摘要: 采用平板限制收缩试验法, 研究了减水剂与膨胀剂及其复合技术对聚丙烯纤维增强高性能混凝土的早期抗裂性的影响。结果表明, 聚丙烯纤维增强高性能混凝土的早期抗裂性大小顺序为: U EA -N 混凝土膨胀剂与聚羧酸高效减水剂复合的纤维增强高性能混凝土> A EA 混凝土膨胀剂与聚羧酸高效减水剂复合的纤维增强高性能混凝土> A EA 混凝土膨胀剂与萘系减水剂复合的纤维增强高性能混凝土> 纤维增强高性能混凝土。因此, 采用U EA -N 混凝土膨胀剂与聚羧酸高效减水剂的复合外加剂技术和聚丙烯纤维增强技术是防止高性能混凝土发生塑性收缩开裂的比较理想的技术措施。
关键词: 混凝土; 开裂; 减水剂与膨胀剂复合技术; 塑性收缩
中图分类号: TU 528 文献标识码:A 文章编号: 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”而著称, 即耐久性高、工作性高和强度高, 被称为21 世纪混凝土。HPC 由于其优异的性能、显著的经济性, 目前已广泛应用于高层建筑、大坝、海工、桥梁等工程[ 1 ]。高性能混凝土浇筑后“在最初几个小时的养护阶段因表面水分蒸发速度大于内部泌水速度”浆体发生紧缩[ 2 ]。这个阶段混凝土本身强度很低, 当毛细管负压产生的收缩应力大于混凝土的抗拉强度时, 混凝土暴露向外的表面开始出现裂缝。裂缝在混凝土养护的最初几个小时内不断引发和扩展, 裂缝数目增多, 裂宽、裂长增大, 一直到混凝土初凝时基本停止。这类裂缝称为塑性收缩裂缝。塑性收缩裂缝将对混凝土的抗渗、抗侵蚀、抗冻融等耐久性产生非常不利的影响,混凝土的开裂必将加速在耐久性实验过程中混凝土的劣化进程, 从而引起结构耐久性的降低[ 324 ] , 达不到设计寿命, 所以, 研究高性能混凝土塑性收缩开裂及其控制方法具有十分重要的意义。
混凝土达到高性能最重要的技术途径就是使用高效减水剂和膨胀剂, 前者能够降低混凝土的水胶比, 改善新拌混凝土的工作性和控制混凝土塌落度损失, 赋予混凝土高密实性和优良工作性; 后者是解决混凝土开裂的有效措施之一, 它依靠自身的化学反应或与水泥其他成分反应, 在水化时产生一定的膨胀, 以补偿混凝土的收缩。针对减水剂与膨胀剂相容性对高性能混凝土早期塑性收缩开裂性能的影响研究较少, 本文应用约束平板试验法, 研究了减水剂与膨胀剂复合技术对大掺量矿物掺合料混凝土早期塑性收缩开裂的影响。
1 试 验
1.1 原材料与配合比
1.1. 1 原材料
采用江苏嘉新京阳水泥厂生产的P. Ê 52.5R硅酸盐水泥, 其化学成分见表1。镇江产风选I 级粉煤灰(F ly ash, FA ) , 细度6.8% , 含水率0.04% , 烧失量2.04% , 需水量比93% , SO 3 含量1.22% , 化学成分见表1。江苏江南粉磨公司的S95 级磨细矿渣(Slag, SG) , 化学成分见表1。江苏省建筑科学研究院生产的矿物掺和料(X 粉)。安徽巢湖速凝剂总厂生产的A EA 铝酸盐混凝土膨胀剂, 化学成分见表1。安徽省庐江县特种建筑材料厂开发生产的低碱U 型砼膨胀剂U EA -N , 化学成分见表1。南京产黄砂, 表观密度2 680 kg/m 3, 堆积密度1 570 kg/m 3,含泥量2.5% , 细度模数1.8, 属于Ë 区级配。