标题 | 掺纤维素纤维高强混凝土的耐久性能研究 |
范文 | 刘杰+张建峰+彭尚仕+肖开涛![]() ![]() 摘要:研究了纤维素纤维对高强混凝土抗渗性能、抗冻性能以及早期抗裂等耐久性能的影响。试验结果表明,掺入纤维素纤维后能明显提高混凝土的抗渗性能,对早期抗冻性能的影响不大,但可有效抑制混凝土早期塑性收缩,提高混凝土的抗裂性能;相同水胶比,不同骨料最大粒径的混凝土耐久性能之间相差较小。 关键词:纤维素纤维;抗渗性能;抗冻性能;抗裂性能;耐久性 中图分类号:U444文献标志码:A文章编号: 1672-1683(2015)001-0096-03 Research on durability of High-strength cellulose fiber reinforced concrete LIU Jie1,ZHANG Jian-feng2,PENG Shang-shi2,XIAO Kai-tao2 (1.Construction and Administration Bureau of South-to-North Water Diversion Middle Route Project,Beijing 100038,China;2.Changjiang River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China) Abstract:Efect of cellulose fiber on permeability resistance,freeze-thaw resistance,and early cracking resitance of high-strength concrete was investigated in this paper.The experimental results indicate that permeability resistance are improved and inhibited because of the addition of cellulose fiber.The freeze-thaw resistance was scarcely changed,but the plastic cracks of the concrete during the early period are inhabited which mean that freeze-thaw resistance are improved.When the water-cement ratio is the same,there are almost no changes on concrete durability of different the largest particle size of aggregate. Key words:cellulose fiber;permeability resistance;freeze-thaw resistance;cracking resitance;durability 1概述 南水北调是优化我国水资源配置,促进经济社会可持续发展的重大战略性基础工程。大型输水渡槽作为关键的控制性工程,其结构不仅要有足够的强度和承载力,还应具有良好的抗裂、抗渗和抗冻等耐久性能。南水北调中线湍河渡槽作为世界上最大的U型输水渡槽工程,其对渡槽混凝土的耐久性能要求更高。但高强混凝土由于水泥用量大,水胶比低,使得混凝土的温度收缩和自收缩大[1-2],这将导致混凝土结构极易开裂。混凝土一旦出现裂缝,就会破坏结构的完整性,降低混凝土的耐久性[3]。 纤维素纤维作为一种新型的工程用纤维,与传统的聚丙烯等合成纤维相比,其直径和比表面积更小,因此其与水泥浆体的黏结力更强;此外纤维素纤维作为一种木质纤维,本身就具备极好的亲水性,在新拌混凝土中能够吸附一部分自由水,而且纤维基体内部有天然空腔,能够储存一定量的自由水,在水泥水化的过程中,这两部分水分会缓慢释放,促进水泥继续水化,补偿混凝土的收缩[4];此外纤维素纤维的抗拉强度和弹性模量也比传统的合成纤维更大。