2021, Vol. 38扩展功能
文章信息
- 莫石秀, 郭寅川, 覃潇, 杨景玉, 凡俊涛
- MO Shi-xiu, GUO Yin-chuan, QIN Xiao, YANG Jing-yu, FAN Jun-tao
- 混杂纤维增强内养生水泥混凝土力学、收缩及断裂性能研究
- Study on Mechanical, Shrinkage and Fracture Properties of Hybrid Fiber Reinforced Internal Curing Cement Concrete
- 公路交通科技, 2021, 38(8): 1-8
- Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2021, 38(8): 1-8
- 10.3969/j.issn.1002-0268.2021.08.001
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文章历史
- 收稿日期: 2020-08-18
2. 长安大学 公路学院, 陕西 西安 710064
2. School of Highway, Chang'an University, Xi'an Shaanxi 710064, China
水泥混凝土具有承载能力强、原材料来源广泛、施工方便等优点，在土木工程领域得到了广泛应用。但是，其同时具有抗弯拉强度低、脆性大和韧性较低等缺点，致使实际工程当中的水泥混凝土路面、桥面整体化层在服役过程中常过早出现开裂[1]。早期开裂不仅会降低结构承载力，且当环境中存在有害的酸类、盐类时，会沿裂缝渗入材料内部，降低工程使用寿命[2]。因此，如何抑制水泥混凝土早期开裂，提升其抗裂性能，对于改善混凝土的耐久性极为重要。
超吸水性聚合物(super-absorbent polymer，SAP)内养生技术能够实现在湿度差的作用下，将SAP内养生剂预吸水分及时释放至混凝土中，延缓内部相对湿度(IRH)的降低，从而抑制水泥混凝土塑性收缩、自收缩及干缩裂缝的产生，并进一步促使胶凝材料水化[3-4]，增强材料密实度。
国内外研究者针对SAP内养生混凝土性能进行了系列的研究。Jensen等[5]和Pourjavadi等[6]研究表明，多离子、高浓度的水泥浆体对SAP的吸液能力影响较大，且SAP颗粒尺寸越小，吸液能力越强。Sikora等[7]研究了3种SAP对水泥水化过程变化的影响，发现SAP对材料工作性和自收缩性能的影响与SAP吸水-脱附动力学密切相关。Dang等[8]和Song等[9-10]认为SAP的加入可有效改善混凝土内部的相对湿度，进一步促进水化产物的生成，有效降低混凝土自收缩，提升抗裂性能。但部分研究表明，SAP虽然能够有效提升水泥混凝土的收缩及抗裂性能，增强耐久性，但对其强度存在削弱作用。
在水泥混凝土内添加1种或多种纤维是目前提高混凝土强度的有效措施。Islam等[11]通过在混凝土内部添加不同长度、掺量的黄麻纤维来提高混凝土的早期强度和耐久性能。Gholampour等[12]发现加入纤维后混凝土表现出充分的延展性，同时强度得到大幅度提高。Grzymsk等[13-16]对添加多种纤维混凝土的抗压、抗弯拉、劈裂强度等进行了研究，证明了其能够更好地提高混凝土的强度、抗裂性、韧性。研究表明，高弹性模量的玄武岩纤维可以有效提高混凝土强度，延缓裂缝的开展，减少混凝土的早期收缩，改善混凝土的抗渗性和耐冲击性，而低弹性模量、高延伸率的聚丙烯纤维可减少混凝土因原始缺陷产生的应力集中现象，从而起到增韧阻裂作用[17-19]。
为充分发挥SAP内养生混凝土优异的水化增强效果及早期减缩、抗裂特性，并弥补其在强度方面的不足，拟将SAP内养生技术与混杂纤维增强技术相结合，旨在提升水泥混凝土早期收缩性能的同时，增强服役期抗裂性能及强度，克服单一使用SAP或混杂纤维对混凝土性能提升不足的问题。目前，国内外学者在SAP内养生混凝土和纤维混凝土方面已有大量研究，但主要集中于SAP和混杂纤维单独作用时对混凝土性能的改善，缺乏对复掺SAP和混杂纤维二者协同作用以提高混凝土强度、抗裂性能等方面的研究，同时纤维和SAP协同作用机理尚不明确。
基于上述，本研究将玄武岩纤维和聚丙烯纤维混杂，借助抗压强度试验、弯曲试验、干缩试验及平板塑性开裂试验，深入探索混杂纤维掺量对SAP内养生水泥混凝土抗压及抗弯拉强度、断裂性能、收缩性能及抗裂性能的影响规律。同时，基于扫描电镜(SEM)试验，揭示混杂纤维和SAP协同作用对水泥混凝土的增韧阻裂机理。
