高性能道面混凝土抗裂性研究.pdf

2 3 2 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第 3 8卷第 6期 2 0 1 2年 1 2月 高性能道面混凝土抗裂性研究 朱仁兴， 郝志辉， 许永坤 ( 空军第一空防工程处， 北京1 0 0 0 8 9 ) 摘要： 针对目前机场道面采用高强混凝土铺筑后仍然出现早期裂缝的现象， 为找到既能大幅度减少混凝土早期 开裂又能满足高强要求的混凝土材料， 采用在普通混凝土中掺纤维或粉煤灰以及纤维与粉煤灰双掺的技术路线 ， 研究配制高抗裂的高性能道面混凝土， 采用平板法对其早期抗裂性进行试验研究。试验结果表明： 单掺粉煤灰或 聚丙烯纤维的道面混凝土， 早期抗裂性显著提高， 尤其是纤维与粉煤灰复合产生了“ 1 +1 2 ” 的超叠加综合效应 ， 更能够全面提高道面混凝土的早期抗裂性。 关键词： 道面混凝土 ； 抗裂性； 聚丙烯纤维； 粉煤灰 中图分类号： T U 5 2 8 5 7 文献标识码： B 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 2 ) 0 6 2 3 2 0 3 0 引 言 1 试验用材料及 配合 比与试验 方法 混凝土道面板的早期开裂已成为机场工程中的 多发病， 尤其是气候干燥、 温差大的地区更常见。近 几年， 机场工程普遍开始采用高强混凝土铺筑道 面 。但研究资料显示 lL 2 引： 与普通 昆凝土相 比， 高 强? 昆 凝土硬化后早期 的体积变形较大 ， 更易 出现早 期开裂现象。高强混凝土出现裂缝 的时间大部分在 开始的几天内， 有的甚至几小时就出现明显的裂纹。 早期裂缝的出现， 其危害表现在三个方面， 一是荷载 作用后引起裂缝 的继续发展 和板块 设计尺寸的改 变 ， 加剧应力的重分布 ， 产生新的裂缝( 又称后期裂 缝 ) ， 降低道面承载力 ； 二是为地表水的渗入基层和 土基提供通道 ， 降低基层和土基 的强度和稳定性 ， 加 速道面板体破坏和其它病害的产生， 为道面的抗渗 性、 抗冻性、 抗腐蚀性等一系列耐久性问题的出现留 下隐患； 三是在环境和外力的双重作用下 ， 混凝土结 构过早发生破坏 ， 道面极易出现碎裂甚 至断板等现 象 ， 使道面使用寿命 大大降低。如果不能很好的解 决混凝土道面板 的早期 开裂 问题 ， 就必然要花费巨 额的维修和重建费用 ， 而且严重影 响我军部队的正 常飞行训练。因此， 研究具有高抗裂性的高性能道 面混凝土， 防止早期裂缝的发生 ， 提高道面的体积稳 定性和耐久性， 延长道面的设计和使用寿命 ， 具有重 大的军事、 经济意义 。 收稿 日期： 2 0 1 1 - 0 7 1 2 作者简 介： 朱仁兴 ( 1 9 6 8一) ， 男 ， 工程 师 ， 主要 从事机 场建筑工程 研 究。 E ma i l ： 1 3 8 01 2 5 6 0 2 0 1 3 9 C O r n 1 1 试验 用材料 1 ) 水泥 ： 4 2 5 R P0水泥， 2 8 d抗折强度 8 8 MP a ， 抗压强度 4 8 8 MP a ， 密度 3 1 0 k g c m 。 2 ) 粉煤灰 ： I级粉煤灰 ， 密度 2 4 9 k g l ， 4 5 l x m 筛余量 2 ， 需水量比 8 9 ， 烧失量 3 4 。 3 ) 纤维 ： 聚丙烯纤维 ， 密度 0 9 k g c m 。 ， 纤维长 度为 1 2 m m与 1 9 m m两种。 