低掺量聚丙烯纤维混凝土塑性收缩性能试验及其工程应用.pdf

1 9 4 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第3 8卷第 1 期 2 0 1 2年 2月 低掺量聚丙烯纤维混凝土塑性收缩性能试验 及其工程应用 白文辉 ， 张金龙 ( 1 绍兴文理学院土木工程系， 浙江 绍兴3 1 2 0 0 0 ； 2 绍兴市经济开发区建设工程质量监督检测中心， 浙江 绍兴3 1 2 0 0 0 ) 摘要： 通过聚丙烯纤维混凝土早期塑性收缩性能试验 ， 阐述 了不 同掺量 ( 体积 比为 0 ， 0 0 5 ， 0 1 0 和 0 1 5 ) 、 不同长度( 3 m m， 5 mm， 8 m m和 1 5 mm) 的聚丙烯纤维对混凝土早期塑性收缩性能的影响。试验结果表 明， 低掺量的聚丙烯纤维掺入混凝土后， 可控制混凝土早期塑性收缩裂缝的产生、 扩展， 并能降低裂缝宽度和长度。 并对实际工程采用聚丙烯纤维控制混凝土塑性收缩裂缝进行了观测， 结果表明， 低掺量的聚丙烯纤维可以有效地 控制混凝土塑性收缩裂缝。 关键词： 聚丙烯纤维； 混凝土； 塑性收缩裂缝； 试验 中图分类号： T U 5 2 8 5 7 2 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 l 2 ) 0 1 1 9 4 0 4 Ex p e r i m e n t a l o n e a r l y p l a s t i c s h r i n k i n g b e h a v i o r o f p o l y p r o p y l e n e fib e r c o n c r e t e a n d i t s a p p l i c a t i o n i n e n g i n e e r i n g B AI We n h u i Z HANG J i n l o n g ( 1 D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， S h a o n g U n i v e r s i t y ， S h a o x i n g 3 1 2 0 0 0， C h i n a ； 2 C o n s t r u c t i o n Q u a l i t y I n s p e c t i o n a n d T e s t i n g C e n t e r ， S h a o x i n g E c o n o mi c D e v e l o p m e n t Z o n e ， S h a o n g 3 1 2 0 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： B y t h e e x p e rime n t a l o n e a r l y p l a s t i c s h ri n k i n g b e h a v i o r o f p o l y p r o p y l e n e fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ， t h i s p a p e r d e s c r i be s t h e e ff e c t s o f p o l y p r o p y l e n e fi b e r w i t h d i ff e r e n t fi b e r d o s a g e ( 0 ， 0 0 5 ， 0 1 0 a n d 0 1 5 )a n d fi b e r 1 e n g t h ( 3 m m， 5 m m， 8 m m a n d 1 5 mm)o n c o n c r e t e p l a s t i c s h r i n k i n g T h e e x p c ri m e n t M r e s u l t s h o w t h a t t h e p o l y p r o p y l