g;硅灰的相對密度為2.10,比表面積為23 360 cm2/g;選用武漢華軒高新技術有限公司生產的聚羧酸高效減水劑,它為白色粉末,減水率為32%;粗集料采用石灰巖碎石,最大粒徑為16 mm,表觀密度為2 680 kg/m3;細集料采用中砂,細度模數為2.55。集料的篩分結果見表1。

表1 集料的篩分結果

選取工程中常用的鋼纖維、聚丙烯纖維、耐堿玻璃纖維摻入自密實混凝土中,纖維的主要技術參數見表2。

1.2 試驗方案

1.2.1 配合比設計與試件成型

采用絕對體積法進行配合比設計,水泥、粉煤灰、硅灰用量分別為360 kg/m3、95 kg/m3、25 kg/m3,水灰比為0.40,減水劑用量為1.85 kg/m3。纖維按體積分數計算摻入。為了使纖維拌和均勻,先將纖維、集料、水泥、粉煤灰和硅灰加入攪拌機中干拌2 min,然后加入水和外加劑混合攪拌2 min。在攪拌結束后5 min內對新拌混凝土進行試驗。

表2 纖維的技術參數

1.2.2 試驗方法

根據JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應用技術規程》,通過坍落拓展度試驗與J環拓展度試驗測試自密實混凝土的流動性,并在試驗時觀察混凝土拌和物是否出現泌水現象。測試從坍落度筒提起開始至坍落擴展開的混凝土外緣初觸平板上所繪直徑500 mm圓周時的擴展時間,評價自密實混凝土的充填能力和黏稠度。計算J環試驗中坍落的混凝土在鋼筋內外的高度差(以下簡稱高度差),評價混凝土通過鋼筋的間隙通過性。通過離析率篩析試驗測試拌和物的抗離析性能,自密實混凝土的離析率為試驗中通過標準篩的砂漿質量與倒入標準篩中混凝土質量的比值。

2 試驗結果與分析

2.1 纖維長度對自密實混凝土工作性能的影響

不同纖維長度下自密實混凝土的工作性能試驗結果見圖1。

從圖1可以看出:隨著纖維長度的增加,坍落拓展度減小,自密實混凝土的流動性降低。纖維長度增加會增加纖維與骨料之間的碰撞,影響拌和物的流動性。纖維長度從12 mm變化為24 mm時,摻加聚丙烯纖維與玻璃纖維的自密實混凝土的擴展時間分別增加1.7 s、2.1 s。纖維長度越大,纖維與骨架間的搭接作用越大,纖維間容易形成網狀結構,阻礙拌和物的流動。根據相關試驗結果,J環坍落拓展度在600 mm以上時自密實混凝土會出現一定泌水現象,而摻入纖維的自密實混凝土的泌水現象較少。聚丙烯纖維長度由6 mm增加到24 mm時,離析率下降27%,纖維的摻入增強了自密實混凝土的穩定性。

圖1 纖維長度對自密實混凝土工作性能的影響

2.2 纖維長徑比對自密實混凝土工作性能的影響

不同纖維長徑比下自密實混凝土的工作性能試驗結果見圖2。

圖2 纖維長徑比對自密實混凝土工作性能的影響

由圖2可知:1) 纖維長徑比越小,對自密實混凝土工作性能的影響越小。鋼纖維長徑比從40增大到80時,擴展時間增大35.8%,高度差增大62.5%;玻璃纖維長徑比從600變化為1 600時,坍落拓展度下降130 mm,J環拓展度下降165 mm。纖維長徑比越大,混凝土的擾動體積越大,導致工作性能降低。纖維長徑比影響纖維的比表面積,纖維的比表面積較大時,纖維表面會吸附較多的水泥漿體,集料間潤滑漿液數量減少,混凝土的稠度增大,流動性降低。2) 長徑比對自密實混凝土離析率的影響較小,與摻鋼纖維的自密實混凝土相比,摻聚丙烯纖維及玻璃纖維的自密實混凝土的離析率更低。

2.3 纖維摻量對自密實混凝土工作性能的影響

不同纖維摻量下自密實混凝土的工作性能試驗結果見圖3。

圖3 纖維摻量對自密實混凝土工作性能的影響

由圖3可知:隨著纖維摻量的增加,摻各類型纖維的自密實混凝土的工作性能均下降。當大量纖維亂向分布在混凝土中時,纖維間搭接形成網狀結構,阻礙了混凝土的流動變形。低摻量與高摻量時自密實混凝土的坍落拓展度、J環拓展度相差較大,高摻量下自密實混凝土可能無法有效包裹鋼筋,密實度下降,對工程安全不利。新拌和漿體中,漿液包裹、潤滑骨料,且部分骨料懸浮,形成穩定的結構以抵制離析。隨著纖維摻量的增加,纖維表面包裹更多的水泥漿,集料間的潤滑程度降低。大量纖維對混凝土的阻礙與摩擦作用增強,混凝土的流動性降低。由于玻璃纖維對水泥漿的親和性比聚丙烯纖維差,玻璃纖維對自密實混凝土工作性能的影響更大。

