钢纤维全轻混凝土抗冻性能研究.pdf

2 0 1 1年 第 1 1期 (总 第 2 6 5 期 ) Nu mb e r 1 1 i n 2 01 1 ( To t a l No2 6 5) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 MATERI AL AND ADM r NI CL E d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 1 1 0 3 0 钢纤维全轻混凝土抗冻性能研究 李长永 1 I2 ，陈淮 ，赵顺波 ( 1 郑州大学 土木工程学院，河南 郑州 4 5 0 0 0 1 ； 2 华北水利水电学院，河南 郑州 4 5 0 0 1 1 ) 摘要 ： 试验研究 了水泥用量 、 水灰 比和钢纤维对全 轻混凝 土 、 钢纤 维全轻混凝土抗冻性能的影响 ， 混凝土轻骨料采用膨胀页岩 陶粒和 轻砂。 结果表明： 全轻混凝土和钢纤维全轻混凝土均未因冻融循环产生质量损失； 与相对动弹性模量比较， 抗弯强度损失率随冻融循环的 变化更加明显。 采用适当水泥用量和水灰比配制的全轻混凝土具有一定的抗冻能力， 钢纤维对全轻混凝土抗冻性能具有显著的增强效果 建议对于主要承受弯曲作用的结构构件混凝土， 增加抗弯强度损失率作为抗冻性评价指标。 关键词 ： 全轻混凝 土 ；钢纤维 ；抗冻性能 ；质量损失 ；相对动 弹性模量 i抗弯强度 中图分类号 ： T U5 2 8 5 7 2 文献标 志码 ： A 文章编 号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 1 1 0 0 9 8 0 2 F r os t pe r f or man c e o f s t ee l f i ber r e i nf or c ed f ul l l i g ht - w e i gh t c on cr e t e LI Ch a n g-yo n g ， C HEN Hu a i ， ZHA0 S hu n b o ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， Z h e n g z h o uUn i v e r s i t y， Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 1 ， C h i n a ； 2 No r t hCh i n aI n s t i t ut e of Wa t e rCo n s e r v a n c y a n dHy d r o e l e c t r i c P o we r ， Z h e n g z h o u4 5 0 01 1， Ch i n a) Abs t r a c t ： Th ee ffe c t s o f c e me n t c o n t e n t ， wa t e r t oc e me n t r a t i oa n d s t e e l fib e ro nfre e z e t ha wp r o p e rti e s o f f u l l l i g h t we i g h t c o n c r e t e( FL C) a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e df ul l l i g h t we i g h t c o n c r e t e( S F RFL C)we r e s t u d i e db y r a p i dfre e z e - t h a wt e s t me t h o d Th el i g ht we i g h t a g g r e g a t e swe r e e x p a n d e d s h a l e a n d l i g h t we i g h t s a n d Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e