e n e fi b e rs C an e ff e c t i v e l y c o n t r o l p r o d u c t i o n a n d e x t e n s i o n o f p l a s t i c s h rin k a g e c r a c k s i n t h e e a r 1 y s t a g e ， a n d d e c r e a se wi d t h a n d l e n g t h o f c r a c k s An d c o n t r o l l i n g c o n c r e t e p l a s t i c s h ri n k age c r a c k u s i n g p o l y p r o p y l e n e fi bers i n e n gin e e ri n g w a s o b s e r v e d ， t h e r e s u l t s s h o w t h a t l o w c o n t e n t p o l y p r o p y l e n e fi b e r C an e ff e c t i v e l y c o n t r o l c o n c r e t e p l a s t i c s h r i n k a g e c r a c k Ke y wo r d s ： p o l y p r o p y l e n e fi b e rs ； c o n c r e t e ； p l a s t i c s h r i n k age c r a c k； e x p e rime n t a l U 刖 品 结构物裂缝是一个普遍性的技术问题 。结构设 计标准往往是建立在承载力极限强度基础上的， 然 而 ， 大多数工程的使用标准却是 由裂缝控制 的。近 年来一些公路 、 桥面、 屋面、 基础底板、 地下室外墙等 设计有刚性防水要求的工程部位 ， 以及一些大面积 构件如楼面出现早期塑性收缩裂缝的比例有较大幅 度的增加。这是由于混凝土在硬化并形成强度的过 程中， 初期内部水分的蒸发以及水和水泥反应造成 的化学减缩， 引起混凝土体积的收缩， 致使混凝土内 部的骨料和水泥胶体的局部接触面和凝结体中产生 收稿 日期 ： 2 0 1 0 - 0 8 - 3 0 作者简介： 白文辉( 1 9 7 2一 ) ， 男， 河南太康人， 工学硕士， 主要从事建 筑结构设计及其理论研究 。 E ma i l ： b a iwh u i 2 0 1 0 g ma i l c o n 不可避免的微裂纹。后期 自由水蒸发引起的干燥收 缩 ， 混凝土内部产生拉应力 ， 导致混凝土微裂缝发展 为更大的裂纹 ， 伴随时间的发展， 拉应力超出基体的 抗拉强度 ， 最终形成贯穿裂缝 J 。开裂部位 的混凝 土强度一般均不低于设计要求 的等级 ， 然而这些早 期收缩裂缝却容易引起渗漏乃至影响构件耐久性和 建筑物正常使用。 在水泥基材料中掺人钢纤维控制混凝土塑性裂 缝研究和应用起步最早 ， 研究表明 2 -4 ： 钢纤维对提 高混凝土后期的抗拉强度效果显著。但钢纤维造价 高 ， 施工过程中， 钢纤维均匀分布在混凝土中有一定 的难度 ， 且不适合采用泵送。近年来 ， 聚丙稀混凝土 的研究成为热点， 聚丙烯纤维混凝土以其 良好的抗 拉性和韧性 、 抗疲 劳性 ， 具有价格低廉 ， 能够均匀分 布在混凝土中， 化学性质稳定 ， 施工简单 ， 目前在 国 际上已经广泛采用 ， 在 国内工程中， 也逐渐被人们接 白文辉 ， 等： 低掺量聚丙烯纤维混凝土塑性收缩性能试验及其工程应用 1 9 5 受。 本文在前人理论、 应用研究 的基础上 ， 对聚丙烯 纤维混凝土抗塑性开裂进行试验研究 ， 来评价其对 塑性收缩裂缝控制的效果 ， 目的在于确定聚丙烯纤 维混凝土作为防止大面积混凝土浇筑后楼面板开裂 措施的实效 。 e 。 混凝土表面蒸汽压 ； e 空气的蒸汽压； r 相对湿度 ； 风速 。 其中， e ， e sa 均有下式确定： 1 试验 式中 1 1 原材料及其性质 1 ) 水泥： 4 2 5 级普通硅酸盐水泥。 