纤维素纤维在建筑混凝土地面中的应用.pdf

中国科技核心期刊 新 建 纤维素纤维在建筑混凝土地面中的应用 刘志杰 ， 张学锋 ， 刘姣 ， 马保萍 s ， 苟连奇 z 【 1 空军工程设计研究局， 北京1 0 0 0 6 8 ： 2 中国建筑第八工程局有限公司， 北京 1 0 0 0 9 7 ； 3 玖青新材料科技( 上海) 有限公司， 上海2 0 1 1 9 9 摘要： 结合2 个地下车库建筑工程实例， 进行了水泥混凝土地面抗裂性能对比分析。针对混凝土地面开裂的原因和特性， 通过 采用纤维素纤维等新材料、 新技术、 新工艺， 开展了建筑混凝土地面抗裂技术工程化应用研究， 并采取了多种综合抗裂保证措施和 有效 的设计施工方案 ， 取得了较好的实际应用 效果 ， 供 同类工程项 目参考借鉴 。 关键词： 纤维素纤维； 水泥混凝土； 建筑地面； 抗裂技术； 工程应用 中圈分类号： T U 5 2 8 ； U 4 1 4 V 8 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 5 ) 0 7 0 0 2 2 0 5 Th e a p p H c a t i o n o f c e l l u l o s e fib e r i n t h e c o n c r e t e g r o u n d o f b u i l d i n g L I U ， Z H A N G Xu e f e n ， L I U J i a o 1 , MA B o o p i n g ， G O U L ia a q i 2 【 1 Ai r F o r c e E n g i n e e ri n g D e s i g n a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e i j i n g 1 0 0 0 6 8 ， C h i n a ： 2 C h i n a C o n s t r u c t i o n E i g h t h E n g i n e e r i n g C o L t d ， B e i j i n g 1 0 0 0 9 7 ， C h i n a ； 3 F a v o r d e 9 t h Ne w Ma t e ri a l s T e c h n o l o g y ( S h a n g h a i )C o L t d ， S h a n g h a i 2 0 1 1 9 9 ， C h i n a Ab s t r a c t ： I n t h i s p a p e r ， t h e a n t i - c r a c k i n g p e r f o r ma n c e o f c e m e n t c o n c r e t e g r o u n d i s c o mp a r e d and a n d y z e d b y c o m b i n i n g t h e c o n s t r u c t i o n e n g i n e e ri n g o f t w o u n d e r g r o u n d g a r a g e s Ai m i n g a t t h e r e a s o n s a n d f e a t u r e s o f t h e c o n c r e t e g r o u n d c r a c k s ， e n gin e e ri n g a p p l i e d l s e a r c h i s c o n d u c t e d f o r t h e a n t i - c r a c k i n g s ki l l s o f b u i l d i n g c o n c r e t e g r o u n d wi t h t h e n e