自密實(shí)清水混凝土的早齡期抗裂性能研究

王圣賢 王雪芳

(1.福建江夏學(xué)院 福建福州 350108； 2.福州大學(xué) 福建福州 350108)

自密實(shí)清水混凝土的早齡期抗裂性能研究

王圣賢1王雪芳2

(1.福建江夏學(xué)院 福建福州 350108； 2.福州大學(xué) 福建福州 350108)

自密實(shí)清水混凝土結(jié)合了自密實(shí)混凝土和清水混凝土的優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。但由于直接暴露于環(huán)境中，開(kāi)裂不僅影響美觀，更直接引起耐久性問(wèn)題。采用平板誘導(dǎo)開(kāi)裂試驗(yàn)，以粉煤灰摻量及纖維摻量為主要參數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)研究自密實(shí)清水混凝土開(kāi)裂性能。結(jié)果表明，粉煤灰摻量在15%～30%范圍內(nèi)，隨粉煤灰摻量增加，自密實(shí)清水混凝土的抗裂性能提高；玄武巖纖維在1.0～1.6kg/m3摻量?jī)?nèi)對(duì)混凝土的開(kāi)裂時(shí)間影響較小，但隨纖維摻量的增加，自密實(shí)清水混凝土的抗裂性能顯著提高。玄武巖纖維摻量為1.6kg/m3時(shí)，其開(kāi)裂面積僅為未摻的40.7%。

自密實(shí)混凝土；清水混凝土；早齡期抗裂性能；誘導(dǎo)開(kāi)裂試驗(yàn)；粉煤灰；玄武巖纖維

0 引言

自密實(shí)清水混凝土是將自密實(shí)混凝土配制技術(shù)與清水混凝土施工工藝(即直接利用混凝土成型后的自然質(zhì)感作為飾面效果的混凝土[1])相結(jié)合的一種便于施工且具有裝飾效果的綠色混凝土。它保留了清水混凝土的特點(diǎn)，即節(jié)省了抹灰與裝飾工程，杜絕了抹灰容易出現(xiàn)的空鼓、裂縫和脫皮，不僅建設(shè)時(shí)省錢(qián)，還能做到無(wú)需翻新裝修便可“歷久彌新”，它展現(xiàn)真實(shí)表觀，有利于結(jié)構(gòu)缺陷的發(fā)現(xiàn)與處理。同時(shí)，它結(jié)合自密實(shí)混凝土的特點(diǎn)，簡(jiǎn)化了施工工序，節(jié)約了大批人力和設(shè)備費(fèi)用，提高經(jīng)濟(jì)效益。它是對(duì)清水混凝土的一種高性能化，具有很好的應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)清水混凝土的配合比設(shè)計(jì)及施工工藝進(jìn)行了相關(guān)研究[2-6]，目前我國(guó)海南三亞機(jī)場(chǎng)、首都機(jī)場(chǎng)、上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓、東方明珠的大型斜筒體、西安浐灞商務(wù)中心等建筑工程均采用了清水混凝土，而北京聯(lián)想研發(fā)基地更被建設(shè)部列為“中國(guó)首座大面積清水混凝土建筑工程”。

然而，目前國(guó)內(nèi)清水混凝土飾面主要用于平面結(jié)構(gòu)，而對(duì)于一些特殊部位、特殊功能、特殊結(jié)構(gòu)形式的混凝土，如復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高速鐵路橋梁清水混凝土的配制、施工工藝、質(zhì)量控制措施等仍然不成熟[2]。一般清水混凝土工程中，開(kāi)裂性能并未像外觀裝飾效果一樣受到足夠重視，同時(shí)因自密實(shí)混凝土膠凝材料用量大，砂率高，且摻入了高效減水劑和大量的礦物摻和料，在設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)那闆r下極易導(dǎo)致混凝土的開(kāi)裂[7]，有必要開(kāi)展自密實(shí)清水混凝土開(kāi)裂性能研究，以優(yōu)化配合比、確保其裝飾效果和長(zhǎng)期耐久性。

本研究采用改進(jìn)的平板法研究粉煤灰摻量對(duì)自密實(shí)清水混凝土抗裂性能的影響，并在此基礎(chǔ)上通過(guò)摻加纖維進(jìn)一步提高混凝土的抗裂性能。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

