摘要: 采用平板限制收縮試驗法, 研究了減水劑與膨脹劑及其復合技術對聚丙烯纖維增強高性能混凝土的早期抗裂性的影響。結果表明, 聚丙烯纖維增強高性能混凝土的早期抗裂性大小順序為: U EA -N 混凝土膨脹劑與聚羧酸高效減水劑復合的纖維增強高性能混凝土> A EA 混凝土膨脹劑與聚羧酸高效減水劑復合的纖維增強高性能混凝土> A EA 混凝土膨脹劑與萘系減水劑復合的纖維增強高性能混凝土> 纖維增強高性能混凝土。因此, 采用U EA -N 混凝土膨脹劑與聚羧酸高效減水劑的復合外加劑技術和聚丙烯纖維增強技術是防止高性能混凝土發生塑性收縮開裂的比較理想的技術措施。
關鍵詞: 混凝土; 開裂; 減水劑與膨脹劑復合技術; 塑性收縮
中圖分類號: TU 528 文獻標識碼:A 文章編號: 1005-2615 (2008) 01-0129-05
引 言
高性能混凝土(H igh perfo rm ance concrete,HPC) 是以其“三高”而著稱, 即耐久性高、工作性高和強度高, 被稱為21 世紀混凝土。HPC 由于其優異的性能、顯著的經濟性, 目前已廣泛應用于高層建筑、大壩、海工、橋梁等工程[ 1 ]。高性能混凝土澆筑后“在最初幾個小時的養護階段因表面水分蒸發速度大于內部泌水速度”漿體發生緊縮[ 2 ]。這個階段混凝土本身強度很低, 當毛細管負壓產生的收縮應力大于混凝土的抗拉強度時, 混凝土暴露向外的表面開始出現裂縫。裂縫在混凝土養護的最初幾個小時內不斷引發和擴展, 裂縫數目增多, 裂寬、裂長增大, 一直到混凝土初凝時基本停止。這類裂縫稱為塑性收縮裂縫。塑性收縮裂縫將對混凝土的抗滲、抗侵蝕、抗凍融等耐久性產生非常不利的影響,混凝土的開裂必將加速在耐久性實驗過程中混凝土的劣化進程, 從而引起結構耐久性的降低[ 324 ] , 達不到設計壽命, 所以, 研究高性能混凝土塑性收縮開裂及其控制方法具有十分重要的意義。
混凝土達到高性能最重要的技術途徑就是使用高效減水劑和膨脹劑, 前者能夠降低混凝土的水膠比, 改善新拌混凝土的工作性和控制混凝土塌落度損失, 賦予混凝土高密實性和優良工作性; 后者是解決混凝土開裂的有效措施之一, 它依靠自身的化學反應或與水泥其他成分反應, 在水化時產生一定的膨脹, 以補償混凝土的收縮。針對減水劑與膨脹劑相容性對高性能混凝土早期塑性收縮開裂性能的影響研究較少, 本文應用約束平板試驗法, 研究了減水劑與膨脹劑復合技術對大摻量礦物摻合料混凝土早期塑性收縮開裂的影響。
1 試 驗
1.1 原材料與配合比
1.1. 1 原材料
采用江蘇嘉新京陽水泥廠生產的P. Ê 52.5R硅酸鹽水泥, 其化學成分見表1。鎮江產風選I 級粉煤灰(F ly ash, FA ) , 細度6.8% , 含水率0.04% , 燒失量2.04% , 需水量比93% , SO 3 含量1.22% , 化學成分見表1。江蘇江南粉磨公司的S95 級磨細礦渣(Slag, SG) , 化學成分見表1。江蘇省建筑科學研究院生產的礦物摻和料(X 粉)。安徽巢湖速凝劑總廠生產的A EA 鋁酸鹽混凝土膨脹劑, 化學成分見表1。安徽省廬江縣特種建筑材料廠開發生產的低堿U 型砼膨脹劑U EA -N , 化學成分見表1。南京產黃砂, 表觀密度2 680 kg/m 3, 堆積密度1 570 kg/m 3,含泥量2.5% , 細度模數1.8, 屬于Ë 區級配。