用聚丙烯纖維增強三峽抗沖磨砼的試驗研究
2005-03-07 00:00
摘要：按0.9㎏/m3（占混凝土體積的0.1%）摻量再混凝土中加入聚丙烯纖維，可以提高混凝土強度（特別是早期強度）和抗沖磨性，改善混凝土的抗凍性，抑制混凝土內(nèi)部自由水蒸發(fā)，提高變形能力。為解決三峽工程抗沖磨混凝土夏季施工中出現(xiàn)的早期表面龜裂提了以個新途徑。
（5）聚丙烯纖維砼的拌和、成型與普通砼一樣。聚丙烯纖維對砼拌合物含氣量影響不大。坍落度雖有所降低，但和易性好。對聚丙烯纖維砼的坍落度，一方面應有新的認識，另一方面可以在原配合比基礎上作適當調整，以使其滿足施工要求。
一、前言
砼開裂是一捆擾水利施工多年的老問題。特別是閘室、孔洞、溢流面、底板等部位，建設中處于暴露表面，結構上又有較高要求，施工中出現(xiàn)的早期表面龜裂，更是引起廣泛關注。本項目研究主要目的是通過聚丙烯纖維對砼基材的增強作用，消除或減緩三峽工程夏季施工中，抗沖磨砼硬化早期發(fā)生的非結構性裂縫。與此同時，其力學性能、變形性能和耐久性也得到改善和提高。試驗研究分兩個階段進行。第一階段再三峽工程二期砼配合比設計試驗基礎上，加入聚丙烯纖維，進行砼性能試驗。此為第一階段的部分試驗成果。
砼早期表面龜裂，主要因砼塑性收縮和施工環(huán)境誘發(fā)所致。如何消除和減緩砼早期裂縫的發(fā)生，過去的研究主要針對砼膨脹劑或微膨脹水泥而進行。這些材料的共同弱點是——寬容性差，需要嚴格的保溫濕養(yǎng)護，所以再實際應用中不盡如人意。
近幾十年，國內(nèi)外對纖維增強砼作了大量研究。試驗證明，再砼中摻入經(jīng)特殊處理的纖維，可賦予砼一定的韌性，改善砼的抗裂性。特別是對抑制水泥基膠凝材料硬化早期裂縫的產(chǎn)生有很大作用。改性聚丙烯纖維因其強度高、耐酸堿、抗老化、價格相對較低等性能優(yōu)勢，成為砼抗裂的首選纖維。
聚丙烯纖維砼的增強機理是：當纖維以每立方米數(shù)千萬條的數(shù)量加入到砼之中后，在砼內(nèi)部構成一亂向支撐體系，產(chǎn)生有效的多向二級加強效果，從而提高水泥基膠凝材料的抗拉強度；把砼收縮能力分散到高抗拉強度而相對較低彈性模量之纖維單絲上，阻止砼中原有缺陷（微裂縫）的擴展并延緩新裂縫的出現(xiàn)；減少砼內(nèi)部的毛細管道，降低砼暴露表明水分的損失率。同時，無數(shù)纖維絲形成的支撐體系，有效的保證了均勻泌水，阻礙沉降裂縫的產(chǎn)生。由此達到提高砼的變形能力，改善砼的韌性。另外，還能提高砼的抗凍性。
二、試驗用原材料
在今年對國內(nèi)外合成纖維增強砼試驗研究的基礎上，選擇單絲纖維作為研究用聚丙烯纖維。
聚丙烯纖維產(chǎn)品一般都經(jīng)過纖維異形化技術或表層改性技術處理，以增強纖維與基材的接觸力表面和物理接觸力，改善纖維在拌和過程中的可分散性。聚丙烯微纖維在掃描電鏡下的外觀特征微軸向略帶扭轉的不規(guī)則多邊棱柱體。在掃描電鏡下可觀察到聚丙烯纖維在砼膠砂中的界面粘結特性，它不但能與水泥水化產(chǎn)物緊密結合，其表面還能看到水化產(chǎn)物的微細結晶。此外，聚丙烯纖維在水中可自行均勻分散，在砼土中呈三維亂向分步。
其他試驗研究材料分別是：525#熱硅酸水泥，平圩Ⅰ級粉煤灰、花崗巖人工碎石（最大粒徑40mm）、花崗巖人工砂、高效減水劑及引氣劑。這些材料均取自三峽工地，品質符合相應國家標準或工程技術要求。
