膨胀剂配比改性的纤维混凝土粘接抗裂及力学性能研究

王 敏,王照耀

(1.杨凌职业技术学院,陕西 杨凌 712100;2.西安建筑科技大学,陕西 西安 710055)

近年来,在混凝土结构工程中不断出现裂缝,影响了该结构的正常使用,造成了安全隐患。为防止或减少混凝土开裂,大量的研究选择在混凝土中添加纤维等有机材料。通常添加到混凝土中的纤维主要是碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等。其中,玄武岩纤维是一种新型的无机材料,是一种高性能的纤维有机材料,具有环保的优势。其密度为2.65～3.0 g/cm3,接近混凝土密度,抗拉强度为3 000～4 800 MPa,在水泥等碱性介质中均能保持较高的稳定性[1]。玄武岩纤维能提高混凝土的抗弯承载力,限制其自由变形,减少裂缝发生的危险[2]。

对玄武岩纤维与陶粒在水泥砂浆中的作用进行了试验,结果表明:玄武岩纤维混凝土和陶瓷砂双掺混凝土的收缩开裂趋势明显降低[3]。探讨了玄武岩纤维的长度与宽度比例对混凝土的收缩效应,结果发现:玄武岩纤维对混凝土的收缩有明显的抑制作用[4]。讨论了玄武岩掺量及长度等对泡沫材料的收缩开裂影响,结果表明:当掺入比为0.3%,长度为10 mm时,混凝土具有显著的收缩裂缝效果[5]。研究玄武岩纤维含量和直径对混凝土力学及耐久性能的影响,结果表明:6 mm玄武岩纤维混凝土在掺量为2%时可达到最大强度[6]。研究钢纤维和膨胀剂对混凝土中钢筋粘接性能的影响,结果表明:2种材料可以极大提高粘接强度和粘接刚度[7]。

目前单纤维掺入提高混凝土抗裂性具有局限性,其机理和效果也存在争议。已有学者表明无机材料膨胀剂的加入会在水泥水化过程中形成石英晶体,从而提高混凝土的抗裂性。但对无机材料膨胀剂和有机材料纤维协同作用下混凝土的力学和抗裂性的研究较少。鉴于此,本文在混凝土中同时加入玄武岩纤维和钙镁膨胀剂,开展不同掺量纤维、膨胀剂及水灰比对混凝土力学性能和抗裂性能的影响。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

普通硅酸盐水泥P·O 42.5(江苏省南京某水泥公司生产);一级粉煤灰(江苏省南京某公司生产);玄武岩砾石(粒径5～30 mm);天然河砂(细度模量为2.56);玄武岩纤维(上海某公司生产,力学性能见表1);钙镁膨胀剂(山东某公司生产,化学成分见表2);聚羧酸型减水剂(江苏南京水泥有限公司生产,减水率为30%～40%)。

表1 纤维力学性能Tab.1 Mechanical properties of fiber

表2 膨胀剂化学成分质量分数Tab.2 Chemical composition of expansion agent

1.2 试验方法

本试验设定混凝土强度等级为C40。水灰比(W/C)(A)、膨胀剂(B)和玄武岩纤维(C)3个因素的正交试验,正交试验因子表如表3所示。

表3 正交试验因子Tab.3 Orthogonal test factors

抗弯试验及抗压试验使用300 kN的MTS-E45.305万能试验机。混凝土抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、收缩变形试验均按照规范进行[8];收缩变形试验采用55 mm×55 mm×280 mm的试样;扫描电镜检测采用JSM-6510高分辨率扫描电子显微镜观察其微观结构。

2 结果和讨论

2.1 抗压强度

试件经过7、28 d标准养护后,各掺量下混凝土的抗压强度试验结果如图1(a)所示。对试验结果进行了拟合,进一步研究不同纤维掺量、水灰比等不同因素对混凝土抗压强度的影响,计算结果如图1(b)～图1(d)所示。

(a)抗压强度

从图1(b)～图1(d)可以看出,混凝土的抗压强度随水灰比的增加而逐渐降低。随膨胀剂掺入比例的增大,混凝土的抗压强度先增大,后减小;当钙镁膨胀剂掺量为7%时,混凝土抗压强度达最大,主要是由于钙镁膨胀剂在水泥水化时产生大量的石英晶体,使其内部结构更紧凑;如果钙镁膨胀剂用量过大,会在混凝土骨架结构中出现大量孔隙,增加混凝土的孔隙率,导致混凝土内部微观结构劣化,使试件抗压强度呈下降趋势。随玄武岩纤维掺量增加,混凝土的抗压强度先呈上升趋势,在达到最大值后又开始呈下降趋势;当玄武岩纤维掺量为1.0%时,抗压强度最大。这是因为玄武岩纤维填充混凝土内部孔隙,纤维在混凝土内部起着一定的连接作用,降低了收缩变形,提高了抗压强度;当玄武岩纤维量掺量超过1%时,大量纤维难以分散,同时,由于纤维易于凝聚,不能完全填充混凝土的孔隙,导致其压缩性能降低。同时,纤维的比表面积较大,特别是对于玄武岩纤维这种无机材料,需要包裹大量的水泥浆[9]。若纤维掺入量太大,则会使有限数量的水泥浆无法将玄武岩纤维全部包覆,使纤维与骨料间在混凝土局部区域发生直接接触,造成它们在受力时产生相对滑移和空隙,大大降低混凝土抗压强度。由极差分析可知,玄武岩纤维掺量对其抗压强度的影响最大,其次是水灰比,最后是膨胀剂。