1 原材料与试验方法 1.1 原材料 1.1.1 骨料及胶凝材料水泥选用PO.42.5普通硅酸盐水泥，布莱恩细度为336 m2/kg, 具体化学成分组成如表 1所示。粉煤灰选用Ⅰ级粉煤灰，比表面积为403.9 m2/g，烧失量为3.2%，28 d活性指数为82，细度为10%。粗集料选用石灰岩碎石，对粗骨料进行筛分试验，根据《公路桥涵施工技术规范》(JTG_TF50—2011)确定了级配曲线，如图 1所示。细集料选用河砂，细度模数为2.9，表观密度为2.640 g/cm3，含泥量0.6%。
| 化学成分 | |||||
| SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | SO3 |
| 22.06 | 5.13 | 5.25 | 64.47 | 1.06 | 2.03 |
|
| 图 1 水泥混凝土级配曲线 Fig. 1 Gradation curves of cement concrete |
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1.1.2 纤维和外加剂
纤维选用玄武岩纤维(BF)和聚丙烯纤维(PP)纤维2种，相应的物理力学性能如表 2所示。外加剂选用HPWR-5型高性能减水剂，减水率为25%，引气量为3%~6%。
| 纤维类型 | 技术指标 | |||||
| 长度/mm | 密度/(g·cm-3) | 直径/μm | 弹性模量/GPa | 断裂伸率/% | 抗拉强度/MPa | |
| 玄武岩纤维 | 18 | 2.61 | 16.5 | 93~110 | 2.5~3.1 | 2 500~3 400 |
| 聚丙烯纤维 | 20 | 0.91 | 25 | ≥2.5 | 15~20 | ≥300 |
1.1.3 SAP
SAP为聚丙烯酸钠类超吸水性树脂，粒径为40~80目，在水泥浆液中的吸水倍率约为22倍。其具体性能指标如表 3所示。
| 外观 | 粒径(干燥状态)/μm | 吸纯水率/(g·g-1) | 在0.9%盐水中的吸水率/(mL·g-1) | 吸水饱和时间/s |
| 颗粒或粉末状 | 180~380 | 450~550 | 70~100 | < 28 |
1.2 试件制备
不同混杂纤维掺量下的5种水泥混凝土配合比如表 4所示，其中SAP掺量固定不变，占胶凝材料的0.15%，玄武岩纤维与聚丙烯纤维的混合比例为4∶1。
| 试验组编号 | 试验配合比 | |||||||||
| 混杂纤维 | 内养生水 | 水泥 | 粉煤灰 | 水 | 粗骨料 | 细骨料 | 河砂 | 减水剂 | ||
| Non | — | — | 303 | 76 | 163 | 867 | 217 | 798 | 4.55 | |
| SAP | 0 | |||||||||
| HF-SAP | HF2-SAP | 2 | 12.51 | |||||||
| HF4-SAP | 4 | |||||||||
| HF6-SAP | 6 | |||||||||
| 注：在数据分析过程中，各组混杂纤维-SAP组混凝土按需要可统称为HF-SAP组。 | ||||||||||
1.3 试验方法 1.3.1 力学性能试验
参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081—2002)[20]制备150 mm×150 mm×150 mm立方体试件和100 mm×100 mm×400 mm长方体试件，测其抗压强度和抗弯拉强度。
采用三点弯曲试验测试水泥混凝土的断裂韧性，试验设备为MTS-810万能试验机，试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，测试前在试件跨中底部预制1 cm的裂缝，缝宽1~2 mm。加载方式如图 2所示，加载速度为0.02 mm/min，通过计算确定水泥混凝土的断裂能Gf。
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| 图 2 试件尺寸与加载方式(单位：mm) Fig. 2 Specimen size and loading mode (unit: mm) |
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1.3.2 干燥收缩试验
干燥收缩试件为400 mm×100 mm×100 mm的长方体试件。在标准条件下(温度(20±1) ℃，相对湿度≥95%)养生3 d后，将试件置于干缩室(相对温度(20±2) ℃、相对湿度为(60±5)%)。采用接触式收缩测定仪测量试件移入干缩室后3，7，14，28 d的干缩变形量，并按照式(1)计算干缩率。通过对比试件干缩率及收缩稳定时间来评价其干缩性能，其中收缩稳定时间为收缩率曲线开始趋于平缓的时间点，以d为单位。
