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补偿收缩砼加抗裂纤维

放大字体  缩小字体 发布日期:2014-09-10  浏览次数:813
核心提示:[关键词] 补偿收缩;纤维混凝土;非荷载裂缝;阻裂效能;膨胀剂;纤维1 概述收缩是普通混凝土固有的特性,特别是采用泵送大
[关键词] 补偿收缩;纤维混凝土;非荷载裂缝;阻裂效能;膨胀剂;纤维
1 概述
收缩是普通混凝土固有的特性,特别是采用泵
送大流态方法进行施工的混凝土,出现早期裂缝有
日益增加的趋势,主要是由于混凝土拌和物在硬性
化过程中受到钢筋的内约束和相邻的其它部位,构
件和基础的约束,由于混凝土体积收缩(包括干缩、
温度收缩等)所产生的收缩应力无法自由释放,当收
缩应力超过混凝土的拉伸强度时,混凝土必然产生
开裂现象。除混凝土的体积收缩因素外,施工工艺,
不均匀沉降,结构中的应力集中现象等均可能导致
混凝土产生裂缝,因此,影响混凝土裂缝的因素是多
方面的,也是复杂的。为控制混凝土裂缝问题,在设
计和施工方面,采取了很多措施,如设计上进行严格
的荷载计算,留伸缩缝、调整配筋量等;施工方面,控
制混凝土的坍落度,加强养护,分段浇筑等,但混凝
土的裂缝问题始终不尽人意。
裂缝的危害程度是众所周知的,在地下防水工
程中,它不但会影响混凝土的防水性,而且由于水的
渗入造成钢筋锈蚀,会严重降低钢筋混凝土结构的
寿命,裂缝的长度和宽度扩展到一定的程度后,还会
影响结构的安全性,由于混凝土开裂带来一系列的
工程质量问题,因此要解决混凝土的裂缝问题,必须
从设计、施工与材料供应三个环节相互配合。目前
我国工程界在解决混凝土裂缝问题的主要措施有:
①掺加膨胀剂配制成补偿收缩混凝土;②掺加合成
纤维(聚丙烯纤维)配制成纤维混凝土;③掺加膨胀
剂和合成纤维配制成补偿收缩纤维混凝土等几种技
术措施。
对于方法①②在大量的工程应用中有许多成功
事例,也有效果不明显,甚至无效的工程实例,本文
结合膨胀剂和合成纤维(本文只讨论聚丙烯纤维,下
同)双掺试验研究和工程实践表明,补偿收缩纤维混
凝土可以综合改善新拌混凝土和硬化混凝土的性
能,有效地控制混凝土塑性收缩、干缩和温度应力引
起的变形裂缝(注:本文所述裂缝,均指非荷载裂
缝),从而提高了混凝土的抗裂防水能力。
2 试验材料与方法
2.1 试验目的
为了研究本公司生产的SY-A阻裂纤维(聚
丙烯纤维)和HEA抗裂防水剂(膨胀剂)对双掺后
混凝土裂缝的影响,特别是早期阻裂效果的影响,特
委托东南大学工程结构与材料试验中心进行试验研
究。
2.2 试验材料
水泥:P.O42.5;
石子:南京产5~25mm碎石;
砂子:南京产河砂,中砂;
减水剂:南京产JM-B高效缓凝减水剂,粉剂
掺量0.5%;
膨胀剂:武汉三源特种建材有限责任公司生产
HEA抗裂防水剂,掺量8%,物理性能指标见表1;
聚丙烯纤维:武汉三源特种建材有限责任公司
生产SY-A阻裂纤维,掺量1.2kg/m3,主要物理性
能指标见表2。
2.3 试验配合比
试验用配合比设计如表3所示。
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表1 HEA抗裂防水剂物理性能(JC476-2001标准)
项目
细度
(%)
凝结时间 限制膨胀率(%) 抗折强度(MPa) 抗压强度(MPa)
初凝(min)终凝(h) 水中7d 水中28d 空气中21d 7d 28d 7d 28d