FL C a n d S F RF LC a r c n o t ma s s l o s s r e s ul t e d fro m fr e e z e t h a w c y c l e s ， a n d t h e l o s s r a t e of fl e xu r a l s t r e s lg t h i s s e n s i t i v e t o fre e z e t ha w c y c l e s t ha n t h e r e l a t i v e d y n a mi c m o d ul u s o fe l a s t i c i t y； c e rta i n c a p a c i t y o fF LC t o r e s i s t fre e z e t h a w c a n b e g o t b y p r o pe r l y p r o p o rti o n s wi t h c e me n t c o n t e n t a n d wa t e r t o c e me n t r a t i o； t h e fre e z e t h a w r e s i s t a nc e o f SF RF LC i s o b v i o u s l y e n h a n c e d b y a d d i n g s t e e l fib e r I t i s p r o p o s e d t h a t a d d i n g t h e l o s s r a t e o f fle x u r a l s t r e n g t h a s t h e e v a l u a t i o n i n d e x f o r fre e z e t h a w r e s i s t a n c e o f F LC a nd S F RF LC wh e n t h e y a r e u s e d for s t r u c tur a l me mb e r s ma i n l y s u b j e c t e d t o fi e x u r a l a c t i o n s Ke y wor ds ： ful l l i g h t we i g h t c o nc r e t e ； s t e e l fi b e r ； fre e z e -t h a wp r o p e r t y； ma s s l o s s ； r e l a t i v e d y n a mi c mo d u l u s o f e l a s t i c i t y ； fl e x u r a l - t e ns i l e s t r e n g t h 0 引言 轻质混凝土在结构工程中的应用对于减轻结构自重， 提高 结构抗震性能， 降低基础工程量， 减小结构热桥效应 ， 提高建筑 保温性能具有一系列优越性。 但轻质混凝土具有的高孔隙率特 点将使其产生吸水特性 ， 在冻融环境中应用时， 需特别关注抗 冻性能【 1 _ 2 1 。 因此 ， 本项 目在前期力学性能研究基础上L 3 I ， 开展了 全轻混凝土抗冻性能试验研究。 1 试验概 况 1 1 原材料 试验采用 P O4 2 5 *- g k 泥、 膨胀页岩陶粒和轻砂3 1 。 J HY 6 0 0 0 高效减水剂的实测减水率为 1 5 5 。 钢纤维为薄板剪切型， 等效 直径 0 6 m m， 等效长度 3 2 m n l 。 拌和用自来水。 1 2混凝 土 配合 比 本试验共 1 0 组配合比， 按混凝土强度等级 L C 3 0 、 轻骨料 密度等级 8 0 0 进行结构全轻混凝土配合比各参数范围的选择【 l l， 参数组合如表 1 所示， 考虑水泥用量、 水灰比的变化， 高效减水 剂用量为水泥的 0 7 5 。 在各配合比基础上， 通过直接掺人体积 表 1 混凝土配合比参数组合 率为 1 5 的钢纤维配制成钢纤维全轻混凝土。 