本研究試驗(yàn)采用密度為3080kg/m3的福建順昌水泥廠生產(chǎn)的煉石牌P.O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；Ⅱ級(jí)粉煤灰；水泥和粉煤灰的化學(xué)成分、物理性能如表1所示；細(xì)骨料采用閩江河砂，細(xì)度模數(shù)為2.23，堆積密度為1460kg/m3；粗骨料為5mm～20mm的連續(xù)級(jí)配碎石，堆積密度為1457kg/m3，表觀密度為2658kg/m3；外加劑為廈門(mén)科之杰的聚羧酸高效減水劑。

玄武巖纖維采用浙江石金玄武巖纖維有限公司生產(chǎn)的短切玄武巖纖維，如圖1所示，主要物理性能指標(biāo)如表2所示。

圖1 玄武巖纖維外觀特性

WB/%CaOSiO2Al2O3Fe2O3SO3MgOK2O其他燒失量細(xì)度水泥59451764489383299241044835-188粉煤灰33662891861454048253115764388139

表2 玄武巖纖維的物理指標(biāo)

1.2 自密實(shí)清水混凝土的配合比設(shè)計(jì)

自密實(shí)混凝土的高流動(dòng)性及自密實(shí)性能夠很好地實(shí)現(xiàn)清水混凝土的裝飾性，因此本研究依據(jù)自密實(shí)混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法，同時(shí)考慮清水混凝土的裝飾和施工工藝要求，進(jìn)行自密實(shí)清水混凝土配合比設(shè)計(jì)。

根據(jù)JGJ/T 283-2012 《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)宜采用絕對(duì)體積法。自密實(shí)混凝土水膠比宜小于0.45，膠凝材料用量宜控制在400kg/m3～550kg/m3。為了減少混凝土收縮的產(chǎn)生，水泥的用量不宜太多，同時(shí)為了滿足混凝土保塑性、黏聚性、包裹性及和易性的要求，膠凝材料用量宜控制在較多量，以滿足結(jié)構(gòu)安全、耐久的要求[8]。因此，最終確定膠凝材料用量500kg/m3，水膠比為0.32，通過(guò)控制外加劑的量來(lái)使混凝土達(dá)到工作性要求。

考慮到粉煤灰摻量過(guò)大將會(huì)影響混凝土的顏色，也會(huì)影響混凝土的裝飾性，同時(shí)粉煤灰摻量過(guò)大會(huì)使得混凝土早期力學(xué)性能降低過(guò)大，所以本研究粉煤灰摻量控制在15%～30%。

混凝土中纖維的摻入量決定了單位體積復(fù)合材料內(nèi)纖維的根數(shù)和纖維的平均間距，要使纖維起到阻裂、提高抗拉強(qiáng)度等增強(qiáng)作用，就需要纖維的平均間距小于一定值，即要求纖維的摻入量不小于臨界值。同時(shí)，若纖維摻入過(guò)多會(huì)導(dǎo)致纖維結(jié)團(tuán)很難均勻的分散，水泥基不能充分包裹在纖維表面，致使混凝土中產(chǎn)生微裂隙等原生缺陷，混凝土的強(qiáng)度反而會(huì)降低。所以，纖維增強(qiáng)混凝土中的纖維摻量應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)?？紤]其性能要求和經(jīng)濟(jì)效益，確定本研究的玄武巖纖維摻量分別為1.0kg/m3、1.2kg/m3、1.4kg/m3、1.6kg/m3。

1.3 自密實(shí)清水混凝土的制備與基本性能檢測(cè)

1.3.1混凝土制備

對(duì)于自密實(shí)清水混凝土，因其本身對(duì)工作性能有較高要求，同時(shí)對(duì)于摻有纖維改善混凝土性能的混凝土，因在其中加入纖維，纖維是否能均勻地分布于混凝土中，會(huì)對(duì)纖維增強(qiáng)混凝土的質(zhì)量和性能產(chǎn)生較大影響[9]，因此，其攪拌工藝和投料順序的選擇對(duì)于混凝土的制備尤為重要。自密實(shí)清水混凝土的制備過(guò)程如下：

