王怡沁，鐘春玲，張?jiān)讫?，?靜

1 吉林建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130118 2 吉林建筑大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院,長(zhǎng)春 130118 3 吉林建筑大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130118

0 引言

活性粉末混凝土(RPC)是一種新型的超高性能混凝土,由于它剔除了粗骨料,降低了水膠比,添加了非常有效的火山灰材料[1],因而與普通混凝土相比,有著卓越的力學(xué)性能和延展性,如RPC具有超高的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延展性[2].憑借這些優(yōu)點(diǎn),RPC被認(rèn)為是一種很有前途的材料,可用于預(yù)制混凝土構(gòu)件、橋梁工程等，或者作為修補(bǔ)材料應(yīng)用于暴露在惡劣環(huán)境下需要加固或者修復(fù)的混凝土結(jié)構(gòu)中[3].然而,由于RPC的水膠比很低(通常在0.2以內(nèi)),且RPC幾乎是不滲透的,故外部的水很難進(jìn)入混凝土內(nèi)部參與水化反應(yīng),使得RPC在早期會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的自干燥性和較高的自發(fā)收縮.因此,有必要對(duì)RPC的早期抗裂性能進(jìn)行研究,以更好地提高其安全性和耐久性.

用于提高混凝土早期抗裂性能和降低開裂風(fēng)險(xiǎn)的常用方法包括添加纖維、使用內(nèi)養(yǎng)護(hù)方式等.其中,纖維增強(qiáng)是改善混凝土抗裂性能的一種非常有效的手段.在混凝土中添加鋼纖維，能提高其力學(xué)性能并降低開裂風(fēng)險(xiǎn).Doo-Yeol Yoo等[4]學(xué)者研究表明,摻入2 %的鋼纖維自由收縮應(yīng)變大約為1 000 με,而不摻鋼纖維的UHPC板的自由收縮應(yīng)變約為1 700 με.現(xiàn)在大部分的研究都集中在鋼纖維對(duì)RPC強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)的影響[5],很少有文獻(xiàn)研究鋼纖維對(duì)RPC早期收縮和抗裂性能的影響.因此,有必要對(duì)摻入鋼纖維的RPC早期收縮和約束鋼環(huán)應(yīng)變進(jìn)行研究.本研究在RPC中摻入鋼纖維，通過(guò)單因素分析,分別研究其對(duì)RPC早期收縮及與抗裂性能有關(guān)的鋼環(huán)應(yīng)變和自收縮的影響,用于評(píng)估RPC的早期抗裂性能.

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

本文使用的原材料有普通硅酸鹽水泥、硅灰、粉煤灰、機(jī)制砂、礦粉、聚丙烯纖維、鋼纖維、高效減水劑和自來(lái)水.采用吉林亞泰水泥有限公司生產(chǎn)的硅酸鹽水泥(P.Ⅱ52.5R),其成分見表1；中國(guó)河北生產(chǎn)的粉煤灰,其成分見表2；吉林本地生產(chǎn)的機(jī)制砂作為細(xì)骨料；鞏義市元亨凈水材料廠生產(chǎn)的S95級(jí)礦粉,其成分見表3；甘肅三遠(yuǎn)硅材料有限公司生產(chǎn)的硅灰,其物理和化學(xué)性能見表4；山東魯纖建材科技有限公司生產(chǎn)的鍍銅鋼纖維,長(zhǎng)度為13 mm,直徑為0.2 mm,其規(guī)格和尺寸見表5；重慶騰治科技有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑,密度為1.05 g/cm3,用于維持不同混合物的流動(dòng)性和粘性.

表1 硅酸鹽水泥物理性能和化學(xué)成分Table 1 Physical and chemical features of ordinary portland cement

表2 粉煤灰化學(xué)成分Table 2 Chemical features of fly ash (%)

表3 礦粉化學(xué)成分Table 3 Chemical properties of mineral powder (%)

表4 硅灰化學(xué)成分Table 4 Chemical properties of silica fume (%)

表5 鋼纖維的相關(guān)尺寸Table 5 Specifications and sizes of steel fiber

1.2 混合物配合比和混合程序

準(zhǔn)備一系列樣本用來(lái)研究摻入鋼纖維對(duì)RPC早期抗裂性能的影響.相關(guān)混合物配合比見表6.在表6中,以混合物SP20為例,字母S代表鋼纖維,數(shù)字2為鋼纖維摻量為RPC體積的2 %，所有混合物的水膠比為0.18.本文采用的RPC混合方法如下:首先添加水泥、硅灰、粉煤灰、礦粉、機(jī)制砂,攪拌4 min；其次將鋼纖維緩慢加入混合物中攪拌5 min,防止纖維成團(tuán)；然后將一半的水倒入混合物中,攪拌5 min；最后將剩余的水和高效減水劑加入混合物中,再攪拌5 min.