1 3试 验 方 法 目前混凝土抗冻试验有慢冻法和快冻法。 尽管慢冻法 与 二 程实际相对接近， 但存在试验时间长、 劳动量大和试验误差大等 缺点， 同时该方法使用抗压强度评价抗冻性能是不合理的 。 根据以往的研究 ， 质量损失不能确切反映混凝土抗冻性 1 ， 而 抗弯强度对冻融循环次数更敏感 。 因此 ， 本试验采用室内试 验常用的快冻法 ， 利用相对动弹性模量 、 质量损失率和抗弯强 度损失率评价混凝土抗冻性能。 利用 C D R 2快速冻融试验机 、 DT 8 W 动弹模仪、 WE 6 0 0 B液压试验机等仪器设备 混凝土试 件为 1 0 0 m mx l 0 0 mmx 4 0 0 mm的棱柱体， 相对动弹性模量和质 量损失率每 2 5次冻融循环测试一次， 抗弯强度每 5 0次冻融循 收稿 日 期：2 0 1 1 - 0 5 - 2 9 基金项目：郑州市科技领军人才项目( 0 9 6 S Y J H 2 3 1 0 5 ) 、 河南省高校创新人才培养工程培养对象项 目( 豫教高 2 0 0 4 2 9 4 号) 98 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 环试验一次。 昆凝土采用强制式搅拌机拌和。 拌和下料次序及时问为： 膨胀页岩陶粒、 轻砂、 1 1 2拌和水 ， 预拌 2 mi n后再加水泥、 钢纤 维、 减水剂和剩余拌和水 ， 之后所有材料进行搅拌， 总时间控制 在 6 mi n以内。 坍落度测试完成后立即浇筑试件， 拌合物一次性 注满试模并在振动台上震动成型。 成型2 4 h后拆模 ， 放入标准养 护室内养护 2 8 d开始冻融试验。 2 试验结果分析 2 1 质量损失率 质量损失率( A W ) 是现行规范规定的一个混凝土抗冻性评 价指标 ， 如果质量损失率超过 5 ， 冻融破坏即达到极限状态。 本试验测得的质量损失率均为负值， 表明试件的质量是增加的， 因此称为质量变化率更加贴切。 产生这一结果的主要原因可能 是试件内部的微裂缝在冻融循环过程中不断连通并扩展 ， 被这 些微裂缝吸收的水分质量大于试件表面剥落的质量。 孚 0 一 1 一： 罂 一 s 一4 全轻 混凝土 卜 - 4 0 0 k g m _4 6 0k g m - r _ 5 2 0k g m 钢 纤维 全轻混凝土 十 4 0 0 k g ( m ： 4 6 0 k g ( m： 5 2 0k g m 誊 一 槲 壬 I 一 一 咄 喀 一 全轻 钢纤维 混凝土全 轻混 凝土 +0-3 O -口 一03 0 0 3 5 03 5 广 - 04 0 04 0 冻融循环次数n 冻融循环次数 ( a ) ( b ) 图 1 质量损失率随水泥用置和 W， c的变化 由图 1 可见， 在水灰比W C = O 3 5时， 较大的质量变化率发 生在水泥用量 4 0 0、 5 2 0 k g m3 的全轻混凝土， 这意味着当水泥用 量少时包裹多微孔膨胀页岩陶粒的水泥浆量不足， 当水泥用量 太大时由于水泥快速水化产生大量水化热也会导致水泥浆内 部微裂缝 ， 这些微裂缝在冻融循环过程中继续发展将吸收更多 的水分。 当水泥用量 4 6 0 k g m 时， 全轻混凝土的质量变化率随 着水灰比W C的减小而迅速降低， 这表明混凝土表面的抗剥落 能力增加 ， 混凝土内部微裂缝也由于收缩变形降低和水泥浆体 微裂缝减少而减轻。 同时， 水灰比对全轻混凝土抗冻性能的影响 大于水泥用量的影响。 钢纤维对全轻混凝土质量变化具有明显的限制作用。 尽管 钢纤维对混凝土表面脱落的限制较小， 但它延迟并阻滞了混凝 土内部微裂缝的发生与发展， 从而降低了混凝土内部吸水的能 力。 在水灰比W C相同时， 水泥用量增加会显著地增强钢纤维 对混凝土质量变化的控制效应； 当水泥用量大于 4 6 0 k g m3 时， 钢纤维将会更好地被水泥浆体包裹而增强相互间的黏结性能， 内部的微裂缝将受到更好的约束。 同时， 由于本试验在水泥用量 4 6 0 k g m3 时适合于配制钢纤维全轻混凝土， 因此随着水灰比的 减小 ， 钢纤维全轻混凝土的抗冻融循环次数显著增多。 