玻璃纤维对水泥混凝土塑性开裂性能的影响.pdf

新 建蟓 中 国 科 技 核 心 期 刊 t lt t m 纤维劝水泥混凝土 塑性开裂性链硇t象 ,ll 响 徐蕾 ( 新疆工程学院 ， 新疆 乌鲁木齐8 3 0 0 9 1 ) 摘要 ： 依据 G B ／ T 1 5 2 3 1 --2 0 0 8 《 玻璃纤维增强水泥性能试验方法》 ， 对不同玻璃纤维掺量的改性水泥混凝土进行了早期塑性收 缩开裂试验 ， 基 于浇筑 后暴 露于模拟 自然条件后第 1 个 2 4 h内产 生的裂缝数量 、 裂 缝总面积 以及 开裂指数 ， 发现加 入玻璃纤维可 以有效抑制 2 4 h内塑性 收缩裂缝 的形成和发展 ， 且裂纹数量会随着纤维掺量的增大呈递减趋 势。 关键词： 混凝土； 玻璃纤维； 塑性开裂； 约束作用 中图分类号： T U 5 2 8 ． 0 4 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 1 — 7 0 2 X( 2 0 1 3 ) 1 0 — 0 0 2 9 — 0 3 T h e i n fl u e n c e o f g l a s s fi b e r s o n t h e p l a s t i c s h r i n k a g e c r a c k i n g p r o p e r t i e s i n c o n c r e t e 『 ， e ( Xi n j i a n g E n g i n e e ri n g C o l l e g e ， Ur u mq i 8 3 0 0 9 1 ， X i n j i a n g ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Ac c o r d i n g t o t h e s t a nd a r d GB／ T 1 5 2 3 1 -- 2 0 0 8， s o me p l a s t i c s h rin k a g e c r a c k i n g p r o p e r t i e s t e s t s f o r t h e mo d i fie d fi b e r r e i n f o r c e d c e me n t c o n c r e t e wi t h d i f f e r e n t fi b e r d o s a g e we r e c a r r i e d o u t ．Ba s e d o n t h e n umb e r o f c r a c k s ， t o t a l c r a c k a r e a ， a n d c r a c k i n d e x wi t hi n t h e fir s t 2 4 h o u rs a f t e r c a s t i n g a n d e x po s u r e t o s i mu l a t i v e n a t u r a l c o n d i t i o n s ； g l a s s fib e rs we r e f o u n d t o b e s l i g h t l y e f f e c t i v e i n c o n t r o l l i n g r e s t r a i n e d p l a s t i c s h rin k a g e c r a c k i n g ， a n d wi t h i n c r e a s e o f fi b e r do s a g e ， t h e n u mb e r o f c r a c k i s d e c r e a s e d p r o g r e s s i v e l y ． ． Ke y wor d s： c o n c r e t e ： g l a s s f i b e r s ； p l a s t i c s h r i n k a g e c r a c k i n g ； c o n s t r a i n t f u n c t i o n 在现代建筑工程中， 混凝土是世界上耗用量最大的建筑 材料， 相对于钢材等建筑材料， 混凝土有着价格低廉等优点， 但也存在一些缺点。 如拉伸率很小， 仅为0 ． 0 0 5 ％ 0 ．0 5 ％， 在浇 筑成型早期易产生塑性收缩开裂。 对于塑性开裂的成因现在流行的观点是，在灌制后最初 几个小时内， 混凝土尽管仍然处在塑性状态， 但是如果水分从 表面蒸发的速度超过其被下部的水取代的速度，那么混凝土 就易于收缩， 当这种收缩被限制时， 混凝土将产生裂缝以释放 所积累的拉伸应力，塑性收缩裂缝将会减弱混凝土单元的耐 久性。