4 ) 砂子 ： 河砂 ， 细度模数 2 7 3 ， 含泥量 1 O ， 密 度 2 6 3 k g c m ， 堆积密度 1 5 0 0 k g m 。 5 ) 石子 ： 石灰岩碎石 ， 5 2 0 mm和 2 O一 4 0 m m 两级配 ， 密度 2 7 0 k g c m ， 堆积密度 1 6 7 0 k g m 。 1 2混凝土配合比 依据机场道面混凝土配合 比设计技术标准 J ， 通过原材料选择和水泥用量、 砂率、 石子级配、 粉煤 灰掺量、 纤维掺量的优选 j ， 最终确定了普通道面 混凝土( P 、 P ) 、 掺粉煤灰道面 昆凝土 ( F 、 F ) 、 掺 聚丙烯纤维道 面混凝土 ( X X ： ) 、 聚丙烯纤维与粉 煤灰复合的道面混凝土( X F ) 等 4种类 型的道 面混 凝土和相应 的混凝土配合 比， 并 制作 了尺寸为 1 5 0 m m x 1 5 0 m m x 6 0 0 m m 的抗折试 件。这些试件 经 过 2 8天的标准养护后 ， 对其进行 了抗折强度和抗压 强度检测。 4种类型 昆 凝土的配合比、 和易性( 维勃 稠度 ) ， 抗折强度 ) 与抗压强度( ) 试验结果见 表 1 。 从表 1可以看出， 研究配制的 4种类型道 面混 凝土的抗折强度等级都在 5 0 MP a以上 ， 均满足当 前我军机场道面混凝土较高抗折强度等级 的设计要 求， 本文在此基础上进行抗裂陛能对 比试验。 2 0 1 2 N o 6 朱仁兴 ， 等： 高性能道面混凝土抗裂性研究 2 3 3 1 3抗裂试验方法 经过分析研究 剖， 本文采用平板法并在底部放 置弯起 的波浪形薄铁板加以约束的方法来进行抗裂 性试验研究( 图 1 ) 。此法最大的优点是能较为明显 地反映出混凝土裂缝 随龄期 的发展变化 ， 而且简单 易操作 。另外 ， 机场道面是大面积露天铺筑的 ， 采用 平板法能更接近现场的施工情况， 更准确地体现混 凝土的变形特点 ， 更鲜明地体 现材料抗裂性能的好 坏。平板试模尺寸为 5 6 0 mm 4 6 5 mm1 0 0 mm。 高温试验环境温度为 3 8 1 c C， 相对湿度为 4 0 左右 ， 常温试验环境温度为 1 8 2 0 ， 相对湿度 为 6 0 左右 ， 电风扇直接吹表面 ， 风速为 5 m s 。观 测方法是用 5 O倍读数显微镜跟踪观测 ， 开始 时 5分 钟一次 ， 有裂缝时 1 0分钟一 次 ( 终凝前 ) 。记 录初 裂时间( 从加水搅拌开始计 时) 、 裂缝尺寸 ( 终凝 时 最大裂缝宽度、 最长裂缝长度) 、 裂缝数量( 终凝时 裂缝总长度以及长度在 5 m m以上的条数) 。高温 观测 3 h ， 常温观测 1 2 h 。 正视 图 图 1 平板法试验装置示意 2 试验 结果与分析 2 1 试验结果 高温与常温条件下 4种类型混凝土的裂缝观测 结果见表 2 。 表 2 高 常温条件下 裂缝观测 结果 ( “ ” 后为常温观测结果 ) 2 2结 果分 析 1 ) 普通道 面 昆 凝土 ( P 、 P ) ： 高温和常温两种 条件下 ， 初裂时间最早 ， 裂缝数量最多 ， 裂缝尺寸和 最大裂缝总长度最大， 抗裂性不好。常温比高温条 件下初裂时间推迟 ， 裂缝 数量多 ， 尺寸小 ， 裂缝最大 宽度稍小一些 。普通道面 昆 凝土的抗折强度为 5 9 M P a ， 与其它几种道 面混凝土 的抗折强度相 比是较 低 的。 