南京六合产玄武岩碎石, 最大粒径12 mm , 表观密度2 820kg/m 3, 堆积密度1 435 kg/m 3, 含泥量0.3% , 针片状颗粒含量11.4% , 压碎指标6% , 基本属于5～ 10mm 连续级配。上海华登外加剂厂生产的HP400R型聚羧酸缓凝高效减水剂, 该外加剂为液体, 减水率30% 以上, 无氯离子, 碱含量小于减水剂干重的1%。江苏省建筑科学研究院生产的液体JM -2000c高效引气剂, 推荐掺量为万分之0.5～ 1.0。常州市天怡工程纤维有限公司生产的束状单丝聚丙烯(Po lyp ropylene, PP) 纤维, 密度0.91 g/m 3, 长度19mm , 直径0.048 mm , 弹性模量≥3.5 GPa。
1.1.2 配合比
表2 为实验设计的4 组混凝土的配合比。分别是单掺聚羧酸减水剂的基准PP 纤维增强高性能混凝土D9、A EA 型膨胀剂分别与1.2% 聚羧酸减水剂和1.7% 萘系减水剂复合的PP 纤维增强高性能混凝土(D18、D18-2)、U 型砼膨胀剂U EA -N 与1.2%聚羧酸减水剂复合的PP 纤维增强高性能混凝土(D18-1)。控制混凝土的坍落度在130～ 220mm 范围内。
1.2 实验与测试方法
1.2.1 约束平板模具
参考中国工程院水利与建筑学部《混凝土结构耐久性设计与施工指南》[ 5 ]中日本笠井芳夫教授提出的设计方法, 本实验的试件尺寸为600mm ×600mm ×63mm , 用于浇注试件的钢制模具见图1 (a)。模具的四边用û—63 mm ×6.3 mm 的等边角钢制成, 四边与底板通过螺栓固定在一起, 以提高模具的刚度; 在模具每个边上用双螺帽固定下排7 个5 6×100 mm 螺栓和上排7 个5 6×50mm 螺栓。两排螺栓相互交错, 便于浇筑的混凝土填充密实。在模具底板的表面铺上低摩阻的聚四氟乙烯薄膜。
1.2.2 混凝土搅拌与试件制作
采用强制搅拌机进行搅拌, 投料和搅拌顺序为: 先加胶凝材料和砂、石, 同时撒入聚丙烯纤维,干拌1 m in, 再加入混有高效减水剂和高效引气剂的水, 湿拌3～ 5m in。搅拌均匀后出料, 测定混凝土混合料的坍落度和扩展度。
试件浇注、振实、抹平后, 放入观测环境, 控制环境温度(28±2) °C和相对湿度(50±3% ) , 混凝土表面的温度为(35±2) °C, 用风速仪测量平行试件表面方向的风扇风速为(3.2±0.3) m /s, 详见图1(b)。
1.2.3 早期塑性收缩裂缝观测与数据处理方法
记录观察到的试件表面出现每条裂缝的时间。当试件表面出现贯穿裂缝后很少会再有新的裂缝出现, 这时每1 h 观察一次, 直到24 h 观察结束。在24 h 后, 仔细观测所有裂缝数量与总长、裂缝的最大宽度。裂缝长度以肉眼可见为准, 用钢尺测量长度, 近似取裂缝两端直线距离, 当裂缝出现明显弯折时, 以折线长度之和代表裂缝长度。裂缝宽度用精度0.02 mm 的读数显微镜测量, 取裂缝最宽处的宽度代表该裂缝的裂宽。
根据观测结果, 分别计算不同配合比混凝土的总裂开面积A (单位mm 2) 和单根裂缝的平均开裂面积a (单位mm 2/根) , 计算公式如下
式中:w i 为第i 根裂缝的最大宽度; li 为第i 根裂缝的长度;N 为总裂缝数目。
2 结果与讨论
2.1 UEA-N 膨胀剂对PP 纤维增强高性能混凝土的早期抗裂性能的影响