本试验中所有试件的质量变化率均未达到冻融破坏限值 5 。 2 2 相对动弹性模量 相对动弹性模量( ) 反映了混凝土密实性受冻融循环的 影响， 也表征了混凝土内部结构破坏的发展历程 1 0 - 1 1 】 。 因此， 相 对动弹性模量将随着冻融循环次数的增加而降低 ， 混凝土的抗 冻性能也随之降低。 罨 敲 霞 O O 8 0 6 0 40 2 0 、 全轻 混 凝土 - -4 0 0k g m +4 6 0 k g m： - 一5 2 0 k g m 钢纤维 全 轻混凝 土 +4 0 0k g m _ o _ 4 6 0 k g ( m 5 2 0k g m 罨 戳 藤 全轻 钢纤维 混凝 土全轻混 凝土 +0 3 O 0 3 0 +0 3 5 - o 一0 3 5 _0 40 04 0 0 5 0 1 0 0 l 5 O 2 0 0 2 5 0 0 5 0 l 0 U l 5 0 2 0 0 2 5 0 冻融 循 _环 次 数 r 冻融 循 _环次 数 n r ( a J ( b J 图 2 相对动弹性模 置随水泥用量和 W C的变化 由图2可见， 全轻混凝土和钢纤维全轻混凝土的相对动弹性 模量均随着冻融循环次数的增加而降低。 在水灰比W C = O 3 5的 4 q ： - F， 水泥用量 4 0 0 、 5 2 0 k g m3 的全轻混凝土的相对动弹性模量 较小； 在水泥用量4 6 0 k g ms 的条件下， 全轻混凝土的相对动弹性 模量将随着水灰比的增大而陕速减小。 与质量损失率比较， 相对动弹 性模量对混凝土内部缺陷和破坏更加敏感。 选择适当的水泥用量和 水灰比可以得到良l 子 抗冻陛能的全轻混凝土。 若取抗冻破坏时相对 动弹I生膜量不小于 6 0 ， 本试验全轻混凝土在水泥用量 4 6 0 k g ms 、 水灰比不超过 0 3 5 时， 抗冻融循环次数可至少达到 1 0 0次。 钢纤维显著提高了全轻混凝土的相对动弹性模量， 即使在 最大水灰比情况下， 钢纤维全轻混凝土的相对动弹性模量在冻 融循环 2 5 0次后仍达到6 1 3 ， 而不掺加钢纤维的全轻混凝土在 冻融循环 7 5次后就已经破坏而无法测得相对动弹性模量。 其 他钢纤维全轻混凝土均足以承受 2 5 0次以上的冻融循环。 2 3 抗 弯强度损失率 对比图 2 、 3可见， 当全轻混凝土的相对动弹性模量不小于 现行规范规定限值 6 0 时， 混凝土抗弯强度损失率非常显著。 例 如， 当冻融循环次数达到 1 O 0时， 水泥用量 4 6 0 k g m 和水灰比 W C = O 3 5 的全轻混凝土的相对动弹性模量为 6 7 O ， 但抗弯强度 损失率已达到了8 2 6 。 这表明抗弯强度比相对动弹性模量更敏 感。 尽管全轻混凝土的抗冻性指标满足要求， 但其抗弯强度已不 能满足工程使用性要求。 因此， 应考虑将抗弯强度损失率作为主 要承受弯曲作用的全轻混凝土结构构件的抗冻性能评价指标。 琶 赵 癌 静 冻融循 环次数n 冻融循 环次数n ( a ) ( b ) 图 3 抗弯强度损失率随水泥用量和 W C的变化 钢纤维显著减轻了全轻混凝土的抗弯强度损失率， 这归功 于跨越混凝土裂缝的钢纤维产生的桥架效应， 此效应减轻了裂 缝尖端的应力集中并将混凝土开裂释放的应力传递到未开裂 混凝土内， 从而阻滞了裂缝的进一步发展。 3结 论 由于混凝土内部微裂缝的吸水作用， 冻融循环未导致全轻 下转第 1 O 2页 9 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 3 外加剂里加消泡剂 。 使用巴斯夫脱模剂 使用辅助材料透气无纺布来解决气泡问题， 试验结果如图4 ， 试 验结果非常好 ， 使用透气无纺布的一面没有任何气泡 ， 且混凝 土颜色都均匀一致， 之后用透气无纺布复试， 结果仍然一样 ， 说 明使用透气无纺布可以解决 自密实混凝土气泡多的问题 ， 而且 保险系数很高。 