纤维素纤维对渡槽C50混凝土的性能影响.pdf

2 0 1 0年 第 5期 (总 第 2 4 7期 ) N u mb e r 5 i n 2 0 1 0 ( T o ta 1 No 2 4 7 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原 材料及辅助物料 M AT ERI AL AND ADM I NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 5 0 1 8 纤维素纤维对渡槽 C 5 0混凝土的性能影响 李北星 ，周芳 ，王长德 ，夏京亮 ，龙昌 ( 1 武汉理工大学 硅酸盐材料 工程教育部重点实验室 ，湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 2 武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 4 3 0 0 7 2 ) 摘要 ： 研究了纤维素纤维对渡槽 C 5 0 混凝土的工作性、 力学性能 、 抗渗性能及塑性收缩开裂特性的影响， 并与聚丙烯纤维进行了对 比。结果显示 ， 掺纤维素纤维使混凝土的工作性能略有降低， 对抗压强度影响不大， 显著提升了混凝土的劈拉强度、 抗裂性及抗渗性， 表现 出了比聚丙烯纤维优越的性能， 更适合渡槽混凝土抗裂防渗的要求。 关键词： 渡槽；高强混凝土；纤维素纤维； 抗裂性；抗渗陛 中图分类号 ： T u5 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 0 ) 0 5 0 0 5 4 0 3 E ffec t o f c el l ul os e f i be r 01 1 pe r f or ma nc e s of C5 0 c on c r e t e f or a qu edu c t LI Be i - x i n gI ZHOUFa n g ， WANG Ch a n g - d e 2 , XI A J i n g - l i ang ， LONG Ch a n g ( 1 Ke y L a b o r a t o r y o f S i l i c a t e Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g o f Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n ， W u h a n U n i v e r s i t y &T e c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 0 ， C h i n a ； 2 S t a t e Ke yL a b o r a t o r yo f Wa t e r R e s o u r c e s a n dHy d r o p o w e r E n g i n e e ri n g S c i e n c e s ， Wu h a nU n i v e r s it y， Wu h a n4 3 0 0 7 2 ， C h i n a ) Ab s t r ac t ： Effe c t o f c e l l u l o s e fib e r o n wo r k a bi l i t y， me c h a n i c a l p r o p e r t i e s ， a n t i p e r me a b i l i ty a n d p l a s t i c s h ri n k a g e c r a c k p r o p a g a t i o n o f C5 0 g r a d e c o n c r e t e f o r a q u e d u c t wa s inv e s t i g a t e d， wh i c h wa s c o mp a r e d wi t h t h a t o f po l y p r o p y l c n e fi b e r Th e r e s u Rs i n d i c a t e t h a t t he a n t i p e rm e a b i l i t y， c r a c k i n g r e s i s t a n c e p r o p e r t y and s p l i t t i n g s tre n g t h of c o n c r e t e a r e i mp r o v e d b e c a u s e o f t h e a d d i t i o n o f c e l l ul o s e fi