纤维对高钙粉煤灰混凝土膨胀抑制作用研究.pdf

2 0 1 4年 第 2期 ( 总 第 2 9 2期 ) 混 凝 土 N u mb e r 2 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No 2 9 2 ) Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AI A ND ADM I NI CL E d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 4 0 2 0 2 6 纤维对高钙粉煤灰混凝土膨胀抑制作用研究 白燕 ( 辽宁城建职业技术学院 ，辽宁 沈阳 1 1 0 1 2 2 ) 摘要： 在大掺量高钙粉煤灰水泥浆体中掺人不同类型的纤维 ， 探求纤维在水泥基体发生膨胀时的作用效果和规律。 试验结果 表明： 不同纤维对水泥浆体膨胀抑制效果差别很大， 高弹模的碳纤维、 抗碱玻璃纤维能较好地抑制水泥浆体中高钙粉煤灰的膨 胀 ， 而低弹模的尼龙纤维对水泥浆体的膨胀作用无抑制作用 。 而在给定的掺有抗碱玻璃纤维情况下 ， 纤维掺量越大其对高钙粉煤 灰的抑制作用越明显。 关键词 ： 高钙粉煤灰 ；纤维；膨胀 ；水泥 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 2 0 0 9 5 0 3 E ffe c t o f f i be r s o n e x p a n s i on o f c on c r e t e wit h a l a r g e a mo u n t of h i g h f - C a O f l y a s h BAJYan ( L i a o n i n g U r b a nC o n s t r u c t i o n T e c h n i c a l C o l l e g e ， S h e n y a n g 1 1 0 1 2 2 ， C h i n a ) Ab s t r a ct： Th e e ff e c t s o f d i ffe r e n t t y p e s o f fi b e r s o n e x p ans i o n o f c e me n t p a s m， i n wh i c h a l a r g e a mo u n t o f fl y a s h wi t h h i g h c o n t e n t o f Ca O( HF A) wa s a d d e d， we r e i n v e s ti g a t e da n dt h e wa yt o p r e v e n t c e me n t p a s t e wi t hHF Af r o me x p ans i o nwa s p r o p o s e d T h e r e s u l t s s h o we d t h a t the e ffe c t s o f d i ffe r e n t fi be r s o n e x pa ns i o n o f c e me nt p a s t e we r e r e l a t e d t o the pr op e r t i e s o f fi be r s Ca r bo n fib e r an d a l ka l i - r e s i s t ant g l a s s fi b e r wh i c h h a d h i g h e l a s t i c mo d u l u s C an e ffe c t i v e l y r e s t r a i n the e x p an s i o n ， wh i l e n y l o n fi b e r wi th l o w e l a s t i c mo d u l u s h ad n o r e - s t r a i n t e ffe c t on the e x p an s i o n I n a d d i tio n， t h e r e s t r a i n t e ffe c t of a l k a l i r e s i s t an t gl a s s f i b er i n c r e a s e d wi th the i nc r e a s e o f fibe r c o nte nt K e ywo r d s ： n y a s h w i thh i 曲 f C a 0； fi b e r ； e x p ans i o n ； c e me n t 0 引言 高钙粉煤灰是火力发电场利用褐煤或次焰煤作为燃 料 产生 的灰渣 。 