三、試驗方法
砼的拌和、成型及養(yǎng)護按《水工砼試驗規(guī)程》（SD105—82）中相應規(guī)定進行。砼拌和使用自落式攪拌機，纖維與水泥砂石等一同裝入。干拌時，尚有纖維束或纖維球存在，加水后便自然分散。纖維在砼拌和物中分布的十分均勻。
水泥基材料、骨料、砼拌和物及砼的力學性能和變形性能按《水工砼試驗規(guī)程》（SD105—82）和有關國家標準進行。抗沖耐磨試驗用氣流夾砂噴射法進行。其他性能試驗參見有關章節(jié)。
四、試驗配合比
聚丙烯纖維增強砼的基礎之一，是膠凝材料對纖維要有一定的握果力和錨固力，這需足夠的水泥基材料用量。而水工抗沖磨砼，要求盡可能少用水泥基材料。針對這一特殊情況，參考國內(nèi)外多數(shù)工程的成功經(jīng)驗，覺得本階段按0.9㎏/m3（占砼體積的0.1%）摻量進行砼性能試驗。考慮到應簡化聚丙烯纖維對砼性能的影響因素，便于比較分析，通過試拌確定用水量為125㎏/m3以及相應的外加劑摻量。
抗沖磨聚丙烯纖維砼性能試驗的配合比及其拌和物工作特性見表1。其中Q1是未加聚丙烯纖維的對照砼。砼拌和物工作特性表明：摻入聚丙烯纖維后，拌和物含氣量變化不大，坍落度有所降低，但和異性非常好。
表1 聚丙烯纖維增強混凝土試驗配合比及拌合物工作特性
|
編號 |
水膠比 |
用水量（㎏/m3） |
水泥（㎏/m3） |
粉煤灰（㎏/m3） |
聚丙烯纖維（㎏/m3） |
級配 |
引氣劑 |
砂率（%） |
坍落度（cm） |
含氣量（%） |
|
Q1
Q2
Q3 |
0.35
0.35
0.35 |
125
125
125 |
357(100%)
357(100%)
357(100%) |
-
-
- |
0.9
0.9
0.9 |
-
-
- |
摻
摻
不摻 |
33
32
32 |
5.0
3.9
2.8 |
4.8
4.9
2.3 |
五、聚丙烯纖維增強抗沖磨混凝土性能試驗階段成果
1、 物理力學性能
2、 表2和表3所示力學性能和抗沖磨性能試驗結果表明，加入聚丙烯纖維，可以提高混凝土的強度（特別是早期強度）和抗沖磨性能。
表2 聚丙烯纖維增強混凝土的力學性能和抗沖磨試驗結果
|
編號 |
抗壓強度（Mpa） |
劈裂抗拉強度（Mpa） |
軸拉強度（Mpa） |
相對抗沖磨強度 | ||||||
|
3d |
7d |
28d |
3d |
7d |
28d |
3d |
7d |
28d |
28d | |
|
Q1
Q2
Q3 |
21.1
25.6
29.9 |
35.7
39.2
45.2 |
45.8
49.6
54.9 |
1.62
1.79
1.96 |
2.45
2.62
2.94 |
2.96
3.26
3.43 |
1.50
1.77
1.85 |
2.00
2.20
2.37 |
2.60
2.75
2.98 |
1.00
1.10
1.15 |
注：相對抗沖磨強度以Q1為1.00，其他編號均與之相比較
表3 聚丙烯纖維增強混凝土的力學性能相對百分率
|
編號 |
抗壓強度相對百分率（%） |
劈裂抗拉強度相對百分率（%） |
軸拉強度相對百分率（%） | ||||||
|
3d |
7d |
28d |
3d |
7d |
28d |
3d |
7d |
28d | |
|
Q1
Q2
Q3 |
100
121
142 |
100
110
126 |
100
109
120 |
100
