濕熱環(huán)境下玄武巖纖維橋面混凝土早期抗裂性

郭寅川, 楊雪瑞, 申愛琴, 李震南, 左孝森

(長安大學(xué) 公路學(xué)院,陜西 西安 710064)

隨著交通建設(shè)事業(yè)的發(fā)展,橋梁構(gòu)造物在運輸網(wǎng)中的作用日益明顯。南方濕熱地區(qū)由于其獨特的環(huán)境,使得橋面早期開裂嚴重,降低了其耐久性。因此,提升橋面混凝土早期抗裂性,是提高濕熱地區(qū)橋梁構(gòu)造物使用壽命的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

為了提高混凝土抗裂性能,眾多學(xué)者提出在混凝土中摻入纖維。Ma[1]發(fā)現(xiàn)綠色纖維的摻入增強了公路橋梁混凝土的抗開裂能力,提高了耐久性。張軍偉等[2]認為摻入鋼纖維可以抑制混凝土裂縫的發(fā)展。胡強[3]指出聚丙烯纖維最佳摻量為1.3～1.6 kg/m3。Wang等[4]通過平板開裂試驗得出了抗裂性能最優(yōu)的玄武巖纖維長度和摻量。趙煜民[5]發(fā)現(xiàn)芳綸纖維對混凝土早期開裂有顯著抑制作用。薛會青等[6]的研究表明,PVA纖維具有良好的阻裂增韌效用。

目前常用的抗裂纖維主要有鋼纖維、碳纖維、玻璃纖維、聚丙烯纖維以及玄武巖纖維等。其中,玄武巖纖維由玄武巖經(jīng)高溫熔融后拉絲制成[7],制備過程中無有害氣體排放,是一種新型無機纖維。與上述工程中常用的其他纖維相比,玄武巖纖維具有力學(xué)強度高、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異、性價比高及與水泥基材料相容良好等顯著優(yōu)勢[8]。

關(guān)于玄武巖纖維混凝土的收縮抗裂性,學(xué)者們進行了相關(guān)研究。Zhou等[9]及金祖權(quán)等[10]均指出玄武巖纖維可以有效提高混凝土的抗裂性。Branston等[11]與Li等[12]認為玄武巖纖維憑其優(yōu)異的抗拉性能可以限制裂縫產(chǎn)生和擴展,降低混凝土收縮應(yīng)變。湯志為[13]發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維自密實混凝土干燥收縮及塑性開裂均得到改善。葉邦土等[14]的研究表明玄武巖纖維對混凝土彎曲韌度和阻裂效果提升顯著。而邊旭輝等[15]得到阻裂增韌性能綜合最優(yōu)的玄武巖纖維指標(biāo)為長度12 mm、摻量0.06%。然而,針對玄武巖纖維橋面鋪裝混凝土抗裂性的相關(guān)研究成果較少,而且對于玄武巖纖維混凝土在特殊養(yǎng)護環(huán)境,如濕熱環(huán)境下抗裂性能的相關(guān)研究尚未展開。

因此,本文在室內(nèi)模擬標(biāo)準、濕熱2種養(yǎng)護環(huán)境,設(shè)計塑性收縮試驗、干燥收縮與濕度分布試驗和圓環(huán)約束開裂試驗,以玄武巖纖維橋面混凝土為研究對象,探究其早期開裂特性。

1 試驗

1.1 原材料

1.1.1 骨料及膠凝材料

水泥選用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,其技術(shù)指標(biāo)見表1。粉煤灰選用Ⅱ級粉煤灰,其化學(xué)組成見表2。粗集料選用花崗巖碎石,級配為4.75～19 mm,級配4.75～9.5 mm與級配9.5～19 mm的摻配比例為1∶4,其技術(shù)指標(biāo)見表3。細集料選用河砂,其細度模數(shù)為2.72,表觀密度為2.856 g/cm3,含泥量(質(zhì)量分數(shù))為0.4%。

表1 水泥技術(shù)指標(biāo)

表2 粉煤灰化學(xué)組成

表3 粗集料技術(shù)性質(zhì)

