粉煤灰和聚丙烯纤维对混凝土早期开裂性的影响.pdf

文章编 号 ： 1 0 0 7 0 4 6 X( 2 0 1 4 ) 0 2 0 0 0 1 0 3 粉煤灰 粉煤灰和聚丙烯纤维对混凝土早期开裂性的影响 E f f e c t o f F l y A s h a n d P o l y p r o p y l e n e F i b e r o n E a r l y A g e C r a c k i n g o f C o n c r e t e 朱超l 】z ，杨健z (1 江苏省建筑安全与减灾工程技术研究开发中心，江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 ； 2 l 工 苏建筑职业技术学院，江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 ) 摘 要： 采用平板状试件研 究了粉煤灰和聚丙烯纤维对混凝土早期抗裂性的影响。试验结果表明，随着粉煤灰掺量 的增加 ，混凝土裂缝的最大宽度和裂缝的最大长度均呈现下降的趋势，混凝土表面裂缝的面积 变小；聚丙 烯 纤 维掺 入 混凝 土后 ，可 以分担 部分 应力 ，细 化裂缝 ，减 少开裂 总面积 。 由此可见 粉煤灰 和聚 丙烯 纤维 可 有效改善混凝土早期塑性收缩开裂的性能。 关键词 ： 混凝土；粉煤灰 ；聚丙烯纤维；抗裂性能 中 图 分 类号 ：T U5 2 8 5 8 文献 标 志 码 ：A 0 前 言 近年来随着外加剂及泵送混凝土的技术应用，粉煤灰 混凝土日趋发展成熟，并逐步在土木工程中得到越来越广 泛的应用。但粉煤灰混凝土在应用中存在早期强度过低、 极限拉伸值偏小等问题，使得混凝土无法承受早期的温度 应力和干缩应力，导致结构出现裂缝。混凝土开裂后侵蚀 性物质沿裂缝渗入，将导致水泥石溶蚀、钢筋锈蚀，引起 耐久性降低并加速混凝土的劣化进程，缩短结构的使用寿 命l l _ 2 1 。聚丙烯纤维由于良好的结构稳定性使得其具有很好 的化学稳定性，加入混凝土后，不会影响水泥、集料、掺 合料、外加剂的性能，仅靠改变混凝土的物理结构去改变 混凝土的综合性能。因此，研究粉煤灰和聚丙烯纤维对混 凝土开裂性能的影响及相应的机理，对于工程应用有重要 的意义。 1 试 验 1 1 试验方法 在研究混凝土的开裂性过程中，美国密歇根州立大学 P a r v i z S o r o u s h i a n t3 1 和美国圣约瑟大学的 K r a a i 4 1 提出了用平 板试验装置研究混凝土的开裂性。试验证明，平板法具有 简单操作的特点，能有效地评价混凝土的开裂性。本试验 采用C C E S 0 1 2 0 0 4 混凝土结构耐久性设计与施工指 南5 中推荐的平板试验方法。 1 1 1试验装置 采用尺寸为 6 0 0 m m 6 0 0 m m x 6 3 m m 的钢制平板试模 进行抗裂性试验。在模具底板上铺好塑料薄膜，试验前调 整和紧固模具上的所有螺栓，见图 1 。 Ml 2 1 0 0 螺杆 固肋 烯片 图 1 平板试件装置 1 1 2试验过程 将混凝土拌合物分两层浇入模具中插捣振实，浇筑成 型。养护到初凝时， 将试件连同模具置于温度为 ( 2 0 1 ) 、 相对湿度为 ( 6 0 - I- 5 ) 、风速为 0 6 m s 环境中，开始观 察平板表面的裂缝发生过程。在开始的 3 h内，每 5 ra i n 观察一次；当发现有裂纹出现后改为每 1 0 m i n观察一次； 当混凝土表面出现贯穿裂缝后改为每3 0 m i n 观察一次；到 2 2 0 1 4 粉煤灰 1 1 d后，每 0 5 d 观察一次，直到3 d 为止。记录每个试件 裂缝开始出现的时间，裂缝数量、长度、宽度。 1 1 3评价方法 试件早期的抗裂性评价准则如下：仅有非常细的裂 纹；平均开裂面积1 0 m i l l 2 ；单位面积开裂裂缝数 目1 0根 i n 2 ；单位面积上的总开裂面积1 0 0 m m m ： 。按照上述准则，将抗裂性划分为 5个等级：I 级， 全部满足上述4 个条件；1 I级，满足上述 4 个条件中的 3 个；级，满足上述4个条件中的2 个；I V级，满足上述 4个条件中的 1 个；V级，全部不满足。 