表6 配合比Table 6 Mix proportion

當(dāng)以上混合序列完成后,將混凝土倒入特定的模具,在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行壓實(shí),為防止水分蒸發(fā),立即用塑料膜覆蓋直至脫模,最后進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn).

1.3 約束圓環(huán)測(cè)試

本文所用的鋼環(huán)的內(nèi)徑表示為RIS,外徑表示為ROS.混凝土環(huán)的外徑表示為ROC,內(nèi)徑表示為RIC.相關(guān)尺寸為RIS=142.5 mm,ROS=RIC=152.5 mm,ROC=212.5 mm,鋼環(huán)厚度t=10 mm,所使用鋼環(huán)的高度h=100 mm.根據(jù)文獻(xiàn)[6]提議,至少使用2個(gè)電阻應(yīng)變片檢測(cè)鋼環(huán)中應(yīng)變的發(fā)展.本研究每個(gè)圓環(huán)采用4個(gè)應(yīng)變片,分別貼在鋼環(huán)內(nèi)表面的中間高度.鋼環(huán)應(yīng)變測(cè)量從混凝土澆筑開始,每間隔20 min通過(guò)將應(yīng)變片與計(jì)算機(jī)連接的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)記錄其鋼環(huán)應(yīng)變,并采用平均值用于應(yīng)力的計(jì)算.

1.4 自由收縮測(cè)試

根據(jù)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50082-2009,使用長(zhǎng)度為515 mm,截面尺寸為100 mm×100 mm的棱柱體試件,采用接觸法測(cè)試混凝土的自由收縮.在混凝土澆筑前,為了消除摩擦力的作用,在模具中預(yù)先放置一層塑料膜,然后涂上潤(rùn)滑油,再鋪上一層塑料膜.雖然棱柱體試件的約束條件和環(huán)試件不同,但是當(dāng)棱柱體試樣和環(huán)試樣有著相同的體表比時(shí),它們有著相同的自由收縮.為了獲得和環(huán)試樣相同的體表比,脫模后用乙烯基在棱柱體試樣的末端密封133 mm長(zhǎng)度.然后將棱柱體試樣放在和環(huán)試樣相同的環(huán)境中.如圖1所示,通過(guò)棱柱體端的千分表(精度為0.001 mm)來(lái)檢測(cè)其自由收縮應(yīng)變.根據(jù)該文獻(xiàn)[7]的建議,從澆筑后的1.5 d開始進(jìn)行自由收縮測(cè)量,此時(shí)混凝土處于收縮階段.

圖1 自由收縮測(cè)試樣本Fig.1 Free shrinkage samples

1.5 力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試

按照GB/T 31387-2015《活性粉末混凝土》進(jìn)行混凝土的彈性模量和力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)采用SYE-3000B(新型試驗(yàn)及壓縮機(jī))分別測(cè)試各混凝土試件在28 d的立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量.測(cè)試抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，測(cè)試彈性模量試件尺寸為100 mm×100 mm×300 mm，試件在溫度(20±2)℃、相對(duì)溫度為(95±5)℃條件下養(yǎng)護(hù)24 h，然后在(15±2)℃室內(nèi)自然養(yǎng)護(hù)28 d.

2 結(jié)果與討論

2.1 摻入鋼纖維對(duì)RPC力學(xué)強(qiáng)度的影響

混凝土的力學(xué)強(qiáng)度通常反映了混凝土質(zhì)量的優(yōu)劣,因其和水泥漿體的結(jié)構(gòu)密切相關(guān).表7為RPC混合物28 d力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果.對(duì)于混合物SP00和SP20,在28 d的抗壓強(qiáng)度分別為97 MPa和107 MPa,與SP00相比,SP20的抗壓強(qiáng)度分別提高了10.3 %.由此可見,添加鋼纖維可以提混凝土的抗壓強(qiáng)度,可能是由于鋼纖維能有效阻礙混凝土內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)大延伸，從而提高抗壓強(qiáng)度.

由表7可知,摻入纖維可以有效提升RPC的劈裂抗拉強(qiáng)度.對(duì)于混合物SP00和SP20來(lái)說(shuō),它在28 d的劈裂抗拉強(qiáng)度分別為11.45 MPa和14.23 MPa.與混合物SP00相比,SP20的劈裂抗拉強(qiáng)度提高了24.3 %,是因?yàn)槔w維的夾持力有助于防止混凝土的剝落[8].對(duì)于混合物SP00和SP20,它們?cè)?8 d的彈性模量分別為35 GPa和39 GPa,與SP00相比,SP20彈性模量提高了11.4 %.因?yàn)殇摾w維具有更高的強(qiáng)度和彈性模量,使得混凝土的彈性模量有所提高[9].