指标 ≤12% ≥45 ≤10 ≥0.025 ≤0.10 ≥-0.020 ≥4.5 ≥6.5 25.0 45.0
HEA8% 6.2 165 3:40 0.028 0.039 -0.011 5.6 8.7 40.4 50.2
表2 聚丙烯纤维物理性能(JT/T525-2004)
形状
长度规格
(mm)
当量直径
(μm)
抗拉强度
(MPa)
弹性模量
(MPa)
密度
(g/cm3)
熔点
断裂延伸率
(%)
耐碱性能
指标值 6~30 20~50 ≥350 ≥3500 0.91±0.01 160~170 8~30 >99%
束状单丝 19 24.06 480 3651.9 0.91 168.4 24.12 99.8%
备注:JT/T525-2004《公路水泥混凝土纤维材料聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维
表3 试验配合比设计(kg/m3)
水 水泥 砂 石 HEA纤维 减水剂 水胶比 砂率
1904077071061 35 1.2 2.2 0.43 40%
2.4 试验方法
主要依据《纤维混凝土结构技术规程》
(CECS38:2004)
《普通混凝土拌和物性能试验方法》(GB/
T50081-2002)
《钢纤维混凝土》(JG/T3064-1999)
3 试验结果与讨论
3.1 补偿收缩纤维混凝土力学性能的影响及讨论
表4 纤维和膨胀剂双掺对混凝土力学性能的影响
检测项目
空白对比混凝
土强度(MPa)
掺纤维混凝土
强度(MPa)
强度比
(%)
7d 28d 7d 28d 7d 28d
混凝土抗压强度 38.5 58.3 39.2 56.1 102 96
混凝土抗折强度 6.44 6.94 6.66 6.76 103 97
备注:按表3配合比制备试件后,在标准条件下养护至相应龄期。
(1)由表4可见,聚丙烯纤维混凝土对混凝土
7d抗压强度提高2%,7d抗折强度提高3%,而28d
抗压强度降低4%,28d抗折强度降低3%。聚丙烯
纤维加入混凝土,在某种程度上相当于在混凝土中
加入一定量的杂质,聚丙烯纤维的弹性模量又低于
混凝土一个数量级内,再加上聚丙烯纤维与混凝土
结合界面并不完美,因此聚丙烯纤维混凝土的抗压
强度、抗折强度比普通混凝土有所降低,但由于聚丙
烯纤维掺量较低(一般为体积的0.05%-0.1%),
且纤维处于三维乱向分布的状态,因此,正常情况下
纤维单掺不会明显提高混凝土的抗压强度和抗折强
度。
(2)关于加入纤维在混凝土中对抗压强度的贡
献,有些报告中所提供的测试结果表明,低掺率聚丙
烯纤维加入砂浆或混凝土中对抗压强度没有显著影
响;有些研究结果甚至反映由于纤维的加入其混凝
土的抗压强度有所降低。因此,龚益等人[1]得出两
项猜测性质的推断:(1)纤维混凝土关于抗压强度的
影响可能与混凝土的配合比有关;甚至可能主要地
取决于混凝土配合比设计的影响。(2)低掺率的合
成纤维对混凝土抗压强度影响不大,因此试验结果
的分散性极有可能掩盖纤维自身对于抗压强度的贡
献。廉慧珍[2]认为:“掺纤维的同时必须调整混凝土
的配合比,以改善简单掺入时的损失”。
3.2 补偿收缩纤维混凝土分散性试验结果
(1)试验采用参照钢纤维体积率的测试方法,称
取新拌纤维混凝土1kg,冲洗,并去掉砂石,置于水
中,捞取聚丙烯纤维,然后称取纤维重量,混凝土密
度2415kg/m3,制备试件,一天后在试验机上压碎,
观察纤维的分布情况,检测结果见表5。
表5 纤维混凝土分散性试验结果
混凝土质量
(kg)
聚丙烯纤维质量
(g)
纤维掺量
(kg/m3)
平均掺量