在混凝土中加入少量的纤维能够有效减少塑性收缩裂 缝 。据研究， 通过掺入纤维达到的裂缝缩减机制有能力减 少自由塑性收缩变形， 并增强混凝土的初期扩张强度 。 基金项 目： 新疆工程学院校内课题资助 项 目( 2 0 1 2 XG Z 2 1 1 4 1 2 ) 收稿 日期： 2 0 1 3 — 0 3 — 1 5 作者简介 ： 徐 蕾， 女， 1 9 7 9年生， 河北蠡县人 ， 讲师 ， 硕士 ， 研 究方 向为 节能建筑材料的机理及应用 。地址 ： 8 3 0 0 0 0新疆乌 鲁木齐市沙区于 田街 4 8号机电厅行办一单元 1 0 1 室 ， E — ma i l ： x u l ij a n 6 1 2 @1 6 3 ． C O m。 本文对不同掺量的玻璃纤维改性水泥混凝土进行了早期 塑性开裂实验， 对玻璃纤维在改善塑性收缩开裂方面的有效 性进行了研究。 1 试验 项目 组专门设计了一套试验方案用于研究纤维改性水泥 混凝土和普通水泥混凝土样品的塑性收缩性能。使用纤维强 化砂泵在粗糙混凝土胚体上进行了灌注叠加，使样品处于正 常环境温度、 干燥且有风的模拟室外环境试验室条件下， 对表 面裂缝的数量、 宽度和长度均定期进行测量， 直到裂缝增长趋 于稳定。试验评价了不同的纤维类型、 长度和掺量的效果。 1 ． 1 原材料及配合 比 试验使用4 2 ． 5 级普通硅酸盐水泥； 细度模数为2 ． 6 的中 砂； 粗集料采用5 1 0 m m的碎石； 玻璃纤维为陕西万达工程 材料有限公司生产， 密度为0 ． 9 1 g ／ c m ， 直径为3 2 m ， 长度分 别为 1 8 m m和4 0 m m ， 弹性模量3 ． 5 G P a ， 抗拉强度4 0 0 M P a ， 延伸率3 0 ％。 基准混凝土配合比为： m ( 水泥) ： m( 砂) ： m( 碎石) ： m( 水) = N E W BUI L DI NG MAT E RI AL S 2 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 徐蕾， 等： 玻璃纤维对水泥混凝土塑性开裂性能的影响 1 ： 0 ． 7 5 ： 0 ．7 5 ： 0 ．5 ， 纤维掺量为0 ． 0 5 ％ 0 ． 3 0 ％。 1 ． 2 试验方法 试验参照G B ／ T 1 5 2 3 1 --2 0 0 8 《 玻璃纤维增强水泥性能试 验方法》 进行。 衬底层的制备在浇灌覆盖层之前2 8 d 进行， 以便在限制 性塑性收缩试验前达到足够的强度。衬底层的混合比例为普 通水泥加8 ％的研磨硅粉。 为了保持衬底层的表面连续粗糙度，底部由半球形凹陷 模式的P V C模具浇铸而成， 直径为2 0 m m ， 并由机器压入底 层。因此， 由此制成的底部具有凸出表面 1 0 m m的半球形凸 起， 如图1 所示。每个底部垂直铸造 2 根直径为1 6 I B m的钢 筋棒， 以增强其刚度。将底部放入2 5 ℃饱和石灰水中浸 1 个 月后进行脱模处理。 在放置覆盖物前1 d ， 将模具从水中移出 并在大约2 2 ℃的干燥空气中放置 1 2 h 。 图 1 样品底部形状示意 厚度为6 0 m m覆盖层砂浆是在衬底基础之上灌注而成， 衬底基础以1 0 0 m m x 3 7 5 m m平面和 1 0 0 m m深度的P V C模 板为中心。 样品在振动台上振动 1 m i n 左右， 同时用抹子轻轻 涂抹以维持表面光滑度， 以便准确测量裂缝面积。 然后样品被 立即转移至模拟室外露天环境下进行测试。 约 1 0 m i n 后使用 分离杆移开模具。 ‘ 样品在模拟环境室放置约2 4 h ，之后对裂缝的长度和宽 度进行测量。 利 用线绳测得最 接近的 裂缝长 度为1 m m ， 线 绳 可跟随裂缝路径。 采用手执5 O 号显微镜沿着每个裂缝长度的 3 个不同点测得最接近的裂缝宽度为0 ． 1 m m。能探测到的最 小裂缝宽度为0 ． 0 0 5 m m 。为了方便计算裂缝面积， 小于0 ． 0 1 m m的裂缝宽度被假定为0 ． 0 0 5 m m。记录每份样品的最大裂 缝宽度、 裂缝总面积( 所有裂缝的长度和平均宽度相乘积的总 和) 以及裂缝数量。 2 试验结果和讨论 玻璃纤维掺量均为0 ． 0 5 ％， 使用 1 8 m m和4 0 m m长的玻 璃纤维。 经测试可得， 样品的塑性开裂总面积分别为2 6 ．5 ％ 和 2 8 ． 1 ％。纤维长度的增加对于阻止开裂并没有起到良 性效果， 采用4 0 m m纤维比采用1 8 m m纤维裂缝总面积略有增加。 