纤维素纤维及纤维混杂混凝土抗裂抗渗牲能的试验研究及工程应用.pdf

全 国中文核心期刊 杆 建魄 中 国 科 技 核 心 期 -?lj 纤维素纤维及纤维混杂混凝士抗裂抗渗 牲能的试验研究及工程应用 钱红萍 ( 常州工学院 土木建筑 工程学 院， 江苏 常州2 1 3 0 0 2 ) 摘要 ： 研究了纤维素纤维、 P V A纤维及其两者混杂掺入对混凝土抗裂抗渗性能的影响。 结果表明， 纤维素纤维和 P V A纤维均能 有效提高混凝土 的抗裂抗渗性能， 两者混杂掺入对混凝土抗裂抗渗性能的改善效果 明显 。依托 工程应用表 明， 用于地下工程墙板中 纤维素纤维混凝土 具有 良好的抗裂抗渗性能和 体积稳定性 。 关键词： 纤维； 混杂； 混凝土； 抗裂抗渗； 工程应用 中图分类号： T U 5 2 8 5 7 2 文献标识码： B 文章编号： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 2 ) 0 3 0 0 4 0 0 3 Ex p e r i m e n t a l s t u d y a n d e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n o f a n t i - c r a c k i n g a n d i mp e r me a b i l i t y pe r f o r m a n c e o f c o nc r e t e mi xe d wi t h c e Hu l o s e fibe r an d hy br i d fibe r Q I A N Ho n g p i n g ( S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g ， Ch a ng z h o u I n s t i t ut e o f T e c h n o l o g y ， Ch a n g z h o u 2 1 3 0 0 2， J i a n g s u， Ch i n a ) Ab s t r a c t ： I n t h i s p a p e r ， e f f e c t s o f t h e c e l l u l o s e fi b e r ， P V A fi b e r a n d h y b ri d fi b e r o n c o n c r e t e c r a c k r e s i s t a n c e a n d i mp e r me a b i l 1 y p e r f o r ma n c e w e r e s t u d i e d T h e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t ， c e l l u l o s e fi b e r a n d P VA fi b e r c a n i m p r o v e t h e c r a c k r e s i s t a n c e a n d i m p e rme a b i l it y of c o n c r e t e ， a n d t h e e f f e c t o f h y b ri d fi b e r i s o b v i o u s E n g i n e e ri n g a p p l i c a t i o n s h o w s t h a t ， f o r u n d e r g r o u n d e n gi n e e ri n g wa l l o f c e l l u l o s e fib e r c o n c r e t e h a s g o o d c r a c k r e s i s t a n c e i mpe rm e