王 敏,王照耀

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 楊凌 712100;2.西安建筑科技大學(xué),陜西 西安 710055)

近年來,在混凝土結(jié)構(gòu)工程中不斷出現(xiàn)裂縫,影響了該結(jié)構(gòu)的正常使用,造成了安全隱患。為防止或減少混凝土開裂,大量的研究選擇在混凝土中添加纖維等有機(jī)材料。通常添加到混凝土中的纖維主要是碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維等。其中,玄武巖纖維是一種新型的無機(jī)材料,是一種高性能的纖維有機(jī)材料,具有環(huán)保的優(yōu)勢(shì)。其密度為2.65～3.0 g/cm3,接近混凝土密度,抗拉強(qiáng)度為3 000～4 800 MPa,在水泥等堿性介質(zhì)中均能保持較高的穩(wěn)定性[1]。玄武巖纖維能提高混凝土的抗彎承載力,限制其自由變形,減少裂縫發(fā)生的危險(xiǎn)[2]。

對(duì)玄武巖纖維與陶粒在水泥砂漿中的作用進(jìn)行了試驗(yàn),結(jié)果表明:玄武巖纖維混凝土和陶瓷砂雙摻混凝土的收縮開裂趨勢(shì)明顯降低[3]。探討了玄武巖纖維的長(zhǎng)度與寬度比例對(duì)混凝土的收縮效應(yīng),結(jié)果發(fā)現(xiàn):玄武巖纖維對(duì)混凝土的收縮有明顯的抑制作用[4]。討論了玄武巖摻量及長(zhǎng)度等對(duì)泡沫材料的收縮開裂影響,結(jié)果表明:當(dāng)摻入比為0.3%,長(zhǎng)度為10 mm時(shí),混凝土具有顯著的收縮裂縫效果[5]。研究玄武巖纖維含量和直徑對(duì)混凝土力學(xué)及耐久性能的影響,結(jié)果表明:6 mm玄武巖纖維混凝土在摻量為2%時(shí)可達(dá)到最大強(qiáng)度[6]。研究鋼纖維和膨脹劑對(duì)混凝土中鋼筋粘接性能的影響,結(jié)果表明:2種材料可以極大提高粘接強(qiáng)度和粘接剛度[7]。

目前單纖維摻入提高混凝土抗裂性具有局限性,其機(jī)理和效果也存在爭(zhēng)議。已有學(xué)者表明無機(jī)材料膨脹劑的加入會(huì)在水泥水化過程中形成石英晶體,從而提高混凝土的抗裂性。但對(duì)無機(jī)材料膨脹劑和有機(jī)材料纖維協(xié)同作用下混凝土的力學(xué)和抗裂性的研究較少。鑒于此,本文在混凝土中同時(shí)加入玄武巖纖維和鈣鎂膨脹劑,開展不同摻量纖維、膨脹劑及水灰比對(duì)混凝土力學(xué)性能和抗裂性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

普通硅酸鹽水泥P·O 42.5(江蘇省南京某水泥公司生產(chǎn));一級(jí)粉煤灰(江蘇省南京某公司生產(chǎn));玄武巖礫石(粒徑5～30 mm);天然河砂(細(xì)度模量為2.56);玄武巖纖維(上海某公司生產(chǎn),力學(xué)性能見表1);鈣鎂膨脹劑(山東某公司生產(chǎn),化學(xué)成分見表2);聚羧酸型減水劑(江蘇南京水泥有限公司生產(chǎn),減水率為30%～40%)。

表1 纖維力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of fiber

表2 膨脹劑化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.2 Chemical composition of expansion agent

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)設(shè)定混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。水灰比(W/C)(A)、膨脹劑(B)和玄武巖纖維(C)3個(gè)因素的正交試驗(yàn),正交試驗(yàn)因子表如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)因子Tab.3 Orthogonal test factors

抗彎試驗(yàn)及抗壓試驗(yàn)使用300 kN的MTS-E45.305萬能試驗(yàn)機(jī)。混凝土抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、收縮變形試驗(yàn)均按照規(guī)范進(jìn)行[8];收縮變形試驗(yàn)采用55 mm×55 mm×280 mm的試樣;掃描電鏡檢測(cè)采用JSM-6510高分辨率掃描電子顯微鏡觀察其微觀結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果和討論