110
121 |
100
107
120 |
100
110
116 |
100
118
123 |
100
110
119 |
100
106
110 |
注：強度變化率以加聚丙烯纖維前后縱向比較。
表4 聚丙烯纖維增強混凝土變形性能試驗結果
|
編號 |
極限拉伸（*10-4） |
抗壓彈磨（Gpa） |
干縮（*10-4） | |||||||
|
3d |
7d |
28d |
3d |
7d |
28d |
3d |
7d |
14d |
28d | |
|
Q1
Q2
Q3 |
0.80
0.96
0.89 |
0.98
1.05
1.04 |
1.12
1.16
1.12 |
16.7
18.7
16.9 |
24.3
23.1
28.0 |
29.0
26.3
32.4 |
-82
-92
-78 |
-141
-130
-104 |
-207
-202
-164 |
-311
-303
-248 |
在水膠比0.35不摻粉煤灰情況下，纖維砼各齡期抗壓強度都比對照砼有較大增長，特別是3d抗壓強度可以提高約20%（見Q2）。如果考慮三峽抗沖磨砼難得受凍融破壞，以及聚丙烯纖維對改善砼抗凍性能將有所貢獻，可以不摻引氣劑，則3d抗壓強度可以提高40%左右（見Q3）。各齡期劈裂抗拉強度和軸拉強度亦比對照砼有所增長。早期3d劈裂抗拉強度可以提高10%（見Q2）；不摻引氣劑時可以提高20%左右（見Q3），并持續(xù)到28d齡期。3d軸拉強度的增加略高于劈裂抗拉，28d則反之（見Q2和Q3）。這是因為高強度等級砼的抗拉強度，受骨料與水泥漿體間的界面應力差和骨料中的微裂隙控制。3d齡期砼強度很低，尚無影響；28d砼強度已發(fā)展到一定強度，便逐漸顯現(xiàn)出來。砼的抗沖磨試驗結果，以相對抗沖磨強度表示。無論是否摻引氣劑，纖維砼的抗沖磨強度都高于對照砼。
表4所示變形性能試驗結果表明，加入聚丙烯纖維后，3d和7d極限拉伸值有所增加，28d基本相當（Q1至Q3三個編號）。聚丙烯纖維對砼的干縮影響不明顯，這于它本身屬柔性材料和試驗方法等有關。
2、抗裂性能
（1）抗裂性試驗
參考美國加洲羅來達·韋爾瑞克工程及檢驗中心的方法進行水泥膠砂抗裂試驗。
普通砼抗裂試驗所用膠砂的重量配合比為水泥：砂=1：3.3，水膠比0.6，聚丙烯纖維摻量
0. 9KG/m3（占混凝土體積的0.1%）計算。板狀試件成型后在30℃、相對濕度65%的試驗室內(nèi)，風扇下吹1小時。然后置于40±3℃、相對濕度50%、1.8m/s風速環(huán)境中。24小時齡期裂縫基本穩(wěn)定后進行觀察，用計權法評估，結果見表5。
表5 普通混凝土膠砂開裂試驗結果
|
編號 |
裂縫寬度A（mm） |
裂縫長度B（mm） |
裂縫面積A*B（mm2） |
A*B加和值 |
相對百分率（%） |
|
無纖維 |
2.0
1.0
0.5 |
0
355
461 |
0
355
230.5 |
585.5 |
100 |
|
聚丙烯纖維 |
2.0
1.0
0.5 |
0
0
20 |
0
0
10 |
10 |
1.7 |
抗沖磨砼抗裂試驗所用膠砂配合比Q1和Q2中砂漿的配合比稱料拌和制取。成型板狀試件后，使暴露在30℃、相對濕度65%的實驗室內(nèi)，在風扇下吹1小時。然后置于40±3℃、相對濕度50%、1.8m/s風速環(huán)境中。24小時齡期裂縫基本穩(wěn)定后進行觀察，用計權法評估，結果見表6。