a b i l i t y a n d v o l u me s t a b i l i t y p e r for ma n c e Ke y wo r d s ： fi b e r ； h y b ri d ； c o n c r e t e ； c r a c k r e s i s t a n c e an d i m p e rm e a b i l i t y ； e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n 随着我国城市基础设施建设规模的不断扩大，混凝土结 构耐久性和服役寿命的提高己成为工程界日益关注的问题， 良好的抗裂抗渗性能是确保混凝土具有较高耐久性的前提条 件。在混凝土中掺入纤维能明显改善和提高混凝土的抗拉强 度、 极限延伸率、 韧性及冲击性能等性能， 对于钢纤维、 聚丙烯 纤维等纤维的研究及实际工程应用已较为广泛【 ， 而纤维素 纤维及其混杂纤维对混凝土抗裂抗渗； I生 能影响的应用研究较 少。本文在混凝土中掺入纤维素纤维、 P V A纤维及二者混杂 纤维， 并在基体中掺加聚羧酸高效减水剂、 粉煤灰和矿粉以改 善混凝土的综合性能。通过对纤维素纤维及其混杂纤维混凝 土的劈裂抗拉强度、 早期塑性开裂、 氯离子渗透系数等物理力 学性能的测试，对比分析纤维素纤维及其与P V A纤维混杂对 基 金项 目： 江苏省交通厅科技计划项 目( 0 9 Y1 8 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 9 1 5 作 者简介 ： 钱 红萍 ， 女 ， 1 9 6 6 年生 ， 江 苏丹阳人 ， 硕士 ， 副教授 ， 主要 从 事土木工程材料的教学与研究。 地址： 常州市通江南路 2 9 9号， E ma i l ： q i a n h p c z uc n。 4 0 新型建筑材料 2 0 1 2 3 混凝土抗裂抗渗性能的影响，为依托工程提供了抗裂抗渗性 能符合要求的混凝土配合比。 + 1 试验 1 1 原材料 水泥， 江苏嘉新水泥集团产京阳4 2 5 级普通硅酸盐水泥， 其碱含量( N a 2 0 + 0 6 5 8 K z 0 ) 为0 4 8 ， 各项性能符合G B l 7 5 2 0 0 7 通用硅酸盐水泥 标准要求； 粉煤灰， 常州电厂的I 级粉 煤灰； 矿粉， 常州中盛磨细矿粉公司提供； 粗、 细骨料， 技术指 标符合J G J 5 2 -2 0 0 6 普通混凝土用砂、 石质量及检验方法 标准要求； 减水剂， 江苏建科院有限公司生产的聚羧酸高效减 水剂；纤维，美国进口纤维素纤维和常州天怡纤维厂提供的 P V A纤维， 2 种纤维的物理力学性能见表 I 。 表 1 2种纤维 的物理力学性 能 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 钱红萍： 纤维素纤维及纤维混杂混凝土抗裂抗渗性能的试验研究及工程应用 1 2 配合 比 通过前期对混凝土各种原材料及其配比的优化及工程调 查， 确定的试验配合比见表2 。 表 2 混凝土试 验配合 比 k g m 1 3 试验方法 混凝土劈裂抗拉强度试验： 按照G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 普 通混凝土力学性能试验方法标准 进行。 早期抗裂性试验： 按照G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 普通混凝土 长期性能和耐久性试验方法标准 推荐的平板法进行。 所用试 件尺寸为8 0 0 m m x 6 0 0 m m x l 0 0 m m的平面薄板型试件( 如图 1 所示) 。 