1 2 试验原材料 水泥： 淮海 中联 P 0 4 2 5 ，R = 5 8 M P a ，表观密度 3 0 g c m ， ；细集料： 河砂，2区中砂，见表 1 ；粗集料： 碎 石( 5 2 0 mm ) 连续级配，见表 2 ；粉煤灰： 彭城电厂 I 级粉煤灰，见表 3 ；外加剂： 聚羧酸系高性能减水剂，固 含量 2 6 ；聚丙烯纤维：南京派尼尔科技实业有限公司， 见表 4 ； 混凝土配合比见表 5 。 表 l 砂的物理性能 S O 3 含量 密度幢 c m。0 , 0 4 5 m m筛余 需水量比 烧失量 编号 粉煤灰掺量 配合比 k 窖 水泥 粉煤灰 砂 石 水 外加剂纤维 2 coAL ASH 2 201 4 2 试验结果及分析 2 1 粉煤灰掺量对混凝土抗裂性能的影响及分析 根据观察发现试验产生的裂缝多呈现龟裂状，发展方 向纵横交错、毫无规律，大量裂缝交织在一起，并易贯通 形成一体；裂缝长度变化大，多为浅表性裂缝f 6 I 。与基准 混凝土相比，粉煤灰的掺量为 1 5 和3 0 时，使最大裂 缝宽度分别下降了2 1 和2 5 ，而粉煤灰掺量增加到4 5 后，最大裂缝宽度更是降低了 5 0 。最大裂缝长度除了粉 煤灰掺量为 1 5 时出现了波动，总的趋势仍表现随着粉煤 灰掺量增加， 混凝土的 最大裂缝长度变小，见表6 和图 2 ，图3 。 表 6 混凝土开裂试验 n6 0 0 5 5 05 0 4 5 n4 0 n 3 5 n 3 o 025 0 2 0 、 垂 6 5 0 6 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 0 5 l O 1 5 2 0 2 5 3 O 3 5 4 o 4 5 粉煤灰掺量 粉煤灰掺量 图 2 粉煤灰和聚丙烯纤维对混凝土裂缝宽度的影响 4 o 3 0 血 婪20 1 O O 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 0 l O 2 0 3 0 4 0 5 O 粉煤灰掺量 粉煤灰掺量 图 3 粉煤灰和聚丙烯纤维对混凝土裂缝数目、面积的影响 粉煤灰的掺量从 0 增到 4 5 时，混凝土裂缝平均开 裂面积逐渐减少；当粉煤灰的掺量超过 3 0 时， 昆 凝土的 维 一 纤丙 L 掺聚 豳- 一 目 渤如拗珈 。 恒蹈 维 J 纤 纤 一 _ i 蚰 _ _ - - |一 一 L I 抗裂等级已经变为 级。混凝土裂缝总面积随着粉煤灰掺 量增加同样呈减小趋势，粉煤灰掺量越大，该趋势越显著。 由于试模不变，所以单位面积裂缝的开裂数目取决于裂缝 总条数。试验表明裂缝条数基本上相差不大，说明粉煤灰 只能改善混凝土的抗裂性能，并不能阻止混凝土裂缝的出 现。 粉煤灰改善混凝土的抗裂性主要原因是粉煤灰具有形 态效应、微集料效应和火山灰效应，改善了混凝土水化相 的孔隙结构，使未反应粉煤灰颗粒与水化相之间形成有效 连接，提高粘结强度，从而增强了混凝土的抗裂性能。但 是粉煤灰混凝土表面仍然有大量的裂缝，其原因是由于粉 煤灰相对密度小于水泥，浇筑振捣时粉煤灰容易上浮在混 凝土的表面上，使得混凝土水化反应速度和强度增长速度 变慢；另一方面，粉煤灰混凝土的初期强度较低，且随着 水分的蒸发，混凝土出现塑性收缩，混凝土内部产生张拉 应力，所以混凝土表面容易产生裂缝 。 2 2 聚丙烯纤维对混凝土抗裂性能的影响及分析 研究表明，聚丙烯纤维显著提高了混凝土抵抗早期塑 性收缩开裂的性能，具体表现在减少混凝土裂缝最大宽度、 裂缝最大长度，同时减小裂缝开裂的总面积。当粉煤灰掺 量为 1 5 时，裂缝最大宽度和最大长度分别为 O 4 4 m m 和 8 9 6 m m，掺加聚丙烯纤维后，裂缝最大宽度和最大长 度分别为 0 3 9 m m和 8 1 3 m m；当粉煤灰掺量为 4 5 时， 掺加聚丙烯纤维使得粉煤灰混凝土裂缝最大宽度由0 2 8 m m 降到 0 2 6 mm，裂缝最大长度由 6 6 3 mm降到6 2 1 m m， 表明聚丙烯纤维可以有效降低混凝土裂缝的长度，但在减 小裂缝宽度方面，效果不是很显著。当混凝土中单掺聚 丙烯纤维时，裂缝平均开裂面积只有 6 2 3 m m z ，与单掺粉 煤灰混凝土相比，下降了 2 5 1 ，当粉煤灰掺量为掺加 4 5 时，掺加聚丙烯纤维前后的单位面积裂缝开裂面积分 别为 5 9 m m 2 m 2 、5 0 m m 2 m z ，其值仍下降了 1 5 3 。掺加 聚丙烯纤维后，混凝土的裂缝数目 虽然减少，但这种变化 并不明显，掺加聚丙烯纤维并没使得混凝土的抗裂等级发 生根本性变化 ( 见表 6和图3 )。