(1)利用強(qiáng)制式攪拌機(jī)干拌砂和碎石30s；

(2)加入水泥和粉煤灰等膠凝材料干拌30s；

(3)加入玄武巖纖維干拌60s；

(4)加入水和減水劑攪拌120s。

(5)清理附著于攪拌機(jī)內(nèi)壁的漿體及纖維,同時(shí)觀察拌合物是否離析、纖維分布是否均勻、是否出現(xiàn)纖維結(jié)團(tuán)現(xiàn)象,再攪拌60s～120s,然后立即進(jìn)行工作性能測(cè)試。

1.3.2工作性檢測(cè)

自密實(shí)清水混凝土的配制，除了要滿足施工要求的流動(dòng)性，應(yīng)更注重混凝土的粘聚性和保水性，而且能自密實(shí)，能得到表面致密的混凝土，因此混凝土坍落擴(kuò)展度是其重要的流動(dòng)性指標(biāo)。采用坍落度筒法測(cè)量?jī)蓚€(gè)指標(biāo)，即混凝土的坍落度和坍落擴(kuò)展度，輔以觀察混凝土的粘聚性和保水性等特征，以評(píng)價(jià)新拌自密實(shí)清水混凝土的工作性，分析粉煤灰摻量及玄武巖纖維摻量對(duì)自密實(shí)清水混凝土工作性能的影響。

1.3.3力學(xué)性能檢測(cè)

抗壓強(qiáng)度是混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，也是評(píng)價(jià)混凝土質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。而抗拉強(qiáng)度是研究混凝土抗裂性能的重要參數(shù)，它是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中控制裂縫寬度和裂縫間距的重要指標(biāo)。自密實(shí)清水混凝土的抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010-2010)規(guī)定，試件均采用150mm×150mm×150mm，每組配合比制作共計(jì)6個(gè)試塊，分2組，分別測(cè)試其28d齡期的抗壓及劈裂抗拉強(qiáng)度。

以C40強(qiáng)度等級(jí)為設(shè)計(jì)指標(biāo)，考慮粉煤灰摻量與纖維摻量變化為因素，自密實(shí)清水混凝土配合比及其工作性能和力學(xué)性能如表3所示。

表3 自密實(shí)清水混凝土配合比、工作性能及其力學(xué)性能

1.3.4早齡期抗裂性能試驗(yàn)

自密實(shí)清水混凝土的抗裂性能測(cè)試，采用 “水泥基材料抗裂性能測(cè)試誘導(dǎo)開(kāi)裂法及其裝置”[10]，如圖2所示，選用單隔板模式，試件大小為600mm×600mm×50mm。

圖2 誘導(dǎo)開(kāi)裂平板法試驗(yàn)裝置(單位：mm)①底板；②Φ6螺栓；③石蠟紙，特氟綸；④φ9螺栓；⑤鋼板

試驗(yàn)步驟為：將拌和之后的自密實(shí)清水混凝土立即倒入矩形平板中并抹平，然后放入環(huán)境溫度為(25±3)℃，相對(duì)濕度為(60±5) %的室內(nèi)養(yǎng)護(hù)，每組配合比制作兩個(gè)平板試件。用裂縫測(cè)寬儀觀測(cè)裂縫的發(fā)展，在裂縫未出現(xiàn)前，每隔10min觀測(cè)1次，裂縫出現(xiàn)后每隔20min觀測(cè)1次，在隔板之間的混凝土裂縫貫穿后，每2h觀測(cè)一次，直至12h，然后觀測(cè)24h的裂縫。每次觀測(cè)的內(nèi)容包括：裂縫寬度、長(zhǎng)度和條數(shù)。該測(cè)試方法以混凝土的開(kāi)裂面積a為主要指標(biāo)，以最大裂縫寬度和初裂時(shí)間為輔助指標(biāo)。其中開(kāi)裂面積a(mm2)按下式計(jì)算：