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(1) |
式中，St为试件第t天龄期干缩率；L0为初始测量读数，精确至0.01 mm；Lt为第t天龄期的测量读数，精确至0.01 mm；L为试件有效长度，精确至0.01 mm。
1.3.3 平板塑性开裂试验采用平板塑性开裂试验研究水泥混凝土在有约束条件下的塑性开裂，模具尺寸为500 mm×360 mm×70 mm，试验流程见图 3。试件成型后立即用保鲜薄膜覆盖，并将试件带模放入标准养护室(温度(20±1) ℃、相对湿度≥95%)中养护2 h，再将带模试件置于(20±2)℃，相对湿度为(60±0.5)%的环境中，控制风速以3~4 m/s匀速平行地吹拂试件表面(图 3(c))；观测裂缝发展形态，记录24 h后各试件裂缝起裂时间、数目、长度及最大裂缝宽度，起裂时间为第1条裂缝出现的时间。按照式(2)计算混凝土单位面积上总开裂面积。
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(2) |
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| 图 3 水泥混凝土板塑性开裂试验流程 Fig. 3 Plastic cracking test procedure of cement concrete slab |
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式中，c为单位面积上的总开裂面积；Wi为第i条裂缝的最大宽度；Li为第i条裂缝的长度；N为总裂缝数目；A为平板的面积，本试验中为0.18 m2。
1.3.4 SEM试验采用三点弯曲试验结束后残留的破坏试件，对断面处混凝土进行取样。借助SEM试验对断裂界面处的微观形貌进行分析，揭示混杂纤维-SAP内养生混凝土的增韧阻裂机理。
2 结果与讨论 2.1 强度试验结果分析图 4为不同混杂纤维掺量下SAP内养生混凝土的抗压强度和抗弯拉强度变化曲线。可以看出，SAP的掺入对水泥混凝土的强度产生不利影响，28 d抗压强度降低5.5%，抗弯拉强度降低5.4%。玄武岩-聚丙烯混杂纤维的混合掺入可弥补SAP带来的强度损失，有效提高混凝土的强度，并且随混杂纤维总掺量增加，强度呈现先增加后减小的趋势。当混杂纤维掺量为4 kg/m3(BF掺量2 kg/m3、PP掺量2 kg/m3)时，玄武岩和聚丙烯纤维相互搭接，产生正混杂效应，混凝土28 d抗压强度相比Non组提高8.5%，抗弯拉强度提高9.0%。
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| 图 4 力学性能对比 Fig. 4 Comparison of mechanical properties |
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2.2 断裂韧性试验结果分析
水泥混凝土的断裂性能可通过恒定速度加载下的荷载-位移曲线(F-δ曲线)进行表征，各组混凝土的F-δ曲线分别见图 5。
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| 图 5 水泥混凝土F-δ曲线 Fig. 5 F-δ curves of cement concrete |
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由图 5可知，在加载最初阶段，5组混凝土F-δ曲线上升均很快，此时荷载主要由水泥基体承担，F-δ曲线变化趋势接近直线，5组混凝土初裂荷载Fcr基本相同，均为5 kN左右。当荷载超过初裂荷载Fcr，混凝土内部裂缝开始发展，Non组和SAP组荷载仍由水泥基体承担，HF-SAP组荷载由水泥基体和混杂纤维共同承担，SAP组混凝土极限最大荷载Fmax为10.86 kN，相比Non组降低4.98%，与混凝土抗压强度、抗弯拉强度测试结果一致。混杂纤维掺量为4 kg/m，混凝土极限最大荷载Fmax为12.69 kN，相比Non组提高11.02%。随着荷载的继续增加，混凝土裂缝进入失稳阶段，F-δ曲线呈现下降趋势，但相比Non组，HF-SAP组表现出较大的差异性：Non组的F-δ曲线接近直线下降，HF-SAP组的F-δ曲线缓慢下降，并且随着混杂纤维掺量的提高，F-δ曲线下降速率逐渐减缓，混杂纤维掺量为2，4，6 kg/m3，混凝土最大挠度δ0分别为1.90，1.91，1.95 mm，可归因于混凝土裂缝在失稳阶段裂缝宽度逐渐增大，此时荷载主要由纤维承担，混杂纤维相互交错，在混凝土内部起到加筋作用，延缓裂缝扩展速率，起到阻裂的作用。