本文结合南水北调中线干线湍河渡槽工程,研究掺纤维素纤维高强混凝土的抗渗、抗冻和抗裂等耐久性能,以为掺纤维素纤维高强混凝土更广泛应用提供一定的技术依据。 2原材料及配合比 2.1原材料 试验水泥采用中国联合水泥集团邓州中联水泥公司生产的“中联”牌42.5普通硅酸盐水泥,水泥物理性能试验结果见表1;粉煤灰为河南鸭河口粉煤灰开发有限公司生产的I级粉煤灰,粉煤灰品质检验结果见表2;细骨料为天然砂,取自湍河渡槽工程施工现场张坡砂场,粗骨料为人工碎石,取自鄂沟西石料场;外加剂采用上海马贝建筑材料有限公司生产的SP-1聚羧酸减水剂和PT-C1引气剂。 试验采用上海罗洋新材料科技有限公司生产的UF500纤维素纤维。纤维性能检测结果见表3。 2.2配合比 混凝土设计强度等级为C50,水胶比为0.30,二级配混 表1水泥的物理性能 表2粉煤灰品质检验结果 表3纤维检测结果 凝土骨料组合选择为中石∶小石=55∶45,由于渡槽的配筋密集,钢筋间距较小,为了更好的满足现场浇筑要求,因此还选择骨料最大粒径为30 mm和25 mm的配合比,骨料最大粒径为30 mm或25 mm时,中石∶小石=50∶50,具体配合比见表4。 表4混凝土配合比 3试验结果及分析 3.1纤维素纤维对混凝土力学性能的影响 不同配合比的混凝土抗压强度、轴拉强度、极限拉伸值和拉压比结果见表5。从表中可知,掺入纤维素纤维后,抗压强度基本无明显变化,7 d轴拉强度则提高了7%,28 d轴拉强度则提高了4%,7d极限拉伸值基本相同,28 d极限拉伸值则提高了10%;7 d拉压比提高了8%,28 d拉压比仅提高了3%;随着骨料最大粒径的降低,28 d龄期的拉压比也有降低的趋势。实际上拉压比和极限拉伸值在一定程度上表征了混凝土的抗裂性能,一般认为极限拉伸值和拉压比越大,混凝土的抗裂性能越好,而掺入纤维素纤维的混凝土拉压比和极限拉伸值都有一定的增加,说明纤维素纤维对提升混凝土抗裂性能是有利的。 表5混凝土力学性能试验结果 3.2纤维素纤维对混凝土抗渗性能的影响 混凝土28 d龄期的抗渗性能部分试验结果见表6。试验结果表明,掺入纤维素纤维后,混凝土的渗水高度和相对渗透系数都有一定程度的降低,渗水高度降低了20%,相对渗透系数降低了约36%,降低幅度并不是很大主要是由于高强混凝土胶凝材料用量大,本身就比较密实。相同水胶比,不同骨料最大粒径的混凝土抗渗性差别不大,其中最大粒径为20 mm的混凝土抗渗性最好。 由此可见,掺入纤维素纤维可以明显改善高强混凝土的抗渗性能,这主要是因为纤维的掺入增加了拌和料的刚性,减少集料沉降,减少了泌水通道的形成,增加了流体由泌水通道进入混凝土内部的难度[5];此外,纤维还能限制混凝土基体收缩,阻止微裂缝的形成与扩展,并且还能改善孔结构,增加混凝土基体的密实程度,从而提高其抗渗透能力[6]。而且纤维素纤维内部特有的天然空腔,能够储存一定量的自由 表6混凝土抗渗性能试验结果 水,在水泥水化的过程中,这两部分水分会缓慢释放,促进水泥继续水化,补偿混凝土的收缩。N.Banthial等人[7]系统研究了混凝土试件在不受压力荷载、受不同压力荷载作用下,纤维素纤维对混凝土的抗渗性能的影 响。其研究结果表明:在不受压力荷载作用下,纤维素纤维的掺入能够明显降低混凝土的渗透性能;在受压力荷载作用下,当压力 从0增加到0.3(为试件的抗压强度)时,素混凝土与纤维素纤维混凝土的渗透性都明显降低;随着压力的增加并超过一临界值时,素混凝 土的渗透性快速明显增加,纤维素纤维混凝土的渗透性虽然也增加,但是其抗渗性还是要优于 相应不加压力荷载的情况 。 3.3纤维素纤维对混凝土抗冻性能的影响 混凝土28 d龄期的抗冻性能部分试验结果见表7。试验结果表明,混凝土的质量损失率随冻融循环次数的增加而增大,相对动弹模量随冻融循环次数的增加而降低,掺入纤维素纤维后,混凝土的质量损失率和相对动弹模量基本没有变化,说明在冻融循环初期,尤其是200次循环前,纤维素纤维对改善混凝土抗冻性能的作用并不显著,这是因为早期混凝土的初始缺陷对其抗冻性能的影响要比纤维明显。