2.2 抗拉强度

不同纤维及膨胀剂掺量下混凝土抗拉强度的结果如图2(a)所示;图2(b)～图2(d)为抗拉强度试验拟合结果和极差分析结果。

(a)抗拉强度

由图2(b)～图2(d)可以看出,混凝土抗拉强度随水灰比的增加而降低;随着膨胀剂体积的增大,呈先增大后减小的趋势,在膨胀剂掺量为7%时达到最大值;随着玄武岩纤维掺量的增加,混凝土抗拉强度先缓慢增大,然后显著降低。抗拉强度的变化规律与抗压强度相似,其原因与抗压强度分析中所描述的相同。由极差分析可知,玄武岩纤维掺量对抗拉强度的影响最大,水灰比次之,膨胀剂的影响最小。

2.3 抗弯强度

不同纤维及膨胀剂掺量下混凝土抗弯强度的结果如图3(a)所示;图3(b)～图3(d)为抗弯强度试验拟合结果和极差分析结果。

(a)抗弯强度

从图3(b)～图3(d)可以看出,随着水灰比的增加,抗弯强度趋于缓慢下降。随着膨胀剂量的增加,抗弯强度先增大,然后略有下降;当膨胀剂掺量为7%时,抗弯强度达到最大;玄武岩纤维掺入量越大,抵抗抗弯强度效果越明显,当纤维掺量为1%时,抗弯强度达到最大,抗弯强度的提高可归因于纤维在整个混凝土基体中良好分散,导致的“桥效应”[10],进一步使纤维与粗细骨料的表面紧密结合,增加基体界面处的相互作用或粘附力[11]。抗弯强度的变化规律与抗压强度和抗拉强度相似。通过极差分析表明,玄武岩纤维掺量对抗拉强度的影响最大,水胶比次之,膨胀剂的影响最小。

2.4 收缩变形试验

收缩变形试验结果如图4所示。

图4 收缩变形

从图4可以看出,使用玄武岩纤维和膨胀剂可以有效地提高混凝土收缩率。其中,膨胀剂对收缩率的影响最大;水灰比对收缩率的影响次之。当水灰比增加时,由于混凝土中自由水的增多,可以补偿毛细孔隙中的水分损失,降低其干缩[12]。另外,在混凝土中,含水量的增大会加速胶凝物质的水化速度,致使内部结构更密实。且纤维与膨胀剂在一定程度上抑制了混凝土自身的膨胀与变形。钙镁膨胀剂由于具有较大的比表面积,可以吸收混凝土中的部分游离水,降低混凝土的塑性收缩[13]。然而,过量的膨胀剂吸收大量的水分,混凝土表面的水分蒸发也会消耗大量的水分[14]。因此,过量的膨胀剂会增加混凝土的收缩率。玄武岩纤维在混凝土基质中的随机分布可以支持骨料,防止骨料下沉,减少了复合材料的表面崩解,提高了混凝土的均匀性[15-16]。因此,纤维可以有效地防止混凝土开裂。此外,玄武岩纤维对早期硬化混凝土具有显着的增强作用,而混凝土的弹性模量比玄武岩纤维低,因而能有效地抑制裂缝的发生。纤维能有效地抑制裂纹的进一步扩大,使其在混凝土中的应力场变得更为持续和均匀,可以有效提高混凝土的延性和开裂性。而膨胀剂的掺入增强了纤维与混凝土基体的结合性能,有利于纤维发挥抗裂作用[17-19]。

2.5 SEM

微观试验选择CZ0和CZ2进行微观分析,结果如图5所示。

从图5可以看出,混凝土的内部主要含有水化产物,如C—S—H凝胶、水合铝酸钙晶体、层状氢氧化钙等。普通混凝土中(CZ0)的孔隙相对较大,结构相对较松散[20]。而在混凝土加入纤维和膨胀剂,可以明显看到纤维与石英晶体,可有效提高纤维与水泥基体之间的粘合强度,填充混凝土内部的微裂缝和孔洞。晶体的产生也会导致混凝土膨胀并形成结构更紧凑,有效地提高了混凝土的力学性能和抗裂性。

3 结语

(1)添加适量的玄武岩纤维和膨胀剂可以有效提高混凝土力学性能。同时,纤维和膨胀剂双掺也能有效抑制混凝土收缩和变形;

(2)随着水灰比的增加,混凝土强度呈降低趋势。随着纤维和膨胀剂用量的增加,混凝土的力学性能呈先增后减的趋势。当玄武岩纤维质量分数为1%,膨胀剂质量分数为7%时,膨胀纤维混凝土的力学性能最好。纤维对混凝土力学性能的影响最大,其次是水灰比,膨胀剂的影响最小;

(3)从SEM图像表明,加入适量的膨胀剂可以促进混凝土的水化程度,同时玄武岩纤维填充内部孔隙,有效提高混凝土力学性能,减少其收缩变形。