根据裂缝宽度把裂缝分为5 级， 每级对应 1 个权重值， 如 表 1 所示， 将每条裂缝的长度乘以其相对应的权重值， 再相加 所得的总和称为开裂指数， 以此表示水泥砂浆的开裂程度。 表 1 裂缝权重值 使用 1 8 m m长的玻璃纤维， 不同掺量时混凝土的开裂指 数如表2 所示。表2 中， 抗开裂性能比以基准混凝土的开裂 指数平均值与需要检测的掺加玻璃纤维水泥混凝土的开裂 指数平均值之差除以基准砂浆的开裂指数平均值的百分数 表示。 表 2 不 同玻璃纤维掺量时混凝土的开裂性能 由表2 可见， 相对于普通控制样品， 在混凝土中加入玻璃 纤维将会使裂缝总面积和最大裂缝宽度明显缩减。 在混凝土浇筑成型到硬化前的过程中， 有2 0 ％ 2 5 ％的水 分与水泥产生了水化反应， 其余水分蒸发从而使混凝土表面变 的干燥，靠近混凝土表面的水泥与集料等粒子之间的水中形 成毛细管弯月面体系， 毛细管水负压随着水分的丧失发展， 从 3 0 新型建筑材料 2 0 1 3 ． 1 0 而产生塑性收缩， 该收缩受到基底、 模板等约束后在混凝土内 部产生拉应力， 此时的混凝土处于塑性阶段， 其抗拉强度不足 以抵抗拉应力， 从而使混凝土产生塑性收缩开裂， 开裂程度随 着环境湿度的减小以及空气流动速度加快等因素趋于严重同 。 掺加玻璃纤维后，纤维均匀分布在混凝土内 部且方向杂 乱，类似于在混凝土内部形成了由微细筋构成的密集的乱向 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 徐蕾， 等： 玻璃纤维对水泥混凝土塑性开裂性能的影响 支撑体系， 从而产生牵制约束作用， 使系统粒子的可移动性降 低[6 1 。 同时， 该约束作用可以在某种程度上抵消裂缝尖端应力， 从而阻止早期塑性裂缝的产生和发展。 从表2 可以看出， 玻璃 纤维的加入延迟了裂缝的出现时间，且随着玻璃纤维掺量的 增加延迟时间逐渐增加，裂缝最大宽度随着玻璃纤维掺量的 增加而减小， 抗裂性能逐渐提高， 玻璃纤维掺量分别为0 ． 0 5 ％、 O ． 1 0 ％及0 ．3 0％时， 抗开裂性能比分别为4 9 ． 1 ％、 7 4 ． 5 ％ 及9 0 ． 2 ％。 3 结论 在普通混凝土中加入玻璃纤维可有效减少高蒸发率条件 下由于塑性收缩而造成的塑性开裂。出现裂缝的时间由1 7 0 m i n 延长到3 4 0 m i n ( 玻璃纤维长度1 8 m m ， 掺量0 ． 3 0 ％) ， 掺入 纤维后，开裂指数明显减小，玻璃纤维掺量为0 ． 0 5 ％ 0 ． 3 0 ％ 时， 均未出现2 m m以上宽裂缝。 玻璃纤维在混凝土中形成的三维乱向支撑体系可以产生 “ 次加强筋” 作用， 从而有效地抑制塑性收缩开裂的产生， 其作 用随着掺量的增加逐渐增强， 抗开裂性能比由4 9 ． 5 ％( 玻璃纤 维掺量为O ． O 5 ％ ) 增加至9 0 ． 2 ％( 玻璃纤维掺量为0 ． 3 0 ％ ) 。该 方法对操作工艺和设备没有特殊要求， 简单易行。 参考文献： [ 1 ] F e r n a n d e z J E ． F l a x fi b r e r e i n f o r c e d c 0 n c r e t e ——a n a t u r a l fi b r e b i o c o mp o s i t e f o r s u s t a i n a b l e b u i l d i n g m a t e ri als 【 J 】 ． Hi g h P e r f o r - ma n e e S t r u c t u r e s a n d C o mp o s i t e s ， 2 0 0 2( 4 ) ： 1 93 —2 0 7 ． 【 2 ] 赵帅 ， 李 国忠 ， 王英姿． 聚丙烯 纤维， 聚合物 乳液 对砂浆干缩开裂 的影响[ J ] ． 中北大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 1 2 ， 3 3 ( 5 ) ： 6 1 2 — 6 1 6 ． 【 3 ]3 桂苗苗．混凝土早期塑性收缩开裂 的研 究进展咖． 材料导报， 2 0 1 1 ， 2 5( 1 1 ) ： 7 6 —8 5 ． [ 4 ] B a y a s i Z ， Mc i n t y r e M．Ap p l i c a t i o n o f fi b r i l l a t e d p o l y p r o p y l e n e f i - b r e s f o r r e s t r a l n t o f p l a s t i c s h rin k a g e c r a c k i n g i n s i l i c a FUME c o n c r e t e [ J ] ．