1、2011 年 10 期 ( 总第 82 期 ) 101 作者简介 : 李国玉 ( 1979 ) ， 男 ， 工程师 ， 从事公路工程研究 。 浅谈聚丙烯纤维混凝土配合比设计 及抗裂性能研究 李国玉 ( 中铁十八局集团 ， 天津 300222) 摘 要 : 随着现代混凝土技术的进步 ， 做为能够抑制混凝土因塑性收缩 、干燥收缩等因素而引起的微裂纹的聚丙烯 纤维混凝土越来越受人们重视 ， 在工程实践中得到越来越多的应用 。而在实践中聚丙烯纤维混凝土施工起来难度较 大 ， 尤其对于需要较高和易性的高耐久性混凝土 ， 影响其施工质量的因素更是复杂 。因此对于聚丙烯纤维混凝土的 配合比设计尤其要引起重视
2、 ， 同时为了衡量纤维混凝土抗裂性能的好坏 ， 应用平板约束法验证聚丙烯纤维混凝土的 抗裂性 。 关键词 : 聚丙烯纤维混凝土 ; 配合比设计 ; 抗裂性能 中图分类号 : U44 文献标识码 : B 1 前言 根据混凝土强度理论 ， 高强度 、高耐久性混凝土 要求水胶比低 ， 这就造成混凝土早期自收缩大 ， 往往 导致混凝土在硬化期间产生大量微裂缝 ， 使构筑物在 使用前就产生了非结构损伤 ， 严重影响了混凝土结构 的耐久性 。西铜高速公路赵氏河特大桥在主墩墩身和 连续刚构主梁 0#块混凝土施工中分别采用了 C40 聚 丙烯纤维混凝土和 C50 聚丙烯纤维混凝土的设计 ， 有 效的抑制了混凝
3、土裂纹的形成 ， 增强了结构物的耐久 性 。本文以 C50 聚丙烯纤维混凝土的配合比设计为 例 ， 简单阐述聚丙烯纤维混凝土配合比设计上需要注 意的要点 ， 以及为了验证其抗裂性能而采用的平板约 束法 。 2 聚丙烯纤维混凝土的配合比设计 在混凝土中掺入纤维后 ， 成千上万根的纤维分 布在混凝土的内部形成复杂的三维乱向体系 ， 这种 体系增加了我们配合比设计的难度 。以本工程为例 C50 高强混凝土要求水胶比低 ， 因此要适当增加胶 凝材料的用量或降低用水量 ， 这样就造成新拌混凝 土内聚力高 ， 导致混凝土流动阻力增加 。表现在混 凝土和易性上就是混凝土的粘聚性较大 ， 不利于混 凝土泵送
4、、浇注和密实 ， 而在掺入聚丙烯纤维后 ， 这种三维乱向体系造成粘聚性更大 ， 同时坍落度损 失更快 。因此在设计 C50 聚丙烯纤维混凝土配合比 时 ， 对于混凝土原材料尤其是外加剂的选择更为 严格 。 聚丙烯纤维混凝土坍落度和坍落度损失是影响聚 丙烯纤维混凝土泵送性能的重要因素 ， 因此在混凝土 配合比设计方面着重考察影响聚丙烯混凝土坍落度和 坍落度损失的因素 。根据普通混凝土配合比设计理 论 ， 影响混凝土坍落度的主要因素有单位混凝土用水 量 、砂率 、碎石级配等 ， 而外加剂是影响单位混凝土 用水量的主要因素 ， 因此在聚丙烯纤维混凝土配合比 设计方面着重考察了外加剂掺量和砂率对混凝土
5、工作 性的影响 。 本工程 C50 聚丙烯纤维混凝土配合比原材料采用 水泥为盾石 P. O52. 5R 普通硅酸盐水泥 ; 细骨料为细 度模数 2. 86 的河砂 ， 表观密度为 2690 kg/m 3 ; 粗骨 料为粒径 5 20 mm 石灰岩人工碎石 ; 聚丙烯纤维采 用北京三株企画高科技有限公司生产的 19mm 改性聚 丙烯纤维 ; 外加剂采用山西凯迪建材有限公司 KDSP 1 聚羧酸盐高性能减水剂 。 2. 1 外加剂掺量对聚丙烯纤维混凝土工作性的影响 为了考察外加剂不同掺量对聚丙烯混凝土性能的 影响 ， 本试验以本工程普通 C50 混凝土的配合比做为 基准配合比 ， 纤维采用固定掺量
6、 0. 9 kg/m 3 ; 采用 1. 1%、1. 2%、1. 3% 外加剂掺量分别进行试验 ， 试 验结果见表 1。 特别报道 102 2011 年 10 期 ( 总第 82 期 ) 表 1 C50 聚丙烯纤维混凝土配合比参数及拌和物性能 、强度 编号 水胶比 外加剂掺 量 /% 混凝土材料用量 /kgm 3 水泥 水 砂 石 外加剂 纤维 坍落度 /mm 1h 坍落度 损失 /mm 混凝土 粘聚性 28 天抗压 强度 /MPa 1 0. 32 1. 0 485 155 615 1195 4. 85 0 200 0 良好 61. 2 2 0. 32 1. 1 485 155 615 119