b e r Th e wo r k a b i l i t y o f c o nc r e t e d e c r e a s e s and t h e c o mp r e s s i v e s tre n g t h wa s s c a r c e l y c h a n g e d wi t h t h e i n c r e a s e o f fi b e r c o n t e n t Th a t s h o ws tha t the c o n c r e t e wi t h c e l l u l o s e fi b e r h a s b e tt e r ant i - p e r me a b i l i t y a n d c r a c k i n g r e s i s t a n c e p r o p e r t y t h an t h a t wi t h p o l y pr o p y l e ne fi b e r K eywor d s： a q u e d u c t ； h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e； c e 1 l u l o s efi b e r ； c r a c k i n g - r e s i s ta n c ep r o p e r t y； ant i - pe r me a bi l i ty 0 引 言 渡槽作为输水建筑物， 其结构除要满足强度和承载能力之外， 还应具有良好的抗裂、 防渗和耐久能力。在现代大型渡槽建设中， 大量采用了预应力高强混凝土槽身结构。高强混凝土由于水泥 用量高、 水胶比低， 使得混凝土温度收缩和自收缩大f1 ， 如养护不 当则要再加上较大的干缩， 通常被认为具有较高的开裂倾向， 可 能导致槽身表面开裂。为改善混凝土的抗裂陛， 渡槽混凝土配合 比设计的要点一方面要降低混凝土的收缩， 减小其水化热温升， 配制成一种低热、 低收缩的高性能混凝土 2 1 ， 另一方面可在混凝 土中掺入纤维以增强混凝土的阻裂能力、 抗拉强度和韧性。 纤维素纤维是美国产的新一代建筑工程用纤维【3 ， 与聚丙烯 纤维相比， 它具有天然的亲水生 能、 比表面积大、 弹性模量较高、 与 混凝土基体界面黏结强度高等特性， 且内部含有空腔， 在混凝土新 拌阶段能储存部分自由水而在水化后期释放出来促进水泥继续水 化。本研究以 C 5 0 渡槽混凝土为对象， 对比研究了纤维素纤维与 聚丙烯纤维对混凝土工作性、 强度强度、 抗裂性以及抗渗l生的影响。 1 试 验 1 1 试验原材料 水泥采用湖北华新水泥股 ； 有限公司生产的堡垒牌P O 4 2 5 级 收稿 日期 ：2 0 1 0 - 0 1 一 l 8 基金项 目：国家科技支撑计划课题( 2 0 0 6 B AB 0 4 A0 5 ) 5 4 水泥 ， 其抗压强度 3 d为 1 9 5 MP a ， 2 8 d为 5 2 6 MP a ； 粉煤灰为 汉川电厂 I 级粉煤灰， 需水量比9 5 ， 4 5 Ix m筛筛余 6 8 ， 烧失 量 3 。粗集料为 5 2 5 mm石灰岩碎石， 压碎值 1 1 3 ； 细集料 为河砂， 细度模数 2 5 。 外加剂为 B A S F S P 8 一 C R聚羧酸盐缓凝高 效减水剂( 水剂 ， 固含量 2 0 ) 。 纤维分别为上海罗洋新材料科技有限公司提供的 U F 5 0 0 纤维素纤维和美 国杜拉 聚丙烯纤维( D u r a fi b e r ) ， 两种纤维的主 要性能指标见表 1 。 表 1 纤维 的主要性能指标 纤维 ( g 密度 J c m， ) 长 m 度 m 形状 弹 性 M 模量 Pa 标称直 l z m 径 抗 拉； 虽 l Pa 度 亲水性 ( ) 1 2试 验 方 法 混凝土拌合物性能按 G B T 5 0 0 8 0 - - 2 0 0 2 ( 普通混凝土拌合 物性能试验方法标准 进行测试 ， 混凝土抗压强度 、 劈拉强度按 D L T 5 1 5 0 -2 0 0 1 水工混凝土试验规程 进行试验 ， 试件尺寸 均为 1 5 0 mmx l 5 0 m mx l 5 0 m m立方体。 混凝土塑性收缩开裂试验采用 日本笠井芳夫教授平板试 件约束抗裂眭试验方法， 试件尺寸为 6 0 0 mmx 6 O O m mx 6 3 m Y fl ， 用于浇筑试件的钢制模具 、 试验方法及开裂参数计算公式详 见C E C S o l ： 2 0 0 4 ( 凝土结构耐久生 设计与施工指南 附录 A 2 。 混凝土抗渗性试验分别依据 DL ， r 5 1 5 o _ _ 2 o 0 1 水工混凝土 试验规程 的抗水压渗透法和清华大学基于 N e ms t E i n s t e i n方程 研究开发的 c l 一 扩散性试验方法( NE L法) 进行。 