泵送纤维混凝土工作性与自由收缩性能试验研究

宁喜亮，李媛媛

(东北电力大学 建筑工程学院，吉林 吉林 132012)

泵送纤维混凝土工作性与自由收缩性能试验研究

宁喜亮，李媛媛

(东北电力大学 建筑工程学院，吉林 吉林 132012)

摘要：本文通过测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纤维对泵送混凝土工作性能的影响；参照德国工业标准(DIN)测定不同配合比混凝土的自由收缩量，研究了聚丙烯纤维对混凝土自由收缩性能的影响。试验结果表明，低掺量聚丙烯纤维对混凝土的坍落度影响不大，而砂的含泥量却对混凝土坍落度及其经时损失影响较大，砂的含泥量应控制在4.2%以内；掺加0.9 kg/m3聚丙烯纤维可明显降低混凝土自由收缩应变，降低达15.3%，明显改善混凝土的抗裂性能。最后，将本文实测混凝土自由收缩应变与ACI 209建议模型及王铁梦模型计算结果进行对比，发现ACI 209更适用于预测纤维混凝土的收缩应变。

关键词：聚丙烯纤维；新拌混凝土；含泥量；坍落度；自由收缩

泵送混凝土要求具有较高的流动性，以便于施工。然而，受到运输条件的限制，混凝土在浇筑前经常由于坍落度损失过大而不能进行泵送施工[1]。作为混凝土重要组成部分的细骨料占混凝土体积的30%左右，但其含泥量对新拌混凝土坍落度经时损失影响的研究还很少见。此外，泵送混凝土通常需要较低的水胶比，而随着水胶比的降低，混凝土材料自由收缩应变随之增加，当这种收缩应变受到限制时，混凝土材料就会由于拉应变过大而开裂，对混凝土结构的耐久性和安全性构成严重的威胁。

混凝土材料中裂缝的产生是不可避免的，但裂缝又是可以控制在一定范围内的。研究表明[2-9]，在普通混凝土中加入随机分布的纤维得到的纤维混凝土材料具有优良的抗拉、抗冲击、抗疲劳、以及较好的韧性和耐久性。纤维混凝土开裂后，跨越开裂截面的纤维通过桥接作用传递应力并限制裂缝宽度的进一步扩展，抵抗混凝土早龄期的收缩。

本文通过对新拌混凝土的坍落度及经时损失和自由收缩应变的测定，研究了砂的含泥量及聚丙烯纤维对混凝土工作性的影响以及聚丙烯纤维对不同配合比混凝土收缩性能的影响。结果表明，低掺量聚丙烯纤维对混凝土的坍落度影响不大，砂的含泥量对混凝土坍落度的经时损失影响较大；聚丙烯纤维的加入可明显降低混凝土的自由收缩应变，改善混凝土的抗裂性能。

1试验概况

1.1试验原材料

混凝土设计强度等级为C45。采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，3 d抗折强度为6.5 MPa，3d抗压强度为31.0 MPa；一级袋装粉煤灰，其技术参数见表1；优质矿渣粉，其技术参数见表2；细骨料为连续级配的河砂，含泥量为7.8%，水洗后含泥量为4.2%，细度模数为2.6，属中砂；粗骨料为连续级配的碎石，粒径5-31.5 mm；聚羧酸系高效减水剂，减水率30%左右；国产聚丙烯短纤维(图1)，纤维长度为18 mm，长径比为600，抗拉强度为570 MPa，纤维掺量为0.9 kg/m3。经反复试配选取其中四种配合比，列于表3。

表1　粉煤灰技术参数测定

表2　矿渣粉性能测定

图1　聚丙烯短纤维

采用强制式搅拌机制备四组混凝土拌合物。搅拌时投料顺序：首先加入砂和水泥干拌1.0 min，然后均匀掺入纤维并干拌1.5 min；加入已搅拌均匀的高效减水剂与80%的拌和水，然后加入剩余的拌和水并搅拌2.0 min，停止搅拌。清理附着于搅拌机内壁的浆体和纤维，同时观察混凝土拌和物是否离析、纤维分布是否均匀、是否出现纤维结团现象。清理完毕后继续搅拌1～2 min，立即进行工作性指标的测试。

表3　试验用配合比(kg/m3)

图2　混凝土自由收缩试验装置

1.2试件制备

依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)[10]制备混凝土抗压强度试件，每组配合比制备9个立方体试块，试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，分别用来测试3 d，7 d和28 d的抗压强度。抗压强度试验在1 000 kN液压伺服试验机上进行，加载速率为6 kN/s。

按照德国工业标准(DIN)[11]建议的混凝土自由收缩试验方法，测定四种配合比混凝土45 d的自由收缩量，并计算平均收缩应变，试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，试验装置如图2所示。

2试验结果与分析

2.1立方体抗压强度

不同配合比混凝土立方体抗压强度按照标准[10]进行测试并计算，表4列出了不同配合比混凝土立方体试块3 d、7 d、28 d的抗压强度。

表4　不同配合比3 d、7 d、28 d的立方体抗压强度(MPa)

图3　不同龄期不同配合比混凝土抗压强度

图3为不同龄期不同配比混凝土立方体抗压强度对比图，由图3和表4可以看出，四组配合比均满足混凝土设计强度，是否掺加聚丙烯纤维，对不同龄期混凝土立方体抗压强度影响不大。

表5　混凝土坍落度及经时损失(mm)