2 ) 砂 ： 中砂， 细度模数为 2 6 ， 表观密度为 2 6 0 0 k m 。 3 ) 粗骨料 ： 5 2 5 m m连续级配碎石。 4 ) 聚丙烯纤维 ： C T A F i b e r 为 中国纺织研究 院 所生产的聚丙烯纤维 ， S B F i b e r 为浙江某新材料有 限公司生产的高强聚丙烯纤维， 其性质见表 1 。 表 1 聚丙烯纤维主要技术指标 Ta b l e 1 T h e m n s p e c i fic a t i o n s o f p o l y p r o p y l e n e fi b r e 1 2 试件制作 试验用基准混凝土和掺聚丙烯纤维混凝土 ， 两 者水泥用量均 为 4 0 0 k g m 。 ， 用水量 2 0 0 k m ， 砂 率4 0 ， 两品种聚丙烯纤维长度均取 8 ra m， 掺量按 混凝 土 的体 积 百 分 数 计算 分别 为 0 ， O 0 5 ， 0 1 0 ， 0 1 5 ； 掺量为 O 1 0 ， C T A F i b e r的长度 分别取 3 mm， 5 m m， 8 m m和 1 5 m i l l ， 总共制作试样 1 O件。 1 3 试 验原理 大体积、 大面积混凝土和混凝土在浇筑后， 表面 在硬化前往往会失水收缩引起拉应力 ， 因而产生不 可恢复的塑性裂缝。塑性收缩发生在新浇混凝土成 型之后的最初 1 h内， 此 时， 混凝 土还 处于塑性阶 段。一般认为发生缩性收缩的原因是由于混凝土表 面水的蒸发速率超过泌水渗透到表面的速度， 以及 混凝土的早期抗拉强度达不到混凝土收缩产生的应 力造成的。 在混凝土原材料和配合比一定时， 水分蒸发是 使混凝土产生塑性收缩裂缝 的最主要原因。据 P a u l J U n o 观点 ， 混凝土表面的水分蒸发速率可按下 式计算( 按国际单位) ： E =0 3 l 3 ( e 一 e ) ( 0 5 5 3+0 0 6 V ) ( 1 ) 式中 E水分蒸发速率； e so o 6 1 唧 ( ) ( 2 ) e 蒸汽压 ； 卜温度。 从式 ( 1 ) ， ( 2 ) 可知， 水 分蒸发速率与风速 、 温 度、 相对湿度有关 ， 其中风速是最主要的因素。 1 4试验方法 根据塑性收缩 的影 响因素 ， 试验时主要测定水 分蒸发速率、 试件裂缝宽度和试件的裂缝面积， 试验 设计采用平板试验法 ( 干燥 + 光照 +吹风) ， 试验 模型如图 1 所示 。 A A 至王 王 ， 比 = ： ： ： ： ! ：= d 一 一 j I f l 底板 6 栓钉聚乙烯薄膜 图1 混凝土收缩开裂试验模具示意 Fi g1 De v i c e of c onc r e t e s hr i nk ag e c r ac k t e s t 为了使混凝土快速失水而产生裂缝， 每个试件 均采用排风扇强制干燥， 风扇产生约 5 m s的风速 经过测试混凝土表面， 试验环境为温度 3 03 C， 相 对湿度 4 0 5 ； O 8 IT I 上方有两个 1 0 0 0 W 钨灯 向 背侧面加热。观察并记录 2 4 h内试件裂缝出现的 条数、 时间、 部位以及每条裂缝的长度与宽度， 其中 裂缝宽度在0 1 m m以上的点读 3个数， 然后取其 平均值， 缝宽0 1 m m以下的点读一个数值。 为了精确地评价不同掺量聚丙烯纤维混凝土的 抗裂性能， 将裂缝分为大、 中、 小和极细 4个等级 ， 按 表 2选取裂缝宽度权重 。 表 2 裂缝宽度与权重 Ta b l e 2 Cr a c k wi d t h a n d p o we r we i g h t 1 9 6 四川建筑科学研究 第 3 8卷 每一度量权重乘 以其相应的裂缝长度， 即为该 试件的收缩裂缝当量 ， 以裂缝当量 比 作为混凝 土抗裂性能的评价指标。裂缝当量比 定义如下 ： ， 卢 = 1 0 0 ( 3 ) 己 V c i 式 中J B 裂缝 当量 比， 数值越小的混凝土， 其抗 裂能力越高； k ； 是受检混凝土的收缩裂缝当量； ； 基准混凝土的收缩裂缝 当量 。 