抗水渗透试验测 试龄期为 2 8 d ， 采用顶 面直径为 1 7 5 mm、 底面直径为 1 8 5 mm、 高度为 1 5 0 mm的圆台体混凝土试件。N E L法所用试件尺寸为 1 0 0 r r l n x1 0 0minx5 0 r n nl 。 1 3 试 验 配合 比 混凝土设计为 C 5 0 ， 为了对 比纤维的作用效果 ， 避开其他 因素的影响， 配合比设计采取了保持混凝土各材料用量不变的 原则， 仅仅是改变纤维掺人品种与数量。混凝土的基准配合比 见表 2 ， 纤维素纤维和聚丙烯纤维为等体积掺人 ， 体积掺率分别 为 0 0 7 5 、 0 1 、 0 1 2 5 。 表 2 渡槽 C 5 0 高性能混凝土原材料用量基准配合比 k m 2 试验结果及分析 2 1 纤维对 C5 0混凝土工作性能与强度的影响 表 3 混凝土工作性结果显示 ， 随着两种纤维掺量的增加， 混 凝土拌合物的坍落度和扩展度逐渐降低 ， 对比两种纤维同掺量 时， 聚丙烯纤维对混凝土坍落度的影响更大， 而纤维素纤维对 扩展度的影响更明显 ， 这主要是由于纤维素纤维本身具有很好 的亲水特性 ， 在新拌混凝土中能吸附一部分自由水 ， 从而增加 了混凝土的黏度， 降低了流动性。 从表 3 7 昆 凝土强度结果来看 ， 掺加纤维对混凝土的抗压强 度贡献不大， 而混凝土的劈拉强度随着纤维掺量的增加而提高。 同样是 0 1 的体积掺率， 纤维素纤维混凝土的2 8 d劈拉强度增 到0 1 2 5 时， 纤维素纤维混凝土的劈拉强度增长达 5 2 9 。因 此 ， 相比而言， 纤维素纤维较聚丙烯纤维对混凝土的劈拉强度 的提高更为明显 ， 有利于混凝土 自身抗裂性能的增强。究其原 因是由于纤维素纤维的亲水特性且长度较短的特点使其在混 凝土粗骨料剪切作用下更易分散均匀， 加上其比表面积大， 且水 泥水化产物会附着在纤维表面生长， 使混凝土基体对纤维间的 握裹力增加嘲， 同时纤维素纤维的弹性模量较高 ， 与混凝土复合 增强作用较大 ， 有利于混凝土抗拉强度的提高。而聚丙烯纤维 的不亲水性则使其周围会形成一层较厚的水膜， 纤维周围的水 泥浆体往往具有比本体更高的水灰比，这将造成聚丙烯纤维一 基材呈弱界面效 应 ， 对提高混凝土强度不利 。 表 3 混凝土工作性与强度试验结果 注： P P F代表 D u r a 纤维， u F 代表 U F 5 0 0 纤维，后缀数字代表纤维 体积掺率。 2 2 纤维对混凝土塑性收缩开裂性能的影响 由表 4新拌混凝 土 2 4 h内的塑性 收缩 开裂试验统 计结果 可知， 同样 0 1 体积掺率的两种纤维均提高了混凝土的抗塑性 收缩开裂能力。 相比而言， 纤维素纤维混凝土的裂缝宽度窄些， 平均裂开面积小， 单位面积的开裂裂缝数目少， 因此单位面积 上的总裂开面积更低。由此可见， 纤维素纤维比聚丙烯纤维对 加 3 3 2 ， 而聚丙烯纤维混凝土只提高了 8 6 ， 当纤维掺率达 混凝土抗塑性收缩开裂的改善作用更大。 表 4 混凝土 2 4 h内塑性干燥 收缩开裂试验结果 混凝土塑性裂缝的产生是由于混凝土表面失水速率超过 内部水向表面迁移的速率， 导致毛细管中产生负压， 使浆体产 生塑性收缩 ， 进 而形 成塑性裂缝 。纤维对混凝土塑性收缩 开裂 的改善一方面是由于存在于混凝土表层的纤维阻止了表面水 分的迁移， 从而降低了毛细管失水收缩形成的毛细管张力； 另一 方面是 由于纤维在混凝土 中形成 了均匀 的三维乱 向分布 ， 纤维 与水泥浆之间存在界面吸附黏结力、 机械咬合力等， 有效削弱 了塑性收缩， 收缩应力和能量被分散到每立方米混凝土数千万 条具有高抗拉强度而弹性模量相对较低的纤维单丝上， 增强了 塑性抗拉强度， 抑制了微细裂缝的产生和发展。纤维素纤维较 聚丙烯纤维对改善混凝土抗裂性能有更大的作用， 主要是由于 纤维素纤维与水泥浆体间良好的黏结有利于提高混凝土的塑 性抗拉强度 ； 另外， 纤维素纤维较聚丙烯纤维在长度上更短、 直 径更小， 同等体积掺率下有利于增加单位立方米混凝土中的纤 维数量， 减少纤维间距， 而纤维间距越小， 对抗裂性提高的效果 越显著。 2 3 纤维对混凝土抗渗性能的影响 从表 5结果可以看出， 两种纤维的掺入均降低了混凝土的 渗水高度、 相对渗透系数和氯离子扩散系数 ， 随混凝土水化龄 期的增长， 氯离子扩散系数进一步减小， 表明掺人这两种纤维 提高了混凝土抗压力水渗透能力和抗氯离子渗透能力。再对比 纤维素纤维混凝土和聚丙烯纤维混凝土， 前者的抗渗透性更好。 