7、5 5. 335 0. 9 145 90 良好 67. 5 3 0. 32 1. 2 485 155 615 1195 5. 82 0. 9 200 110 良好 67. 8 4 0. 32 1. 3 485 155 615 1195 6. 305 0. 9 220 25 离析 66. 8 根据试验结果 ， 聚丙烯混凝土坍落度与外加剂掺 量成正比 ， 1h 坍落度损失与外加剂掺量成反比 。其 中 4 号配合比离析 ， 泵送性能不能满足要求 。 2. 2 砂率对聚丙烯纤维混凝土工作性的影响 在砂率对聚丙烯纤维混凝土工作性影响方面 ， 不能 按照普通 C50 配合比设计的条件进行砂率的选取 ， 要
8、通 过试验室试配比较 ， 选择最优的砂率 。笔者根据外加 剂不同掺量对聚丙烯纤维混凝土工作性的影响的试验 结果 ， 通过增加 4#配合比砂率 ， 来调整混凝土和易 性 ， 具体试验配合比及拌和物性能试验结果见表 2。 表 2 C50 聚丙烯纤维混凝土配合比参数及拌和物性能 、强度 编号 水胶比 砂率 /% 混凝土材料用量 /kgm 3 水泥 水 砂 石 外加剂 纤维 坍落度 /mm 1h 坍落度 损失 /mm 混凝土 粘聚性 28 天抗压 强度 /MPa 4 0. 32 34 485 155 615 1195 6. 305 0. 9 220 25 离析 66. 8 5 0. 32 37 485
9、 155 670 1140 6. 305 0. 9 215 30 良好 68. 2 6 0. 32 39 485 155 706 1104 6. 305 0. 9 220 15 良好 69. 1 7 0. 32 41 485 155 742 1068 6. 305 0. 9 210 45 良好 67. 6 根据试验结果 ， 6#配合比混凝土工作性满足高泵 送混凝土要求 ， 因此选用 6 号配合比在工程上试生 产 ， 在混凝土施工过程中 6 号配合比应用效果很好 ， 混凝土强度完全满足设计要求 ， 施工质量满足规范要 求 ， 未发生混凝土堵管的事故 ， 同时能够很好的抑制 混凝土早期塑性裂纹的生
10、成 。 3 聚丙烯纤维混凝土抗裂性能的试验研究 3. 1 试验方法 平板约束法试验模拟混凝土在四边全约束状态下 的早期裂情况 ， 采用内边尺寸为 600mm 600mm 63mm 的钢制方形模具 . 模具四边上同时用双螺帽固 定排共 14 个 10 100mm 螺栓伸向模具内侧起约作 用 . 两排螺栓相互交错 ， 便于浇注的混凝土能填密 实 ， 具体如图 1 所示 . 成型后 ， 采用电风扇吹风 、加 热来加速开裂试验 ， 用 40 倍读数显微镜对混凝土板 的开裂情况进行跟踪观测缝开裂情况 ， 进行分形 评价 。 3. 2 试验方案 试验中 ， 考虑纤维体积掺量单因素作用 ， 固定水 灰比 0
11、. 32， 水泥用量为 485 kg/m 3 ， 砂率为 39%， 采 用 19mm 长度的聚丙烯纤维掺量分别为 0 kg/m 3 、 0. 3 kg/m 3 、0. 6 kg/m 3 、0. 9 kg/m 3 ; 4 组试验每一配 比成型两个试件进行测试 . 图 1 试验模具 3. 3 试验结果与分析 表 3 为混凝土板开裂结果 ， 由表 3 可知聚丙烯纤 维的掺入延缓了裂缝的产生和发展 ， 对于同一种长度 的纤维 ， 随着掺量的增加延缓了混凝土的开裂 ， 6h 最大裂缝宽度 ， 6h 裂缝总长度都减小 。这是因为混 凝土中掺入聚丙烯纤维后 ， 与未掺纤维相比 ， 由于表 层材料中存在纤维