聚丙烯纤维的加入只是 在一定程度上阻止了裂缝的扩展和延伸，而不能从根本上 消除裂缝的产生【 8 j 。 聚丙烯纤维阻裂效应的原理： 未掺纤维试件开裂时会 极大释放材料内部干缩产生的拉应力，使应变突降。掺 加聚丙烯纤维后，聚丙烯纤维细微，比表面积大，使得聚 丙烯纤维在混凝土中的间距大大缩小，在混凝土内部形成 一 种均匀乱向分布的支撑体系。当混凝土处于塑性阶段， 因内部水分和表层水分迁移和蒸发速度不一致等原因产生 内部应力时，大量的短纤维桥接在裂隙的两边，降低了微 裂缝尖端的应力集中，有效吸收了试件收缩应力产生的能 量，细化了裂缝【 9 J 。当纤维分担掉一部分应力时，介质内 的应力场变得更加连续和均匀，从而提高了混凝土的早期 抗拉强度，减少开裂总面积，改善了混凝土早期开裂的性 能【 1 0 1 3 结 论 通过试验研究粉煤灰和聚丙烯纤维对混凝土收缩和开 裂性能的影响 ，得出以下主要结论。 ( 1 ) 混凝土中掺加粉煤灰时，随着粉煤灰的掺量增 加，混凝土裂缝的最大宽度和裂缝的最大长度均呈现下降 的趋势，混凝土表面裂缝的单位面积、开裂总面积逐渐降 低，粉煤灰的掺入能够提高混凝土早期抗裂性能。 ( 2 )聚丙烯纤维掺入混凝土后，在混凝土内部形成均 匀乱向分布的支撑体系， 可以分担部分应力，细化裂缝，减 少开裂总面积，改善了混凝土早期塑性收缩开裂的性能。 参考文献 1 】李明顺 混凝土结构裂缝问题 J 建筑科学，2 0 0 0 ，1 9 ( 3 ) ：4 2 - 4 5 2 】高原， 张君， 韩宇栋 基于环约束试验的混凝士早期开裂行为评价 建筑材料学报， 2 0 1 2 ，1 5 ( 5 ) ： 6 1 8 - 6 2 3 3 P AR VI Z S ， S I A V OS H R 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 wi 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 A CI Ma t e r i a l s J o u r n a l ，1 9 9 8 ，9 5 ( 4 )： 42 9 4 35 【 4 KR A AI P P r o p o s e d t e s t t o d e t e r mi n e t h e c r a c k i n g p o t e n t i a l d u e t o d r y i n g s h r i n k a g e o f c o n c r e t e Co n c r e t e c o n s t r u c t i o n，1 9 8 5 ， 3 0 ( 9 ) ： 7 7 5 - 7 9 0 【 5 C C E S O l 一2 O O 4 ， 混凝土结构耐久性设计与施工指南 s 【 6 】姜新佩， 石欠欠，任益楼，等 粉煤灰对商品混凝土早期抗裂性能 的试验研究 水电能源科学，2 0 1 1 ， 2 9 ( 2 ) ： 8 7 8 9 【 7 梁得常现浇钢筋混凝土框架节点质量控制【 J 】 甘肃科技， 2 0 0 8 f 9 )：l 6 4 1 6 5 【 8 KI AC HE HR B， OMI D F T h e e f f e c t s o f p o z z o l a n i c b i n d e r s a n d p o l y p r o p yl e n e f i be r s o n d u r a b i l i t y o f S CC t o ma g n e s i um s ul f a t e a t t a c k J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 1 3 ， 3 8 ： 6 4 7 1 【 9 钟军 水泥混凝土结构早期裂缝防治技术的研究【 D 】 ， 长春： 吉林大学， 2 01 0 1 O 】 张鹏，赵铁军， 王命平，等 粉煤灰与聚丙烯纤维对混凝士抗裂性 能的影响 J 建筑科学 ，2 0 0 7 ，2 3 ( 6 ) ：8 0 8 3 作者简介：朱超，( 1 9 7 6 一) ，江苏建筑职业技术学院教师，研究方向 建筑材料 的应用、建筑安全技术 ，E - ma i l ：z h u c h a o z h c 1 6 3 c o m。 收稿日期： 2 0 1 3年 9月 2 1日 2 2 0 1 4 粉煤灰 3