1.1.2 水及外加劑

拌和用水為市政自來水,外加劑選用聚羧酸高性能減水劑,減水率為25%,含氣量為3%。

1.1.3 玄武巖纖維

玄武巖纖維材料選用浙江石金玄武巖纖維有限公司的短切玄武巖纖維,玄武巖纖維物理力學(xué)性能見表4。

表4 玄武巖纖維物理力學(xué)性能

1.2 配合比設(shè)計

采用正交試驗對橋面混凝土配合比進行優(yōu)化設(shè)計,綜合考慮工作性能、力學(xué)性能、收縮性能,以坍落度、28 d抗壓強度、28 d抗彎拉強度、7 d以及28 d干縮降低率為設(shè)計指標(biāo),經(jīng)過大量試驗,得出了基于抗裂性能的玄武巖纖維橋面混凝土配合比,如表5所示。其中玄武巖纖維長度為12 mm,摻量為0.08%,另設(shè)置基準組作為對照,各組分配合比中的質(zhì)量均為單位立方米質(zhì)量。

表5 玄武巖纖維橋面混凝土配合比

1.3 試驗方法

陜西南部(陜南)地處北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),夏季高溫炎熱,雨熱同期,屬于典型的濕熱地區(qū)。參考陜南濕熱地區(qū)的環(huán)境特點,模擬濕熱環(huán)境(溫度(30±2)℃、相對濕度(70±5)%),另模擬標(biāo)準養(yǎng)護環(huán)境(溫度(20±2) ℃、相對濕度(60±5)%),分別對混凝土試件進行養(yǎng)護。

1.3.1 塑性收縮試驗

測試方法采用平板誘導(dǎo)開裂法,分別在2種環(huán)境下進行試驗,記錄各試件裂縫起裂時間及24 h后裂縫寬度、最大長度、裂縫面積等參數(shù)。

單條裂縫平均開裂面積a:

(1)

單位面積裂縫數(shù)目b:

(2)

單位面積上總開裂面積c:

c=a·b。

(3)

式中:Wi為第i條裂縫的最大寬度,mm;Li為第i條裂縫的長度,cm;N為總裂縫數(shù)目;A為平板的面積,m2,本試驗中其值為0.18 m2。

1.3.2 干燥收縮與濕度分布試驗

(1)干燥收縮試驗。采用位移傳感器與電壓數(shù)據(jù)采集器對橋面板28 d內(nèi)中心與角隅位置的干燥收縮變形進行連續(xù)采集,試件為400 mm×400 mm×100 mm的板體結(jié)構(gòu),設(shè)計基準組和纖維組形成對照。中心采集點距離橋面板長徑方向200 mm,角隅采集點距離橋面板長徑方向100 mm,2個測點位置距離短邊均為50 mm,采集間隔時間為1 h,具體試驗裝置如圖1所示。

圖1 橋面混凝土板中心與角隅處干燥收縮試驗

(2)濕度分布試驗。利用濕度傳感器搭配數(shù)據(jù)采集設(shè)備連續(xù)監(jiān)測濕熱環(huán)境下28 d內(nèi)混凝土板內(nèi)部相對濕度。傳感器的具體位置在橋面板中軸線上距邊緣1/4、1/2、3/4處,距板表面深度分別為25、50、75 mm處,如圖2所示。

圖2 橋面板內(nèi)部濕度的空間分布

1.3.3 圓環(huán)約束開裂試驗

利用電壓數(shù)據(jù)采集器監(jiān)測標(biāo)準及濕熱環(huán)境下28 d圓環(huán)內(nèi)壁應(yīng)變,如圖3所示。

圖3 橋面混凝土約束收縮試驗

2 結(jié)果與討論

2.1 超早期塑性收縮

各組混凝土在不同試驗環(huán)境下的早期塑性開裂試驗特征參數(shù)如表6及圖4所示。表6的裂縫編號中,Ⅰ、Ⅱ為同一組別混凝土不同試件,1、2為其上不同裂縫。

圖4 不同試驗環(huán)境下混凝土板的單位面積總開裂面積

表6 玄武巖纖維橋面混凝土平板誘導(dǎo)裂縫參數(shù)

