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外加剂对聚丙烯纤维增强混凝土的早期抗裂性影响

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第4O卷第1期 2008年2月 南 京航空航天大学 学 报 Vo1.40 No.1 Journal of &Astronautics Nanjing University of Aeronautics Feb.2008 外加剂对聚丙烯纤维增强混凝土的早期 抗裂性影响 张 伟 艾 军 李美丹。 (1.南京航空航天大学航空宇航学院,南京,210016;2.南京工程学院建筑工程学院,南京,211167; 3.沈阳建筑大学材料科学与工程学院,沈阳,110168) 摘要:采用平板收缩试验法,研究了减水荆与膨胀剂及其复合技术对聚丙烯纤维增强高性能混凝土的早期 抗裂性的影响。结果表明,聚丙烯纤维增强高性能混凝土的早期抗裂性大小顺序为:UEA—N混凝土膨胀剂与聚 羧酸高效减水剂复合的纤维增强高性能混凝土>AEA混凝土膨胀剂与聚羧酸高效减水剂复合的纤维增强高性 能混凝土>AEA混凝土膨胀剂与萘系减水剂复合的纤维增强高性能混凝土>纤维增强高性能混凝土。因此,采 用UEA—N混凝土膨胀荆与聚羧酸高效减水剂的复合外加剂技术和聚丙烯纤维增强技术是防止高性能混凝土发 生塑性收缩开裂的比较理想的技术措施。 关键词:混凝土;开裂;减水剂与膨胀剂复合技术;塑性收缩 中图分类号:TU528 文献标识码:A 文章编号:1005—2615(2008)01—0129—05 Effects of Admixture on Cracking Resistance of POlyprOpylene Reinforced High-Performance Concrete at Early Age Jun 。Li Meidan。 Zhang Wei 。Ai (1.College of Aerospace Engineering,Nanjing University of Aeronautics 8L Astronautics,Nanjing,210016,China; 2.College of Architecture and Civil Engineering, Nanjing Institute of Technology,Nanjing,211167,China; 3.College of Material Science and Engineering, Shenyang Jianzhu University,Shenyang,110168,China) Abstract:By using the restricted shrinkage slab test,early effects of admixture on the cracking resis— tance of polypropylene reinforced high—performance concrete are investigated.Results show that the or— ders from large to small of the early cracking resistance of polypropylene reinforced high—performance concrete is as follows:the resistance to cracking of the polypropylene reinforced high—performance con— crete with the combination of UEA—N concrete expansion agent and polycarboxylate type superplas— tieizers ̄the combination of AEA concrete expansion agent and polycarboxylate type superplastieizers> the combination of AEA concrete expansion agent