与一般低钙粉煤灰相 比 l - 2 ， 高钙粉煤灰 除 C a O含量较高外 ， 还含有 c A、 c 2 A等水硬性矿物， 具有一 定的自硬性。 高钙粉煤灰中的活性 C a O、 S O 含量较高 ， 能 起到激发剂作用 ， 因而高钙粉煤灰相对于低钙粉煤灰对水 泥混凝土强度的贡献更大。 但是 ， 将高钙粉煤灰大规模应用 于水泥混凝土中却存在着诸多困难。 因为 ： 高钙粉煤灰中 含有较高的f - C a O、 S O ， 等成分， 大掺量时将在水泥浆体中 生 成 C a ( O H) 而产生不均 匀膨胀 ， 导致水泥浆体 安定性 不 良和开裂 ； 由于煤种的变化 ， 引起其化学成分较大 的 波动 ， 质量难 以控制。 因此 ， 在水泥混凝土材料 的应用 中， 高钙粉煤灰的掺量仍受到较大的限制。 自2 0 世纪 7 0 年代 以来 ， 各国学者纷纷展开研究， 对高钙粉煤灰的综合利用 提 出了许多方法 3 ， 归纳起来有预水化处理 、 压蒸处理 、 加 入化学添加剂 、 制造成 膨胀剂或膨胀水泥等 。 以上这些处 理方从处理手段上看 ， 主要着眼于预先减少 、 消除、 转化高 钙粉煤灰中f - C a O、 A 1 2 o 等膨胀成分， 从减少有害膨胀源的 角度出发研究。 实际上 ， 只有在膨胀力大于抵抗其膨胀 的抑 制力时， 膨胀才能产生， 为此， 可以从抑制物理膨胀的角度 收稿 日期 ： 2 0 1 3 - - 0 8 - 2 4 出发进行研究。 针对抑制水泥基体中的膨胀， 不少研究者采 用了引入预应力或掺加纤维的方法 。 本试验主要探讨在 掺有高钙粉煤灰 的水泥砂浆 中引入抗碱玻璃纤维 、 尼龙纤 维及钢纤维， 研究其对高钙粉煤灰产生的膨胀的限制作用。 1试 验 1 1 原材料与配合比 试验使用上海水泥厂 P 0 4 2 5级水泥及上海吴泾热 电厂高钙粉煤灰， 主要化学成分见表 1 ； 本次试验中使用的 纤维共四种 ， 其主要性能参数见表 2 。 表 1 试验材料的化学组成 试验材料 S i O 2 F e 4 0 3 A 1 2 o 3 C a O Mg O S O 3 L o s s f _ c a 0 表 2 试验用纤维类型及主要性能参数 本次试验研究中， 水泥净浆与混凝土的配合比相同： 水 9 5 泥与高钙粉煤灰 比固定为 0 2 0 ， 掺入水泥质量 2 0 石膏作 为高钙粉煤灰激发剂， 水灰比固定为 0 3 0 ， 最大砂率 固定 为 4 0 。 根据纤维的不 同掺法 ， 水泥净浆共制作 了 8 组 ， 具 体配合比见表 3 ； 对于混凝土试样， 纤维体积掺量固定为2 0 ， 其具体配合 比见表 4 。 表 3 水泥净浆试样配合比 系列 水泥 高钙粉煤灰 纤维种类及掺量 2 8 d 抗压强度 MP a 1 2测 试 方 法 用于测试混凝土和水 泥净浆膨胀率试样 分别选 用尺 寸为 1 0 0 m mx 1 0 0 m inx 5 1 5 m m 和 2 5 m mx 2 5 mmx 2 8 0 m m 的棱柱体 ， 试样两端安置用于测试的铜头。 浇筑成型后， 试 样表面用塑料保鲜膜包裹住 ， 1 d 后拆模用收缩仪测试其 初始 长度 ， 然后将试样移 至恒温恒湿养护箱 ， 控制养护箱 内温度 为( 2 0 + 1 ) 。 相对湿 度为( 6 0 -+ 5 ) ， 待测试龄期取 出试样， 测试前用干毛巾将试样表面的水测试干净 ， 量测其 长度， 同一试样反复测试三次， 取其平均值。 膨胀率计算参照 J T J 2 7 0 - - 1 9 9 8 ( Z 运工程混凝土试验规程 进行。 抗压强度测 试参照 国家标准试验方法进行 ， 混凝土试样选为 1 5 0 m m 1 5 0 mmx 1 5 0 m i l l 的立 方体试样 ， 水 泥净浆选用 4 0 m 1 2 l 4 0 minx 1 6 0 m m试样折断后进行 。 2 试验 结果 与讨论 2 1 纤维对水泥净浆膨胀率的影响 以等掺量的水泥加高钙粉煤灰为基准组 ， 各种纤维 以 1 0 的体积分数掺入， 其膨胀率随养护时间的变化如图 1 所示 。 从图 1 的曲线可见 ， 在水泥浆体 中掺人高钙粉煤灰后 引起了较大 的体积膨胀 ， 而掺加纤维能很好地抑制了这种 膨胀 。 掺加纤维后 ， 基体的膨胀率 随养护时间变化的趋势与 基准组一致 ， 膨胀主要发生在养护岭期 7 d之前， 而 7 d 之 后膨胀基本趋于稳定 。 但不同纤维对基体膨胀抑制作用不 同。 掺有相 同体积的玻璃纤维和碳纤维水泥基体在各岭期 的膨胀率基本相 同， 且对膨胀 的抑制最为显著 ， 其 6 0 d的 膨胀 率为基准组 的 5 4 0 。 钢纤维的抑制效果远不如碳纤 维和玻璃纤维 ， 而尼龙纤维最差 ， 基本没有抑制作用 。 