(kg/m3)
1.00 0.392 0.95
1.00 0.381 0.92
0.94
备注:纤维分布基本均匀,上表面纤维分布略高于下表面。
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(2)根据表5试验结果,该纤维在0.94kg/m3
时,在混凝土中分散基本均匀,有利于泵送混凝土的
施工,避免了由于纤维分散不均匀、结团而引起堵泵
管等现象的发生。工程界在使用纤维时普遍关心纤
维在混凝土中能否均匀分散的问题。
3.3 补偿收缩混凝土的抗裂性能试验结果
3.3.1 试件的制作
根据CECS38:2004《纤维混凝土结构技术规
程》中纤维混凝土和砂浆收缩裂缝试验方法进行试
验。试件尺寸为600mm×600mm×20mm的平面
薄板,模板底部衬有一层聚乙烯塑料薄膜,以减小底
板对试件收缩变形的影响,模具边框用高20mm的
等肢角钢制作,边框内设φ6、间距60mm的单排栓
钉,栓钉长度为100mm,用于限制收缩变形。模具
如图1所示。
同时成型纤维砂/浆和对比用基体试件各1个
为一组试件,配合比为水灰比0.5,灰砂比1∶1.5,
试件经浇筑、振实、抹平,用塑料薄膜覆盖2h,环境
温度为20±2℃。
3.3.2 试验方法及结果
试件成型2h后取下塑料薄膜,每个试件用1台
图1 纤维砂浆开裂试验磨具图
电风扇吹试件表面,风向平行试件表面,风速0.5m/
s,环境温度20±2℃,相对湿度不大于60%。24h
后测读裂缝的数量、宽度与长度,计算裂缝总面积及
裂缝降低系数,以此评定砂浆的早龄期阻裂效能等
级。试验结果见表6。
表6 纤维砂浆早期抗裂试验结果
最大裂缝宽度
基准砂浆 纤维砂浆
裂缝条数 开裂总长度(mm) 开裂影响面积(mm2) 裂缝条数 开裂总长度(mm) 开裂影响面积(mm2)
2mm左右 1 242 484 0 0 0
1mm左右 2 436 436 0 0 0
0.5mm左右 5 773 386.5 3 360 180
0.25mm左右 7 919 230 4 190 47.5
开裂影响总面积 - - 1536.5 - - 227.5
3.3.3 纤维阻裂性能的评价方法
我国纤维混凝土结构技术规程规定:用每条裂
缝名义最大裂缝宽度乘以相应裂缝长度定义为裂缝
名义面积,再相加起来的总和称为裂缝名义总面积
(Acr),表达式为Acr=∑
i=1
Wimaxli。纤维砂浆试件
裂缝名义总面积(Afcr)与对比用的基体试件裂缝名
义总面积(Amcr)之差与基体试件裂缝名义总面积
的比值定义为裂缝降低系数(n),表达式为n=
Amcr-Amcr
Amcr
。纤维砂浆早龄期阻裂效能等级按
表7评定。
表7 纤维砂浆早龄期阻裂效能等级
阻裂效能等级 评定标准(%)
一级 n≥70
二级 55≤n<70
三级 40≤n<55
3.3.4 试验检测结论
在本试验配合比中,纤维在掺量为1.2kg/m3
时,对抗折和抗压强度影响不大,在混凝土中纤维分
散基本均匀,能显著减少砂浆板的裂缝数目和开裂
影响总面积,裂缝降低系数为85%,限裂效能等级
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为一级,从而明显改善了砂浆早期抗裂性能。
3.3.5 补偿收缩纤维混凝土的讨论
武汉理工大学单俊鸿等人[3]运用美国ACI-
544大板法试验研究了聚丙烯纤维掺量,纤维长度
及膨胀剂(UEA-W)等对水泥砂浆塑性收缩开裂
性能的影响,认为聚丙烯纤维可以明显改善水泥砂
