掺入钢纤维的活性粉末混凝土早期抗裂性能

王怡沁，钟春玲，张云龙，王 静

1 吉林建筑大学 土木工程学院,长春 130118 2 吉林建筑大学 经济与管理学院,长春 130118 3 吉林建筑大学 交通科学与工程学院,长春 130118

0 引言

活性粉末混凝土(RPC)是一种新型的超高性能混凝土,由于它剔除了粗骨料,降低了水胶比,添加了非常有效的火山灰材料[1],因而与普通混凝土相比,有着卓越的力学性能和延展性,如RPC具有超高的抗压强度、抗拉强度和延展性[2].凭借这些优点,RPC被认为是一种很有前途的材料,可用于预制混凝土构件、桥梁工程等，或者作为修补材料应用于暴露在恶劣环境下需要加固或者修复的混凝土结构中[3].然而,由于RPC的水胶比很低(通常在0.2以内),且RPC几乎是不渗透的,故外部的水很难进入混凝土内部参与水化反应,使得RPC在早期会产生严重的自干燥性和较高的自发收缩.因此,有必要对RPC的早期抗裂性能进行研究,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开裂风险的常用方法包括添加纤维、使用内养护方式等.其中,纤维增强是改善混凝土抗裂性能的一种非常有效的手段.在混凝土中添加钢纤维，能提高其力学性能并降低开裂风险.Doo-Yeol Yoo等[4]学者研究表明,掺入2 %的钢纤维自由收缩应变大约为1 000 με,而不掺钢纤维的UHPC板的自由收缩应变约为1 700 με.现在大部分的研究都集中在钢纤维对RPC强度和微观结构的影响[5],很少有文献研究钢纤维对RPC早期收缩和抗裂性能的影响.因此,有必要对掺入钢纤维的RPC早期收缩和约束钢环应变进行研究.本研究在RPC中掺入钢纤维，通过单因素分析,分别研究其对RPC早期收缩及与抗裂性能有关的钢环应变和自收缩的影响,用于评估RPC的早期抗裂性能.

1 试验方案

1.1 原材料

本文使用的原材料有普通硅酸盐水泥、硅灰、粉煤灰、机制砂、矿粉、聚丙烯纤维、钢纤维、高效减水剂和自来水.采用吉林亚泰水泥有限公司生产的硅酸盐水泥(P.Ⅱ52.5R),其成分见表1；中国河北生产的粉煤灰,其成分见表2；吉林本地生产的机制砂作为细骨料；巩义市元亨净水材料厂生产的S95级矿粉,其成分见表3；甘肃三远硅材料有限公司生产的硅灰,其物理和化学性能见表4；山东鲁纤建材科技有限公司生产的镀铜钢纤维,长度为13 mm,直径为0.2 mm,其规格和尺寸见表5；重庆腾治科技有限公司生产的聚羧酸高性能减水剂,密度为1.05 g/cm3,用于维持不同混合物的流动性和粘性.

表1 硅酸盐水泥物理性能和化学成分Table 1 Physical and chemical features of ordinary portland cement

表2 粉煤灰化学成分Table 2 Chemical features of fly ash (%)

表3 矿粉化学成分Table 3 Chemical properties of mineral powder (%)

表4 硅灰化学成分Table 4 Chemical properties of silica fume (%)

表5 钢纤维的相关尺寸Table 5 Specifications and sizes of steel fiber

1.2 混合物配合比和混合程序

准备一系列样本用来研究掺入钢纤维对RPC早期抗裂性能的影响.相关混合物配合比见表6.在表6中,以混合物SP20为例,字母S代表钢纤维,数字2为钢纤维掺量为RPC体积的2 %，所有混合物的水胶比为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、矿粉、机制砂,搅拌4 min；其次将钢纤维缓慢加入混合物中搅拌5 min,防止纤维成团；然后将一半的水倒入混合物中,搅拌5 min；最后将剩余的水和高效减水剂加入混合物中,再搅拌5 min.

表6 配合比Table 6 Mix proportion

当以上混合序列完成后,将混凝土倒入特定的模具,在振动台上进行压实,为防止水分蒸发,立即用塑料膜覆盖直至脱模,最后进行相应的实验.

1.3 约束圆环测试

本文所用的钢环的内径表示为RIS,外径表示为ROS.混凝土环的外径表示为ROC,内径表示为RIC.相关尺寸为RIS=142.5 mm,ROS=RIC=152.5 mm,ROC=212.5 mm,钢环厚度t=10 mm,所使用钢环的高度h=100 mm.根据文献[6]提议,至少使用2个电阻应变片检测钢环中应变的发展.本研究每个圆环采用4个应变片,分别贴在钢环内表面的中间高度.钢环应变测量从混凝土浇筑开始,每间隔20 min通过将应变片与计算机连接的数据收集系统记录其钢环应变,并采用平均值用于应力的计算.

1.4 自由收缩测试

根据中国标准GB/T 50082-2009,使用长度为515 mm,截面尺寸为100 mm×100 mm的棱柱体试件,采用接触法测试混凝土的自由收缩.在混凝土浇筑前,为了消除摩擦力的作用,在模具中预先放置一层塑料膜,然后涂上润滑油,再铺上一层塑料膜.虽然棱柱体试件的约束条件和环试件不同,但是当棱柱体试样和环试样有着相同的体表比时,它们有着相同的自由收缩.为了获得和环试样相同的体表比,脱模后用乙烯基在棱柱体试样的末端密封133 mm长度.然后将棱柱体试样放在和环试样相同的环境中.如图1所示,通过棱柱体端的千分表(精度为0.001 mm)来检测其自由收缩应变.根据该文献[7]的建议,从浇筑后的1.5 d开始进行自由收缩测量,此时混凝土处于收缩阶段.