由表6可知,相比于標(biāo)準試驗環(huán)境,2種混凝土在濕熱環(huán)境下均表現(xiàn)出起裂時間提前、裂縫最大寬度及最終長度增加的變化趨勢。這表明濕熱環(huán)境加劇了2種混凝土的塑性收縮。究其原因,濕熱環(huán)境下氣溫較高,空氣流動較快,新澆筑的混凝土板表面水分蒸發(fā)速度更快、蒸發(fā)量更大。而板體內(nèi)部水分向板體表面遷移緩慢,使得板體內(nèi)部形成毛細管負壓并快速發(fā)展。因此濕熱環(huán)境下混凝土板體內(nèi)部的收縮應(yīng)力形成更快、峰值更大,從而造成了更為嚴重的收縮開裂。

由表6可知,濕熱環(huán)境下,纖維混凝土出現(xiàn)第2條裂縫的可能性減小,起裂時間延長,裂縫最大寬度及最終長度顯著降低。以纖維組試件Ⅰ為例,較之于基準組,其起裂時間延長35 min,裂縫最大寬度、最終長度分別降低了68.1%、18.1%。而且由圖4可知濕熱環(huán)境下纖維組混凝土板的單位面積總開裂面積僅為基準混凝土的23.5%,比基準混凝土減少76.5%。顯然,玄武巖纖維的摻入抑制了濕熱環(huán)境下混凝土的早期塑性開裂。這是因為纖維亂相分布在混凝土內(nèi)部,有效連通并細化了內(nèi)部孔隙,減緩了毛細管壓力的發(fā)展速度[16],使得混凝土起裂時間延長。而且隨機分布的纖維在混凝土振動成型時會部分懸浮在板體表面沁水層中,減緩其水分蒸發(fā)散失,有效降低了混凝土內(nèi)的毛細管負壓,收縮應(yīng)力隨之降低,因而裂縫寬度及長度減小。

2.2 硬化期干燥收縮

2.2.1 干燥收縮變形

標(biāo)準及濕熱2種環(huán)境下,基準混凝土、玄武巖纖維混凝土板中心及角隅位置的28 d干縮變化規(guī)律見圖5。

圖5 橋面板中心與角隅處干燥收縮曲線

由圖5可知,不同試驗環(huán)境下,基準組、纖維組混凝土板中心與角隅干縮變形均隨齡期增長而增加,而中心處的收縮變形要遠小于角隅處的收縮變形。這主要是由混凝土板沿板體厚度方向不均勻分布的溫度、濕度梯度造成的。硬化后的混凝土溫度、濕度受到自身水化放熱及外界環(huán)境變化的多重影響,內(nèi)部板體不同位置處的含水量變化不一,整體上造成混凝土板的不均勻收縮。

對比不同環(huán)境下混凝土干縮變形發(fā)展曲線可以發(fā)現(xiàn):標(biāo)準環(huán)境下混凝土板干縮變形在2 d齡期后才逐漸產(chǎn)生;濕熱環(huán)境下混凝土板干縮變形在監(jiān)測起點就已經(jīng)發(fā)生。這說明濕熱環(huán)境加速了干縮的產(chǎn)生。另外,標(biāo)準環(huán)境下纖維組中心、纖維組角隅、基準組中心、基準組角隅各處28 d總收縮應(yīng)變分別為1.919 1×10-4、5.678 8×10-4、2.640 4×10-4、7.444 1×10-4;而濕熱環(huán)境下對應(yīng)各處28 d總收縮應(yīng)變分別為2.120 6×10-4、5.964 8×10-4、2.925 7×10-4、8.002 2×10-4。顯然,濕熱環(huán)境下混凝土板中心及角隅各處28 d總收縮應(yīng)變出現(xiàn)不同程度增長,即濕熱環(huán)境加劇了混凝土板的干縮變形。

由圖5(b)可知,濕熱環(huán)境下,相比于基準混凝土板,纖維混凝土板中心及角隅處28 d總收縮應(yīng)變分別降低了27.5%、25.5%。這說明濕熱環(huán)境下,摻加纖維抑制了橋面混凝土板的干縮變形。