表6 抗沖磨混凝土膠砂開裂試驗結果
|
編號 |
裂縫寬度A（mm） |
裂縫長度B（mm） |
裂縫面積A*B（mm2） |
A*B加和值 |
相對百分率（%） |
|
Q1 |
2.0
1.0
0.5 |
0
0
1935 |
0
0
967.5 |
967.5 |
100 |
|
Q2 |
2.0
1.0
0.5 |
0
0
0 |
0
0
0 |
0 |
0 |
砼膠砂開裂試驗結果表明，在抗沖磨砼中摻入聚丙烯纖維可以減少顯著塑性裂縫和早期干縮裂縫，對尚處在塑性狀態(tài)和硬化后的砼有很好的阻裂作用。
（1） 砂漿水分蒸發(fā)試驗
試驗過程如下：按砼配合比Q1、Q2和Q3中砂漿的比例拌制砂漿，盛入表面積530c m2,深7 c m的試模，摸平后在一定溫濕度條件下強制干燥。每小時按時稱重量。
圖1是試驗的蒸發(fā)曲線。試驗系按表2中Q1至Q3配合比中的砂漿進行?？梢钥闯觯郾├w維改變了砼中水分蒸發(fā)過程，早期水分蒸發(fā)速度減緩，從另一角度間接證明了聚丙烯纖維對砼開裂的緩解乃至阻止作用。
3、 抗凍性
聚丙烯纖維可提高砼的抗凍性，有文獻介紹說可達D300。我們所作的抗凍試驗結果列入表7。其中DH1水膠比0.3、用水量118KG/m3、按砼體積的0.1%摻量加入聚丙烯纖維、不加引氣劑；H42用水量135KG/m3、按砼體積的0.14摻量加入聚丙烯纖維、不加引氣劑。
表7、聚丙烯纖維砼的抗凍性試驗結果
|
編號 |
含氣量（%） |
各循環(huán)次數(shù)重量損失（%） | ||||||
|
0 |
50 |
100 |
125 |
150 |
200 |
250 | ||
|
DH1
DH6
H42 |
1.3
1.4
1.5 |
0
0
0 |
0
-0.10
0.1 |
0.20
0.2 |
0.00
0.5 |
0.1 |
0.2 |
|
|
編號 |
含氣量（%） |
各循環(huán)次數(shù)相對動彈性磨量（%） | ||||||
|
0 |
50 |
100 |
125 |
150 |
200 |
250 | ||
|
DH1
DH6
H42 |
1.3
1.4
1.5 |
100
100
100 |
66.40
96.5
88.6 |
75.7
75.6 |
51.7
71.8 |
61.6 |
60.2 |
52.9 |
DH1僅50次就凍壞了。DH6抗凍為D100，H42抗凍達D200。這說明，聚丙烯纖維對砼抗凍性的提高同樣依賴對膠凝材料的鉚固力和摩阻力。
六、結論
（1）、按0.9KG/m3（占砼體積的0.1%）摻量在砼中加入聚丙烯纖維，可以提高砼強度（特別是早期強度）和抗沖磨性，改善砼的抗凍性，抑制砼內(nèi)部自由水蒸發(fā)，提高其變形能力。為解決三峽工廠夏季施工中出現(xiàn)的砼早期表面龜裂提供了一個新途徑。
（2）、在水膠比0.35不摻粉煤灰情況下，纖維砼各齡期抗壓強度都比對照砼有較大增長，特別是3d抗壓強度可以提高約20%，劈裂抗拉強度可以提高10%；軸拉強度的增加率甚至高于劈裂抗拉。
（3）無論是否摻引氣劑和粉煤灰，纖維砼的抗沖磨強度都高于對照砼。
（4）摻入聚丙烯纖維可以顯著減少抗沖磨砼塑性裂縫和早期干縮裂縫，對尚處在塑性狀態(tài)和硬化后的砼有很好的阻裂作用。
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