3 摻纖維自密實混凝土的工作性能分析

3.1 熵權法改進的TOPSIS法的正負理想序列求解

熵權法改進的TOPSIS法是一種多屬性決策方法,它在傳統TOPSIS方法的基礎上引入熵權法,可更好地解決屬性權重不確定問題。利用熵權法求取自密實混凝土工作性能的多個指標權重,通過信息熵獲得坍落拓展度、J環拓展度、擴展時間和高度差對工作性能的客觀影響權重。計算步驟如下[12-13]:

(1) 按式(1)對正向指標值進行歸一化處理,按式(2)對負向指標值進行歸一化處理,得到標準化矩陣B=xij(m×n)。

(1)

(2)

式中:xij為標準化后指標值;kij為評價指標的初始值;max(kij)、min(kij)分別為kij的最大值和最小值。

(2) 按式(3)計算第j項指標下i個樣本指標值的比例fij,得到矩陣F=fij(m×n)。

(3)

(3) 采用熵權法計算指標權重。按式(4)計算信息熵值ej,信息熵值ej越大,第j個指標的信息熵越大。按式(4)計算權重,熵值法計算所得指標系數越大,權重越大,對結果的貢獻越大。

(4)

(5)

R=|rij|m×n=|wj×xij|m×n

(6)

Z+=max{rij}

(7)

Z-=min{rij}

(8)

(9)

(10)

(11)

熵權法計算結果如下:坍落拓展度的權重為16.6%;J環拓展度的權重為19.8%;擴展時間的權重為17.8%;高度差的權重為21.1%;離析率的權重為24.59%。熵權法改進的TOPSIS評價法計算結果見表3。

表3 熵權法改進的TOPSIS評價法計算結果

根據熵權法計算結果,自密實混凝土的坍落拓展度、J環拓展度、擴展時間、離析率等工作性能指標中,離析率的權重最大,說明其相對重要性較高;坍落拓展度的權重較小,說明其相對重要性較低。

由表3可知:G-24-1600-15試樣的綜合得分較低,與G-6-600-8試樣相比下降44.7%,其工作性能較差;摻入0.8%長度為6 mm玻璃纖維的自密實混凝土的工作性能綜合評價最佳,摻入1.5%長度為24 mm聚丙烯纖維的自密實混凝土的工作性能綜合評價最差。

3.2 基于灰色關聯的摻纖維自密實混凝土工作性能分析

基于灰色關聯分析方法[14],以坍落拓展度、J環拓展度、擴展時間、高度差及離析率作為母序列,影響系統行為的因素組成的3個纖維特征參數的數據序列作為子序列進行分析,結果見表4。

表4 灰色關聯法分析結果

在灰色關聯分析中,關聯度越大表示變量之間的關聯程度越強,可根據關聯度分析纖維特征參數與自密實混凝土工作性能的關聯程度。由表4可知:1) 纖維長度與自密實混凝土工作性能的關聯程度最高,其次為纖維摻量,纖維長徑比的關聯度較小。為保證自密實混凝土具有良好的工作性能,應控制纖維長度和纖維摻量。2) 坍落拓展度、J環拓展度與纖維特征參數的關聯度較小,對系統變化的響應較弱,不宜作為響應系統變化的敏感指標;擴展時間、高度差、離析率與纖維特征參數的關聯度較高,表明纖維特征參數變化主要對自密實混凝土工作性能中充填性能和間隙通過性能產生影響,對流動性的影響較小。若要求自密實混凝土具有較好的充填能力與間隙通過能力,則應著重考慮纖維特征參數的影響。

4 結論

(1) 纖維的摻入會不同程度降低自密實混凝土的流動性、充填性能和通過性,但有助于提高自密實混凝土的穩定性。

(2) 纖維摻量增加會顯著降低自密實混凝土的充填性能;隨著纖維長徑比的增大,自密實混凝土的工作性能降低;各類纖維中,摻玻璃纖維自密實混凝土的工作性能較好,摻鋼纖維的自密實混凝土的抗離析性能較差。

(3) 纖維長度是影響自密實混凝土工作性能的主要因素,隨著纖維長度的增加,自密實混凝土的各項工作性能指標降低;其他纖維參數的影響較小,其中纖維長徑比與自密實混凝土工作性能的關聯程度較低。在實際工程中,可通過控制纖維長度控制自密實混凝土的工作性能,同時根據需要適當調整纖維的其他特征參數,以獲得工作性能更好的自密實混凝土。