and naphthalene superplasticizers>high performance concrete.Therefore the polypropylene reinforced high—performance concrete combined UEA—N concrete expansion agent and polycarboxylate type superplastieizers is benefit to the plastic shrinkage and crack— ing of concretes. Key words:concrete;cracking;combination of concrete expansion agent and superplastieizers;plastic shrinkage 引 目 HPC)是以其“三高”而著称,即耐久性高、工作性 高和强度高,被称为21世纪混凝土。HPC由于其优 异的性能、显著的经济性,目前已广泛应用于高层 高性能混凝土(High performance concrete, 基金项目:国家自然科学基金(50178044)资助项目;江苏省自然科学基金前期预研基金(BK2OO5216)资助项目。 收稿日期:2006—11-09;修订日期:2007—01—16 作者简介:张伟,男,硕士,1982年1月生;艾军(联系人),男,教授,E—mail:aijun0822@nuaa.edu.cn。 维普资讯 http://www.cqvip.com

13O 南京航空航天大学学报 第4O卷 建筑、大坝、海工、桥梁等工程n]。高性能混凝土浇 1。安徽省庐江县特种建筑材料厂开发生产的低碱 筑后“在最初几个小时的养护阶段因表面水分蒸发 u型砼膨胀剂UEA—N,化学成分见表1。南京产黄 速度大于内部泌水速度”浆体发生紧缩 ]。这个阶 砂,表观密度2 680 kg/m。,堆积密度1 570 kg/m。, 段混凝土本身强度很低,当毛细管负压产生的收缩 含泥量2.5 ,细度模数1.8,属于Ⅲ区级配。南京六 应力大于混凝土的抗拉强度时,混凝土暴露向外的 合产玄武岩碎石,最大粒径12 mm,表观密度2 820 表面开始出现裂缝。裂缝在混凝土养护的最初几个 kg/m。,堆积密度1 435 kg/m。,含泥量0.3 ,针片 小时内不断引发和扩展,裂缝数目增多,裂宽、裂长 状颗粒含量11.4 ,压碎指标6 ,基本属于5~10 增大,一直到混凝土初凝时基本停止。这类裂缝称 mm连续级配。上海华登外加剂厂生产的HP400R 为塑性收缩裂缝。塑性收缩裂缝将对混凝土的抗 型聚羧酸缓凝高效减水剂,该外加剂为液体,减水 渗、抗侵蚀、抗冻融等耐久性产生非常不利的影响, 率3O 以上,无氯离子,碱含量小于减水剂干重的 混凝土的开裂必将加速在耐久性实验过程中混凝 1%。江苏省建筑科学研究院生产的液体JM一2OOOc 土的劣化进程,从而引起结构耐久性的降低 j,达 不到设计寿命,所以,研究高性能混凝土塑性收缩 高效引气剂,推荐掺量为万分之o.5~1.o。常州市 开裂及其控制方法具有十分重要的意义。 天怡工程纤维有限公司生产的束状单丝聚丙烯 混凝土达到高性能最重要的技术途径就是使 (Po1ypropy1ene,PP)纤维,密度o.91 g/m。,长度19 用高效减水剂和膨胀剂,前者能够降低混凝土的水 mm,直径0.048 mm,弹性模量≥3.5 GPa。 1.1.2 配合比 胶比,改善新拌混凝土的工作性和控制混凝土塌落 度损失,赋予混凝土高密实性和优良工作性;后者 表2为实验设计的4组混凝土的配合比。分别 是单掺聚羧酸减水剂的基准PP纤维增强高性能混 是解决混凝土开裂的有效措施之一,它依靠自身的 凝土D9、AEA型膨胀剂分别与1.2 聚羧酸减水 化学反应或与水泥其他成分反应,在水化时产生一 剂和1.7 萘系减水剂复合的PP纤维增强高性能 定的膨胀,以补偿混凝土的收缩。针对减水剂与膨 混凝土(D18、D18—2)、U型砼膨胀剂UEA—N与 胀剂相容性对高性能混凝土早期塑性收缩开裂性 1.2 聚羧酸减水剂复合的PP纤维增强高性能混 能的影响研究较少,本文应用约束平板试验法,研 究了减水剂与膨胀剂复合技术对大掺量矿物掺合 凝土(D18—1)。