图 1 平板法测试混凝 土早期抗 裂性试验装置 抗渗试验： 按照G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 规定的快速氯离子迁 移系数试验方法R C M法和常规渗水高度试验方法进行。 混凝土长期收缩试验： 混凝土体积稳定性试验采用试件 轴向相对长度的变化率来表征， 试件尺寸为1 0 0 m m 1 0 0 m m 5 1 5mm。 2 试验结果与分析 2 1 纤维对混凝土强度的影响 混凝土抗拉强度直接关系到混凝土的抗裂性能，提高抗 拉强度是控制混凝土裂缝的关键。按表2 所示的基础配合比 和纤维掺量制作试件， 进行抗压强度和劈裂强度试验， 测试结 果见表3 。 表 3 混凝土劈裂抗拉强度及抗压强度试验结果 由表 3 可见， 相比基准混凝土 C 0 ， 掺加纤维的试件抗压 强度均有一定程度的提高， 但作用效果不明显。 但纤维的掺入 可显著改善混凝土的劈裂抗拉强度，相对于基准混凝土C 0 ， P V A纤维、 纤维素纤维和二者混杂纤维混凝土的劈裂抗拉强 度分别提高了2 1 6 、 1 0 8 和 1 8 9 。 P V A纤维由于其具有较大尺度、 较高的弹性模量和抗拉 强度， 可起到跨越裂缝传递荷载的作用， 提高混凝土的抗拉强 度；纤维素纤维除了和一般纤维对混凝土具有的增强阻裂功 效外，其独特的空腔结构和亲水性使其在混凝土拌制过程中 能够吸收并保有部分水分， 改善纤维与基体的界面， 增强了水 泥基体对纤维的握裹作用， 有利于提高其劈裂抗拉强度。 2 2 纤维对混凝土塑性开裂和体积稳定性的影响 2 2 1 纤维对混凝土早期塑性开裂的影响 表4 为纤维的掺入对混凝土裂缝产生情况的影响，其中 单位裂缝总面积按式( 1 ) 计算： n 1、n c= 1 ( x Z ) ( 1 ) i = 1 式中： c 单位面积上的总开裂面积， m m 2 m 2 ； 平板的面积， m ； _ 一第i 条裂缝的最大宽度， m m ； f 厂一第i 条裂缝的长度， m m 。 表 4 纤维对混凝土塑性开裂情况 的影响 由表4 可见，纤维混凝土单位面积上的总开裂面积均低 于基准混凝土， 且掺纤维素纤维 I P V A混杂纤维混凝土的总 开裂面积相对最小。试验中发现， 各试件首条裂缝出现在成 型后 1 2 h 左右， 在其后的 1 2 h 裂缝数目不断增多， 并沿着裂 缝诱导器延伸， 2 4 h 后裂缝发展基本趋于稳定。基准试件C 0 形成连续的贯穿裂缝， 最大宽度达到0 1 8 m m ， 掺入纤维后的 混凝土试件则形成不连续的裂缝， 裂缝宽度也相对较小。 P V A 纤维和纤维素纤维的掺入均能明显减小裂缝的宽度，有效改 善混凝土的抗裂性能， 而且以纤维素纤维和 P V A混杂纤维的 改善效果最佳。 掺混杂纤维的试件( H F ) 虽然裂缝条数相对较 多， 但裂缝宽度最小， 最大宽度仅为0 0 7 m m 。 纤维素纤维具备天然亲水性， 且尺寸细小， 在混凝土粗骨 料剪切下易分散， 且不再团聚， 能均匀分布于混凝土中， 形成 N E W BUI L DI NG MAT E RI AL S 41 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 钱红萍： 纤维素纤维及纤维混杂混凝土抗裂抗渗性能的试验研究及工程应用 空间三维网络结构， 有效减少了基体中水泥浆体和砂浆层上 原生裂缝的产生。 因而显著减少了由于骨料沉降收缩、 化学收 缩等产生混凝土早期塑性裂缝和收缩裂缝的数量，抑制了裂 缝的宽度， 减小了裂缝的面积。同时， P V A纤维较高的劈裂抗 拉强度抵抗混凝土后期因各类变形产生拉应力而导致的开裂 效果好， 以上试验结果体现了纤维素纤维和 P V A纤维复掺的 混杂抗裂效果。 2 2 2 纤维对混凝土后期体积稳定性的影响 除了早期塑性开裂对混凝土抗渗性能的影响至关重要 外，混凝土硬化后的体积稳定性对混凝土的抗裂抗渗性能也 有很大的影响， 高抗渗混凝土必须具备较高的体积稳定性， 即 较小的收缩率。 