图4 使用透水模板布的试验情况 5 工程 实例 分别在太湖大道 S D 0 1 标和 S D 2标进行了现场自密实清水 混凝土的浇筑试验 ， 浇筑太湖大道 S D 2标的时候， 混凝土用水量 偏高， 料有点离析， 拆模后效果如图 5 ， 浇筑太湖大道 S D 0 1 标试 验墙时， 混凝土工作性良好， 扩展度现场实测 6 5 0 r n l n ， 其他指标 都符合要求 ， 拆模后效果如图6 。 6 总结 图 5 太湖大道 S D 2标试验墙拆模效果 图 6 太湖大道 SD 0 1标试 验墙拆模效果 形成 以下一些观点 ： ( 1 ) 自密实混凝土和清水混凝土要解决的问题 目标有差异 ， 自密实解决的是无法振捣的问题， 清水解决的是不加外装饰的 问题 。 ( 2 ) 清水混凝土的实现是建立在分层浇筑、 充分振捣的基 础上的， 与白密实混凝土施工方案相悖。 ( 3 ) 若要使用清水自密实混凝土， 必须使用辅助透气材料， 如透气无纺布。 ( 4 ) 浇筑清水混凝土， 提前 1 d以上涂脱模剂能显著改善混 凝土拆模后的外观效果。 ( 5 ) 浇筑 自密实混凝土， 放慢浇筑速度有助于气泡的排出。 作者简介 联 系地址 通过对太湖大道自密实清水混凝土系列试验的参与， 笔者 联系电 话 上接第 9 9页 混凝土质量损失， 因此质量损失率不是反映全轻混凝土抗冻性 能的合理指标。 全轻混凝土的抗冻性能受到水泥用量和水灰比 的影响， 选择合适的水泥用量和水灰比可以使全轻混凝土具备 一 定的抗冻能力。 钢纤维能够显著增强全轻混凝土的抗冻性能， 不仅可以提 高相对动弹性模量， 也降低抗弯强度损失率。 抗弯强度损失率对 冻融循环更为敏感 ， 建议将其作为主要承受弯曲作用的结构构 件混凝土抗冻性能评价指标。 参考文献： 1 】 J G J 5 1 2 0 O 2 ， 轻骨料混凝土技术规程 s 】 E 京： 中国建筑工业出版 社， 2 0 0 2 【 2 1 徐锦平 ， 陈建华， 周绍豪 轻骨料混凝土的应用研究及展望 J 】 国外建 材科技， 2 0 0 7 ， 2 8 ( 5 ) ： l l l 3 【 3 】 李长永， 钱晓军， 赵顺波 全轻混凝土基本力学性能试验研究 昆 凝 土， 2 0 1 0 ( 5 ) ： 7 9 8 2 f 4 1 杨绍明 ， 周双喜 混凝土抗冻性试验方法及其评价参数的探讨 J J _ 混 凝土， 2 0 0 8 ( 4 ) ： 2 7 2 8 1 02 刘博( 1 9 8 4 一 ) ， 男， 助理工程师。 江苏省无锡市北塘区丽新路 1 0 0 号 无锡众和混凝土有限 公司( 2 1 4 0 4 4 ) 1 8 9 2 1 1 8 8 7 01 5 】潘书云 混凝土抗冻耐久性标准及评价 河南建材， 2 0 0 9 ( 2 ) ： 7 2 7 3 6 陈爱玖， 王静， 章青再生粗骨料混凝土抗冻耐久性试验研究 J 】 新型 建筑材料 ， 2 0 0 8 ( 1 2 ) ： 1 5 7 高蕾 ， 陈拴发 配合比设计参数对高性能混凝土抗冻性敏感特性的 影响l J 1 交通运输工程学报， 2 0 0 6 ( 4 ) ： 2 7 3 1 8 1 程红强， 张雷顺， 李平先 冻融对混凝土强度的影0 rNJ 河南科学， 2 0 0 3 ( 2 ) ： 2 1 4 2 1 6 9 王海龙 ， 申向东， 霍俊芳， 等 冻融环境下钢纤维对轻骨料混凝士力 学性能的影响l J 1 混凝土， 2 0 0 8 ( 8 ) ： 6 5 6 8 【 l O 汪澜 水泥混凝土组成、 性能、 应用 M - E 京 ： 中国建材工业出版社 ， 2 0O 5： 6 1 4 6 1 6 1 l i e u 大鹏， 霍俊芳 纤维轻骨料混凝土冻融损伤模型研究 J I _ 硅酸醯通 报， 2 0 0 9 ， 2 8 ( 3 ) ： 5 6 8 5 7 1 作者简介： 李长永( 1 9 7 7 一 ) ， 女， 博士研究生， 副教授， 主要从事建筑材 料研究。 联系地址： 河南省郑州币北环路 3 6 号 华北水利水电学院土木与交 通学院( 4 5 0 0 1 1 ) 联 系电话 ： 0 3 7 1 6 9 1 2 7 3 7 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m