表 5混凝 土渗透性试验结果 55 纤维素纤维混凝土比聚丙烯纤维混凝土的抗渗性能更佳， 是由于纤维素纤维本身性能上的优越性决定的： 在新拌混凝土中 纤维素纤维能吸附一部分自由水， 而且纤维内部空腔能续存纤维 本身质量 7 0 左右的水3 1 ， 这两部分水在水泥颗粒水化过程中会 逐步释放出来 ， 起到内养护作用， 促进水泥继续水化， 补偿混凝 土收缩， 使混凝土结构更加密实， 从而有利于抗渗性能的增强。 3结论 ( 1 ) 纤维素纤维与聚丙烯纤维的掺入降低了混凝土的工作 性， 对抗压强度影响不明显， 而对劈拉强度有提高作用。与聚丙 烯纤维相比， 纤维素纤维对混凝土的扩展度影响稍大， 对混凝 土劈拉强度的改善要显著得多。 ( 2 ) 同等体积掺率下， 纤维素纤维对混凝土的抗塑性收缩 开裂能力和抗渗透性的改善效果优于聚丙烯纤维。 ( 3 ) 综合考虑纤维素纤维对渡槽 C 5 0混凝土劈拉强度 、 抗 上接第 5 3页 裂与防渗能力的增强作用及该纤维的成本 ， 该纤维合理的体积 掺率为 0 1 。 参考文献： 1 1覃维祖混凝土的收缩、 开裂及其i 平 f介与防治岍混凝土， 2 0 0 1 ( 7 ) ： 3 - 7 2 李北星， 王长德， 贺图升 大型渡槽高性能混凝土的配制与性能研 究f J 混凝土 ， 2 0 0 7 ( 9 ) ： 2 1 2 4 3 邓宗才， 张鹏飞， 薛会青， 等 纤维素纤维及混杂纤维混凝土的弯曲 韧性r J l E 京工业大学学报， 2 0 0 8 ， 3 4 ( 8 ) ： 8 5 2 8 5 5 4 】 C E C S O 1 ： 2 0 0 4 ， 混凝土结构耐久性设计与施工指南【 s 】 北京 ： 中国建 筑工业出版社， 2 0 0 5 ： 3 4 3 6 ， 4 1 4 2 5 黄雷， 刘国平， 柳献郑西客运专线隧道二次衬砌纤维素纤维混凝土 性能研究【 J 1 新型建筑材料， 2 o o 8 ( 1 3 ) ： 3 7 3 9 作者简介 单位地址 联系电话 李北星( 1 9 7 0 一 ) ， 男， 博士， 教授， 研究方向： 混凝土材料。 武汉市洪山区珞狮路 1 2 2 号 武汉理工大学硅酸盐材料工 程教育部重点实验室( 4 3 0 0 7 0 ) 0 2 7 8 7 8 7 7 5 1 2 表 4 渗透性预测结果及比较 3结 论 将投影寻踪回归应用于混凝土强度和抗渗陛设计， 建立了混 凝土渗透 随水灰比水泥用量、 矿粉掺量、 用水量等变化的投影寻 踪回归模型， 很好地预测了混凝土性能指标随各种因素的变化。 投 影寻踪模型是处理多因素问题的一种新的分析方法， 充分发挥 了投影寻踪处理高维数据的突出优势， 完全根据数据自身特性进 行分析， 具有稳定性好、 客观性强及预测结果明确等优点， 为多因 素预测分析问题的解决开辟了一条新途径。 实际应用表明， 利用投 影寻踪回归方法对混凝土强度和抗渗性设计是可行的和有效的。 参考文献 ： 1 】 李君， 赵文忠， 王立军， 等 基于人工神经网络的混凝土抗渗性能研 究 J 】 浙江交通职业技术学院学报 ， 2 0 0 8 ， 9 ( 4 ) ： 4 - 8 1 2 1 胡立黎， 郑宏 基于遗传一 神经网络无黏结部分预应力高强混凝土梁 5 6 的延性【 J 1 江南大学学报： 自然科学版， 2 0 0 8 ， 7 ( 4 ) ： 4 7 9 4 8 3 f 3 吴明威， 付兆岗， 李铁翔， 等 机制砂中石粉含量对混凝土性能影响 的试验研究【 J 铁道建筑技术， 2 0 0 0 ( 4 ) ： 4 6 4 9 【 4 蔡基伟， 李北星， 周明凯， 等 石粉对中低强度机制砂混凝土性能的 影响 J 武汉理工大学学报， 2 0 0 6 ( 4 ) ： 2 7 3 0 f 5 杨玉辉， 周明凯， 赵华耕 C 8 0 机制砂泵送混凝土的配制及其影响因 素【 J 武汉理工大学学报， 2 0 0 5 ( 8 ) ： 2 7 3 0 6 F R I E D MAN J H， T U K E Y J WA p mj e e t i o n p u r s u i t a l g o r i t h m f o r e x p l o r a t o r y d a t a a n al y s i s I E E E T r a m o n C o m p u t e r ， 1 9 7 4 ， c - 2 3 ( 9 ) ： 8 8 1 - 8 9 0 7 J 汪明武， 金菊良 投影寻踪方法在边坡稳定性评价中的应用【 J 岩土 工程学报， 2 0 0 2 。 2 4 ( 5 ) ： 6 1 9 6 2 1 作者简介 单位地址 联 系电话 崔俊( 1 9 6 7 一 ) ， 男， 高级工程师 ， 工学学士， 法学学士， 国 家一级注册结构师 ， 国家注册造价师 ， 国家注册( 投资) 咨询师。 郑州市文化路 9 7 号 郑州大学综合设计研究院 ( 4 5 0 0 0 2 ) 1 3 8 03 8 3 1 5 9 4