2 ) 掺粉煤灰道 面混凝土 ( F 、 F ： ) ： 高温和常温 两种条件下 ， 初裂时间比普通道面混凝土推迟 ， 裂缝 数量 比普通道面 昆凝土少 ， 裂缝 尺寸 比普通道面混 凝土小 ， 裂缝总长度 明显减小 。其中， 高温条件下初 裂时间比普通道面混凝土增加 4 0 ， 裂缝总条数与 裂缝总长 度 比普通 道 面混凝 土分 别 降低 2 0 和 3 0 ； 常温条件下初裂时间比普通道面混凝土增加 5 0 ， 裂缝总条数与裂缝总长度比普通道面混凝土 分别降低 8 8 和3 。从整体看， 粉煤灰对道面混 凝土早期抗裂性有很大帮助 ， 且抗折强度与抗压强 度也 比普通道面混凝土分别提高 2 1 和 2 4 。 3 ) 掺聚丙烯纤维道面混凝 土 ( x 、 x ) ： 高温和 常温两种条件下 ， 初裂时间延长 ， 裂缝 尺寸、 总长度 及最大宽度减少 ， 抗裂性优于普通道面混凝 土。其 中， 高温条件下初裂时间比普通道面混凝土增加 5 0 ， 裂缝总条数与裂缝总长度 比普通道 面混凝土 四川建筑科学研究 第 3 8卷 分别降低 3 0 和 7 0 ； 常温条件下初裂时问比普通 道面混凝土增加 2 0 ， 裂缝 总条数与裂缝总长度 比 普通道面混凝土分别降低 8 2 和 8 7 。抗折强度 也 比普通道面混凝土提高了 1 0 。 4 ) 聚丙烯纤维与粉煤灰复合道面混凝土( X F ) ： 高温和常温两种条件下， 抗裂效果都是最好的。高 温条件下初裂时间 比普通道面混凝土增加 1 1 0 ， 裂缝总条数 与裂缝 总长度仅 为普通道面混凝土 的 2 0 和 1 0 ； 常温条件下初裂时间比普通道面混凝 土增加 9 0 ， 而裂缝总条数与裂缝总长度仅为普通 道面混凝土的 9 和 3 。抗折强度与抗压强度 比 普通道面混凝土分别提高 2 6 和 2 9 。 3 纤维及粉煤灰的 阻裂机理分 析 3 1 纤维 阻裂 机理 纤维与集料有极强的结合力 ， 可以迅速而轻易 地与混凝土材料粘合， 并在混凝土内部构成一种均 匀的乱向支撑体系 ， 削弱了混凝土的塑性收缩 ， 收缩 的能量被分散到无数细小的纤维丝上 ， 减少了混凝 土早期 收缩 引起 的裂缝 ； 这个 支撑体 系还起 到 了 “ 承托” 骨料的作用 ， 在一定程度上阻止 了集料的沉 降， 降低了混凝土表面的泌水与集料的离析 ， 有效地 阻止了由于混凝土表面迅速失水造成的塑性收缩开 裂 。另外 ， 纤维的阻裂作用还表现在 ： 当有一条裂缝 出现后 ， 裂缝扩展会受到纤维的约束而产生 内应力 ， 并且这部分 内应力通过纤维使之分散 ， 由于纤维将 应力均匀化 ， 微裂缝在发展过程中受到纤维的阻挡 ， 很难进一步发展扩大 ， 从而阻断了裂缝 ， 起到了止裂 的作用 。 3 2粉煤灰阻裂机理 优质粉煤灰在混凝土中发挥的微集料效应、 填 充效应 、 火山灰效应 以及减水效应抑制 了混凝土早 期裂缝产生。首先 ， 粉煤灰 的平均粒径要小于水泥 粒子的平均粒径 ， 它能填充于水泥粒子 之间的空 隙 中， 使水泥石结构更为致密。其次， 粉煤灰作为一种 填料均匀分布于水泥浆体的基相 中， 增 大了集料 的 体积。有研究表 明： 增大集料用量可有效地抑制干 缩 ， 这样早期水泥浆 中水化程度小 ， 凝胶产生量少 ， 从而减少 了收缩- 】 。再次 ， 粉煤灰 中的活性 S i O ， 、 A 1 0 3 与水泥中的 c a ( O H) 激发颗粒玻璃质作用 ， 生成类似水泥水化产物 C SH凝胶 ， 填充了混凝 土 自身的毛细孔 ， 改善了混凝土 内部结构以及过渡 区的界面结构， 使混凝土的密实度和强度得到较大 改善 ， 从而大大提高了其早期抗裂性。