A C I Ma t e r ．J ． ， 2 0 0 2 ， 9 9( 4 ) ： 3 3 7 — 3 4 4 ． [ 5 ] 施凤莲 ， 顾平． 纤维对 水泥 混凝土早期塑性开裂性能及抗冲击性 能的影n NJ ] ． 混凝土与水泥制品， 2 0 1 2 ( 8 ) ： 4 8 — 4 9 ． 【 6 ] 王海洋． 高强混凝土早期收缩及塑性开裂 影响因素研究【 D 】 ， 重庆 ： 重庆 大学 ， 2 0 0 5 ． A ( 上接第 2 4页) 体和铝氧四面体的聚合程度。 一般情况下， 硅酸盐胶凝材料产 物结构当中， 其它离子的数量越多、 半径越大、 配位数越高、 与 氧的化学键强度越低、 负性越弱或电负性过强， 则硅氧四面体 和铝氧四面体连接聚合的程度便越低，硅酸盐聚合结构的稳 定性也就越差。 ( 2 ) 硅酸盐胶凝材料中各种离子数量的比例关系对其产物 结构稳定性的影响很大。 尤其是硅酸盐胶凝材料中的C a ／ S i ， 不 仅对硅氧四面体和铝氧四面体的聚合程度影响显著，而且对 N a 离子存在形式影响很大。 C a ／ S i 越高， 硅铝链的聚合程度越 低， 且以可溶状态存在的N a 离子数量越多， 对硅酸盐胶凝材 料产物结构稳定性的影响越不利。故控制硅酸盐胶凝材料中 可溶性N a ~ 离子含量时， 不能仅控制其化学成分中的N a ／ A 1 ， 而 且要控制适当的C a ／ S i 。两者的控制范围要相互对应。 ( 3 ) S 离子的存在对硅酸盐胶凝材料产物结构的稳定性 也有非常不利的双重影响。既明显影响硅氧四面体和铝氧四 面体的聚合程度， 也增加以可溶状态存在的N a + 离子数量。 参考文献： 【 1 ] B a r n e s P ． 水 泥 的结构和 I~[ MI ． 北 京： 中国建筑 工 业 出版社 1 9 9 l ： 3 ， 7 ， l 1 ． [ 2 】 袁润章肢 凝材料学[ M】 ． 武汉 ： 武汉理工大学出版社， 1 9 9 6 ： 8 9， 1 6 3 ． 【 3 ] 王 培铭． 无机非金 属材料学 [ M] ． 上海 ： 同济 大学 出版社 ， 1 9 9 9 ： 9 ， 8 8 — 9 O ． [ 4 】 张书政 ， 龚克成． 地聚合物f J ] ．材料 科学与工程 学报， 2 0 0 3 ， 2 1 ( 3 ) ： 43 0 — 4 3 6 ． [ 5 】 W L o e w e n t e i n ． T h e d i s t r i b u t i o n o f A 1 i n t h e t e t r a h e d r a o f s i l i — c a t e s a n d a l u mi n a t e s [J ] ． A m．Mi n e r a1． ， 1 9 5 4 ， 3 9 ： 9 2 ． 【 6 ] 代新祥 ， 文梓芸． 土聚水泥的应用及研究现状加． 水泥 ， 2 0 0 1 ( 1 O ) ： 1 1 ． 1 4 ． 【 7 ] D A VI DO V I T S J ． G e o p o l y me r s ： i n o r g a n i c p o l y me ri c n e w m a t e ri als l J J ． J o u r n a l o f T h e r ma l An a l y s i s ， 1 9 9 1 ， 3 7 ： 1 6 3 3 - 1 6 5 6 ． [ 8 ] 史才军． 碱一 激发水泥和混凝土[ M] ．北京 ： 化学工业 出版社， 2 0 0 8 ． 【 9 ] 陈立军， 孔令炜 ， 黄德馨 ， 等 ． 油页岩渣一 矿 渣碱激 发胶 凝材料 的 研蠲J 】 _建筑材料学报， 2 0 1 0 ， 1 3 ( 6 ) ： 8 4 1 — 8 4 6 ． [ 1 0 ] 陈立军 ， 王德君 ， 孔令炜， 等． 碱激发胶凝 材料 R ／ A 1 控制方法 的 研究[ J ] ．武汉理工大学学报 ， 2 0 1 3 ， 3 5 ( 5 ) ： 2 3 — 2 8 ． 【 1 1 ] B A 拉宾诺维奇， 3 且 哈文． 简 明化学手册[ M] ． 北京： 化学工业 出版社， 1 9 8 3 ． A NE W BUl L D J NG MAT E RI AL 5 3l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m