表3 为D9 和D18-1 的平板塑性收缩裂缝观测结果, 其总裂开面积和单根裂缝的平均开裂面积如图2 所示。结果表明,D18-1 的总裂开面积明显小于D9, 虽然两者最大裂缝宽度相同, 但是D18-1 的总裂缝条数为4 条, 比D9 少开裂了11 条, 且初裂时间较D9 推迟了34 m in, 所以,U EA -N 膨胀剂对提高PP 纤维增强高性能混凝土的早期抗裂性能十分有利。U EA -N 膨胀剂是由硫铝酸盐熟料、明矾石和石膏共同磨细制成, 其产生膨胀的主要化学反应[ 6 ]为
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 活性较高, 在水化初期就产生钙矾石,产生膨胀, 从而有利于补偿混凝土的早期收缩。
2.2 不同膨胀剂与聚羧酸系高效减水剂的复合作用对PP 纤维增强高性能砼早期抗裂性的影响
表4 为D18 和D18-1 的平板塑性收缩裂缝观测结果, 其总裂开面积和单根裂缝的平均开裂面积如图3 所示。结果表明: 与D18 的开裂程度相比,D18-1 仅有少量细微裂缝, 其总裂开面积不到D18 的4%。所以D18-1 的早期抗裂性明显优于D18。因此,在提高PP 纤维增强高性能混凝土的抗裂性能方面,U EA -N 高效膨胀剂与聚羧酸高效减水剂的相容性好, 复合效果优于A EA 高效膨胀剂与聚羧酸高效减水剂的复合。
2.3 AEA 膨胀剂与不同高效减水剂的复合作用对PP 纤维增强高性能混凝土早期抗裂性的影响
图4 为D18 和D18-2 的总裂开面积和单根裂
缝的平均开裂面积, 其平板裂缝统计结果见表5。结果表明: D18 在开裂的裂缝根数、最大裂缝宽度以及开裂面积均小于D18-2, 其早期抗裂性优于D18-2。可见,A EA 膨胀剂与聚羧酸减水剂的复合效果优于A EA 与萘系减水剂的复合效果。因此, 对于使用A EA 膨胀剂的PP 纤维增强高性能混凝土, 采用聚羧酸有利于提高其早期抗裂性。
3 结束语
膨胀剂对PP 纤维增强高性能混凝土的早期塑抗裂性的影响与减水剂种类有关, 试验表明, 聚羧酸高效减水剂与A EA 膨胀剂的复合效应优于萘系减水剂与A EA 膨胀剂的复合效果。与膨胀剂的相容性比较好, 当与U EA -N 膨胀剂复合时, PP 纤维增强高性能混凝土的早期抗裂性达到最优效果。关于膨胀剂与高效减水剂相容性的机理有待于进一步深入研究。
参考文献:
[1 ] 吴中伟. 高性能混凝土[M ]. 北京: 中国铁道出版社,1999: 1-.0.
[2 ] 黄士元, 蒋家奋, 杨南如. 近代混凝土技术[M ]. 西安:陕西科学技术出版社, 1998: 18-29.
[3 ] Jensen A D, Chat terji S. State of the art repo rt onm icro-crack ing and lifet ime of concrete-part I [ J ].M aterials and St ructures, 1996, 29 (1) : 3-8.
[4 ] 巴恒静, 邓红卫, 高小建. 高性能混凝土微裂缝与显微结构的研究[J ]. 混凝土, 2000, 13 (1) : 14-17.
[5 ] 中国工程院土木水利与建筑学部. CCES 01-2004, 混凝土结构耐久性设计与施工指南[S ]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2005.
[6 ] 葛兆明. 混凝土外加剂[M ]. 北京: 化学工业出版社,2005: 207-208.
