寧喜亮，李媛媛

(東北電力大學 建筑工程學院，吉林 吉林 132012)

泵送纖維混凝土工作性與自由收縮性能試驗研究

寧喜亮，李媛媛

(東北電力大學 建筑工程學院，吉林 吉林 132012)

摘要：本文通過測定不同配合比新拌混凝土及0.5 h和1.0 h后的坍落度，研究了砂的含泥量以及聚丙烯纖維對泵送混凝土工作性能的影響；參照德國工業(yè)標準(DIN)測定不同配合比混凝土的自由收縮量，研究了聚丙烯纖維對混凝土自由收縮性能的影響。試驗結(jié)果表明，低摻量聚丙烯纖維對混凝土的坍落度影響不大，而砂的含泥量卻對混凝土坍落度及其經(jīng)時損失影響較大，砂的含泥量應(yīng)控制在4.2%以內(nèi)；摻加0.9 kg/m3聚丙烯纖維可明顯降低混凝土自由收縮應(yīng)變，降低達15.3%，明顯改善混凝土的抗裂性能。最后，將本文實測混凝土自由收縮應(yīng)變與ACI 209建議模型及王鐵夢模型計算結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)ACI 209更適用于預測纖維混凝土的收縮應(yīng)變。

關(guān)鍵詞：聚丙烯纖維；新拌混凝土；含泥量；坍落度；自由收縮

泵送混凝土要求具有較高的流動性，以便于施工。然而，受到運輸條件的限制，混凝土在澆筑前經(jīng)常由于坍落度損失過大而不能進行泵送施工[1]。作為混凝土重要組成部分的細骨料占混凝土體積的30%左右，但其含泥量對新拌混凝土坍落度經(jīng)時損失影響的研究還很少見。此外，泵送混凝土通常需要較低的水膠比，而隨著水膠比的降低，混凝土材料自由收縮應(yīng)變隨之增加，當這種收縮應(yīng)變受到限制時，混凝土材料就會由于拉應(yīng)變過大而開裂，對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性構(gòu)成嚴重的威脅。

混凝土材料中裂縫的產(chǎn)生是不可避免的，但裂縫又是可以控制在一定范圍內(nèi)的。研究表明[2-9]，在普通混凝土中加入隨機分布的纖維得到的纖維混凝土材料具有優(yōu)良的抗拉、抗沖擊、抗疲勞、以及較好的韌性和耐久性。纖維混凝土開裂后，跨越開裂截面的纖維通過橋接作用傳遞應(yīng)力并限制裂縫寬度的進一步擴展，抵抗混凝土早齡期的收縮。

本文通過對新拌混凝土的坍落度及經(jīng)時損失和自由收縮應(yīng)變的測定，研究了砂的含泥量及聚丙烯纖維對混凝土工作性的影響以及聚丙烯纖維對不同配合比混凝土收縮性能的影響。結(jié)果表明，低摻量聚丙烯纖維對混凝土的坍落度影響不大，砂的含泥量對混凝土坍落度的經(jīng)時損失影響較大；聚丙烯纖維的加入可明顯降低混凝土的自由收縮應(yīng)變，改善混凝土的抗裂性能。

1試驗概況

1.1試驗原材料

混凝土設(shè)計強度等級為C45。采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，3 d抗折強度為6.5 MPa，3d抗壓強度為31.0 MPa；一級袋裝粉煤灰，其技術(shù)參數(shù)見表1；優(yōu)質(zhì)礦渣粉，其技術(shù)參數(shù)見表2；細骨料為連續(xù)級配的河砂，含泥量為7.8%，水洗后含泥量為4.2%，細度模數(shù)為2.6，屬中砂；粗骨料為連續(xù)級配的碎石，粒徑5-31.5 mm；聚羧酸系高效減水劑，減水率30%左右；國產(chǎn)聚丙烯短纖維(圖1)，纖維長度為18 mm，長徑比為600，抗拉強度為570 MPa，纖維摻量為0.9 kg/m3。經(jīng)反復試配選取其中四種配合比，列于表3。

表1　粉煤灰技術(shù)參數(shù)測定

表2　礦渣粉性能測定

圖1　聚丙烯短纖維

采用強制式攪拌機制備四組混凝土拌合物。攪拌時投料順序：首先加入砂和水泥干拌1.0 min，然后均勻摻入纖維并干拌1.5 min；加入已攪拌均勻的高效減水劑與80%的拌和水，然后加入剩余的拌和水并攪拌2.0 min，停止攪拌。清理附著于攪拌機內(nèi)壁的漿體和纖維，同時觀察混凝土拌和物是否離析、纖維分布是否均勻、是否出現(xiàn)纖維結(jié)團現(xiàn)象。清理完畢后繼續(xù)攪拌1～2 min，立即進行工作性指標的測試。

表3　試驗用配合比(kg/m3)