断裂能Gf是裂缝扩展单位面积所需的能量，其表达式为：
|
(3) |
式中，Gf为断裂能；W0为F-δ曲线所围面积；m为支座间试件的质量；g为重力加速度，取9.8 m/s2；δ0为跨中最大位移；Alig为韧带面积。断裂能计算参数如表 5所示。
| 试验组 | W0/(N·mm) | m/kg | δ0/mm | Alig/mm2 |
| Non | 3 464.8 | 7.628 | 1.42 | 9 000 |
| SAP | 4 982.9 | 7.530 | 1.31 | |
| HF2-SAP | 8 564.3 | 7.575 | 1.90 | |
| HF4-SAP | 10 318.9 | 7.538 | 1.91 | |
| HF6-SAP | 8 681.9 | 7.530 | 1.95 |
据式(3)计算出的各试验组的断裂能Gf, 见图 6。
|
| 图 6 水泥混凝土断裂能 Fig. 6 Fracture energy of cement concrete |
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由图 6可知，混杂纤维的掺入能够有效提高混凝土的断裂能，增强其断裂韧性。相比Non组，SAP的加入使得混凝土断裂能提高了42.25%，这与SAP可促进簇状C-S-H凝胶的形成，减少混凝土干缩与自收缩微裂缝的萌生，增强水泥石-骨料基体界面黏结力密切相关。随着混杂纤维的加入和掺量的提高，相比Non组混凝土断裂能分别提高143.79%，192.92%，147.16%，这表明混杂纤维和SAP在混凝土内部充分发挥各组的增强作用，混杂纤维产生正混杂效应，形成的“乱向支撑体系”有效提高了混凝土的抗裂能力。混杂纤维掺量为6 kg/m3时断裂能出现降低，主要因为较大掺量的混杂纤维在混凝土内部分布难以搅拌均匀，出现部分薄弱面，与混凝土抗压强度、抗弯拉强度测试结果一致。
2.3 干缩性能试验结果分析图 7为各组水泥混凝土随龄期增长的干燥收缩变化曲线。可以看出，HF-SAP组、SAP组和Non组的干燥收缩变化趋势基本相同，呈现2阶段发展规律：第1阶段，水泥混凝土干缩量迅速增大，但相比Non组混凝土，SAP组和HF-SAP组干缩率增长速率较小。随后混凝土干缩变化进入第2阶段，干缩量增长缓慢，逐渐趋于稳定。相比Non组混凝土，SAP和混杂纤维-SAP的加入可加速混凝土进入稳定阶段的时间。Non组从干缩试验第11天开始趋于稳定，SAP组混凝土从第10天开始趋于稳定，HF-SAP组混凝土开始稳定时间为第9天左右，并且随着混杂纤维掺量的增加，混凝土干缩变化趋于稳定的时间先减小后增大，混杂纤维掺量为4 kg/m3(BF掺量2 kg/m3、PP掺量2 kg/m3)时，趋于稳定的时间最短，为第8天。总体来看，SAP组和HF-SAP组混凝土干缩率大幅降低，SAP组混凝土28 d干缩率降低48.3%，混杂纤维掺量为4 kg/m3(BF掺量2 kg/m3、PP掺量2 kg/m3)时，HF-SAP组28 d干缩率降低64.7%。
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| 图 7 水泥混凝土干缩性能曲线 Fig. 7 Dry shrinkage performance curves of cement concrete |
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基于已有研究成果可知，水泥水化生成的水泥石是由不同晶体组成的多孔体，而一般认为导致混凝土干缩的原因主要有2个：一是水泥石内吸附水的蒸发引起凝胶体收缩，二是混凝土中毛细孔内自由水的蒸发造成毛细孔负压，毛细孔负压力决定其收缩值。干缩试验前期，水泥水化已进入稳定期，混凝土内存在大量水泥石，随着干缩试验进行，混凝土内水分蒸发主要是毛细孔内的自由水，导致毛细孔“弯月面”曲率增大，毛细孔压力增加，又因为试验前期混凝土抗拉强度低，导致混凝土干缩量迅速增大。干缩试验后期，混凝土内毛细孔自由水蒸发殆尽，毛细孔压力增长有限，此时混凝土抗拉强度增大，导致混凝土干缩量缓慢增加，逐渐趋于稳定。SAP的加入为混凝土引入一部分自由水，毛细孔内水分蒸发时，SAP中的内养生水会及时释放补充到其周围水泥浆体的毛细孔中，使其毛细孔含水量迅速回升至饱和，降低毛细孔压力。混凝土内加入BF-PP混杂纤维后，每立方米混凝土有上百万根纤维均匀分布于基体中，在混凝上内部构成均匀的乱向支撑体系，可优化混凝上的孔隙结构，减少毛细孔个数及内部孔隙率，同时高弹性模量的玄武岩纤维分担较多的毛细孔压力，低弹性模量的聚丙烯纤维对混凝土有保水作用，可减弱混凝土内自由水蒸发的速度，二者协同作用，可减缓混凝土干缩变形的增长速率，降低其干缩率。