最后 ， 粉煤灰 的减水效应使混凝土拌合物 的用水量减少 ， 即水灰 比减小 ， 进 而减少 了收缩， 提高 了混 凝土早期抗裂 性 。 3 3纤维与粉煤灰复合阻裂机理 纤维具有阻裂的同时也有增稠效应 ， 纤维的掺 人 ， 降低了混凝土的流动性 ， 给振捣 以及成型工作带 来困难 ， 容易造成混凝土结构 的不致密性 ， 增大了早 期裂缝产生的机会 。优质粉煤灰 的掺人 ， 不但发挥 了 自身的阻裂作用 ， 其减水效应还能大大减少混凝 土拌合的单位需水量 ， 弥补了纤维混凝土 流动性差 的缺陷， 两者的复合使纤维 的阻裂作用充分发挥 ， 在 阻裂作用上起到 了“ 1+12 ” 的超叠效应 ， 进一步 提高道面混凝土的早期抗裂性。 4 结 语 1 ) 普通混凝土 自身抵抗开裂 的能力较差 ， 施工 中即使采取相关措施也很难 防止裂缝 的出现 ， 建议 气候干燥 、 温差大地 区的机场道面和公路路面工程 中不再使用普通路面混凝土 。 2 ) 纤维 和优质粉煤灰的复合使用 ， 是克服机场 道面和公路路面早期开裂的最优途径。从确保工程 质量 、 减少污染 、 发展长寿命低维护道面混凝土等方 面考虑 ， 也不失 为一种好 的方案 ， 应该大力 推广应 用 。 3 ) 纤维和优质粉煤灰的复合使用， 不但发挥了 粉煤灰 自身的阻裂作用 ， 还弥补 了纤维混凝 土流动 性差的缺陷， 使纤维的阻裂作用充分发挥， 在阻裂作 用上起到了“ 1+1 2 ” 的超叠效应 。在纤维与粉煤 灰双掺条件不具备的情况下 ， 也可单掺粉煤 灰或单 掺纤维 ， 同样可使道面混凝土达到较好的抗裂效果。 参 考 文 献 ： 1 马国靖。 王硕太， 等 高性能道面混凝土 J 混凝土， 2 0 0 0 ( 6 ) ： 3 _ 6 2 王铁梦 工程结构裂缝控制 M 北京 ： 中国建筑 工业 出版社 ， 1 9 9 7 3 马丽嫒， 姚燕 高强混凝土收缩开裂的研究 D 北京： 中国 建筑材料科学研究院 ， 2 0 0 1 4 G J B 1 5 9 6 机场道面水泥混凝土配合比设计技术标准 s 5 王硕太， 马国靖， 朱志远， 等 高性能道面混凝土配合 比设计 J 公路交通科技 ， 2 0 0 7， 2 4 ( 4 )： 2 5 - 2 8 6 马丽媛 ， 姚燕， 等 国内外混凝土的收缩性能及抗裂性试验 研究方 法评述 J 中国建 材科技 ， 2 0 0 1 ( 1 ) ： 2 7 - 3 1 【 7 P a r v i s S o r o u s h i a n ， S i a v o s h R a v a n b a k h s h C o n t r o l o f P l a s t i c S h r i n k a g e C r a c k i n g w i t h S p e c i a l t y C e l l u l o s e F i b e r s J AC I Ma t e ri a l s J o u rnal， 1 9 9 8 ， 9 5 ( 4 ) ： 4 2 9 - 4 3 5 8 C C E S 0 1 2 0 o 4混凝土结构耐久性设计与施工指南( 2 0 0 5年 修订版) s 9 何真， 罗谦， 等 面板混凝土补偿收缩与纤维增强的阻裂 试验研究 J 混凝 土 ， 2 0 0 6 ( 5 ) ： 5 0 - 5 3 1 0 汪东东 ， 周士琼 ， 等 利用 粉煤 灰和 磨细矿 渣配制 高性 能混凝 土 J 混凝土， 2 0 0 6 ( 5 ) ： 4 0