劉立娟

(朝陽縣水利勘測設(shè)計隊,遼寧 朝陽 122000)

水庫面板混凝土相比于常規(guī)大體積混凝土具有干縮變形突出、水分散發(fā)量大且散發(fā)速度快、表面積與體積比大等特點,這種水工薄壁結(jié)構(gòu)混凝土主要有溫度和收縮兩種開裂形式[1]?；炷猎谕獠孔冃魏蛢?nèi)部相對變形的約束作用下會產(chǎn)生不均勻的干縮變形應(yīng)力,并使得已有表面裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展或?qū)е禄炷帘砻媸湛s開裂,這種現(xiàn)象普遍存在于水庫面板等薄壁結(jié)構(gòu)部位,致使施工期混凝土就形成貫穿裂縫[2-5]。另外,在夏季高溫環(huán)境下澆筑混凝土?xí)沟媒Y(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生大量水化熱,內(nèi)外溫差過大就會產(chǎn)生溫度應(yīng)力和變形,而當(dāng)齡期混凝土抗拉強(qiáng)度低于這些應(yīng)力時就會產(chǎn)生貫穿于整個截面的溫度裂縫。對于表面溫度低、散熱塊的較厚部位,內(nèi)外溫差引起的表面拉應(yīng)力還會產(chǎn)生表面裂縫[6]。若面板混凝土產(chǎn)生大量的貫穿性或表面裂縫不僅會影響到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、整體性和受力狀況,還會引起內(nèi)部鋼筋的銹蝕和結(jié)構(gòu)耐久性的下降,甚至?xí)斐勺冃螡B漏,對基礎(chǔ)穩(wěn)定性構(gòu)成威脅。大多數(shù)水工結(jié)構(gòu)處于水下環(huán)境中,水中的Cl-、SO42-等侵蝕性離子沿著裂縫滲入內(nèi)部,從而加速鋼筋的銹蝕膨脹與混凝土的破壞,使建筑物使用年限的縮短以及結(jié)構(gòu)耐久性的下降[7]。所以,為保證水工結(jié)構(gòu)的耐久性和水利工程的長效穩(wěn)定運(yùn)行,有效控制水庫面板混凝土收縮開裂必須采取行之有效的抗裂技術(shù)。文章通過試驗探討了聚丙烯腈/多壁碳納米管復(fù)合纖維的增強(qiáng)抗裂作用,并進(jìn)一步揭示混凝土抗裂性能受不同纖維摻量的影響特征,以期為配制出高抗裂性能的水庫面板混凝土提供一定技術(shù)支持。

1 試驗方法

1.1 原材料

試驗用盤錦金潤水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P·O 42.5水泥,粒徑5～10mm的小石和粒徑5～25mm的中石,細(xì)度模數(shù)2.7的中砂,細(xì)度25.0%的F類Ⅱ級粉煤灰,聚羧酸高效減水劑以及聚丙烯腈/多壁碳納米管復(fù)合纖維。

1.2 配合比設(shè)計

設(shè)計強(qiáng)度等級C30,基準(zhǔn)配合比為S0。為了保證試驗數(shù)據(jù)的可比性,最大程度地降低原材料性能差異可能產(chǎn)生的誤差,維持各組基準(zhǔn)配合比相同。根據(jù)復(fù)合纖維相關(guān)研究成果和工程應(yīng)用情況,全面考慮性能要求、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和應(yīng)用前景等因素,最終選定聚丙烯腈/多壁碳納米管復(fù)合纖維增強(qiáng)混凝土的抗收縮和抗干縮性能,充分發(fā)揮其極限拉伸值大、彈強(qiáng)比和抗拉強(qiáng)度高等特點。不同纖維摻量和試驗配合比如表1,為保證新拌混凝土坍落度處于80～100mm范圍,在試配過程中可以調(diào)整減水劑用量波動0.2%。