12、， 一方面使其失水面积有所减小 ， 水分迁移较为困难 ， 从而使毛细管失水收缩形成的毛 细管张力有所减少 ; 另一方面 ， 低弹性模量的聚丙烯 纤维相对于塑性浆体成为高弹性模量材料 ， 由复合力 学理论可知 ， 依靠纤维材料与水泥基之间的界面吸 附粘结力 、机械啮合力等 ， 通过二者共同受力 ， 增加 了材料抵抗开裂的塑性抗拉强度 ， 使 ( 下转第 105 页 ) 2011 年 10 期 ( 总第 82 期 ) 105 盖 ， 并及时进行洒水补充水分 ， 确保混凝土表面保持 湿润 。为了防治因桥面凿毛不到位及清理不干净而 导致桥面铺装开裂 ， 在铺设钢筋网片前凿毛必须到 位 ， 凿毛深度 2
13、mm， 浮浆全部凿处干净 ， 外漏新鲜 混凝土 ， 以确保铺装混凝土与桥面的链接 。在混凝 土中减小用水量可以有效的降低混凝土出现裂纹的出 现 。降低混凝土用水量可以通过配合比设计 ， 通过试 验配制出水灰比小 、粒径大且级配良好的粗骨料 、用 水量小水化热小的水泥 、且能满足施工及设计要求的 配合比 ; 添加减水剂 ， 通过试验确定混凝土中加入减 水剂的量但又引进气泡量适中 ， 一般含气量在 4. 5 5. 5 之间 ， 在混凝土中有适量的含气量可以有效的阻 断弥水通道降低混凝土刚度 ， 从而有效降低混凝土裂 纹 ; 在现场施工中禁止加水 、在润湿的过程中无 积水 。 4 结语 通过对桥面铺
14、装出现裂纹的原因分析及后续施工 对相应的各工序做出的调整 ， 桥面铺装裂纹得到大幅 减少 ， 确保了工程质量 。 特别是桥面铺装调平层混凝土体积大 、厚度小 、 表面积大导致混凝土收缩 ， 形成裂纹的机率增大 ， 因 此 ， 调平层混凝土预防控制裂纹 ， 需要搅拌站供应 方 、施工单位及各个施工队的紧密配合 ， 对混凝土产 生裂缝的原因进行具体分析 ， 从原材的选择 、配合比 设计 、试配 、搅拌 、运输泵送 、浇注振捣 、养护等各 道工序有机联系在一起 ， 在满足施工要求的前提下 ， 尽量降低坍落度 ， 提高粗骨料用量的比率 ， 提高混凝 土弹性模量 ， 施工中注意振捣 、养护工序的实施细则
15、 的落实 ， 对混凝土制造加工的工艺分环节进行相应改 进 。减少裂纹的产生保证混凝土结构物的耐久性 ， 使 泵送混凝土技术不断进步 。 参考文献 : 1 张洋 泵送混凝土早期裂缝产生原因及对策 2 马超超 温度对混凝土裂缝的影响 3 JTJ041 2000， 公路桥涵施工技术规范 檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸 ( 上接第 102 页 ) 材料表层的开裂状况得以减轻 ， 且随着掺量的增加 ， 改善效果愈显著 。 表 3 纤维掺量对混凝土裂缝的影响 纤维 掺量 初裂 时间 /h 初裂宽 度 /mm 6h 开裂结果 最大裂纹宽度 /
16、mm 裂缝总长度 /cm 裂缝 /条 0 2. 1 0. 05 0. 60 255 14 0. 3 2. 6 0. 02 0. 35 158 8 0. 6 3. 5 0. 01 0. 31 139 5 0. 9 4. 5 0. 01 0. 22 124 4 4 结论 ( 1) 聚丙烯混凝土坍落度与外加剂掺量成正比 ， 1h 坍落度损失与外加剂掺量成反比 。同时因为外加 剂掺量的增加会发生混凝土离析 ， 要通过调整混凝土 配合比砂率来改善混凝土和易性 。 ( 2) 聚丙烯纤维混凝土配合比设计中砂率要比 普通混凝土配合比设计中砂率的选取要高 ， 要通过试 验室试配比较 ， 选择最优的砂率 。同时通过混凝土试 生产验证配合比的合理性 。 ( 3) 聚丙烯纤维的掺入延缓了裂缝的产生和发 展 ， 且随着掺量的增加延缓混凝土开裂的效果愈 显著 。 参考文献 : 1 唐明 ， 傅柏权 ， 张戚 聚丙烯纤维混凝土早期塑性开裂特征及分形 评价 沈阳建筑大学学报 ， 2007( 07) 2 张建峰 ， 罗平 ， 周世华 纤维对混凝土早期塑性开裂的影响 混凝 土 ， 2010( 7) : 76 78