圖2　混凝土自由收縮試驗裝置

1.2試件制備

依據(jù)《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081-2002)[10]制備混凝土抗壓強度試件，每組配合比制備9個立方體試塊，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，分別用來測試3 d，7 d和28 d的抗壓強度?？箟簭姸仍囼炘? 000 kN液壓伺服試驗機上進行，加載速率為6 kN/s。

按照德國工業(yè)標準(DIN)[11]建議的混凝土自由收縮試驗方法，測定四種配合比混凝土45 d的自由收縮量，并計算平均收縮應(yīng)變，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，試驗裝置如圖2所示。

2試驗結(jié)果與分析

2.1立方體抗壓強度

不同配合比混凝土立方體抗壓強度按照標準[10]進行測試并計算，表4列出了不同配合比混凝土立方體試塊3 d、7 d、28 d的抗壓強度。

表4　不同配合比3 d、7 d、28 d的立方體抗壓強度(MPa)

圖3　不同齡期不同配合比混凝土抗壓強度

圖3為不同齡期不同配比混凝土立方體抗壓強度對比圖，由圖3和表4可以看出，四組配合比均滿足混凝土設(shè)計強度，是否摻加聚丙烯纖維，對不同齡期混凝土立方體抗壓強度影響不大。

表5　混凝土坍落度及經(jīng)時損失(mm)

注：T0為新拌混凝土的坍落度值，T0.5為放置0.5 h后的混凝土坍落度值，T1.0為放置1.0 h后的混凝土坍落度值。

2.2混凝土工作性

混凝土的工作性是混凝土拌和物易于施工操作并獲得質(zhì)量均勻、密實混凝土的性能[12]。對于泵送混凝土主要采用坍落度法測定其的流動性。泵送混凝土施工時要求混凝土具有較高的流動性，以滿足泵送混凝土的集中攪拌、遠距離運輸及泵送等過程的要求。但在泵送混凝土施工過程中，經(jīng)常遇到由于混凝土坍落度損失過快，使混凝土難以澆筑成型。

混凝土坍落度經(jīng)時損失是指新拌混凝土的坍落度隨著時間的延長而逐漸減小的現(xiàn)象。影響泵送混凝土坍落度經(jīng)時損失的因素較多，包括環(huán)境溫、濕度，水泥品種(礦物成分)，水灰比，化學外加劑(相容性)，礦物外加劑(摻和料)以及砂石骨料的含泥量等因素。

參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T50080-2002)[13]，對不同配合比的新拌混凝土及放置0.5 h和1.0 h后混凝土的坍落度進行測定，測試結(jié)果列于表5。

圖4　不同配合比新拌混凝土及經(jīng)過0.5 h和1.0 h后的坍落度

圖4為不同配合比新拌混凝土及0.5 h和1.0 h后混凝土的坍落度柱狀圖，由表5和圖4可以看出，新拌混凝土的坍落度均在160 mm±30 mm的范圍內(nèi)，滿足《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T10-2011)[14]的要求。但經(jīng)過0.5 h和1.0 h后，混凝土拌合物的坍落度損失嚴重，在1.0 h后，四種配合比混凝土的坍落度幾乎僅為新拌混凝土坍落度的50%。

已有研究往往忽略砂石骨料含泥量對泵送混凝土坍落度經(jīng)時損失的影響?？紤]本文所用砂的含泥量較高，達7.8%。選擇G003和G004兩組配合比，采用清水洗凈的砂(含泥量4.2%)重新配制混凝土，用以研究砂的含泥量在有無聚丙烯纖維的情況下對混凝土坍落度及經(jīng)時損失的影響，測量結(jié)果見表6。

表6　不同砂含泥量的G003和G004配合比新拌混凝土及0.5 h和1.0 h后的坍落度(mm)

圖5　不同砂含泥量的新拌混凝土及0.5 h和1.0 h后的坍落度

圖5為采用不同含泥量的砂得到的G003和G004新拌混凝土及0.5 h和1.0 h后的坍落度，由表6和圖5可以看出，采用清水洗過砂所配制混凝土的坍落度經(jīng)時損失很小，1.0 h后的坍落度仍在100 mm以上，滿足規(guī)范(JGJ/T10-2011)[14]對泵送混凝土出泵坍落度的要求，而是否摻加聚丙烯纖維，對混凝土的坍落度影響不大。

圖6　G003和G004混凝土實測自由收縮應(yīng)變

2.3混凝土自由收縮

圖6對比了聚丙烯纖維對G003和G004兩種配合比混凝土自由收縮性能的影響。由圖6可以看出，兩種配合比的混凝土在拆模后的前1-2 d均保持很快的自由收縮速率，此后自由收縮速率逐漸減慢。聚丙烯纖維的摻入，明顯降低了混凝土的自由收縮應(yīng)變。與素混凝土相比，摻入0.9 kg/m3聚丙烯纖維的混凝土試件的自由收縮應(yīng)變減小了15.3%。在混凝土中加入聚丙烯纖維后，纖維下部會聚集部分自由水，而纖維構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以阻止粗骨料的下沉，減少泌水，進而降低毛細孔水的不飽和程度，減少混凝土基體的收縮應(yīng)變。這對改善混凝土的抗裂性能是很有利的。