2.1 抗壓強(qiáng)度

試件經(jīng)過7、28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后,各摻量下混凝土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖1(a)所示。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了擬合,進(jìn)一步研究不同纖維摻量、水灰比等不同因素對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響,計(jì)算結(jié)果如圖1(b)～圖1(d)所示。

(a)抗壓強(qiáng)度

從圖1(b)～圖1(d)可以看出,混凝土的抗壓強(qiáng)度隨水灰比的增加而逐漸降低。隨膨脹劑摻入比例的增大,混凝土的抗壓強(qiáng)度先增大,后減小;當(dāng)鈣鎂膨脹劑摻量為7%時(shí),混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)最大,主要是由于鈣鎂膨脹劑在水泥水化時(shí)產(chǎn)生大量的石英晶體,使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)更緊湊;如果鈣鎂膨脹劑用量過大,會(huì)在混凝土骨架結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)大量孔隙,增加混凝土的孔隙率,導(dǎo)致混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)劣化,使試件抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。隨玄武巖纖維摻量增加,混凝土的抗壓強(qiáng)度先呈上升趨勢(shì),在達(dá)到最大值后又開始呈下降趨勢(shì);當(dāng)玄武巖纖維摻量為1.0%時(shí),抗壓強(qiáng)度最大。這是因?yàn)樾鋷r纖維填充混凝土內(nèi)部孔隙,纖維在混凝土內(nèi)部起著一定的連接作用,降低了收縮變形,提高了抗壓強(qiáng)度;當(dāng)玄武巖纖維量摻量超過1%時(shí),大量纖維難以分散,同時(shí),由于纖維易于凝聚,不能完全填充混凝土的孔隙,導(dǎo)致其壓縮性能降低。同時(shí),纖維的比表面積較大,特別是對(duì)于玄武巖纖維這種無機(jī)材料,需要包裹大量的水泥漿[9]。若纖維摻入量太大,則會(huì)使有限數(shù)量的水泥漿無法將玄武巖纖維全部包覆,使纖維與骨料間在混凝土局部區(qū)域發(fā)生直接接觸,造成它們?cè)谑芰r(shí)產(chǎn)生相對(duì)滑移和空隙,大大降低混凝土抗壓強(qiáng)度。由極差分析可知,玄武巖纖維摻量對(duì)其抗壓強(qiáng)度的影響最大,其次是水灰比,最后是膨脹劑。

2.2 抗拉強(qiáng)度

不同纖維及膨脹劑摻量下混凝土抗拉強(qiáng)度的結(jié)果如圖2(a)所示;圖2(b)～圖2(d)為抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)擬合結(jié)果和極差分析結(jié)果。

(a)抗拉強(qiáng)度

由圖2(b)～圖2(d)可以看出,混凝土抗拉強(qiáng)度隨水灰比的增加而降低;隨著膨脹劑體積的增大,呈先增大后減小的趨勢(shì),在膨脹劑摻量為7%時(shí)達(dá)到最大值;隨著玄武巖纖維摻量的增加,混凝土抗拉強(qiáng)度先緩慢增大,然后顯著降低。抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律與抗壓強(qiáng)度相似,其原因與抗壓強(qiáng)度分析中所描述的相同。由極差分析可知,玄武巖纖維摻量對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響最大,水灰比次之,膨脹劑的影響最小。

2.3 抗彎強(qiáng)度

不同纖維及膨脹劑摻量下混凝土抗彎強(qiáng)度的結(jié)果如圖3(a)所示;圖3(b)～圖3(d)為抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)擬合結(jié)果和極差分析結(jié)果。