a=W1L1+W2L2+ …+WiLi+…+WNLN

式中：Wi為第i根裂縫的寬度(mm)；

Li為第i根裂縫的長(zhǎng)度(mm)；

N為總裂縫數(shù)目(根)。

2 自密實(shí)纖維混凝土的力學(xué)性能

圖3 粉煤灰摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

圖3為粉煤灰摻量對(duì)自密實(shí)清水混凝土28d抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度的影響。由圖3可知，在粉煤灰摻量不大于30%時(shí)，粉煤灰摻量的變化對(duì)自密實(shí)清水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響較小，隨著粉煤灰摻量的增加，自密實(shí)清水混凝土的28d劈拉強(qiáng)度則有所降低，降低幅值在10%以內(nèi)，而當(dāng)粉煤灰摻量為30%時(shí)，其劈拉強(qiáng)度降低的程度有所減少，此時(shí)與基準(zhǔn)組相比降低的幅值為4%。

圖4是粉煤灰摻量在30%的情況下玄武巖纖維摻量對(duì)自密實(shí)清水混凝土28d抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度的影響。由圖4可知，纖維的摻入對(duì)于混凝土的抗壓強(qiáng)度影響不大，但在纖維摻量為1kg/m3時(shí)，抗壓強(qiáng)度有所降低，比未摻纖維的抗壓強(qiáng)度降低6.3%。而對(duì)于劈拉強(qiáng)度，隨著纖維摻量的增加而增加，在玄武巖纖維摻量為1.6 kg/m3時(shí)，其劈拉強(qiáng)度比未摻纖維的混凝土增加23.2%。

圖4 玄武巖纖維摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

3 自密實(shí)清水混凝土早齡期抗裂性能

自密實(shí)清水混凝土的開(kāi)裂是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，它是綜合因素影響下產(chǎn)生的結(jié)果。自密實(shí)清水混凝土的早齡期開(kāi)裂特征的試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，如表4所示。

表4 自密實(shí)清水混凝土的早齡期開(kāi)裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5是粉煤灰摻量對(duì)自密實(shí)清水混凝土開(kāi)裂時(shí)間與裂縫貫穿時(shí)間的影響。由圖5可見(jiàn)，在摻量低于25%情況下，粉煤灰對(duì)于開(kāi)裂時(shí)間的影響較小，與未摻粉煤灰組具有相近的開(kāi)裂時(shí)間。而當(dāng)粉煤灰摻量為30%，則有推遲開(kāi)裂時(shí)間的作用，與未摻粉煤灰組相比，推遲了1h。而從裂縫貫穿時(shí)間曲線看，隨粉煤灰摻量的增加，混凝土的裂縫貫穿時(shí)間延長(zhǎng)。

圖5 粉煤灰摻量與開(kāi)裂時(shí)間和裂縫貫穿時(shí)間的關(guān)系

圖6 粉煤灰摻量與開(kāi)裂面積的關(guān)系

圖6是粉煤灰摻量對(duì)自密實(shí)清水混凝土24h開(kāi)裂面積的影響，從圖中可知粉煤灰的摻入有抑制混凝土開(kāi)裂的作用，但當(dāng)粉煤灰摻量不超過(guò)20%，粉煤灰的影響有個(gè)平緩段，當(dāng)超過(guò)20%后，隨粉煤灰摻量的增加其降低混凝土開(kāi)裂的作用越大。

圖7和圖8是粉煤灰摻量30%時(shí)，玄武巖纖維摻量對(duì)自密實(shí)清水混凝土抗裂性能的影響。

從圖7可知，玄武巖纖維的摻入對(duì)自密實(shí)清水混凝土開(kāi)裂時(shí)間的影響作用較小，隨纖維摻量增加，其開(kāi)裂時(shí)間略有提前，這可能是由于纖維摻入后增強(qiáng)混凝土抵抗離析、泌水的能力，但同時(shí)也阻礙了混凝土內(nèi)部水分交換的通道，使得混凝土收縮較大，在受到約束情況下引起開(kāi)裂。但從圖7也可看出，玄武巖纖維的摻入對(duì)于抑制裂縫的擴(kuò)展有較大作用，隨玄武巖纖維摻量的增加，較未摻纖維的混凝土，其裂縫貫穿時(shí)間分別延遲了130min、130min、140min，甚至當(dāng)纖維摻量為1.6kg/m3時(shí)，混凝土裂縫未貫穿。