为了客观 比较 ， 以每一组试件的基准混凝土的 塑性收缩裂缝总量为基准， 定义值为 1 0 0 ， 以相同 条件下纤维混凝土试件的塑性收缩裂缝总量占其的 百分比， 定义为混凝土的抗裂指数 比， 作为衡量聚丙 烯纤维对混凝土塑性收缩裂缝控制效果的指标 ， 用 同样方法定义混凝土的最大裂缝宽度指数 比。 2 试验结果与分析 2 1 裂缝分布 试验中发现： 第一条裂缝在基准混凝土浇筑后 1 h产生 ， 加入聚丙烯纤维混凝土延迟基准混凝土 1 0 m i n第一条裂缝的产生。基准混凝土和聚丙烯纤 维混凝土的失水在浇筑后约 6 h基本恒定， 失水速率 较开始降低一个数量级 ， 裂缝发展也基本稳定。聚 丙烯纤维混凝土试件表面的塑性收缩裂缝是多发型 的， 分布广而细微； 而基准混凝土的裂缝比较宽， 而 且往往 比较长。在相 同条件下， 聚丙烯纤维混凝土 的裂缝宽度 比基准混凝土的裂缝宽度要小得多。图 2 ( a ) ， ( b ) 分别为基准混凝土和聚丙烯纤维混凝土 的裂缝对比图。 ( a ) 基准混凝土典型裂缝 ( b ) 掺聚丙烯纤维混凝士典型裂缝 图2 混凝土收缩裂缝对 匕 照片 Fi g 2 T h e c o m p a r i s o n p i x o f c o n c r e t e s h r i n k a g e c r a c k 由图 2可知 ： 聚丙烯纤维混凝土早期塑性收缩 裂缝的宽度和长度 比普通混凝土小。 2 2 掺合量对混凝土早期塑性收缩裂缝影响 聚丙烯纤维掺合量对混凝土抗裂指数比影响及 对混凝土最大裂缝宽度比影响分别如图3 ， 4所示 。 1 0 0 述 8 0 蠢6 O 嚣 o 2 O 0 0 0 05 0 1 O 1 5 聚丙烯纤维掺合量( 体积比) 图3 聚丙烯纤维掺量和抗裂指数比的关系 F i g 3 Re l a ti o n s h i p b e t we e n p o l y p r o p y l e n e fib e r d o s a g e a n d a n ti c r a c k e x n o n e n t r a tio l 0 0 鋈 8 0 籁6 O 4 0 2 0 0 0 0 0 5 0 1 0 1 S 聚丙烯纤维掺合量( 体积比) 图 4 聚丙烯纤维掺量 与最大裂缝指数比的关系 Fi g 4 Re l a ti o n s h i p b e t we e n p o l y p r o p y l e n e fi b e r d o s a g e and ma xi mum c r a c k e x po ne nt r at i o 图 3和图 4表明， 随着掺合量的增加， 混凝土的 抗裂指数 比和最大裂缝指数比都是减小 的， 说明不 同的聚丙烯纤维掺人混凝土中， 都可以有效地控制 混凝土的早期塑性收缩裂缝的产生、 发展并降低裂 缝的宽度和长度； 当混凝土中掺人 0 1 0 的聚丙烯 纤维时 ， 混凝土的抗裂指数 比和最大抗裂指数 比均 可降低 5 O 。 2 3 纤维长度对混凝土塑性收缩裂缝的影响 图 5为 C T A F i b e r 掺合量为 0 1 0 时， 长 度分 别为 3 m m， 5 m m， 8 m m 和 1 5 m m时抗裂指数 比。 从图 5可以看出， 其长度变化对混凝土早期塑性收 缩裂缝影响不明显。 图5 聚丙烯纤维长度和抗裂指数比的关系 F i g 5 Re l a t i o n s h i p b e t we e n p o l y p r o p y l e n e fib e r l e n g t h a n d a n ti - c r a c k e x po n e n t r a tio 2 0 1 2 N o 1 白文辉， 等： 低掺量聚丙烯纤维混凝土塑性收缩性能试验及其工程应用 1 9 7 3 工程应用 浙江绍兴某 C B D商务楼， 1 ， 2 层为商场， 3 层以 上为 4幢写字楼 ， 3层为结构转换层 ， 同时作为上汽 车屋面。为防止转换层混凝土出现早期收缩裂缝， 原设计在结构层混凝土中加入 8 0 k g m 的钢纤维。 