相同水胶比,不同骨料最大粒径的混凝土抗冻性差别不大。 表7混凝土抗冻性能试验结果 3.4纤维素纤维对混凝土抗裂性能的影响 混凝土抗裂性的平板试验装置及测试方法最早由日本大学笠井芳夫(Yoshio KASAI,1976年)和美国圣约瑟(San Jose)州立大学的kraai(1985年)提出[8],此后平板试验装置的尺寸有所变化。在对混凝土因塑性收缩和干燥收缩而引起开裂问题的研究中,美国密西根州立大学Parviz Soroushian等人采用了一种弯起波浪形薄钢板提供约束的平板式试验装置。此方法也被ICC-ES推荐为检测合成纤维混凝土抗裂性能的标准方法(AC 32-2003)。 混凝土平板法抗裂试件的试验结果见表8,平板法试件 表8混凝土平板法抗裂试验结果 的开裂参数见表9。 表9混凝土平板法试件的开裂参数 试验结果表明,掺入纤维素纤维后,混凝土的开裂时间延后了40 min,最大裂缝宽度减小达60%以上,平均开裂面积减少70%,单位面积的裂缝数目减少50%,单位面积的开裂面积降低更是降低85%,抗裂等级也明显提升,这说明可有效抑制混凝土早期塑性收缩,提高混凝土的抗裂性能。相同水胶比,不同骨料最大粒径的混凝土抗裂性能之间相差较小。一方面这是因为存在于混凝土表层的纤维阻止了表面水分的迁移,从而降低了毛细管失水收缩形成的毛细管张力;另一方面数量众多的纤维在混凝土中形成了三维乱向分布,纤维与水泥基之间的界面黏结力、机械咬合力等增加了混凝土塑性和硬化初期的抗拉强度[10],从而有效地抑制早期收缩裂缝的产生和发展。 4结论 (1)纤维素纤维的混凝土拉压比和极限拉伸值都有一定的增加,其中极限拉伸值的增加幅度较大,可达到10%;抗渗性能也能得到明显改善,渗水高度降低了20%,相对渗透系数降低了约36%,但对混凝土早期抗冻性能的作用不明显。 (2)纤维素纤维能推迟混凝土开裂时间、减少开裂面积和裂缝数目,有效抑制混凝土早期塑性收缩,提高混凝土的抗裂性能。 (3)相同水胶比,不同骨料最大粒径的混凝土对混凝土力学性能、抗渗性能、抗冻性能和抗裂性能影响较小。 参考文献: [1] 覃维祖.混凝土的收缩、开裂及其评价与防治[J].混凝土,2001(7):3-7. [2]李北星,周芳,王长德,夏京亮.纤维素纤维对渡槽C50混凝土的性能影响[J].混凝土,2010(5). [3]杨华全,李文伟.水工混凝土研究与应用[M].北京:中国水利水电出版社,2005. [4]李光伟.纤维素纤维在水工抗冲磨高性能混凝土中的应用[J].水利水电技术,2011(10):124-127. [5]Zollo,R.F.,Ilter,J.A.and Bouchacourt,G.B.,“Developments in Fibre Reinforced Cementand Concrete”,Proc .RILEM Symposium,FRC86 (Ed .Swamy et a1.),1986(1). [6]邓世杰,张杰,唐儆泽,等.纤维对混凝土抗渗性能及硬化水泥浆体孔结构的影响[J].港工技术,2007(3):34-37. [7]N Banthia,A Bhargava.Permeability of stressed concrete and of fiber reinforcement. [8]Paul P.Kraai.A proposed test to determine the cracking potential due to drying shrinkage of concrete.Concrete Construction.September,1985:75-778. [9]混凝土结构耐久性设计与施工指南 CCES 01-2004 (2005 年修订版)[S]. [10]邓宗才,张永方,徐海宾,等.纤维素纤维混凝土早期抗裂与抗渗性能试验[J].南水北调与水利科技,2012(6):10-13. |
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