图2 为掺加不同品种纤维的混凝土5 6 d 、 1 0 0 d的收缩率。 0_1 0 0 08 麦 0 l 0 6 瓢 o O O2 0 C O PF CF HF 试件 编号 图 2 掺加不同品种纤维混凝土的后期收缩率 由图2可见， 掺加不同品种纤维对混凝土的后期( 5 6 d 、 1 0 0 d ) 收缩有着较明显的改善作用， 其中又以纤维素纤维和 混杂纤维的效果更好。 混凝土收缩主要是水泥石的收缩， 一是 水泥石中吸附水的蒸发引起凝胶体的收缩，二是毛细孔内自 由水的蒸发产生的毛细孔负压造成水泥石收缩。纤维素纤维 的天然亲水性和特有空腔结构能够显著降低硬化水泥浆体的 孔隙率， 且在水泥石内部湿度下降的情况下， 可释放空腔中的 水分， 这些都起到了减少水泥石干缩的作用。P V A纤维由于 其弹性模量较高， 对毛细孔压力有一定的抵消作用， 从而减小 导致水泥石收缩的总压力。因此， 纤维素纤维和P V A纤维混 杂对混凝土收缩起到较好的抑制作用。 2 3 纤维对混凝土抗渗性能的影响 ( 见表5 ) 表5 混凝土抗渗性能测试结果 由表5 可知，由R C M法测得的纤维混凝土氯离子扩散 系数和渗水高度相对于基准混凝土 C 0 均有所降低，纤维素 纤维和混杂纤维对混凝土抗渗性能的改善较为明显。这与前 面试验所得纤维对混凝土阻裂、 限缩效果是一致的。 有研究表 4 2 新型建筑材料 2 0 1 2 3 明【4 1 ， 纤维素纤维可改善基准硬化水泥浆体的孔隙结构， 使混 凝土的孔径分布向对抗渗性能无害的孔( 2 0 m m ) 发展， 降低 了混凝土中的渗水通道，提高了混凝土的抗渗性能。由此可 见， 纤维素纤维及其与P V A纤维的混杂掺入能够有效改善混 凝土的抗裂抗渗性能，可以配制出满足工程要求的高抗裂抗 渗混凝土材料。 3 工程应用 常州市客运中心及综合配套系统工程是集火车站、 城铁 站、 长途客运站( 旅游巴士枢纽) 、 轨道交通 1 号线车站、 公交 枢纽站( 含B R T支线) 、 社会停车场、 出租车停靠站等多种交 通功能以及商业、商务办公于一体的现代化大型综合交通枢 纽。 地面总建筑面积 1 1 万m ， 地下总建筑面积 8 万m 。 混凝 土强度等级为C 3 5 、 抗渗等级为P 1 0 。 在预留地铁站底板和墙 体分别浇筑了纤维素纤维、 P V A纤维和二者混杂纤维混凝土 墙板。 根据现场对底板和墙板混凝土的检测和分析表明， 底板 由于特殊的结构约束以及地基约束特点，掺加纤维对其抗裂 阻裂的效果不明显。 但对于墙板， 纤维掺入能显著降低其裂缝 的数量、 宽度和面积， 其中掺混杂纤维的混凝土抗裂、 阻裂性 能最佳。 此外， 采用光纤光栅应变传感器对4 块不同组分的混 凝土板内部变形进行现场监测， 对浇筑后8 5 1 d的混凝土板 的应变进行了测量， 结果见图3 。 图3 地下工程纤维混凝土应变的现场检测结果 图3 检测结果表明， 相对基准混凝土板， 掺加纤维对提高 混凝土抵抗变形的能力效果显著，而且不同品种纤维混凝土 板的体积变化规律与实验室早期抗裂性试验结果基本相符， 混凝土的抗渗抗裂指标满足工程要求。 4 结语 ( 1 ) 纤维素纤维和P V A纤维的掺入可显著改善混凝土的 劈裂抗拉强度， 相对于基准混凝土， P V A纤维、 纤维素纤维和 二者混杂纤维可分别提高2 1 6 、 1 0 8 和 1 8 9 。 ( 2 ) 纤维素纤维及其与P V A纤维的混杂掺入能够显著改 ( 下转 第 5 0页) 广_ _ J ： = = = = 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 慕儒， 等： 聚合物砂浆与脱硫建筑石膏粘娃J生 能的研究 物中C a ( 0 H ) ： 数量减少， 砂浆内部缺陷减少7 1 。 