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产品知识

超纤维在防裂混凝土工程中的应用探讨

发布时间:2013年10月13日来源:山东世安超纤新材料有限公司 点击: 1447 次

背景

纤维增强混凝土作为新型复合材料经过几十年的发展,不论是纤维的品种、纤维增强理论的发展,还是纤维混凝土的推广应用都有了长足的进步。众多试验研究和工程实践表明:掺入混凝土中的纤维不但具有增强、增韧的作用,而且其阻裂、限缩,以及改善混凝土基体孔结构的作用。可以明显提高混凝土的抗渗性。混凝土良好抗渗性对地下结构、大坝、水渠、污水处理池、 码头、跨海大桥等工程应用具有重要意义。然而不同的纤维对混凝土性能的影响程度存在差异,主要取决于纤维的品种、纤维掺量、纤维长径比、纤维在混凝土基体中的分布情况,纤维混凝土搅拌工艺,以及混凝土受力情况等因素。纤维在混凝土中的分散性好坏直接决定了 纤维混凝土抗裂性能的优劣⋯。分散性越好,分布越均匀,混凝土抗裂性能越强。超纤维具有卓越的亲水性能 使纤维单丝能均匀分布在混凝土中,分散性极好,在混 凝土搅拌和运输时纤维均处于稳定的分散状态,无任何缠绕成团出现,可有效的改善混凝土结构,提高了混凝土抗裂性能 。

京沪高铁虹桥站是上海虹桥综合交通枢纽工程的重要分支之一,也是地铁西站的主要组成部分。西站结 构为二层劲性柱结合混凝土柱框架结构,局部三层(5、17号线地铁、风井),各层底板面标高分别为B1层:— 1 1.700m(亦为地下二层顶面标高);B2层:一20.670m (亦为地下三层顶面标高);B3层:一26.170m、 一27.160m、一27.970m、一29.1 10m。地下三层顶面标高为 一20.670m,地下二层顶面标高为一11.700m,地下一层顶面标高为一2.550m,各层的层高:B3~B2层为8.44 m (5、17号线),B2~B1层为8.97 m,B1~零层为9.15 m。基础形式采用桩基加筏板式基础,工程桩为钻孔灌 注桩,各层底板厚度分为B1层2000mm, B2层 3000mm,B3层2500mm。地下二、三层结构延伸至上 部结构的柱网为劲性钢管柱,截面1400mm×1400mm; 地下一层结构形式为钢一混凝土组合结构,建筑结构的 安全等级为一级,设计基准为50年,耐久。年限为100年,基本抗震设防烈度为7度(0.10g),本建筑抗震设 防类别为乙类,地震作用按基本抗震设防烈度计算,按8度采取抗震措施。上海虹桥综合枢纽京沪高铁的外墙 板用C40P8R56混凝土,外掺超纤维进行防裂改性。

超纤维防裂混凝土的研制

研制的技术路线

上海虹桥综合枢纽京沪高铁的外墙板用C40P8R56 混凝土,所处的是碳化环境,作用等级为T3。根据其 设计使用年限为100年,则混凝土结构耐久性设计要满 足铁路规范对混凝土原材料品质、配合比参数极限,以 及抗裂性等耐久性指标的要求。 采用粉煤灰和矿粉等双掺技术改善混凝土的流动性和微观结构;掺加超纤维改善混凝土的抗裂性;通过 聚羧酸系高效减水剂提高混凝土的和易性和降低水胶 比。再以电通量和抗裂等指标来衡量虹桥综合枢纽京 沪高铁1=程用C40P8R56混凝土的耐久性。

材料设计

原材料品质好坏是京沪高铁混凝土是否具有高耐 久性的前提。因此,首先需慎重选择混凝土用原材料, 并对各种原材料检测。所有样品由监理见证,送上海市 建筑科学研究院检测站检测。

水泥

水泥选用普通硅酸盐水泥P·042.5,其技术要求满足国家标准,具体见表1。
表1
 

粉煤灰

其中的一种矿物掺和料选用品质稳定的II级低钙粉煤灰,其技术要求符合国家标准和耐久性要求,具体满足国家标准,具体见表2。
表2

矿粉

矿粉的技术要求满足相应的国家标准及耐久性要求,具体可见表3所示。
表3

外加剂

外加剂选用了减水率较高、保坍性好、适量引气且 能提高混凝土耐久性聚羧酸系减水剂,性能指标见表4所示。
表4

骨料

强度、吸水率、坚固性和有害物质含量等指标都符合耐粗骨料选用了连续级配的5~25mm碎石,其抗压久性要求,具体见表5。
表5

原材料及性能

而细骨料选用了符合国家标准及耐久性要求的中级的细度模数。

配合比参数极限

上海虹桥综合交通枢纽所处环境为碳化环境,高铁用混凝土C35和C40的部位外界环境分别属于T2和T3.设计年限为100年,为了保证钢筋混凝土结构耐久, 其混凝土要满足最大水胶比和最小胶凝材料用量的要 求,具体见表6所示。
表6

混凝土耐久性能研究

混凝土密实性能的研究

在保证强度的前提下,混凝土的密实性与电通量和 抗渗性能有着较大的关联。通过比较流动性和耐久性 (56d电通量)性能指标,调整外加剂类型、胶凝材料总量及比例等技术来改善京沪高铁用混凝土性能。同 时,C40混凝土胶凝材料总量不宜高于450 kg/m3首先, 使用上一节的原材料,外掺加中效减水剂配制防裂混凝 土C40P8R56,具体见表7。
表7