控制混凝土的坍落度在130~220 mm范围内。 料混凝土早期塑性收缩开裂的影响。 1.2实验与测试方法 1 试 验 1.2.1约束平板模具 1.1原材料与配合比 参考中国工程院水利与建筑学部《混凝土结构 1.1.1 原材料 耐久性设计与施工指南》l5 中日本笠井芳夫教授提 采用江苏嘉新京阳水泥厂生产的P.Ⅱ52.5R 出的设计方法,本实验的试件尺寸为600 mm×600 硅酸盐水泥,其化学成分见表1。镇江产风选I级粉 mm×63 mm,用于浇注试件的钢制模具见图1(a)。 煤灰(Fly ash,FA),细度6.8 ,含水率0.04 ,烧 模具的四边用}63 mm×6.3 mm的等边角钢制 失量2.O4 9/6,需水量比93 ,SO。含量t.22 ,化学 成,四边与底板通过螺栓固定在一起,以提高模具 成分见表1。江苏江南粉磨公司的¥95级磨细矿渣 的刚度;在模具每个边上用双螺帽固定下排7个 (Slag,SG),化学成分见表1。江苏省建筑科学研究 6×100 mm螺栓和上排7个 6×50 mm螺栓。两 院生产的矿物掺和料(x粉)。安徽巢湖速凝剂总厂 排螺栓相互交错,便于浇筑的混凝土填充密实。在 生产的AEA铝酸盐混凝土膨胀剂,化学成分见表 模具底板的表面铺上低摩阻的聚四氟乙烯薄膜。 表1主要原料的化学成分 材料 SiO 2 A12O3 CaO MgO SO3 Fe2O3 MnO TiO2 Na 2O K 2O 水泥 2O.6O 5.03 65.O6 O.55 2.24 4.38 1.3O SG 33.48 12.21 36.35 1O.59 0.66 1.40 0.34 2.17 1.27 0.56 0.36 FA 52.37 32.13 2.16 0.47 0.33 4.13 0.25 0.61 1.3O AEA 19.82 16.62 28.60 1.58 26.86 2.66 0.32 0.30 3.O2 UEA—N 25.2O 16.21 23.71 1.82 26.64 0.85 0.1 0.41 维普资讯 http://www.cqvip.com 第1期 张伟,等:外加剂对聚丙烯纤维增强混凝土的早期抗裂性影响 表2混凝土的配合比 131 1.2.2混凝土搅拌与试件制作 采用强制搅拌机进行搅拌,投料和搅拌顺序 为:先加胶凝材料和砂、石,同时撒人聚丙烯纤维, 干拌1 min,再加入混有高效减水剂和高效引气剂 的水,湿拌3~5 min。搅拌均匀后出料,测定混凝土 混合料的坍落度和扩展度。 试件浇注、振实、抹平后,放人观测环境,控制 环境温度(28±2)。C和相对湿度(50±3 ),混凝土 表面的温度为(35±2)。C,用风速仪测量平行试件 表面方向的风扇风速为(3.2±0.3)m/s,详见图1 (b) (a)约束平板模具 (b)塑性收缩开裂实验过程 图1 四边布设栓钉的平板试验模具及其实验过程 1.2.3早期塑性收缩裂缝观测与数据处理方法 记录观察到的试件表面出现每条裂缝的时间。 当试件表面出现贯穿裂缝后很少会再有新的裂缝 出现,这时每1 h观察一次,直到24 h观察结束。在 24 h后,仔细观测所有裂缝数量与总长、裂缝的最 大宽度。裂缝长度以肉眼可见为准,用钢尺测量长 度,近似取裂缝两端直线距离,当裂缝出现明显弯 折时,以折线长度之和代表裂缝长度。裂缝宽度用 精度0.02 mm的读数显微镜测量,取裂缝最宽处 的宽度代表该裂缝的裂宽。 根据观测结果,分别计算不同配合比混凝土的 总裂开面积A(单位mm )和单根裂缝的平均开裂 面积 (单位mm /根),计算公式如下 A=∑W, , (1) A (2)&&一一一N 一 LZ) 式中:W,为第i根裂缝的最大宽度; ,为第i根裂缝 的长度;N为总裂缝数目。 2结果与讨论 2.1 UEA—N膨胀剂对PP纤维增强高性能混凝土 的早期抗裂性能的影响 表3为D9和D18—1的平板塑性收缩裂缝观测 结果,其总裂开面积和单根裂缝的平均开裂面积如 图2所示。结果表明,D18—1的总裂开面积明显小 于D9,虽然两者最大裂缝宽度相同,但是D18—1的 总裂缝条数为4条,比D9少开裂了l1条,且初裂时 间较D9推迟了34 min,所以,UEA—N膨胀剂对提 高PP纤维增强高性能混凝土的早期抗裂性能十分 有利。