w ma t e ria l s ， n e w t e c h n o l o gy a n d n e w s k i l l s ， s u c h a s c e l l u l o s i c fi b e r Me anwh i l e ， a l l k i n d s o f c o mp r e h e n s i v e a n t i c r a c k i n g g u a r a n t e e me a s u r e s a n d e f f e c t i v e d e s i gn c o n s t ruc t i o n p l ans a r e a d o p t e d ， r e c e i v i n g g o o d p rac t i c al a p p l i c a t i o n e ff e c t I t c a n b e a p p l i e d a s t h e r e f e r e n c e s for s i mi l ar e n gin e e r - i n g p r o j e c t s Ke y wo r d s ： c e l l u l o s i c fi b e r ， c e me n t c o n c r e t e ， b u i l d i n g fl o o r ， a n t i - c r a c k i n g s k i U， e n g i n e e ri n g a p p l i c a t i o n O 前言 水泥混凝土的微观裂缝是本身所固有的缺陷。宏观裂缝 是由微观裂缝不断发展而形成， 这一过程就是混凝土的开裂过 程。 混凝土开裂的原因多种多样， 通常是因混凝土体积变化受 到约束时， 或受到荷载作用时， 在混凝土内引起过大的拉应力 或拉应变而开裂【 1 。由于受许多复杂条件的制约， 混凝土的非 均质性对抗拉性能极 其敏感， 裂缝控制的 作用效应及抗力都 是高度离散性和随机性的， 即使同一设计单位设计、 同一材料 收稿 日 期： 2 0 1 5 一 O 1 2 4 ； 修订日期： 2 0 1 5 - 0 3 2 5 作者简介： 刘志杰， 男， 1 9 6 3 年生， 辽宁风城人， 高级工程师。地址： 北 京市丰台 区洋桥 1 2号院 ， 电话： 0 1 0 6 6 7 1 1 6 7 1 ， E ma i l ： 1 51 4 6 9 1 2 6 com a 2 2 新型建筑材料 2 0 1 5 7 供应单位、 同一施工单位施工， 在相同环境中， 裂缝的程度可 能完全不同 闭 。 裂缝是工程中最常见、 最具普遍性的一种现象。 大型车库、 仓库、 超市、 厂房等建筑的地面常常采用水泥 类普通混凝土浇筑，工程中采用较多的是混凝土密封固化剂 面层或彩色混凝土面层， 这种面层在浇筑混凝土过程中， 表面 加入强化剂、 着色剂、 密实剂等， 并用专用设备打磨、 压光、 压 纹使之形成高强、 致密、 美观的面层， 既坚固耐久， 又经济适 用。 但是， 这类普 通水泥混凝土类地面很容易产生裂缝， 严重 影响整洁美观， 甚至会影响地面的正常使用， 久而久之， 受到 空气、 污水及油渍中的有害物质侵蚀， 还会影响建筑物的耐久 性能， 必须引起足够的重视。 控制混凝土开裂的技术措施及抗裂方法很多，它们各有 特点和应用范围，本文将重点介绍纤维素纤维在建筑地面混 凝土抗裂技术中的工程化应用及其相应的综合保证措施。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 刘志杰， 等： 纤维素纤维在建筑混凝土地面中的应用 1 工程实例概况 实例 1 和实例 2 是先后建成的2 栋地下车库建筑工程， 同属于北京市丰台区某一家建设单位， 由同一设计单位设计、 同一施工单位施工。 