圖7 纖維摻量與開(kāi)裂時(shí)間和裂縫貫穿時(shí)間的關(guān)系

從圖8纖維摻量對(duì)混凝土開(kāi)裂面積的影響也可知，玄武巖纖維的摻入能夠有效抑制裂縫的開(kāi)展，提高混凝土的抗裂性能，隨纖維摻量的增加，其24h開(kāi)裂面積分別是未摻纖維的30%粉煤灰摻量下的混凝土的77%、69.3%、64.9%、40.7%。

圖8 纖維摻量與開(kāi)裂面積的關(guān)系

4 結(jié)論

本文研究粉煤灰摻量(15%～30%)對(duì)自密實(shí)清水混凝土早齡期抗裂性能的影響，在此基礎(chǔ)上通過(guò)摻入玄武巖纖維，研究改善自密實(shí)清水混凝土抗裂性能的玄武巖纖維的最優(yōu)摻量。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析，得到以下4個(gè)結(jié)論：

(1)粉煤灰摻量對(duì)自密實(shí)清水混凝土的28d抗壓強(qiáng)度的影響較小，僅稍有降低。但總體上隨粉煤灰摻量的增加，自密實(shí)清水混凝土的28d劈拉強(qiáng)度降低；當(dāng)粉煤灰摻量為30%，劈拉強(qiáng)度降低幅度有所減少。

(2)在摻量低于25%，粉煤灰的摻入對(duì)自密實(shí)清水混凝土的開(kāi)裂時(shí)間影響較小，當(dāng)摻量超過(guò)30%，則能推遲混凝土的開(kāi)裂時(shí)間?？傮w上，自密實(shí)清水混凝土的裂縫貫穿時(shí)間隨粉煤灰摻量的增加而推遲。在摻量低于30%時(shí)，隨粉煤灰摻量的增加，自密實(shí)清水混凝土的抗裂性能越好。

(3)在摻量不超過(guò)1.6kg/m3時(shí)，玄武巖纖維的摻入對(duì)混凝土28d抗壓強(qiáng)度的影響較小，但隨纖維摻量增加，28d劈拉強(qiáng)度提高。

(4)在摻量不超過(guò)1.6kg/m3時(shí)，自密實(shí)清水混凝土受玄武巖纖維摻量的影響較小，但是卻能有效抑制裂縫的擴(kuò)展，推遲裂縫貫穿時(shí)間，在玄武巖纖維摻量為1.6kg/m3時(shí)，裂縫未貫穿。在該摻量范圍內(nèi)，隨玄武巖纖維摻量的增加，自密實(shí)清水混凝土的抗裂性能越好。在玄武巖纖維摻量為1.6kg/m3時(shí)，其開(kāi)裂面積僅為未摻的40.7%。

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EarlyAgeCrackingBehaviorofSelf-CompactingBareConcrete

WANGShengxian1WANGXuefang2

(1.FujianJiangxia University，F(xiàn)uzhou 350108； 2.Fuzhou University，F(xiàn)uzhou 350108)

Self-compacting bare concrete,which is a combination of advantages of self-compacting concrete and bare concrete,has a broad application prospects. However,due to the direct exposure to the environment,the cracks not only affect the decorative effect,but also cause the durability problem directly. By using the induced crack test,the cracking behavior of self-compacting bare concrete,based on the content of fly ash and basalt fiber,was tested. The results show that: Within the scope of 15%～30% of the fly ash,the cracking behavior of self-compacting bare concrete improved along with the increasing of the dosage of fly ash. The basalt fiber has little influence on the cracking time within the scope of 1.0～1.6kg/m3. However,with the increasing of the dosage of basalt fiber,the cracking behavior of self-compacting bare concrete improved,when the dosage of basalt fiber was 1.6kg/m3,its cracking area was only 40.7% of the no basalt fiber mixed.

Self-compacting concrete;Bare concrete; Early age cracking behavior; Induced crack test; Fly ash; Basalt fiber

王圣賢(1989.10- )，男，助教。

E-mail:938583938@qq.com

2017-09-03

TU528

A

1004-6135(2017)12-0083-05