2.4自由收縮預測模型驗證

本試驗選擇ACI 209[15]推薦的預測混凝土自由收縮模型和我國學者王鐵夢[16]根據(jù)相關(guān)文獻和多年工程實踐提出的混凝土自由收縮應(yīng)變計算公式計算G003和G004兩種配合比下混凝土的自由收縮應(yīng)變。

ACI 209[15]計算混凝土自由收縮應(yīng)變公式為：

(1a)

εsh，∞=780γsh×10-6，

(1b)

式中：ε(t)為收縮應(yīng)變；t為養(yǎng)護完成拆模以后的天數(shù)(d)；εsh，∞為最終收縮應(yīng)變；780×10-6為標準條件下的自由收縮應(yīng)變；γsh為非標準條件的修正系數(shù)，如砂率、水泥用量、環(huán)境濕度、構(gòu)件尺寸、養(yǎng)護方法、坍落度、含氣量等七種情況的影響系數(shù)。

王鐵夢[16]計算混凝土自由收縮應(yīng)變公式如下：

(2)

式中：εy0為標準狀態(tài)下的極限收縮，取3.24×10-4；b為經(jīng)驗系數(shù)，一般取0.01，養(yǎng)護較差時取0.03；Mn為各種非標準條件的修正系數(shù)，如水泥品種、細度、骨料、水灰比、水泥漿量、初期養(yǎng)護時間、環(huán)境濕度、構(gòu)件尺寸、操作方法(振搗、養(yǎng)護方法)和配筋率等十種情況的影響系數(shù)。

圖7為G003和G004兩組配合比混凝土自由收縮應(yīng)變實測值與模型預測值對比圖。由圖7可以看出，是否摻加聚丙烯纖維，ACI 209模型預測的混凝土自由收縮應(yīng)變均與實測值較為接近，而王鐵夢模型預測的混凝土自由收縮應(yīng)變明顯低于實測值，由于王鐵夢模型是建立在中低強度混凝土基礎(chǔ)上的。由此可看出，ACI 209模型更適用于纖維混凝土自由收縮應(yīng)變的預測。

圖7　混凝土自由收縮應(yīng)變的計算值與實測值比較

3結(jié)論

通過測定不同配合比新拌混凝土及0.5 h和1.0 h的坍落度以及不同配合比混凝土的自由收縮應(yīng)變，可以得到如下主要結(jié)論：

(1)聚丙烯纖維的摻入，對不同齡期混凝土的立方體抗壓強度影響不大。

(2)砂的含泥量對混凝土坍落度影響較大，應(yīng)使用含泥量小于4.2%的砂配制泵送混凝土。

(3)摻加0.9 kg/m3的聚丙烯纖維，可使混凝土自由收縮應(yīng)變降低15.3%，明顯改善混凝土抗裂性能。

(4)通過混凝土自由收縮應(yīng)變實測值與模型預測值對比，發(fā)現(xiàn)ACI 209模型預測結(jié)果與實測結(jié)果吻合較好，該模型用更適用于纖維混凝土自由收縮應(yīng)變的預測。

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Experimental Investigation on the Workability and Free Shrinkage of Pumping Fiber Reinforced Concrete

NING Xi-liang，LI Yuan-yuan

(Architecture Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin，132012)

Abstract：Based on the measurement of the slump for fresh concrete and that after 0.5h and 1.0h of different concrete mix，the effect of clay content and polypropylene fibers on the workability of pumping concrete was investigated.In addition，according to the german guideline (DIN)，the free shrinkage of different concrete mix was measured to investigate the effect of polypropylene fibers on the free shrinkage of concrete.The results showed that polypropylene fibers with low dosage had little effect on the concrete slump.However，the clay content affected the slump and the slump loss of concrete greatly.A clay content lower than 4.2% is suggested.With the addition of 0.9 kg/m3 polypropylene fibers，the free shrinkage at early age decreases by 15.3%，which demonstrates that polypropylene fibers can improve the crack resistance of concrete at early age significantly.Finally，comparisons between experimental data and ACI 209 and Wang’s model were performed and ACI 209 model was found to be suitable for evaluating the free shrinkage strain of fiber reinforced concrete.Key words: Polypropylene fibers；Fresh concrete；Clay content；Slump；Free shrinkage

收稿日期：2015-10-09

基金項目：東北電力大學博士科研啟動基金項目(BSJXM-201603)

作者簡介：寧喜亮(1984-)，男，吉林省榆樹市人，東北電力大學建筑工程學院講師，博士，主要研究方向：纖維混凝土結(jié)構(gòu)試驗及理論.

文章編號：1005-2992(2016)03-0080-06

中圖分類號：TU528.53

文獻標識碼：A