1 1 工程实例 1 地下车库 I 为附建式地下建筑， 位于某高层建筑地下室二 层， 建筑面积约3 0 0 0 m ， 总长度6 0 i n ， 总宽度5 5 m 。 地面构造 做法为： C 2 5 普通细石混凝土密封固化地面( 未掺加纤维素纤 维) ， 厚度6 0 m m ， 无垫层， 采用泵送商品混凝土， 直接在基层 结构板上浇筑， 表面进行耐磨硬化处理， 内配单层双向q b 6 m m 钢筋， 间距2 0 0 m m。 地面板块分格尺寸( 切割缝间距) 为4 m x 4 m ， 最大6 m x 4 m ， 最小4 m 3 m 。 该地面施工于2 0 1 2 年 l O 月 下旬开始至 1 1 月下旬完成， 施工处于冬施状态。地面原材料 为： P 0 4 2 5 R冀东水泥； 普通自来水； 涿州中砂； 涿州豆石， 最 大粒径1 0 m m； 聚羧酸减水剂C C A I ， 北京市建筑工程研究院 有限公司； I 级粉煤灰， 天津国华盘山发电有限责任公司。地 坪C 2 5 普通细石混凝土的配合比( k g m ) 为： m( 水泥) ： m( 水) ： m( 砂) ：m( 石) ： m( 减水剂) ： m( 粉煤灰) ： 2 8 5 ： 1 8 2 ： 7 9 2 ： 1 0 0 8 ： 7 ： 8 5 。 1 2 工程实例 2 地下车库2为掘开式半敞开地下建筑， 2 层总建筑总面 积为1 0 0 4 5 m 。 ， 地下一层和地下二层均为5 0 2 2 5 m ， 总长度 9 6 m， 总宽度5 4 m。地面构造做法为： C 2 5 细石纤维混凝土密 封固化地面( 掺加0 9 k g m 。 的纤维素纤维C T F ) ， 地下一层地 面厚度7 0 m m ， 地下二层地面厚度 1 0 0 m m， 无垫层， 采用泵送 商品混凝土， 直接在基层结构板上浇筑， 表面进行耐磨硬化处 理， 内配单层q b 4 m m冷拔钢丝焊接网片， 双向间距 1 2 0 m m 。 地面板块分格尺寸为4 2 m x 3 0 m ， 少量为6 0 m 3 0 m ， 最大 为8 4 re x 3 0 ff l ， 最小为3 0 m 2 7 m 。 该地面施工于2 0 1 3 年9 月 下旬开始至2 0 1 3 年 1 O 月下旬结束。 地面原材料为： P 0 4 2 5 R 冀东水泥； 普通自来水； 涞水中砂； 涞水豆石， 最大粒径 1 0 m m ； 聚羧酸减水剂C C A I ， 北京市建筑工程研究院有限公司； I 级粉煤灰， 天津国华盘山发电有限责任公司； $ 9 5 级矿粉， 三 河天龙新型建材有限公司； 纤维素纤维 C T F ， 纤维素纤维含量 9 9 以上， 平均长度2 1 m m ， 标称直径 l 8 m ， 弹性模量8 5 G P a ， 密度1 1 0 9 g c m ， ， 上海瑞高实业发展有限公司。 地坪C 2 5 细石纤维混凝土配合比( k g m ) 为： m( 水泥) ： m( 水) ： m( 砂) ： m( 石) ： m( 减水剂) ： m( 粉煤灰) ： m( 矿粉) ： m( 纤维素纤维) = 2 7 8 ： l 5 7 ： 8 9 4 ： 1 0 3 8 ： 5 6 ： 3 5 ： 3 5 ： 0 9。 2 水泥混凝土地面开裂分析 2 1 混凝土地面开裂的规律特征 车库 1 从完工后 1 周开始发现有少量裂缝， 2 个月前后 裂缝剧增， 有 1 ， 3 的板块开裂。同时发现， 地面切缝宽度均由 原来的4 m m扩展到了7 8 m m ， 板块混凝土的收缩率达l x l 0 。 左右，有些板块边角部位还发生了不同程度的翘曲或空鼓现 象。 由 此说明， 地面混凝土产生了较大的收缩变形是非常明显 的。 分析研究发现， 裂缝与地面分格缝或切缝间距( 即板块尺 寸) 大小密切相关， 分格缝间距越大、 开裂越多； 而且裂缝绝大 多数出现在长度4 m以上的板块上， 6 i n以上的板块开裂较 多； 长度4 i n以下的板块裂缝较少， 3 m以下的板块几乎无裂 缝出现。 