2.4 塑性板裂试验结果分析基于水泥混凝土强度、三点弯曲断裂韧性、干缩等试验结果，优选混杂纤维掺量4 kg/m3进行水泥混凝土塑性开裂试验，试验结果如表 6所示。
| 试验组 | 开裂指标 | |||||
| 混杂纤维掺量/(kg·m-3) | 裂纹数/条 | 起裂时间/min | 裂缝最大宽度/mm | 裂缝总长度/mm | 开裂面积/(mm2·m-2) | |
| Non | 0 | 5 | 153 | 0.31 | 857 | 738 |
| SAP | 0 | 4 | 205 | 0.2 | 670 | 372 |
| HF4-SAP | 4 | 2 | 298 | 0.12 | 581 | 194 |
由表 6可知，相比Non组，掺加SAP可有效延缓首条裂缝的起裂时间，延缓效果可达1~2倍，且能够降低混凝土裂缝的产生数量，降低裂缝宽度和长度。SAP和混杂纤维协同作用，可大幅延缓裂缝的起裂时间，延缓效果可达2倍，裂缝宽度降低61.2%，裂缝总长度降低32.2%。SAP组混凝土单位面积上总开裂面积相比Non组可降低49.5%，HP4-SAP组混凝土单位面积上总开裂面积降低幅度高达73.7%。
观察图 8(a)可知，Non组混凝土的裂缝不仅为横向表面贯穿，并且从三角钢顶部起由下而上纵向贯穿，在主裂缝的四周也延伸出各条细小的裂缝分支。观察裂缝内部也可见，当裂缝由下而上贯穿时，其开裂路径基本围绕着水泥-骨料界面区展开。由图 8(b)可见，HP4-SAP组混凝土裂缝宽度明显小于Non组，且可减少一半以上的裂缝宽度，并且在裂缝四周也未发现分出的微小裂纹，同时混凝土裂缝间可见纤维拉扯现象，表明混凝土在开裂过程中，纤维起到“加筋”作用，可缓解裂缝周围应力集中，抑制裂缝的扩展，起到良好的阻裂效果。
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| 图 8 水泥混凝土板裂缝细观图 Fig. 8 Mesographs of cracks in cement concrete slab |
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2.5 增韧机理分析
Non组、SAP组及HF4-SAP组水泥混凝土微观结构如图 9所示。
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| 图 9 混杂纤维-SAP内养生水泥混凝土微观形貌 Fig. 9 Micrographs of hybrid fiber-SAP internal curing cement concrete |
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从图 9(a)可以清楚地看到，Non组水泥混凝土内部存在较多微裂纹，而图 9(b)中SAP组和图 9(c)中HP4-SAP组裂纹数量则大大减少，其中HP4-SAP组基本无裂纹。一方面，SAP内部束缚的水分被释放出来，及时补充了毛细管中水分，防止毛细负压的产生，从而减少早期微裂纹，大幅度减少了混凝土原始损伤，其内养生水分促进了胶凝材料早期水化反应，起到水化填充作用，使SAP周围的水泥石结构变得更致密。另一方面，试件在受力过程中，混杂纤维起到了阻裂作用，因此图 9(c)中混凝土抗裂性能最优。由图 9(d)可知，纤维表面被水泥石包裹，纤维与水泥石之间具有良好的黏附性，能够起到增韧、抗裂作用。根据图 9(e)可分析出，高模BF和低模PP相交形成了稳定的网络结构，能够减轻水泥混凝土受力过程中的应力集中，有效增强抗裂性能。因此，SAP内养生对混凝土原始损伤的减少作用及混杂纤维对混凝土后期受力过程中的阻裂作用能够高效提升混凝土的综合性能。
3 结论(1) 混杂纤维与SAP的结合能够有效提高水泥混凝土的断裂韧性。随着混杂纤维的加入和掺量的提高，HF-2-SAP，HF-4-SAP，HF-6-SAP组的断裂能分别比Non组混凝土分别提高了143.79%，192.92%，147.16%。混杂纤维-SAP改性水泥混凝土的断裂能相比SAP改性混凝土提高了105.95%，单位面积总开裂面积降低了73.7%。
(2) 混合纤维与SAP的加入显著降低了水泥混凝土的收缩率，同时减少了混凝土收缩稳定所需时间。
(3) 混合纤维可弥补SAP对水泥混凝土的强度削弱作用，SAP的填充密实、水化促进作用与混合纤维网络结构的增韧阻裂作用可有效提升水泥混凝土的综合性能。
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