聚合物膜与水 泥水化产物相互交织缠绕， 浸润和渗透水化物C S H ， 使材 料明显细化， 并渗入砂浆内部的微裂隙与孔壁中， 形成次级粘 附的复合体，以 桥键和有孔的聚合物膜的形式分布在砂浆与 基体之间，逐渐向一种连续密实的结构转化，吸收和传递能 量， 在宏观上表现为粘结力的提高。 同时有效地提高了砂浆耐 硫酸盐离子侵蚀的能力，从而克服了其与脱硫石膏的界面相 容性问题， 保证粘结耐久性。 聚合物砂浆与脱硫石膏试件经受干湿循环作用，砂浆有 可能受到硫酸盐侵蚀， 湿状态下受到钙矾石、 石膏等膨胀性侵 蚀产物的作用， 干状态下又叠加盐结晶压力的损伤。 干湿循环 使得这些损伤反复进行并不断累积，致使试件的粘结强度降 低 。由 于 聚合物的 改性作用， 使得砂浆微 观结 构得到优化， 湿状态下硫酸根传输受阻，干状态下结晶条件遭到一定程度 破坏， 导致试件受侵程度明显降低， 宏观上表现为强度损失率 较小， 提高了聚合物砂浆与脱硫石膏的粘结耐久性。 5 结语 ( 1 ) 乳胶粉掺量5 、 灰砂比1 ： 2 、 水灰比0 5 0 、 消泡剂掺量 0 1 的聚合物砂浆与脱硫石膏的粘结强度最大，达到3 3 2 MP a 。 ( 2 ) 聚合物砂浆中掺加消泡剂可提高聚合物砂浆与脱硫石 膏的粘结强度， 而脱硫石膏中掺加磨细矿粉使聚合物砂浆与 脱硫石膏的粘结强度显著降低； 砂浆中聚合物掺量、 水灰比对 粘结强度影响较小； 灰砂比的影响最小。 ( 3 ) 通过干湿循环试验和对脱硫石膏一 聚合物砂浆长期粘 结性能的观察发现，聚合物砂浆与脱硫石膏具有良 好的粘结 可靠性。 ( 4 ) 掺入耐腐蚀性聚合物后， 水泥水化物C a ( 0 H ) 数量 减少， 水泥砂浆的孔级配得以明显优化， 微观结构得到改善， 内部缺陷减少， 结构更加密实， 在宏观上表现为粘结力提高的 同时， 大幅度提高了水泥砂浆耐石膏腐蚀性， 从而保证了粘结 耐久性。 参考文献： 1 】 尹维新， 洪彩霞烟气脱硫石膏 的基本性能分析及应用 发展【 J J 应 用技术， 2 0 0 6 ( 1 1 ) ： 6 4 6 7 【 2 】 王嫒嫒 ， 慕儒 ， 许 雷， 等 发泡剂对脱硫建筑石膏性能影响的研究 J 新型建筑材料 ， 2 0 1 1 ( 2 ) ： 3 2 3 5 f 3 侯 贵华 阿利 尼特水泥 早期水化 产物 的研究们 建筑 材料 学报 ， 20 o 3， 6( 1 ) ： 7 6 8 0 4 李文秀用 于氯离子和硫酸 盐侵蚀环境下的水泥修补砂 浆的研 究 【 D 】 北京 ： 北京工业大学， 2 0 0 9 5 】 肖萍 混凝土硫酸盐侵蚀机理分析 J 】 陕西水利， 2 0 1 0 ( 1 ) ： 1 2 5 1 2 6 【 6 梁乃兴 聚合物改性水泥及水泥混凝土的机理分析【 J 西安公路 交通大学学报， 1 9 9 5 ， 1 5( 4 ) ： 1 4 1 8 f 7 】 熊剑平， 申爱琴 聚合物水泥混凝土改性机理研究 J 】 郑州大学学 报 C E学版) ， 2 0 0 6( 3 ) ： 1 5 2 0 8 高润东， 赵顺波， 李庆斌 ， 等 干湿循环作用下混凝土硫 酸盐侵 蚀 劣化机理试验研 究 J 】 土木工程学报 ， 2 0 1 0 ， 4 3 ( 2 ) ： 4 8 5 4 【 9 】 李春秋 干湿交替下表层混凝土中水分与离子传输过程研究【 D 】 北京 ： 清华大学， 2 0 0 9 A ( 上接第 4 2页) 善混凝土早期塑性抗裂和后期抗缩性能。在项目 依托的地下 工程墙板中应用情况良好。 ( 3 ) 纤维素纤维及其与P V A纤维的混杂掺入可以改善混 凝土的抗渗性能，配制出符合地下工程抗裂抗渗要求混凝土 材料。 参考文献： I 】1 程红强 ， 高丹盈 钢纤维混凝土 的收缩性能试验研 究叨 混凝土 5 0 新型建筑材料 2 0 1 2 3 2 o 0 9( 2 )： 5 7 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