南京六合產玄武巖碎石, 最大粒徑12 mm , 表觀密度2 820kg/m 3, 堆積密度1 435 kg/m 3, 含泥量0.3% , 針片狀顆粒含量11.4% , 壓碎指標6% , 基本屬于5～ 10mm 連續級配。上海華登外加劑廠生產的HP400R型聚羧酸緩凝高效減水劑, 該外加劑為液體, 減水率30% 以上, 無氯離子, 堿含量小于減水劑干重的1%。江蘇省建筑科學研究院生產的液體JM -2000c高效引氣劑, 推薦摻量為萬分之0.5～ 1.0。常州市天怡工程纖維有限公司生產的束狀單絲聚丙烯(Po lyp ropylene, PP) 纖維, 密度0.91 g/m 3, 長度19mm , 直徑0.048 mm , 彈性模量≥3.5 GPa。
1.1.2 配合比
表2 為實驗設計的4 組混凝土的配合比。分別是單摻聚羧酸減水劑的基準PP 纖維增強高性能混凝土D9、A EA 型膨脹劑分別與1.2% 聚羧酸減水劑和1.7% 萘系減水劑復合的PP 纖維增強高性能混凝土(D18、D18-2)、U 型砼膨脹劑U EA -N 與1.2%聚羧酸減水劑復合的PP 纖維增強高性能混凝土(D18-1)。控制混凝土的坍落度在130～ 220mm 范圍內。
1.2 實驗與測試方法
1.2.1 約束平板模具
參考中國工程院水利與建筑學部《混凝土結構耐久性設計與施工指南》[ 5 ]中日本笠井芳夫教授提出的設計方法, 本實驗的試件尺寸為600mm ×600mm ×63mm , 用于澆注試件的鋼制模具見圖1 (a)。模具的四邊用û—63 mm ×6.3 mm 的等邊角鋼制成, 四邊與底板通過螺栓固定在一起, 以提高模具的剛度; 在模具每個邊上用雙螺帽固定下排7 個5 6×100 mm 螺栓和上排7 個5 6×50mm 螺栓。兩排螺栓相互交錯, 便于澆筑的混凝土填充密實。在模具底板的表面鋪上低摩阻的聚四氟乙烯薄膜。
1.2.2 混凝土攪拌與試件制作
采用強制攪拌機進行攪拌, 投料和攪拌順序為: 先加膠凝材料和砂、石, 同時撒入聚丙烯纖維,干拌1 m in, 再加入混有高效減水劑和高效引氣劑的水, 濕拌3～ 5m in。攪拌均勻后出料, 測定混凝土混合料的坍落度和擴展度。
試件澆注、振實、抹平后, 放入觀測環境, 控制環境溫度(28±2) °C和相對濕度(50±3% ) , 混凝土表面的溫度為(35±2) °C, 用風速儀測量平行試件表面方向的風扇風速為(3.2±0.3) m /s, 詳見圖1(b)。
1.2.3 早期塑性收縮裂縫觀測與數據處理方法
記錄觀察到的試件表面出現每條裂縫的時間。當試件表面出現貫穿裂縫后很少會再有新的裂縫出現, 這時每1 h 觀察一次, 直到24 h 觀察結束。在24 h 后, 仔細觀測所有裂縫數量與總長、裂縫的最大寬度。裂縫長度以肉眼可見為準, 用鋼尺測量長度, 近似取裂縫兩端直線距離, 當裂縫出現明顯彎折時, 以折線長度之和代表裂縫長度。裂縫寬度用精度0.02 mm 的讀數顯微鏡測量, 取裂縫最寬處的寬度代表該裂縫的裂寬。
根據觀測結果, 分別計算不同配合比混凝土的總裂開面積A (單位mm 2) 和單根裂縫的平均開裂面積a (單位mm 2/根) , 計算公式如下
式中:w i 為第i 根裂縫的最大寬度; li 為第i 根裂縫的長度;N 為總裂縫數目。