通常 ， 引起不 同纤维抑制效果的原 因可以从 以下两方 9 6 4 O 3 5 3 0 2 2 5 褂 2 0 蓉l _5 1 0 0 5 +不掺高钙灰水泥净浆 +钢纤维 +掺高钙灰基准样 *一 玻璃纤维 U l U 2U 3U 4U 5O 60 养护龄期 d 图 1 纤维种类对水泥净浆膨胀率影响 面来解 释。 一是纤 维与基体 的界 面黏结性能 。 在基体性质 相同的情况下 ， 界面黏结性能与纤维 的形 状 、 尺寸 、 表面粗 糙程度有很大关系。 在纤维体积掺量相同情况下， 纤维尺寸 越大， 单位体积内纤维的数量就越少， 纤维与基体结合的 界面面积也就越小 ， 对膨胀 的抑制作用越低。 在本研究 中 ， 钢纤维的总 比表面积远小于碳纤维和玻璃纤维 ， 因此 ， 其抑 制效果没有碳纤维和玻璃纤维的理想 。 二是纤维 的弹性模 量 。 如果把试样 内部的膨胀应力理解为试样受到外界拉应 力的作用， 并把膨胀率看作应变值， 那么在膨胀力一定的 情况下， 抗拉弹性模量越小， 应变就越大， 也就是膨胀率越 大。 从复合材料了力学的角度出发， 用混合定律粗略估算纤 维增强复合材料 的抗拉弹性模量的上限值 ， 有计算式 ： E = f E f + ( 1 一 f ) ( 1 ) 式 中： E 弹性模量 ； 体积 ； 下标 C 复合材料 ； 下标 ， 一 纤维 ； 下标 m 基体 。 稍作整理 ， 式( 1 ) 可写成 ： E L：= E + f +( E f E m ) ( 2 ) 从式( 2 ) 可知， 当纤维的弹性模量大于基体的弹性模量 时 ， ( 一 ) 大于零 ， 整个材料 的弹性模量增大 ， 反之则减 小。 所以 ， 当弹性模量远大于硬化水泥浆体( 约为 1 7 G P a ) 的 碳纤维 、 玻璃纤维和钢纤维掺入浆 体后 ， 浆体的弹性模量 增大。 在相同的应力作用下 ， 这将使应变减小 ， 即膨胀率减 小 ； 而对于低弹性模 量的尼龙纤维 而言 ， 由于其 弹性模 量 小于硬化水泥浆体 的弹性模量 ， 所以当掺有尼龙纤维的试 件受到相 同膨胀力 的作用时 ， 因试件 的弹性模量降低而致 使试件的应变增大 ， 即膨胀率增大。 从 2 8 d 强度测试数据看 ， 掺有高弹模纤维 的水泥净浆 ， 其 2 8 d 强度均有不同程度提 高 ， 一方 面是 由于其弹模较高 ， 另外一方面表 明纤维加入 ， 膨胀得到了抑制 ， 膨胀裂缝减少 ， 显微结构获得改善 ， 从而 使强度有所上升。 而低弹模则使其抗压强度下降了。 2 2 玻璃纤维掺量对水泥净浆膨胀率的影响 考虑到玻璃纤维与碳纤维对掺有高钙粉煤灰水泥基体 的抑制作用较为显著， 而碳纤维价格昂贵。 因此 ， 我们选择 玻璃纤维作为进一步研究 目标 。 图 2 为不 同玻璃纤维掺量 下体系膨胀率随养护龄期变化关系， 图 3 是在各个龄期下膨 胀率与同期基准组膨胀率的比值随掺量变化曲线。 4 O 3 5 3 0 1 2 5 替 20 l _ 5 1 O 0 5 0 U 4 U O 0 1 0 1 2 1 4 l b 纤 维体积掺 量 图 3 纤维掺量对不同龄期下膨胀率与同期基准组膨胀率的比值影响 从图 2 可以看出， 掺少量的玻璃纤维就可以比较显著地 抑制基体的膨胀， 掺 0 5 时的 6 0 d 膨胀率为基准的 6 5 ； 随着纤维体积掺量的增加 ， 抑制作用也增强。 从图 3的曲 线随掺量变化趋势可以发现， 玻璃纤维掺量在 0 5 以前 时 ， 曲线下降较快而掺量超 过 0 5 以后 ， 曲线 变得平缓 ， 这说明单位体积率的纤维对膨胀的抑制作用逐渐减弱。 另 外 ， 从图 3中不 同龄期 间曲线对 比可 以看到 ， 在早期纤 维 对膨胀的抑制效果 比后期显著。 这是因为， 7 d以前， 基体 的膨胀显著增加 ， 此时纤维 的抑制作用体现明显 ； 7 d以后 ， 基体内的 f - C a O已基本消解 ， 纤维的抑制作用不明显。 此外 ， 在早期， 基体本身抗拉强度较低， 而随着龄期的增长， 基体 本身 的抗拉强度有了提高 ， 纤维对膨胀的抑制作用也就相 对弱 了。 2 3 混杂纤维对混凝土膨胀率影响 与水泥净浆相 比， 混凝土 中含有粗骨料。 研究表明 ， 粗 骨料与纤维一样， 能对水泥基体的收缩和膨胀起抑制作用。 图 4给 出了混杂纤维对大掺量高钙粉煤灰混凝土膨胀抑 制作用的影响。 从 图中混凝土膨胀应变数据可见 ， 粗骨料能 有效地抑制高钙粉煤灰 的膨胀( 混凝土膨胀应变值约为水 泥砂浆的 1 1 0 ) 。 同时发现， 在相同体积掺量下， 单掺钢纤 维或玻璃纤维对 高钙粉煤灰 的抑制作用 没有混杂纤维 明 显。 从 图中也可以看出 ， 不同系列掺有高钙灰的混凝土膨胀 3 5 3 O 2 5 2 0 褂 凿 1 5 渣 l 0 0 5 0 l O 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 养 护龄期 ， d 图 4 混杂纤维对混凝土膨胀率影响 率值大小顺序为： M MS MG S G。 