(a)抗彎強(qiáng)度

從圖3(b)～圖3(d)可以看出,隨著水灰比的增加,抗彎強(qiáng)度趨于緩慢下降。隨著膨脹劑量的增加,抗彎強(qiáng)度先增大,然后略有下降;當(dāng)膨脹劑摻量為7%時(shí),抗彎強(qiáng)度達(dá)到最大;玄武巖纖維摻入量越大,抵抗抗彎強(qiáng)度效果越明顯,當(dāng)纖維摻量為1%時(shí),抗彎強(qiáng)度達(dá)到最大,抗彎強(qiáng)度的提高可歸因于纖維在整個(gè)混凝土基體中良好分散,導(dǎo)致的“橋效應(yīng)”[10],進(jìn)一步使纖維與粗細(xì)骨料的表面緊密結(jié)合,增加基體界面處的相互作用或粘附力[11]?？箯潖?qiáng)度的變化規(guī)律與抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度相似。通過極差分析表明,玄武巖纖維摻量對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響最大,水膠比次之,膨脹劑的影響最小。

2.4 收縮變形試驗(yàn)

收縮變形試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 收縮變形

從圖4可以看出,使用玄武巖纖維和膨脹劑可以有效地提高混凝土收縮率。其中,膨脹劑對(duì)收縮率的影響最大;水灰比對(duì)收縮率的影響次之。當(dāng)水灰比增加時(shí),由于混凝土中自由水的增多,可以補(bǔ)償毛細(xì)孔隙中的水分損失,降低其干縮[12]。另外,在混凝土中,含水量的增大會(huì)加速膠凝物質(zhì)的水化速度,致使內(nèi)部結(jié)構(gòu)更密實(shí)。且纖維與膨脹劑在一定程度上抑制了混凝土自身的膨脹與變形。鈣鎂膨脹劑由于具有較大的比表面積,可以吸收混凝土中的部分游離水,降低混凝土的塑性收縮[13]。然而,過量的膨脹劑吸收大量的水分,混凝土表面的水分蒸發(fā)也會(huì)消耗大量的水分[14]。因此,過量的膨脹劑會(huì)增加混凝土的收縮率。玄武巖纖維在混凝土基質(zhì)中的隨機(jī)分布可以支持骨料,防止骨料下沉,減少了復(fù)合材料的表面崩解,提高了混凝土的均勻性[15-16]。因此,纖維可以有效地防止混凝土開裂。此外,玄武巖纖維對(duì)早期硬化混凝土具有顯著的增強(qiáng)作用,而混凝土的彈性模量比玄武巖纖維低,因而能有效地抑制裂縫的發(fā)生。纖維能有效地抑制裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)大,使其在混凝土中的應(yīng)力場(chǎng)變得更為持續(xù)和均勻,可以有效提高混凝土的延性和開裂性。而膨脹劑的摻入增強(qiáng)了纖維與混凝土基體的結(jié)合性能,有利于纖維發(fā)揮抗裂作用[17-19]。

2.5 SEM

微觀試驗(yàn)選擇CZ0和CZ2進(jìn)行微觀分析,結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出,混凝土的內(nèi)部主要含有水化產(chǎn)物,如C—S—H凝膠、水合鋁酸鈣晶體、層狀氫氧化鈣等。普通混凝土中(CZ0)的孔隙相對(duì)較大,結(jié)構(gòu)相對(duì)較松散[20]。而在混凝土加入纖維和膨脹劑,可以明顯看到纖維與石英晶體,可有效提高纖維與水泥基體之間的粘合強(qiáng)度,填充混凝土內(nèi)部的微裂縫和孔洞。晶體的產(chǎn)生也會(huì)導(dǎo)致混凝土膨脹并形成結(jié)構(gòu)更緊湊,有效地提高了混凝土的力學(xué)性能和抗裂性。

3 結(jié)語

(1)添加適量的玄武巖纖維和膨脹劑可以有效提高混凝土力學(xué)性能。同時(shí),纖維和膨脹劑雙摻也能有效抑制混凝土收縮和變形;

(2)隨著水灰比的增加,混凝土強(qiáng)度呈降低趨勢(shì)。隨著纖維和膨脹劑用量的增加,混凝土的力學(xué)性能呈先增后減的趨勢(shì)。當(dāng)玄武巖纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%,膨脹劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí),膨脹纖維混凝土的力學(xué)性能最好。纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響最大,其次是水灰比,膨脹劑的影響最小;

(3)從SEM圖像表明,加入適量的膨脹劑可以促進(jìn)混凝土的水化程度,同時(shí)玄武巖纖維填充內(nèi)部孔隙,有效提高混凝土力學(xué)性能,減少其收縮變形。