表1 試驗配合比

通過選擇合適的攪拌工藝,以實現(xiàn)復(fù)合纖維的均勻分散及其增強(qiáng)效果的充分發(fā)揮,具體流程如下:先向臥式攪拌機(jī)內(nèi)倒入石子與砂干拌90s,再加入粉煤灰與水泥干拌150s,然后摻入已將稱量好的復(fù)合纖維干拌150s,并倒入總用水量的90%濕拌150s,最后把減水劑與剩余10%的水混合加入并視具體情況再拌150～240s,拌合均勻后倒入試模成型。通過以上操作處理能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)合纖維的均勻分散,充分發(fā)揮其增強(qiáng)抗裂的作用效應(yīng)。

1.3 測試方法

為了探討水工混凝土強(qiáng)度受復(fù)合纖維摻量的影響,將不同纖維摻量的混合物制備成邊長150mm的立方體試件,然后利用萬能試驗機(jī)測定標(biāo)養(yǎng)28d的混凝土劈裂和抗壓強(qiáng)度。采用PTS-E0系統(tǒng)測定混凝土的抗裂性能,該系統(tǒng)分度值0.01mm,可以將裂縫放大100倍以便對試驗觀察分析,具體流程如下:①將拌合物澆筑到試模中,并立即平攤,試驗控制拌合物表面略高于模具邊框,隨后放到振動臺上震動10s至密實,抹平表面浮漿。②成型30min后移入相對濕度(60±5)%、溫度(20±2)℃環(huán)境中養(yǎng)護(hù),打開風(fēng)扇調(diào)整角度和風(fēng)速,使裂縫誘導(dǎo)器及試件表面與風(fēng)向相平行,距離試件正上方100mm處風(fēng)速為(5±0.5)m/s。③從加水?dāng)嚢栝_始作為試驗起始時間,每隔4h測量一次裂縫長度和長度,觀測齡期72h,試驗所用設(shè)備有鋼直尺、計時器和刻度放大鏡(最高放大倍數(shù)100倍)。

2 結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能試驗

采用萬能試驗機(jī)測定標(biāo)養(yǎng)28d時不同復(fù)合纖維摻量的混凝土劈裂與抗壓強(qiáng)度,如表2所示。水工混凝土摻復(fù)合纖維能夠有效增強(qiáng)其劈裂與抗壓強(qiáng)度,摻1.8kg/m3復(fù)合纖維的混凝土28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到40.1MPa,相較于基準(zhǔn)對照組S0提高了26.9%。對比分析強(qiáng)度檢測數(shù)據(jù)可知,水工混凝土抗壓強(qiáng)度隨復(fù)合纖維摻量的增加而增大,但增幅逐漸減小,摻1.4kg/m3相較于摻1.2kg/m3復(fù)合纖維抗壓強(qiáng)度增加7.9%,而摻1.8kg/m3相較于摻1.6kg/m3復(fù)合纖維抗壓強(qiáng)度僅增加2.8%。因此,統(tǒng)籌考慮纖維用量、增強(qiáng)效率和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等因素,混凝土摻1.4kg/m3復(fù)合纖維的性能較優(yōu)。

表2 劈裂強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度試驗數(shù)據(jù)

通過對比表2試驗數(shù)據(jù)可知,復(fù)合纖維的摻入能夠更加顯著地增強(qiáng)混凝土抗劈裂能力,這主要與纖維的良好的抗沖擊及抗拉性能有關(guān)。摻1.2kg/m3復(fù)合纖維的混凝土28d劈裂強(qiáng)度達(dá)到3.68MPa,相較于基準(zhǔn)對照組S0提高55.9%,對于改善水庫面板混凝土抗劈裂和抗拉性能具有重要意義。復(fù)合纖維摻量的進(jìn)一步增加,其提高劈裂強(qiáng)度的作用效果下降,如摻1.8kg/m3相較于摻1.6kg/m3復(fù)合纖維劈裂強(qiáng)度增加5.5%,摻1.6kg/m3相較于摻1.4kg/m3復(fù)合纖維抗壓強(qiáng)度增加6.7%。因此,統(tǒng)籌考慮纖維用量及其改善抗沖擊和抗拉性能的效率,混凝土摻1.2kg/m3復(fù)合纖維的性能較優(yōu)。由于劈裂強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度無法全面反映混凝土早期裂縫形成情況及其抗裂性能受復(fù)合纖維的影響,必須結(jié)合力學(xué)性能試驗數(shù)據(jù)利用平板法全面分析裂縫的形成與發(fā)展情況。