如在 1 4 d 龄期时的试 样， 与单掺钢纤维和玻璃纤维试样相比， 其膨胀率分别降 低了 4 3 3 和 5 5 9 。 混杂纤维能较大幅度降低高钙灰带 来的膨胀率 ， 主要原因可 能是 由于不 同尺寸和种类 的纤维 在不同结构层次上发挥不同的效果， 这对于实际工程的应 用具有较高的指导意义 。 3结 论 通过以上试 验研究 ， 可以得到如下主要研究结论 ： ( 1 ) 对于掺有高钙粉煤灰的水泥净浆 ， 不 同纤 维对 其 膨胀率的抑制作用效果依赖于纤维的弹模以及纤维与水 泥浆体界面黏结特性。 ( 2 ) 具有高弹模的纤维， 如玻璃纤维， 碳纤维和钢纤维 对于掺有高钙粉煤灰水泥净浆的膨胀率具有显著的抑制 作用， 而低弹模纤维， 如尼龙纤维则对其膨胀几乎没有抑 制作用 。 ( 3 ) 玻璃纤维对高钙粉煤灰水泥净浆不同龄期 的膨胀 率抑制作用随其体积掺量增大而提高。 ( 4 ) 由于尺寸效应， 混杂纤维对于掺有高钙粉煤灰混 凝土的膨胀作用抑制效果优于单掺某种纤维。 参考文献： 1 陆平 高钙粉煤灰基本性能研究【 J 上海建材， 1 9 9 5 ( 2 ) ： 1 4 【 2 1叶尔宁高钙粉煤灰的综合利用 J 】 _上海建材， 1 9 9 5 ( 6 ) ： 3 2 【 3 顾麟麒， 顾梦煦 高钙粉煤灰的综合利用【 J 新型建筑材料， 1 9 9 7 ( 1 0 ) ： 4 1 【 4 】S WA M Y R N ， S T A V R I D E S H I n fl u e n c e o f f i b e r r e i n f o r c e m e n t o n r e s t r a i n e d s h ri n k a g e a n d c r a c k i n g J A C I Ma t e ri a l s J o u r n a l ， 1 9 7 9 ， 7 6 ( 3 ) ： 4 4 3 5 I S AB E L P， R ON AL D F Z E f f e c t o f s y n t h e t i c fi b e r s o n v o l u m e s t a - b i l i t y a n d c r a c k i n g o f p o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e a n d m o r t a r J A C I Ma t e r i a l s J o u r n a l ， 1 9 9 0 ， 8 7 ( 4 ) ： 3 2 7 6 G U O H， Q I A N C ， Z H A O X ， e t a 1 R e s t r a i n e d al k al i a g g r e g a t e e x p a n s i o n d u e t o s t e e l fi b e r a d d i t i o n s i n c o n c r e t e J Ma g C o n c r e t e Re - s e a r c h ， 1 9 9 9 ( 5 1 ) ： 6 5 6 9 7 T UR AN L I L， S HO MG L I N K， OS T ER T AG C P， e t a 1 Re d u c t i o n i n a l k a l i s i l i c a e x p a n s i o n d u e t o s t e e l mi c r o fi b e r s J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 1 ( 3 1 ) ： 8 2 5 8 2 7 【 8 T O U T A N J I H A P r o p e r t i e s o f p o l y p r o p y l e n e fi b e r r e i n f o r c e d s i l i c a f u m e e x p a n s i o n - c e m e n t c o n c r e t e 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 al s ， 1 9 9 9 ( 1 3 ) ： 1 7 1 1 7 7 作者简介： 白燕( 1 9 7 2 一 ) ， 女， 副教授， 硕士， 研究方向： 建筑材料。 联系地址 ： 沈北新区蒲硕路 8 8 号 ( 1 1 0 1 2 2 ) 联系电话 ： 1 3 9 9 8 2 1 5 6 6 0 97