鄭全國

(大連市普蘭店區(qū)生態(tài)環(huán)境事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 大連 116200)

混凝土具有體積穩(wěn)定性好、抗壓強(qiáng)度高、原材料來源廣等明顯優(yōu)勢，這是水利工程領(lǐng)域至今用量最大、使用范圍最廣的建筑材料[1-3]。隨著工程技術(shù)的發(fā)展和結(jié)構(gòu)科學(xué)的進(jìn)步，高性能混凝土開始得到普遍應(yīng)用，與此同時也出現(xiàn)了一系列新的問題，其中比較突出的就是結(jié)構(gòu)開裂問題，尤其是水工結(jié)構(gòu)周圍約束力影響干燥收縮、自收縮等引起的體積變形而造成早期開裂，逐漸成為影響水工混凝土抗?jié)B性、耐久性及其劣化的重要因素[4]。目前，水工結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域越來越關(guān)注水工混凝土的開裂問題，為保證水利工程的長效運行必須掌握混凝土的收縮抗裂性能，并結(jié)合具體情況制定相應(yīng)的防裂措施。實踐表明[5-9]，將適量的橡膠、纖維、礦粉、膨脹劑、粉煤灰等化學(xué)外加劑或礦物摻合料摻入混凝土中，對改善材料的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)、水化特征、收縮變形和早期抗裂性能具有積極作用。然而，該領(lǐng)域相關(guān)研究比較側(cè)重于化學(xué)外加劑或摻合料單摻分析，涉及化學(xué)外加劑和礦物摻合料復(fù)摻的研究還鮮有報道。鑒于此，本文通過室內(nèi)試驗研究了水工混凝土雙摻纖維膨脹劑的抗裂性能，在此基礎(chǔ)上揭示了纖維與膨脹劑的抗裂機(jī)理，旨在為水利工程質(zhì)量及其長效運行提供可靠保障。

1 研究方法

1.1 原材料準(zhǔn)備

本試驗所用材料有聚丙烯纖維、S-AC膨脹劑、粉煤灰、粗細(xì)骨料和水泥，其中纖維的平均直徑為35 μm，抗拉強(qiáng)度460 MPa，彈性模量3 870 MPa；S-AC膨脹劑來源于天津市金盛源特種建材有限公司；粉煤灰為Ⅱ級灰，其表觀密度2 250 kg/m3，比表面積370 m2/kg；粗細(xì)骨料為普通河砂和石灰?guī)r機(jī)制碎石，河砂細(xì)度模數(shù)2.4，碎石粒徑最大值25 cm；水泥型號為普通硅酸鹽P·O 42.5級，比表面積348 m2/kg，初凝與終凝時間160 min、300 min，28 d抗折與抗壓強(qiáng)度8.4 MPa、51.1 MPa。

1.2 方案設(shè)計

為探討不同纖維和膨脹劑摻量的水工混凝土抗裂性能，結(jié)合工程實踐經(jīng)驗和有關(guān)研究資料[9]，合理設(shè)計三種不同的纖維與膨脹劑摻量配合比，如表1。

表1 方案設(shè)計 kg/m3

1.3 試件制作

依據(jù)研究目的合理設(shè)計試驗方案和混凝土配合比，分別選用普通磅秤和電子秤精準(zhǔn)稱量用量相對較多的材料以及用量較少的纖維。遵循粒徑從大到小的原則，依次將稱量好的粗骨料、細(xì)骨料、礦物摻合料、水泥和外加劑等原材料投入攪拌機(jī)，均勻攪拌3 min之后再投入減水劑和水，再次攪拌3 min后倒出拌合物，依次放入自由收縮、約束收縮和抗拉強(qiáng)度試模，相應(yīng)尺寸依次為515 mm×100 mm×100 mm、63 mm×600 mm×600 mm、100 mm×100 mm×100 mm。拌合物裝填前先用脫模劑涂刷試模內(nèi)壁，用振搗棒振搗混凝土密實，然后將表面利用抹子抹平，室溫靜置24h后拆模、編號并放入標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)至設(shè)計齡期。

1.4 測試方法

本試驗利用微機(jī)控制萬能試驗機(jī)按照《水工混凝土試驗規(guī)程》相關(guān)要求測試試件14 d、28 d、56 d齡期的抗拉強(qiáng)度，通過軸向拉伸試驗確定混凝土的極限拉伸值。試件的初始長度利用限制膨脹率測試儀和帶限位器的矩形試模進(jìn)行測量，采用《混凝土膨脹劑》推薦的計算方法確定不同齡期試件的限制膨脹率。采用非接觸收縮變形儀和測用萬能試驗機(jī)測定混凝土的干燥收縮率及其斷裂指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 起裂韌度