图1 自由收缩测试样本Fig.1 Free shrinkage samples

1.5 力学强度测试

按照GB/T 31387-2015《活性粉末混凝土》进行混凝土的弹性模量和力学强度试验，试验采用SYE-3000B(新型试验及压缩机)分别测试各混凝土试件在28 d的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量.测试抗压强度和劈裂抗拉强度试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，测试弹性模量试件尺寸为100 mm×100 mm×300 mm，试件在温度(20±2)℃、相对温度为(95±5)℃条件下养护24 h，然后在(15±2)℃室内自然养护28 d.

2 结果与讨论

2.1 掺入钢纤维对RPC力学强度的影响

混凝土的力学强度通常反映了混凝土质量的优劣,因其和水泥浆体的结构密切相关.表7为RPC混合物28 d力学性能测试结果.对于混合物SP00和SP20,在28 d的抗压强度分别为97 MPa和107 MPa,与SP00相比,SP20的抗压强度分别提高了10.3 %.由此可见,添加钢纤维可以提混凝土的抗压强度,可能是由于钢纤维能有效阻碍混凝土内部微裂缝的扩大延伸，从而提高抗压强度.

由表7可知,掺入纤维可以有效提升RPC的劈裂抗拉强度.对于混合物SP00和SP20来说,它在28 d的劈裂抗拉强度分别为11.45 MPa和14.23 MPa.与混合物SP00相比,SP20的劈裂抗拉强度提高了24.3 %,是因为纤维的夹持力有助于防止混凝土的剥落[8].对于混合物SP00和SP20,它们在28 d的弹性模量分别为35 GPa和39 GPa,与SP00相比,SP20弹性模量提高了11.4 %.因为钢纤维具有更高的强度和弹性模量,使得混凝土的弹性模量有所提高[9].

表7 RPC相关力学性能Table 7 Mechanical property of RPC

2.2 掺入钢纤维对RPC早期自由收缩的影响

混凝土的自由收缩对RPC的早期开裂有影响,对于RPC而言,其水胶比低,胶凝材料用量大,易产生严重的收缩.如图2所示,混凝土自由收缩的测试结果是根据每种配合物的3个棱柱体的平均值计算得到,混凝土自由收缩所经历的时间是从混凝土浇筑1.5 d后开始计算.由图2可知,RPC混合物SP00和SP20的自由收缩应变在早期发展很快,在净龄期大约10 d后RPC的自由收缩发展慢慢降低,然后逐渐趋于平稳.测试结果表明,掺入钢纤维可以有效降低RPC的自由收缩值.在掺入钢纤维后,在净龄期14 d时,与素混凝土相比,自由收缩应变大约减少了29.9 %.例如,在净龄期14 d时,对于SP00和SP20混合物来说,自由收缩值分别为-367.867 με和-257.576 με.这是因为掺入纤维后,其在混凝土中的乱向分布降低了RPC的表面析水,提高了RPC的保水能力,使得混凝土内部含水量增加,水泥水化更充分,因而减少了干缩[10].可见,在RPC中掺入纤维可以减少混凝土的收缩.

图2 RPC自由收缩值Fig.2 Free shrinkage values of RPC

2.3 钢纤维对钢环应变的影响

图3为钢环应变和时间的变化关系图,钢环应变值为每种混凝土配合比的两个圆环的平均值.根据ASTM,钢环应变值的突然下落(超过30 με))意味着混凝土出现了裂缝.由图3可知,混合物SP00,SP20分别在混凝土浇筑后的18.75 d和21.5 d产生了收缩开裂,这表明在RPC中掺入纤维可以延缓裂缝出现的时间.这是由于在混凝土中添加纤维可以提高其抗拉强度,并且在首个裂缝出现前能够承受更多的应力.通常情况下，纤维可以充当纤维桥接,有助于抵制收缩开裂的发生.A.Sivakumar等[11]人的研究结果同样也表明掺入钢纤维可以延缓裂缝出现的时间.如图3所示,在早期RPC的钢环应变下降非常缓慢,甚至接近于0,是因为RPC此时尚未完全硬化,没有足够的强度,对钢环产生的收缩应力很小;之后混合物的钢环应变开始有了大幅度下降,14 d之后逐渐趋于稳定.其中,掺入钢纤维的RPC的钢环应变明显低于素RPC(SP00).如在RPC浇筑后的18.75 d,对于混合物SP00和SP20,钢环应变绝对值分别为153.45 με和133.03 με.与SP00相比降低了13.3 %.此外,对于混合物SP20而言,钢环应变的增速明显低于SP00,这表明掺入钢纤维是减小RPC的约束收缩的一种有效手段.因此,混凝土的抗裂性能可以通过掺入钢纤维而得到提升.

图3 RPC钢环应变与龄期的关系Fig.3 Relationship between steel ring strain and age of RPC

3 结论

本文分析了掺入钢纤维对RPC与早期抗裂性能有关的自由收缩、钢环应变的影响.基于以上的结果和讨论,可以得到以下的结论:

(1) 与素RPC相比,掺入钢纤维可以提高RPC的抗压强度、劈拉强度和弹性模量.由此可见,钢纤维具有极好的强度和弹性模量,使得RPC的力学强度都有所提高.

(2) 在RPC掺入钢纤维可以有效降低自由收缩值,在净龄期14 d时,与素混凝土SP00相比,SP20的自由收缩值降低了29.9 %.

(3) 在RPC中掺入钢纤维可以降低约束钢环应变.在早期RPC的钢环应变下降非常缓慢,甚至接近于0,之后RPC的钢环应变开始有了大幅度的下降，14 d后逐渐趋于稳定；混合物SP00,SP20分别在RPC浇筑后的18.75 d和21.5 d产生了收缩开裂.