2 結果與討論
2.1 UEA-N 膨脹劑對PP 纖維增強高性能混凝土的早期抗裂性能的影響
表3 為D9 和D18-1 的平板塑性收縮裂縫觀測結果, 其總裂開面積和單根裂縫的平均開裂面積如圖2 所示。結果表明,D18-1 的總裂開面積明顯小于D9, 雖然兩者最大裂縫寬度相同, 但是D18-1 的總裂縫條數為4 條, 比D9 少開裂了11 條, 且初裂時間較D9 推遲了34 m in, 所以,U EA -N 膨脹劑對提高PP 纖維增強高性能混凝土的早期抗裂性能十分有利。U EA -N 膨脹劑是由硫鋁酸鹽熟料、明礬石和石膏共同磨細制成, 其產生膨脹的主要化學反應[ 6 ]為
C4A 3 S+ 6Ca (OH) 2+ 8CaSO 4+ 96H2O →3 (C3A ·
3CaSO 4·32H2O ) (3)
2KA l3 (OH) 6 (SO 4) 2+ 13Ca (OH) 2+ 5 CaSO 4+
78H2O →3 (C3A ·3CaSO 4·32H2O ) + 2KOH (4)
由于C4A 3S 活性較高, 在水化初期就產生鈣礬石,產生膨脹, 從而有利于補償混凝土的早期收縮。
2.2 不同膨脹劑與聚羧酸系高效減水劑的復合作用對PP 纖維增強高性能砼早期抗裂性的影響
表4 為D18 和D18-1 的平板塑性收縮裂縫觀測結果, 其總裂開面積和單根裂縫的平均開裂面積如圖3 所示。結果表明: 與D18 的開裂程度相比,D18-1 僅有少量細微裂縫, 其總裂開面積不到D18 的4%。所以D18-1 的早期抗裂性明顯優于D18。因此,在提高PP 纖維增強高性能混凝土的抗裂性能方面,U EA -N 高效膨脹劑與聚羧酸高效減水劑的相容性好, 復合效果優于A EA 高效膨脹劑與聚羧酸高效減水劑的復合。
2.3 AEA 膨脹劑與不同高效減水劑的復合作用對PP 纖維增強高性能混凝土早期抗裂性的影響
圖4 為D18 和D18-2 的總裂開面積和單根裂
縫的平均開裂面積, 其平板裂縫統計結果見表5。結果表明: D18 在開裂的裂縫根數、最大裂縫寬度以及開裂面積均小于D18-2, 其早期抗裂性優于D18-2。可見,A EA 膨脹劑與聚羧酸減水劑的復合效果優于A EA 與萘系減水劑的復合效果。因此, 對于使用A EA 膨脹劑的PP 纖維增強高性能混凝土, 采用聚羧酸有利于提高其早期抗裂性。
3 結束語
膨脹劑對PP 纖維增強高性能混凝土的早期塑抗裂性的影響與減水劑種類有關, 試驗表明, 聚羧酸高效減水劑與A EA 膨脹劑的復合效應優于萘系減水劑與A EA 膨脹劑的復合效果。與膨脹劑的相容性比較好, 當與U EA -N 膨脹劑復合時, PP 纖維增強高性能混凝土的早期抗裂性達到最優效果。關于膨脹劑與高效減水劑相容性的機理有待于進一步深入研究。
參考文獻:
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[5 ] 中國工程院土木水利與建筑學部. CCES 01-2004, 混凝土結構耐久性設計與施工指南[S ]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2005.
[6 ] 葛兆明. 混凝土外加劑[M ]. 北京: 化學工業出版社,2005: 207-208.