从裂缝的部位、 形状来看， 多为单缝， 以板中部横向裂 缝为主， 也有少量角部斜裂缝， 还有个别枝状裂缝和不规则短 裂缝。 2 2 混凝土地面开裂的原因特性 概括地讲， 导致车库 1 地面混凝土开裂特别是早期裂缝 的根本原因主要是由 变形作用引起的过大拉应力( 或拉应变) 而产生裂缝，而中后期裂缝与荷载作用尤其是地面混凝土受 到的震动、 冲击作用也有一定的关系。 变形作用主要包括温度 变形、 湿度变形和不均匀沉降变形等， 在这几种变形作用中， 湿度变化作用引起的裂缝占 主要部分13 1 。 研究分析认为， 影响地 面混凝土开裂的具体因素和特性有以下几个方面。 ( 1 ) 环境方面： 车库 1 施工期间北京已 进入冬季， 又恰逢 当地6 0 年一遇的严冬， 气候干燥寒冷， 且常常伴有5 6 级大 风， 地下室尚未封闭， 这对现场浇筑的薄型地面面层结构来说， 会造成混凝土表面急剧失水及蒸发不均， 收缩应力集中， 导致 地面混凝土早期微裂缝增加。 当地面混凝土处于成熟阶段， 正 值天气最冷时期， 夜间气温已降至一 l 6 ， 加之昼夜温差大， 引起地面温度变形作用加剧， 混凝土收缩变形剧烈， 裂缝发展 迅速。此外， 地面时有积水浸泡， 也是加剧地面湿度变化引起 混凝土湿胀干缩及冻融变形开裂的不利因素。 ( 2 ) 材料方面： 普通混凝土的抗拉性能很差， 由于混凝土 泵送浇筑需要较大的流动性， 水、 水泥用量增加， 骨料减少， 砂 率提高， 水灰比、 坍落度加大等， 导致收缩变形显著增加， 受到 某种约束后造成拉引力超限； 混凝土浇筑过程中采用平板振 动器振捣时， 控制不当会导致薄型地面混凝土骨料下沉， 灰浆 上浮， 表面很容易开裂。此外， 材料配合比是否综合考虑了地 面抗裂需求、 混凝土抗裂性能、 自 然环境因素、 现场施工条件 以及施工工艺流程， 也是造成混凝土浇筑后成型期间裂缝增 加的原因。 ( 3 ) 构造方面： 大型车库建筑混凝土地面属于大面积超长 薄板结构， 分格缝( 变形缝) 间距越大， 混凝土收缩变形越大， 引起的拉应力越大， 越容易产生裂缝； 地面混凝土厚度太薄， N E W BUI L DI NG MAT ER I AI_ S 2 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 刘志杰， 等： 纤维素纤维在建筑混凝土地面中的应用 保水性较差， 容易失水太快， 收缩变形剧烈； 地面混凝土一般 无配筋或仅有少量构造配筋， 属于素混凝土结构， 抗拉能力很 弱， 不像钢筋混凝土结构板配筋较多， 有抗开裂作用， 所以， 混 凝土地面较钢筋混凝土结构板更容易开裂、 更有必要采取抗 裂措施。另外， 地面混凝土裂缝控制缺乏相关标准规范， 设计 时往往疏于考虑裂缝特点、 材料特性、 环境因素、 施工条件以 及地面混凝土抗裂对基层结构变形的控制要求。 ( 4 ) 施工方面： 由于赶工期或经验少等各种原因， 施工作 业可能存在不规范、 不能严格按施工规程操作等现象， 影响地 面混凝土成型质量； 地面混凝土浇筑、 振捣工艺不当， 保温保 湿养护不足， 养护方法单一， 养护时间及质量往往达不到裂缝 控制的需要；施工期间一些不可遇见的人为因素影响工艺流 程的合理性； 地面后续的混凝土表面着色打磨、 密封固化、 切 缝处理等施工工序，这些后续作业势必对终凝前后及硬化成 型后期的混凝土产生扰动， 并可能会造成微观裂缝等内伤， 导 致处于养护阶段的混凝土开裂风险大大提高。 ( 5 ) 基层方面： 地面下基层旧混凝土表面灰浆或积水清理 不干净， 会降低地面与基层之间新旧混凝土界面粘结效果， 结 合不紧密甚至脱离， 加之后续施工各道工序的扰动影响， 会导 致薄型地面混凝土结构面层空鼓和裂缝； 基层表面不平整， 凸 凹起伏造成地面混凝土厚度不均匀，平整度不好和粗糙度不 一 致， 都会带来地面混凝土变形作用不协调， 引起收缩应力集 中现象；基层结构 混凝土的 粗糙表面对地面混 凝土 底面的 变 形起到一定的约束作用， 这种“ 面约束” 加剧了地面混凝土收 缩拉应力产生而导致更容易开裂；而基层结构不均匀沉降变 形的影响， 也会间接引起地面混凝土反射裂缝的发生。 ( 6 ) 载荷方面： 在受到载荷作用下， 地面混凝土板的弯曲 变形和内力受其基层结构板的弯曲变形和内力所制约和影 响， 可能引起反射作用裂缝： 或地面混凝土与基层结构紧密结 合， 形成类似“ 叠合结构 ， 共同受力， 在地面混凝土表面产生更 大的负弯矩拉应力使得地面开裂。地面混凝土表面常常受到 较大的活 荷载的 直接冲击作用， 特别是在震动 荷载的反复 集 中作用下， 使这种“ 叠合结构 产生振动效应， 在混凝土内引起 过大拉引力( 或拉应变) ， 加剧了裂缝的产生和扩展。 3 纤维素纤维对水泥混凝土抗裂作用机理 纤维素纤维是近年来出现的一种新型纤维材料，纤维素 纤维控制裂缝及抑制混凝土开裂的理论基础是建立在纤维抗 开裂的理论基础之上， 也适用于纤维间距理论、 三维乱向短纤 维增强机理及复合材料理论。 3 1 减少混凝土微观裂缝的生成 纤维素纤维本身具有天然的亲水性、 卓越的握裹力、 较高 2 4 新型建筑材料 2 o 1 5 7 的韧性和强度、 比表面积大且表面不规则等特性， 能明显改善 和提高水泥混凝土的力学性能。较短的纤维长度和亲水特性 使得纤维素纤维在混凝土中分散均匀，并能有效促进水泥水 化更加完全充分， 减少混凝土内 部的 空隙， 降 低孔隙率， 提高 混凝土的均质性和密实性。 当纤维素纤维加入混凝土中后， 在 水的浸泡和搅拌作用下， 形成大量均匀分布的细小纤维， 其较 大的不规则表面， 增强了混凝土对纤维的握裹力， 与混凝土水 泥水化物结合更紧密， 可有效阻止和减小水泥浆体的收缩， 减 少混凝土微观裂缝的生成。 3 2 限制混凝土微观裂缝的发展 纤维素纤维与胶凝材料充分混合， 在混凝土中形成三维乱 向分布的立体网格支撑体系， 可降低混凝土在塑性收缩形成的 张力， 减小微裂缝尖端的应力集中和混凝土内的收缩拉应力 集中。在混凝土收缩时， 其变形能量被纤维所吸收， 可使混 凝土收缩引起的拉应力消减或消除，阻止混凝土内部裂缝 进一步扩展， 增强了混凝土的韧性， 有效抑制其裂纹的发生 和发展， 从而使纤维素纤维对混凝土的阻裂效果和抗裂能力 大大提高4 1 。 4 水泥混凝土地面抗裂工程化保证措施 针对车库 1 地面施工后混凝土表面出现的裂缝问题， 为 了提高车库地面的感观效果、 使用功能和耐久年限， 防止微裂 缝的 扩展对地面外观 和建 筑物耐久性的 影响， 经与 设计、 施工 方及材料商共同研究，决定在车库2 混凝土地面中采用纤维 素纤维以解决地面混凝土开裂问题，并制定了以下抗裂综合 保证措施。 4 1 材料构造措施 根据车库1 地面产生的裂缝特征和开裂的原因， 调整地面 设计构造。 车库2 板块分格( 分缝) 基本尺寸为 3 4 m； 地面厚 度经设计计算确定， 不小于6 0 m m； 配筋直径、 间距适当减小， 按 细而密 ， 酉 己 置， 并贴近地面上皮铺设。 采用低强度等级混凝 土，并在地面混凝土中掺加0 9 k g m 。 的纤维素纤维 C T F ， 提 高混凝土的力学性能及抗裂性， 以控制地面混凝土塑性收缩 等早期因素引起的微裂纹， 并防止裂缝的发生和扩展。 混凝土制备和进行配合比试验时， 除应符合设计和施工 要求的性能外， 还应具有抵抗开裂所需要的功能。 调整砂石级 配， 使之有利于混凝土的 抗拉性能， 在保证强 度等级 和泵送施 工的条件下， 水灰比 控制在 0 4 5以下， 坍落度控制在 1 6 0 m m 以内， 严格控制砂子为含泥量少的中粗砂， 选用矿渣水泥等活 性较低水泥， 粉煤灰掺量不超过1 0 。 4 2 施工保证措施 ( 1 ) 基层处理 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m