浆的抗裂性能,纤维掺量越大,阻裂效果越好,长纤
维(19mm)比短纤维(12mm)对水泥砂浆阻裂作用
有效一些,并认为聚丙烯纤维和膨胀剂一起掺入水
泥砂浆在合适的条件下其叠加效果更好。
东南大学姜国庆等人[4]研究表明,混凝土从水
泥遇到水开始水化就有收缩,收缩也有不同种类与
机理,膨胀剂采用是从化学上补偿混凝土从塑性、弹
塑性到水化硬化早期阶段收缩的最佳手段,而聚丙
烯纤维的采用又是从物理上维持混凝土塑性、弹塑
性到水化硬化早期阶段微观上水化产物之间,细观
上各组分之间的体系稳定的最可靠的技术途径,二
者的复合使用体现出“层次抗裂、阶段抗裂”的新概
念,符合裂缝控制“抗”与“放”的原则,是传统补偿收
缩理论与复合材料理论的有机结合。
游宝坤[5]等人认为对于强度等级较高、结构尺
寸又厚又长,混凝土有害裂缝出现几率必然增多,为
了提高结构的耐久性和防渗等使用功能,对于墙体、
转换层、大跨度梁和自防水结构采用膨胀剂与聚丙
烯纤维复合的补偿收缩纤维混凝土,工程实践效果
是可行的。
4 补偿收缩纤维混凝土的工程应用
在大量试验与技术论证的基础上,近两年来,我
们在苏州阳光水榭会所、苏州锦绣天地、常州大酒
店、昆山客运站、上海南京路地下变电站、无锡机场
航站楼、武汉金都·汉宫等几十项工程中采用了补
偿收缩纤维混凝土。
4.1 苏州阳光水榭会所地下工程
工程结构为地下一层、地上三层,±0.0m以下
为地下车库及人防工程。地下室结构布局为“凹”
型,平面尺寸长191.8m,宽61.6m,底板厚0.3m,侧
墙厚0.35m,顶板厚0.3m。底板、侧墙、顶板混凝土
设计强度等级为C35P8。在横轴方向设置为一条后
浇带,一条膨胀加强带,纵轴方向设置一条后浇带
(见图2),整个地下室工程采用我公司生产的UEA
-W膨胀剂和SY-A型阻裂纤维。施工时采用商
品泵送混凝土,混凝土配合比设计见表8。原材料
如下:水泥:苏州华新金猫水泥公司产P.O42.5;长
江产中砂,细度模数为2.3;湖州产5~31.5mm碎
石;苏州望亭电厂产Ⅰ级粉煤灰;武汉三源公司“锦
源”牌UEA-W膨胀剂;武汉三源公司产“锦源”牌
SY-A阻裂纤维;浙江大东吴外加剂公司产TH-
2B型泵送剂。施工坍落度为120±20mm,施工配
合比见表8。
表8 苏州阳光水榭会所补偿收缩纤维混凝土配合比(kg/m3)
水 水泥 砂 碎石 粉煤灰 膨胀剂 纤维 泵送剂
175 331 7141116 48 29 0.6 7.2
图2 苏州阳光水榭会所地下车库
底板膨胀加强带及后浇带示意图
4.2 常州大酒店地下车库工程
工程地下三层,地上为绿化景观;地下平面尺寸
为:长74.2m,宽63m,底板厚0.5m,侧墙厚0.35
m,顶板厚0.25m,埋深-16.0m,混凝土设计强度
等级为C35P8,通过设置膨胀加强带,采用”锦源”牌
HEA抗裂防水剂,聚丙烯纤维,配制补偿收缩纤维
混凝土,进行超长钢筋混凝土结构无缝施工,解决了
混凝土裂缝技术难题,达到了令人满意的防渗效果,
施工配合比见表9,入泵坍落度140±20mm;初始坍
落度180mm,1h后为165mm。
表9 常州大酒店地下车库超长结构补偿收缩纤维混凝土配合比(kg/m3)
结构部位 混凝土强度 水 水泥 砂 碎石 粉煤灰 HEA 纤维 泵送剂
底板、侧墙及顶板 C35P8 190 324 714 1074 60 32 0.9 7.5
膨胀加强带 C40P8 180 360 685 1075 60 48 1.2 9.4
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4.3 湖北巴东长江大桥桥面铺装[6]