表7 RPC相關(guān)力學(xué)性能Table 7 Mechanical property of RPC

2.2 摻入鋼纖維對(duì)RPC早期自由收縮的影響

混凝土的自由收縮對(duì)RPC的早期開裂有影響,對(duì)于RPC而言,其水膠比低,膠凝材料用量大,易產(chǎn)生嚴(yán)重的收縮.如圖2所示,混凝土自由收縮的測(cè)試結(jié)果是根據(jù)每種配合物的3個(gè)棱柱體的平均值計(jì)算得到,混凝土自由收縮所經(jīng)歷的時(shí)間是從混凝土澆筑1.5 d后開始計(jì)算.由圖2可知,RPC混合物SP00和SP20的自由收縮應(yīng)變?cè)谠缙诎l(fā)展很快,在凈齡期大約10 d后RPC的自由收縮發(fā)展慢慢降低,然后逐漸趨于平穩(wěn).測(cè)試結(jié)果表明,摻入鋼纖維可以有效降低RPC的自由收縮值.在摻入鋼纖維后,在凈齡期14 d時(shí),與素混凝土相比,自由收縮應(yīng)變大約減少了29.9 %.例如,在凈齡期14 d時(shí),對(duì)于SP00和SP20混合物來(lái)說(shuō),自由收縮值分別為-367.867 με和-257.576 με.這是因?yàn)閾饺肜w維后,其在混凝土中的亂向分布降低了RPC的表面析水,提高了RPC的保水能力,使得混凝土內(nèi)部含水量增加,水泥水化更充分,因而減少了干縮[10].可見,在RPC中摻入纖維可以減少混凝土的收縮.

圖2 RPC自由收縮值Fig.2 Free shrinkage values of RPC

2.3 鋼纖維對(duì)鋼環(huán)應(yīng)變的影響

圖3為鋼環(huán)應(yīng)變和時(shí)間的變化關(guān)系圖,鋼環(huán)應(yīng)變值為每種混凝土配合比的兩個(gè)圓環(huán)的平均值.根據(jù)ASTM,鋼環(huán)應(yīng)變值的突然下落(超過(guò)30 με))意味著混凝土出現(xiàn)了裂縫.由圖3可知,混合物SP00,SP20分別在混凝土澆筑后的18.75 d和21.5 d產(chǎn)生了收縮開裂,這表明在RPC中摻入纖維可以延緩裂縫出現(xiàn)的時(shí)間.這是由于在混凝土中添加纖維可以提高其抗拉強(qiáng)度,并且在首個(gè)裂縫出現(xiàn)前能夠承受更多的應(yīng)力.通常情況下，纖維可以充當(dāng)纖維橋接,有助于抵制收縮開裂的發(fā)生.A.Sivakumar等[11]人的研究結(jié)果同樣也表明摻入鋼纖維可以延緩裂縫出現(xiàn)的時(shí)間.如圖3所示,在早期RPC的鋼環(huán)應(yīng)變下降非常緩慢,甚至接近于0,是因?yàn)镽PC此時(shí)尚未完全硬化,沒有足夠的強(qiáng)度,對(duì)鋼環(huán)產(chǎn)生的收縮應(yīng)力很小;之后混合物的鋼環(huán)應(yīng)變開始有了大幅度下降,14 d之后逐漸趨于穩(wěn)定.其中,摻入鋼纖維的RPC的鋼環(huán)應(yīng)變明顯低于素RPC(SP00).如在RPC澆筑后的18.75 d,對(duì)于混合物SP00和SP20,鋼環(huán)應(yīng)變絕對(duì)值分別為153.45 με和133.03 με.與SP00相比降低了13.3 %.此外,對(duì)于混合物SP20而言,鋼環(huán)應(yīng)變的增速明顯低于SP00,這表明摻入鋼纖維是減小RPC的約束收縮的一種有效手段.因此,混凝土的抗裂性能可以通過(guò)摻入鋼纖維而得到提升.

圖3 RPC鋼環(huán)應(yīng)變與齡期的關(guān)系Fig.3 Relationship between steel ring strain and age of RPC

3 結(jié)論

本文分析了摻入鋼纖維對(duì)RPC與早期抗裂性能有關(guān)的自由收縮、鋼環(huán)應(yīng)變的影響.基于以上的結(jié)果和討論,可以得到以下的結(jié)論:

(1) 與素RPC相比,摻入鋼纖維可以提高RPC的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和彈性模量.由此可見,鋼纖維具有極好的強(qiáng)度和彈性模量,使得RPC的力學(xué)強(qiáng)度都有所提高.

(2) 在RPC摻入鋼纖維可以有效降低自由收縮值,在凈齡期14 d時(shí),與素混凝土SP00相比,SP20的自由收縮值降低了29.9 %.

(3) 在RPC中摻入鋼纖維可以降低約束鋼環(huán)應(yīng)變.在早期RPC的鋼環(huán)應(yīng)變下降非常緩慢,甚至接近于0,之后RPC的鋼環(huán)應(yīng)變開始有了大幅度的下降，14 d后逐漸趨于穩(wěn)定；混合物SP00,SP20分別在RPC澆筑后的18.75 d和21.5 d產(chǎn)生了收縮開裂.