2.2.2 板內(nèi)相對濕度

濕熱環(huán)境下基準及纖維混凝土板內(nèi)部不同層位處的相對濕度的變化規(guī)律曲線如圖6所示。

圖6 濕熱環(huán)境下橋面板不同層位濕度變化

由圖6可知,濕熱環(huán)境下,基準組、纖維組2種混凝土板垂直方向相對濕度分布大小順序均為下層>中層>上層,其原因在于混凝土板上層直接暴露在空氣中,更容易散失水分。另外,基準組混凝土板在7 d內(nèi)不同層位相對濕度下降非常迅速,7 d后相對濕度下降速率逐漸降低,14～28 d內(nèi)相對濕度下降速率趨于平緩。這是因為混凝土板內(nèi)部相對濕度變化主要由水泥水化與水分散失共同引起。7 d內(nèi),水化作用處于加速階段,此時其對板內(nèi)部濕度下降起主導(dǎo)作用,因而板內(nèi)相對濕度快速下降。7 d后水泥水化進入穩(wěn)定期,混凝土板內(nèi)部失水速率減緩,板內(nèi)相對濕度下降速率隨之變緩。由于纖維的保水作用,緩解了水分的散失,使得纖維組混凝土板相對濕度在7 d內(nèi)雖然下降較快,卻仍然低于基準組混凝土板失水速率。

現(xiàn)比較2種混凝土不同層位內(nèi)的相對濕度。纖維混凝土板7 d齡期上、中、下層相對濕度仍然較高,分別為90%、90.3%和97.5%,比基準混凝土板各層分別增加4.4百分點、1.5百分點和6.8百分點。隨著齡期增長,外界環(huán)境的蒸發(fā)作用不斷加劇,混凝土板各層內(nèi)相對濕度不斷降低。28 d時,基準組上、中、下層相對濕度分別為75.0%、82.0%、86.0%,纖維組上、中、下層相對濕度分別為80.0%、83.0%、87.0%,比基準組各層均有小幅度提高。這說明纖維組混凝土板的保水效果更佳。這是因為摻入玄武巖纖維后,隨機分布的纖維網(wǎng)格增大了水分散失通道的曲折性[17],對水分遷移起到阻礙作用,減緩了內(nèi)部水分向外輸送的速度;而且由于玄武巖纖維的阻裂作用,抑制了混凝土內(nèi)部微裂縫的發(fā)展,切斷了部分水分散失的通道。

2.2.3 板干縮變形與板內(nèi)相對濕度的關(guān)系

為研究28 d齡期內(nèi)混凝土板干縮變形與內(nèi)部相對濕度之間的關(guān)系,圖7為濕熱環(huán)境下2種混凝土板中心位置收縮變形與板中層內(nèi)相對濕度分布的發(fā)展曲線圖。

圖7 混凝土板中心收縮變形與中層相對濕度變化曲線

由圖7(a)與7(b)可知,混凝土板內(nèi)部相對濕度下降與相應(yīng)的干縮變形具有較好的同步性:隨齡期增長,2種混凝土板內(nèi)相對濕度不斷下降,而收縮變形逐漸增大。本試驗中測得的干燥收縮變形主要由2部分組成:水泥水化消耗自由水引起的收縮及混凝土內(nèi)部水分散失到環(huán)境中引起的收縮。水泥水化作用產(chǎn)生化學(xué)縮減,而其由于受到固相結(jié)構(gòu)的約束在水泥石中形成毛細孔隙。毛細孔隙中水分由于水化作用產(chǎn)生消耗,相對濕度下降的同時產(chǎn)生毛細孔張力,進而造成混凝土收縮變形。同樣地,當(dāng)混凝土內(nèi)部水分散失到環(huán)境中,相對濕度下降,孔隙內(nèi)形成彎液面,繼而產(chǎn)生毛細孔張力,引起混凝土收縮。顯然,混凝土板干燥收縮變形主要是由于內(nèi)部毛細孔張力作用于水泥石上使得水泥石受到負壓引起的。毛細孔張力越大、混凝土的收縮變形越大。而混凝土內(nèi)部毛細孔張力與其相對濕度呈負相關(guān)關(guān)系:內(nèi)部相對濕度越低、毛細孔張力越大,反之則毛細孔張力越小。因此,混凝土干縮變形與其內(nèi)部相對濕度密切相關(guān),可以將混凝土內(nèi)部相對濕度變化視為其干縮變形發(fā)展的驅(qū)動力。