整理統(tǒng)計相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，確定不同齡期下各試驗方案的混凝土試件起裂韌度如表2。從表2可以看出，隨著試件齡期的增大混凝土起裂韌度逐漸增大，從14～28 d齡期的起裂韌度增長幅度明顯高于28～56 d的。單產(chǎn)聚丙烯纖維和S-AC膨脹劑的起裂韌度均顯著高于普通混凝土，如28d齡期時方案2(單摻S-AC膨脹劑)的起裂韌度5.56 MPa/m0.5較方案1(普通混凝土)的4.46 MPa/m0.5增加1.06 MPa/m0.5，增長率達(dá)到23.77%；28 d齡期時方案3(單摻聚丙烯纖維)的起裂韌度5.68 MPa/m0.5較方案1(普通混凝土)的4.46 MPa/m0.5增加1.22 MPa/m0.5，增長率達(dá)到27.35%。從不同摻量的角度上，隨膨脹劑摻量的增加各齡期下的試件起裂韌度均表現(xiàn)出先增大后減小的變化特征，起裂韌度在膨脹劑摻量15 kg/m3時達(dá)到最大值。研究表明，混凝土中摻入過量的膨脹劑，則混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)受水化反應(yīng)生成物作用出現(xiàn)過度膨脹，內(nèi)部產(chǎn)生裂縫并使得起裂韌度明顯下降。

表2 起裂韌度試驗數(shù)據(jù) MPa/m0.5

隨著纖維摻量的增加各齡期下的試件起裂韌度表現(xiàn)出不斷增大的變化趨勢，當(dāng)摻量達(dá)到一定界限值后，繼續(xù)增大摻量的影響作用減弱，如28 d齡期時方案4(纖維摻量0.5 kg/m3)的起裂韌度6.84 MPa/m0.5較方案2(纖維摻量0 kg/m3)的5.52 MPa/m0.5增加1.32 MPa/m0.5，增長率達(dá)到23.91%；28 d齡期時方案5(纖維摻量1.0 kg/m3)的起裂韌度6.95 MPa/m0.5較方案4(纖維摻量0.5 kg/m3)的6.84 MPa/m0.5增加0.11 MPa/m0.5，增長率只有1.61%。由此表明，混凝土中摻入過量的纖維會影響振搗密實度和攪拌均勻度，在一定程度上降低混凝土的起裂韌度。因此，綜合考慮工程經(jīng)濟(jì)性和以上試驗結(jié)果，聚丙烯纖維和S-AC膨脹劑的最佳摻量為0.5 kg/m3、15 kg/m3。

圖1 不同齡期下各試驗方案抗裂性能指標(biāo)

2.2 抗裂指標(biāo)

目前，國內(nèi)學(xué)者考慮不同用途提出了很多的混凝土抗裂性能評價指標(biāo)，不同指標(biāo)的適用范圍及其側(cè)重點存在明顯差異?？傮w而言，抗裂性能較好的混凝土必須有較大的極限拉伸值、較高的抗拉強(qiáng)度、較小的干縮變形以及較低的彈性模量。因此，本文結(jié)合試驗?zāi)康暮同F(xiàn)有研究資料，確定抗裂評價指標(biāo)k的計算公式如下：

(1)

式中：εp、εd代表極限拉伸值和干縮值；ft、E代表抗拉模量(MPa)和彈性模量(MPa)；σz代表混凝土預(yù)壓應(yīng)力值(MPa)。

通過整理計算相關(guān)試驗數(shù)據(jù)確定抗裂性能評價指標(biāo)值，不同齡期下各試驗方案的混凝土試件抗裂評價指標(biāo)值如圖1。從圖1可看出，不同齡期下各試驗方案的抗裂性能指標(biāo)值相差較小，表明混凝土抗裂性能指標(biāo)可能與配合比以及原材料有關(guān)，而受齡期的影響不大。相同齡期下各試驗方案的抗裂性能指標(biāo)差異顯著，其中雙摻纖維膨脹劑明顯優(yōu)于不摻或單摻膨脹劑的抗裂性能。深入分析雙摻方案，方案5(纖維摻量1.0 kg/m3)、方案4(纖維摻量0.5 kg/m3)的抗裂性能較優(yōu)，但方案5較方案4的抗裂性能指標(biāo)值增加并不多，但纖維摻量卻增大一倍。因此，從工程經(jīng)濟(jì)性和抗裂性能的角度上，試驗方案4為最佳，該研究結(jié)論與起裂韌度試驗保持相同。

3 結(jié)語

本文利用室內(nèi)試驗的方法探討了水工混凝土雙摻纖維與膨脹劑的抗裂性能，得出的主要結(jié)論如下：

(1)將適量的纖維或膨脹劑摻入混凝土中均有利于改善混凝土抗裂性能。具體而言，隨膨脹劑摻量的增加混凝土起裂韌度表現(xiàn)出先增大后減小的變化特征，膨脹劑摻量多高時內(nèi)部結(jié)構(gòu)受水化反應(yīng)生成物作用出現(xiàn)過度膨脹，內(nèi)部產(chǎn)生裂縫使得起裂韌度開始下降；隨著纖維摻量的增加混凝土起裂韌度表現(xiàn)出不斷增大的變化趨勢，當(dāng)摻量達(dá)到一定界限值后，繼續(xù)增大摻量的影響作用減弱，即摻入過量的纖維會影響振搗密實度和攪拌均勻度，降低混凝土的起裂韌度。

(2)不同齡期下各試驗方案的抗裂性能指標(biāo)值相差較小，即混凝土抗裂性能指標(biāo)可能與配合比以及原材料有關(guān)，而受齡期的影響不大；相同齡期下各試驗方案的抗裂性能指標(biāo)差異顯著，即雙摻纖維膨脹劑明顯優(yōu)于不摻或單摻膨脹劑的抗裂性能。綜合考慮工程經(jīng)濟(jì)性和以上試驗結(jié)果，聚丙烯纖維和S-AC膨脹劑的最佳摻量為0.5 kg/m3、15 kg/m3。