2.2 抗裂性能試驗

1)裂縫寬度。根據(jù)PTS-E0系統(tǒng)操作要求和設(shè)計配合比制作抗裂性能監(jiān)測試件,統(tǒng)計恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)72h時摻復(fù)合纖維混凝土的最大裂縫寬度如圖1所示。

圖1 摻復(fù)合纖維混凝土裂縫寬度

由圖1可知,水工混凝土摻復(fù)合纖維能夠有效減小裂縫寬度,摻1.8kg/m3和1.6kg/m3復(fù)合纖維混凝土最大裂縫寬度均不超過1.0mm,明顯<摻1.4kg/m3和1.2kg/m3復(fù)合纖維試件,試驗表明摻復(fù)合纖維試件裂縫寬度處于0.07mm～0.20mm范圍,符合一類環(huán)境下混凝土裂縫寬度不超過0.30mm防治要求。

從裂縫形成與發(fā)展的角度上,試驗12h時各組混凝土開始出現(xiàn)首條裂縫,試驗12～48h時裂縫條數(shù)逐漸增多,48h后裂縫發(fā)展趨勢開始放緩,增幅逐漸下降并穩(wěn)定。水工混凝土摻復(fù)合纖維能夠有效抑制貫穿裂縫的形成,S1～S4組均未發(fā)現(xiàn)貫穿裂縫,其中摻1.2kg/m3復(fù)合纖維混凝土裂縫寬度最大為0.20,試驗發(fā)現(xiàn)連續(xù)裂縫的情況;在相同條件下,摻1.8kg/m3和1.6kg/m3復(fù)合纖維混凝土的裂縫寬度相對較小,裂縫也不連續(xù),尤其是摻1.8kg/m3復(fù)合纖維混凝土裂縫寬度最小只有0.07mm,但發(fā)現(xiàn)較多的微裂縫。

2)裂縫面積。摻不同復(fù)合纖維水工混凝土總裂縫面積Acr利用積分法進(jìn)行計算,裂縫長度取裂縫連段的直線距離(較直的裂縫)或疊加折線的長度(有明顯曲折的裂縫),計算結(jié)果如圖2所示。

圖2 摻復(fù)合纖維混凝土裂縫面積

從圖2可以看出,復(fù)合纖維具有十分顯著的阻裂效果,摻1.2kg/m3復(fù)合纖維混凝土單位面積上的裂縫面積為466mm2,增加復(fù)合纖維摻量能夠更加有效地減少裂縫面積,摻1.4kg/m3復(fù)合纖維混凝土單位面積上的裂縫面積為285mm2,降幅達(dá)到僅40%。隨著纖維摻量的增加其減少裂縫面積的作用效率逐漸下降,摻1.6kg/m3、1.8kg/m3復(fù)合纖維混凝土單位面積上的裂縫面積為215mm2和227mm2。

3 結(jié) 論

1)水工混凝土摻復(fù)合纖維能夠明顯增強(qiáng)其劈裂和抗壓強(qiáng)度,特別是提升劈裂強(qiáng)度作用效果更優(yōu),摻1.2kg/m3復(fù)合纖維相較于基準(zhǔn)混凝土劈裂強(qiáng)度可以增強(qiáng)55.9%,對于改善水庫面板混凝土抗劈裂和抗拉性能效果明顯。但是,復(fù)合纖維摻量的進(jìn)一步增加,其提高劈裂和抗壓強(qiáng)度的作用效果有所降低。

2)水工混凝土摻聚丙烯腈/多壁碳納米管復(fù)合纖維可以抑制裂縫的形成與發(fā)展,并且摻量越高其裂縫寬度控制效果越顯著,摻復(fù)合纖維試件裂縫寬度處于0.07mm～0.20mm范圍,符合一類環(huán)境下混凝土裂縫寬度≤過0.30mm的防治要求。

3)在控制裂縫面積上,復(fù)合纖維的摻入具有顯著效果,摻量≤1.6kg/m3時,隨纖維摻量的增加其控制裂縫面積的作用效果越明顯,但隨著纖維摻量的進(jìn)一步增加其減少裂縫面積的作用效率逐漸下降并趨于穩(wěn)定。