UEA—N膨胀剂是由硫铝酸盐熟料、明矾石 和石膏共同磨细制成,其产生膨胀的主要化学反 应 为 C4A3 S+6Ca(OH)2+8CaSO4+96H2O-*3(C3A・ 3CaSO4・32H2O) (3) 2KAI 3(oH) (So4)2+13Ca(oH)2+5 CaSO4+ 78H2o一3(C3A・3CaSO4・32H2O)+2KoH (4) 由于C A。s活性较高,在水化初期就产生钙矾石, 产生膨胀,从而有利于补偿混凝土的早期收缩。 维普资讯 http://www.cqvip.com 132 南京航空航天大学学报 第4O卷 表3 D9和D18—1的早期塑性裂缝观测结果 ^ . 善v、 恒 霜 斟 ∞∞∞ ∞如∞∞加m 0 旧 D9 Dl8.1 (a)总裂开面积 ^.. . 善v\ 恒 (b)单根裂缝的平均开裂面积 图2 D9和D18-1的总开裂面积和单根裂缝的平均开 裂面积 2.2不同膨胀剂与聚羧酸系高效减水剂的复合作 用对PP纤维增强高性能砼早期抗裂性的影 响 表4为D18和D18—1的平板塑性收缩裂缝观测 结果,其总裂开面积和单根裂缝的平均开裂面积如 图3所示。结果表明:与D18的开裂程度相比,D18一 l仅有少量细微裂缝,其总裂开面积不到D18的 4%。所以D18—1的早期抗裂性明显优于D18。因此, 在提高PP纤维增强高性能混凝土的抗裂性能方 面,UEA—N高效膨胀剂与聚羧酸高效减水剂的相 容性好,复合效果优于AEA高效膨胀剂与聚羧酸 高效减水剂的复合。 表4 DI8和D18—1的早期塑性裂缝观测结果 旧 (a)总裂开面积 霹 斟 2 2 1 1 (b)单根裂缝的平均开裂面积 O如  O∞  O如  O∞  图3 D18和D18—1的总开裂面积和单根裂缝的平均开 裂面积 2.3 AEA膨胀剂与不同高效减水剂的复合作用 对PP纤维增强高性能混凝土早期抗裂性的 影响 图4为D18和D18—2的总裂开面积和单根裂 I 旧 Dl8 Dl8.2 (a)总裂开面积 广]. Dl8 Dl8.2 (b)单根裂缝的平均开裂面积 图4 D18和D18—2的总开裂面积和单根裂缝平均开裂 面积 O 如 维普资讯 http://www.cqvip.com

第1期 张 伟,等:外加剂对聚丙烯纤维增强混凝土的早期抗裂性影响 133 缝的平均开裂面积,其平板裂缝统计结果见表5。结 果表明:DI8在开裂的裂缝根数、最大裂缝宽度以 及开裂面积均小于D18—2,其早期抗裂性优于D18— 容性比较好,当与UEA—N膨胀剂复合时,PP纤维 增强高性能混凝土的早期抗裂性达到最优效果。关 于膨胀剂与高效减水剂相容性的机理有待于进一 步深入研究。 参考文献: [1]吴中伟.高性能混凝土[M].北京:中国铁道出版社, 1999:1-10. 2。可见,AEA膨胀剂与聚羧酸减水剂的复合效果 优于AEA与萘系减水剂的复合效果。因此,对于使 用AEA膨胀剂的PP纤维增强高性能混凝土,采用 聚羧酸有利于提高其早期抗裂性。 表5 D18和D18—2的早期塑性收缩裂缝观测结果 …薷 N  ̄/m曩m。 [2]黄士元,蒋家奋,杨南如.近代混凝土技术[M].西安: 陕西科学技术出版社,1998:18-29. 3 结束语 膨胀剂对PP纤维增强高性能混凝土的早期塑 抗裂性的影响与减水剂种类有关,试验表明,聚羧 酸高效减水剂与AEA膨胀剂的复合效应优于萘系 减水剂与AEA膨胀剂的复合效果。与膨胀剂的相 [3]Jensen A D,Chatterji S.State of the art report on micro—cracking and lifetime of concrete—part I[J]. Materials and Structures,1996,29(1):3-8. [4] 巴恒静,邓红卫,高小建.高性能混凝土微裂缝与显微 结构的研究[J].混凝土,2000,13(1):14—17. [5] 中国工程院土木水利与建筑学部.CCES O1—2004,混 凝土结构耐久性设计与施工指南[S].北京:中国建 筑工业出版社,2005. [6]葛兆明.混凝土外加剂[M].北京:化学工业出版社, 2005:207—208. 

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