對比圖7(a)與7(b)可知,濕熱試驗環(huán)境下,28 d齡期后基準組混凝土板中層相對濕度為82%,中心位置收縮變形為2.925 7×10-4;纖維組混凝土板中層相對濕度為83%,中心位置收縮變形為2.120 6×10-4。纖維組混凝土板由于纖維的保水作用,使得其中層的相對濕度更高。根據(jù)上文中混凝土板干縮變形與其相對濕度的關(guān)系,更高的相對濕度產(chǎn)生更小的毛細孔張力,因而纖維混凝土板中層干縮變形大幅降低,較基準組降低了27.5%。同時,纖維的摻加也提高了混凝土抗拉強度,其在混凝土板收縮時可以分擔(dān)部分收縮應(yīng)力,使得總收縮變形減小。

2.3 圓環(huán)約束開裂試驗

基準組及纖維組橋面混凝土分別在標(biāo)準及濕熱環(huán)境下28 d內(nèi)鋼環(huán)約束下的內(nèi)壁應(yīng)變測試結(jié)果如圖8所示。不同于2.2.1節(jié)中自由干燥收縮,本節(jié)中混凝土在側(cè)壁及底部的約束下發(fā)生收縮變形。由于約束應(yīng)力的存在,其開裂風(fēng)險更高。

圖8 橋面混凝土環(huán)內(nèi)壁應(yīng)變

由圖8可知,混凝土在圓環(huán)約束下產(chǎn)生的內(nèi)壁應(yīng)變隨齡期增長均經(jīng)歷了應(yīng)變驟降、應(yīng)變緩降及瞬間回落開裂3個階段。而圖8(b)、8(d)中的玄武巖纖維混凝土的內(nèi)壁應(yīng)變在初期超過零值,是由于此時混凝土尚未完全凝固,出現(xiàn)了體積膨脹。對比圖8(a)與8(c)、8(b)與8(d)可知,濕熱環(huán)境下,2種混凝土的起裂齡期與應(yīng)變峰值均小于標(biāo)準環(huán)境下相應(yīng)值。說明濕熱環(huán)境下混凝土抵抗約束收縮能力下降。

濕熱環(huán)境下,基準混凝土起裂齡期與應(yīng)變峰值分別為9.5 d、-1.592 5×10-4;纖維混凝土起裂齡期與應(yīng)變峰值分別為16.5 d、-1.867 0×10-4。很顯然,纖維混凝土比基準混凝土延遲開裂7 d,峰值應(yīng)變增大2.745 0×10-4,增加比例為17.2%。說明摻加玄武巖纖維延長了開裂時間,增大了混凝土約束收縮承受的應(yīng)變,提高了混凝土抵抗約束收縮的能力。其原因與2.2.3節(jié)中所敘述相同:摻加纖維,一方面延緩了混凝土內(nèi)部相對濕度的下降;另一方面纖維可以承擔(dān)部分約束收縮應(yīng)力,從而提高了混凝土抗拉強度。

3 結(jié)論

(1)濕熱環(huán)境下,纖維混凝土塑性開裂得到抑制。其單位面積總開裂面積大幅減小,較基準混凝土減少了76.5%。

(2)混凝土板內(nèi)部相對濕度下降與相應(yīng)的干縮變形具有較好的同步性,可以將混凝土內(nèi)部相對濕度變化視為其干縮變形發(fā)展的驅(qū)動力。

(3)濕熱環(huán)境下,通過摻入纖維可以減緩混凝土板內(nèi)部相對濕度下降從而抑制其干燥收縮開裂。相比于基準混凝土板,纖維混凝土板中心處與角隅處的28 d干燥收縮變形分別降低了27.5%、25.5%。

(4)濕熱環(huán)境下,玄武巖纖維混凝土抵抗約束收縮的能力增強。與基準混凝土相比,起裂齡期延長7 d,峰值應(yīng)變增加了17.2%。