表7的三个配比通过调整胶凝材料总量和比例及外加剂掺量,改善混凝土的施工性和耐久性,其中对应的混凝土耐久性指标如表8。
表8
表9
表10
表11

由表8可知,水胶比和胶凝总量都符合京沪高铁用 混凝土的要求,但是掺加超纤维的编号为C40—3的配 比对应的56d电通量大于铁路规范要求的1500C,不符合高铁混凝土耐久性要求,所以此配比不能被采用。由 于受胶凝材料总量不宜超过450kg/m。,又为了须保证良 好的流动性及耐久性要求,目前最好方式是改变外加剂类型或掺量。其一,可以通过提高中效减水剂的掺量, 减少用水量;其二,选用高效减水剂,这样可以在保证 良好的流动性前提下,大幅度的减少混凝土拌合用水, 提高混凝土密实性,降低电通量,达到京沪高铁用混凝土技术要求。具体的试验配比见表9。

由表9、表10和表11可知,编号为C40—6配比所对应的混凝土耐久性和强度及抗渗性都是满足设计要求。胶凝材料总量(只有440kg/m 3)和水胶比都满足配合比参数极限要求,又没有大于450kg/m3 ,还有掺纤维的C40—6的56d电通量1118C,满足电通量耐久性要求。

同时,从表9和表10可知,超纤维会影响混凝土 的电通量性能,还有对流动性也存在一些负面影响。然而,由表11可知,掺加超纤维对于强度影响不大,特别对混凝土后期的强度几乎没有影响。

塑性收缩开裂效果对比

混凝土的抗裂性是高铁钢筋混凝土结构耐久性最重要的指标之一,使用超纤维可大幅度的提高混凝土的抗裂性,塑性收缩开裂性能是混凝土防裂效果的重要表现形式之一,在此利用混凝土的塑性收缩开裂进行试验研究。

根据ICC AC217(ASTM C1579)标准,对高铁用耐久性混凝土进行抗裂性能的研究,特别是混凝土的塑性收缩开裂。测试用试模见图1所示。
图1

利用图1的试模,中间具有凸起的矩形板状,再模拟一种恶劣的环境(利用风扇产生一股稳定的温暖气流达到指定的蒸发率)使混凝土快速发生塑性收缩,针对掺加超纤维与不掺加纤维的混凝土塑性开裂效果进行对比试验;同时,纤维掺量取0.3kg/m3 、0.6 kg/m3 、 0.9kg/m3 等三种不同掺量分别进行试验,开裂的程度大小以裂缝面积(mm)来表示。混凝土塑性开裂对比试验结果见图2所示。
图2

由图2可知,当超纤维掺量增加到0.9kg后,混凝 土的塑性开裂面积比基准的降低了85%以上,若再增加纤维掺量,降低混凝土开裂空间已较小;同时,随着纤维掺量的增加对混凝土的工作性会带来一定的负面影响,因此高铁用纤维掺量选择0.9kg/m3

干燥收缩开裂效果对比

干燥收缩是混凝土产生收缩开裂的最主要原因之一 。利用C40P8的基准配合比配制基准混凝土,同时在基础混凝土配合比上再掺加0.9kg/m3混超纤维,分别制作成一块3m×7m×0.3m的混凝土板,构成一组对比样。经 过相同的试验条件,2天后基准混凝土产生了裂缝,而掺超纤维的混凝土板还未出现裂缝,如图3和图4所示。
图3

图4

由混凝土的塑性开裂与干燥收缩开裂对比试验可知,超纤维确实能够较好的改善混凝土的开裂效果。这可能是由于超纤维具有天然的亲水能力和巨大的比表面积,有效的阻止了混凝土的塑性收缩开裂和早期的收缩开裂,大大的减少了混凝土早期的缺陷,较好的提高了混凝土的抗裂性,改善了混凝土的耐久性。

超纤维防裂混凝土的功能化应用

利用上述优化的混凝土配合比,制备出性能优异的超纤维防裂混凝土,主要应用高耐久性的京沪高铁外墙板。工程应用中的混凝土情况,可见图5、图6和图7所示。从中可知,超纤维防裂混凝土在高铁工程的应用中,混凝土表面平整无裂缝。
图5

图6

图7

结论

(1)超纤维混凝土56d电通量控制在1118C以内, 远小于设计1500C的耐久性指标。

(2)超纤维在混凝土中的掺量为0.9kg/m3对混凝土的强度性能几乎没有影响,同时混凝土的塑性开裂面积比基准(不掺入超纤维配比)的降低r 85%以上。

(3)超纤维混凝土在干燥收缩试验过程中,大大改善了不掺纤维的基准混凝土开裂性能,在制作成一组3m X 7m×0.3m的对比混凝土板。经过相同的实验条件, 2天后基准混凝土产生了裂缝,而掺超纤维的混凝土板 还未出现裂缝。

(4)超纤维防裂混凝土在高铁工程中成功应用, 混凝土表面平整无裂缝。

超纤维可有效改善混凝土内部结构,减少混凝土的内外部缺陷,解决混凝土塑性开裂,大幅度的减少混凝土的微裂缝;目前,超纤维防裂混凝土在配制技术已得到一定程度的改进,在上海虹桥综合交通枢纽工程中已得到广泛的应用,取得了良好的应用成果。然而,关于该特种混凝土的许多理论和应用问题尚待今后进一步研究、完善和推广。

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