注：T0为新拌混凝土的坍落度值，T0.5为放置0.5 h后的混凝土坍落度值，T1.0为放置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获得质量均匀、密实混凝土的性能[12]。对于泵送混凝土主要采用坍落度法测定其的流动性。泵送混凝土施工时要求混凝土具有较高的流动性，以满足泵送混凝土的集中搅拌、远距离运输及泵送等过程的要求。但在泵送混凝土施工过程中，经常遇到由于混凝土坍落度损失过快，使混凝土难以浇筑成型。

混凝土坍落度经时损失是指新拌混凝土的坍落度随着时间的延长而逐渐减小的现象。影响泵送混凝土坍落度经时损失的因素较多，包括环境温、湿度，水泥品种(矿物成分)，水灰比，化学外加剂(相容性)，矿物外加剂(掺和料)以及砂石骨料的含泥量等因素。

参照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T50080-2002)[13]，对不同配合比的新拌混凝土及放置0.5 h和1.0 h后混凝土的坍落度进行测定，测试结果列于表5。

图4　不同配合比新拌混凝土及经过0.5 h和1.0 h后的坍落度

图4为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状图，由表5和图4可以看出，新拌混凝土的坍落度均在160 mm±30 mm的范围内，满足《混凝土泵送施工技术规程》(JGJ/T10-2011)[14]的要求。但经过0.5 h和1.0 h后，混凝土拌合物的坍落度损失严重，在1.0 h后，四种配合比混凝土的坍落度几乎仅为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对泵送混凝土坍落度经时损失的影响。考虑本文所用砂的含泥量较高，达7.8%。选择G003和G004两组配合比，采用清水洗净的砂(含泥量4.2%)重新配制混凝土，用以研究砂的含泥量在有无聚丙烯纤维的情况下对混凝土坍落度及经时损失的影响，测量结果见表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)

图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

图5为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和图5可以看出，采用清水洗过砂所配制混凝土的坍落度经时损失很小，1.0 h后的坍落度仍在100 mm以上，满足规范(JGJ/T10-2011)[14]对泵送混凝土出泵坍落度的要求，而是否掺加聚丙烯纤维，对混凝土的坍落度影响不大。

图6　G003和G004混凝土实测自由收缩应变

2.3混凝土自由收缩

图6对比了聚丙烯纤维对G003和G004两种配合比混凝土自由收缩性能的影响。由图6可以看出，两种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缩速率，此后自由收缩速率逐渐减慢。聚丙烯纤维的掺入，明显降低了混凝土的自由收缩应变。与素混凝土相比，掺入0.9 kg/m3聚丙烯纤维的混凝土试件的自由收缩应变减小了15.3%。在混凝土中加入聚丙烯纤维后，纤维下部会聚集部分自由水，而纤维构成的网状结构可以阻止粗骨料的下沉，减少泌水，进而降低毛细孔水的不饱和程度，减少混凝土基体的收缩应变。这对改善混凝土的抗裂性能是很有利的。

2.4自由收缩预测模型验证

本试验选择ACI 209[15]推荐的预测混凝土自由收缩模型和我国学者王铁梦[16]根据相关文献和多年工程实践提出的混凝土自由收缩应变计算公式计算G003和G004两种配合比下混凝土的自由收缩应变。

ACI 209[15]计算混凝土自由收缩应变公式为：

(1a)

εsh，∞=780γsh×10-6，

(1b)

式中：ε(t)为收缩应变；t为养护完成拆模以后的天数(d)；εsh，∞为最终收缩应变；780×10-6为标准条件下的自由收缩应变；γsh为非标准条件的修正系数，如砂率、水泥用量、环境湿度、构件尺寸、养护方法、坍落度、含气量等七种情况的影响系数。

王铁梦[16]计算混凝土自由收缩应变公式如下：

(2)

式中：εy0为标准状态下的极限收缩，取3.24×10-4；b为经验系数，一般取0.01，养护较差时取0.03；Mn为各种非标准条件的修正系数，如水泥品种、细度、骨料、水灰比、水泥浆量、初期养护时间、环境湿度、构件尺寸、操作方法(振捣、养护方法)和配筋率等十种情况的影响系数。

图7为G003和G004两组配合比混凝土自由收缩应变实测值与模型预测值对比图。由图7可以看出，是否掺加聚丙烯纤维，ACI 209模型预测的混凝土自由收缩应变均与实测值较为接近，而王铁梦模型预测的混凝土自由收缩应变明显低于实测值，由于王铁梦模型是建立在中低强度混凝土基础上的。由此可看出，ACI 209模型更适用于纤维混凝土自由收缩应变的预测。

图7　混凝土自由收缩应变的计算值与实测值比较

3结论

通过测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缩应变，可以得到如下主要结论：

(1)聚丙烯纤维的掺入，对不同龄期混凝土的立方体抗压强度影响不大。

(2)砂的含泥量对混凝土坍落度影响较大，应使用含泥量小于4.2%的砂配制泵送混凝土。

(3)掺加0.9 kg/m3的聚丙烯纤维，可使混凝土自由收缩应变降低15.3%，明显改善混凝土抗裂性能。

(4)通过混凝土自由收缩应变实测值与模型预测值对比，发现ACI 209模型预测结果与实测结果吻合较好，该模型用更适用于纤维混凝土自由收缩应变的预测。

参考文献

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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

基金项目：东北电力大学博士科研启动基金项目(BSJXM-201603)

作者简介：宁喜亮(1984-)，男，吉林省榆树市人，东北电力大学建筑工程学院讲师，博士，主要研究方向：纤维混凝土结构试验及理论.

文章编号：1005-2992(2016)03-0080-06

中图分类号：TU528.53

文献标识码：A