巴东长江大桥是湖北省恩施自治州跨越长江的
一座特大型桥梁。该桥为双塔双索面预应力混凝土
漂浮体系斜拉桥,其主跨长为388m,主塔高212m。
桥梁全长900.5m,桥面宽19m,双向四车道,车行
道宽16m,两侧各设1.5m宽人行道,桥面普通混
凝土铺装层,由于设计厚度较薄(80~150mm),脆
性大,在行车过程中弯拉荷载,冲击疲劳荷载以及温
度和湿度变形等因素的作用,易导致混凝土面板开
裂、破坏,防水失败。通过聚丙烯纤维的添加可以增
强混凝土的抗疲劳、抗冲击、耐磨损和抗裂,阻裂能
力,以及提高韧性和抗渗性,可以有效阻止混凝土内
部和表面裂缝的扩展或延缓裂缝的出现,用于桥面
铺装是一种比较理想的材料。同时加入UEA-W
膨胀剂,以补偿混凝土收缩,延长桥面接缝间距,进
一步提高混凝土的抗裂、防渗能力。施工配合比及
性能试验结果见表10、11。
表10 巴东长江大桥桥面混凝土配合比设计(kg/m3)
混凝土
强度等级
水 水泥 砂 碎石
高效减水
剂(粉)
膨胀
纤维
C40P22 160 385 7101160 4.2 35 1.35
表11 混凝土性能试验结果
坍落度
(mm)
抗压强度(MPa) 抗折强度(MPa) 冲击韧性(N.m) 抗渗等级 渗透系数(10—10cm/s) 耐磨强度(kg/m2)
3d 7d 28d 28d 28d 28d 28d 28d
60 280 36.5 53.9 8.35 18.68 >P22 0.57 2.28
5 结语
根据室内试验和工程实践,可以得出如下结论:
(1)采用膨胀剂、聚丙烯纤维复合掺加的补偿收
缩纤维混凝土,可以综合改善新拌混凝土和硬化混
凝土的性能,有效地控制混凝土早期塑性收缩、干缩
和温度应力引起的裂缝,从而提高混凝土的抗裂防
水能力。
(2)膨胀剂和聚丙烯纤维掺入混凝土,明显降低
了坍落度,为保证混凝土的和易性强度,补偿收缩纤
维混凝土宜适当增加泵送剂的掺量。同时,为了保
证聚丙烯纤维在混凝土中的均匀、分散性,应适当延
长混凝土搅拌时间。
(3)补偿收缩纤维混凝土是一种生产工艺简便、
价格合理、效果良好的混凝土防裂材料,而恰当的养
护对补偿收缩纤维混凝土抗裂防渗会获得更佳效
果。
参考文献
(1)龚益,沈荣熹等.杜拉纤维在土建工程中的应用[M].北
京:机械工业出版社,2002.10.
(2)廉惠珍.思维方法和观念的转变比技术更重要.[J].商
品混凝土,2004,(3),2.
(3)单俊鸿,周明凯等.聚丙烯纤维和膨胀剂对水泥砂汞塑
性收缩开裂性能分析的影响[J].商品混凝土,2005,(4):15
~17.
(4)姜国庆、孔伟等.聚丙烯纤维离性能混凝土的抗塑性沉
降开列性能分析[J].混凝土,2005,(10):31~33.
(5)游宝坤,周建启等.关于混凝土抗裂材料应用的讨论
[J],混凝土,2005,(10).
(6)单俊鸿等.微膨胀聚丙烯纤维混凝土的性能及巴东长江
大桥桥面铺装中的应用[A]。先进纤维混凝土试验·理论
·实践[C].上海:同济大学出版社,2004.11
[作者简介] 李晖(1966—),男,高级工程师,武汉三源特种
建材有限责任公司总工程师,长期从事混凝土及外加剂应用
研究工作。
[单位地址] 武汉市武昌区中北路117号同成富苑A座
1302号(430071)
[联系电话] 027-59713676,1351723988
 
 
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