依据本文聚丙烯纤维控制收缩裂缝试验结果和价值 工程的观点 7 】 ， 变更为在结构转换层混凝 土中加入 0 1 0 ( 体积 比， 质量计 0 9 k g m ) 聚丙 烯纤 维。 该工程混凝土于 2 0 0 7年 9月浇筑 ， 至今还未出现裂 缝， 表明用聚丙烯纤维代替钢纤维， 既保证了工程质 量， 又降低了成本。 4 结语 低掺合量纤维混凝土中纤维能够在单位体积内 以较大的数量均匀分布于混凝土 内部， 微裂缝 的发 展遭到纤维的阻挡， 消耗了能量， 难以进一步发展， 从而阻断裂缝起到了抗裂的作用。无数纤维单丝形 成的乱向体系可有效阻碍骨料的离析， 提高混凝土 的断裂韧性， 防止塑性沉降裂缝的产生， 抑制混凝土 开裂的过程。现有理论认为 ， 聚丙烯纤维的抗裂作 用就在于减少了混凝土中的缺陷， 提高了韧性， 并降 低了内部裂缝端部的应力集中系数川 。 综合上述试验结果可以看 出， 当采用低掺合量 ( O 1 0 ) 聚丙烯纤维时有如下结果 ： 1 ) 不同的聚丙烯纤维掺入混凝土中， 都可以有 效地控制混凝土的早期塑性收缩裂缝 的产生 、 发展 并降低裂缝的宽度和长度； 2 ) 聚丙烯纤维对混凝土 的塑性收缩裂缝控制 的最主要影响因素是纤维的掺量， 纤维体积分数为 0 1 0 的纤维可降低混凝土抗裂指数比和混凝土最 大收缩裂缝比 5 0 左右 ； 3 ) 聚丙烯纤维长度对混凝土的收缩裂缝宽度 和长度影响并不明显 ； 4 ) 在实际工程中， 可综合考虑实用效果及实用 成本 ， 采用含聚丙烯纤维的混凝土 ， 可大大减少和控 制混凝土塑性裂缝的产生， 从而提高混凝土的抗裂 性能。 参 考 文 献 ： 1 自文辉 商品混凝土现浇楼板收缩应力分析及裂缝控制构造 措施 J 四川建筑科学研究， 2 0 0 9 ， 3 5 ( 5 ) ： 6 6 - 6 8 2 王瑞兴， 钱春香， 丁庆领， 等聚丙烯纤维对混凝土性能的改善 研究 J 混凝土与水泥制品， 2 0 0 4 ( 1 ) ： 4 1 - 4 3 3 龚益， 沈荣熹， 李清海 杜拉纤维在土建工程中的应用 M 北京： 机械工业出版社， 2 0 0 2 ： 2 - 3 4 N e m k u m a r B a n d t h i a ， A s h i s h D u b e y M e a s u r e m e n t o f fl e x u r al t o u g h h e s s o f fib e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e u s i n g a n o v e l t e c hn i q u e p a r t 2 ： P e f o r m ane e o f v a r i o u s c o m p o s i t e J A C I M e t e r i a l s J o u r n a l ， 2 0 0 0， 9 7 ( 1 ) ： 3 1 1 5 P A U L J U N O P l a s t i c s h r i n k a g e c r a c k i n g a n d e v a p o r a t i o n f o r m u l a J A C I M a t e r i a l s J o u r n al， 1 9 9 8 ， 9 5 ( 4 ) ： 3 6 5 - 3 7 5 6 黄承逵 纤维混凝土 M 北京： 机械工业出版社， 2 0 0 4 7 S o n g P S ， H w a n g S ， S h e u B C S t r e n g t h p r o p e r t i e s of n y l o n - a n d pol y p r o p y l e n e - fi ber - r e i n f o rc e d c o n c re t e s J C e m e n t a n d C o n c re t e Re s e a r c h， 2 0 05。 3 5： 1 5 4 6 1 5 5 0