大掺量矿物掺合料混凝土早期抗裂性能研究.pdf

2 0 1 2 年 第 1期 (总 第 2 6 7 期 ) Nu mb e r 1 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No ． 2 6 7 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL AND ADM I NI CLE d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ~ ． i s s n ． 1 0 0 2 3 5 5 0 ． 2 0 1 2 ． 0 1 ． 0 2 2 大掺量矿物掺合料混凝土早期抗裂性能研究 张苹 ’ ，王坤 ，李秋义 ，赵铁军 z ，薛向欣 ( 1 ． 东北大学 材料冶金学院，辽宁 沈阳 1 1 0 0 0 4 ；2 ． 青岛理工大学 土木工程学院，山东 青岛 2 6 6 0 3 3 ) 摘要： 通过平板开裂试验对大掺量( 5 0 ％) 矿物掺合料混凝土的早期开裂性能进行了研究。 试验结果表明： 随着胶凝材料用量的增大， 混凝土试块的单位开裂面积变大 ， 且裂缝的面积增长速率提高； 混凝土的养护及成型方式对大掺量矿物掺合料混凝土的早期抗裂性能有 很大 的影响 。 关键词： 超细矿粉；抗裂性能；大掺量；养护方式 中图分类号 ： T U 5 2 8 ． 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 1 — 0 0 7 1 - 0 3 E xpe r i me nt a l r e s e ar c h on t he e ar l y c r ac k i ng r e si s t a nc e of c onc r e t e wi t h hi glh —v ol ume mi n er a l admi x t ur e Z H ANGP i n g ， WANGKu n 2 L I u ， Z H AO~ J C - j L II ] 2 XU EXi a n g - x i n ( 1 ． S c h o o l o f Ma t e r i a l a n dMe t a l l u r g y， No r t h e a s t e m Un i v e r s i t y ， S h e n y a n g1 1 0 0 0 4， C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f Ci v i l E n g i n e e ri n g ， Qi n g d a oT e c h n o l o g i c a l Un i v e r s i t y ， Q i n g d an 2 6 6 0 3 3 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： Th e e a r l y c r a c k i n g r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e wi t h h i g h — v o l u me mi n e r a l a d mi x t u r e wa s i mre s t i g a t e d b y t h e fl a t t e s t s ．Th e r e s u l t s s h o we d tha t pe r u n i t c r a c king are a， a s we l l a s the c r a c k i n g are a ’ s g r o wth r a t e o fthe c o n c r e t e s a mp l e i s e n l arg 一耐 wi t h the i n c r e a s i n g c o n t e n t o f b i n d i n g ma — t e r i a l ； Ex p e rime n t s a l s o h a v e s ug g e ~e dt h a t th e c o n c r e t e ’S c a r i n gan d s h a p i n gm e t h o dh a s agr e a t d e a l o fi n f l u e n c e o nt h e e a r l y c r a c ki n g r e s i s t a nc e pr o p e r t y o fc o n c r e t e wi th h i g h — v o l u me m i n e r a l a d mi x t u r e ． ． Ke y wor ds ： s u pe r f i ne s l a gp o wd e r ； e a r l y c r a c k i ng r e s i s t a n c e ； h i g h — v o l u me ； c u rin gwa y 0 引言 现代建筑普遍使用早强高强混凝土， Me h t a和 B u r r o ws 认 为美国自 1 9 7 4 年来桥梁耐久性的问题直接原因就是使用高强 水泥和混凝土_ l _ ， 高强混凝土在早期就具有高的强度和弹性模 量， 导致混凝土的脆性增加和徐变能力下降， 混凝土的开裂问 题越来越突出。 1 9 9 6年 K r a u s s 和 R o g a l l a调查了美国和加拿大 的 2 0万座桥梁， 发现其中l 0万座以上的桥梁的混凝土桥面板在 修建后不久就产生贯穿裂缝， 裂缝间距仅有 1 - 3 m嘲 。 混凝土早期结构裂缝主要包括 ： 塑性裂缝 、 温度裂缝和收 缩裂缝等， 混凝土结构一旦出现裂缝( 纹) ， 就为冻融、 化学侵蚀 及碱骨料反应等劣化作用敞开了方便之门， 耐久性降低在所难 免， 学者对此进行了大量研究p _ 叼 。 受传统观念的束缚以及泵送 施工的要求 ， 我国许多预拌混凝土搅拌站供应的预拌混凝土， 为了达到预定强度， 大量提高水泥用量 ， 普遍使用 3 2 ． 5级或 4 2 ． 5级的普通硅酸盐水泥， 水泥用量多大于 3 0 0 k g ／ m3 ， 严格控 制粉煤灰 、 矿渣等的掺量 ， 矿物掺合料用量不超过胶凝材料总 量的 1 5 ％。 本研究通过试验系统的研究了大掺量矿物掺和料条 件下混凝土的早期开裂性能， 目的通过使用大量的工业废渣替 代水泥， 采用高效减水剂， 制备工作性 良好、 强度较高 、 耐久性 较好的不同强度等级的高性能混凝土， 以期广泛应用于各种实 际工程 中。 1 原材料及试验 方法 1 ． 1 原材料 水泥： 山水 P I 5 2 ． 5级水泥， 比表面积 3 4 6 m g ； 矿物掺 合料 ： P 1 0 0 0 、 P 8 0 0超细矿粉 ， 平均粒径 6 、 1 0 m， $ 9 5矿粉 ； 粉煤灰： I I 级 ； 高效减水剂 ： NC — J型聚羧酸高效减水剂 ； 水 ： 自 来水 。 一 1 ． 2试验 方案 本试验中胶凝材料的用量分别为 3 5 0 、 3 9 0 、 4 3 0 、 4 7 0 k g ／ m3 ， 砂率统一采用 4 0 ％， 采用聚羧酸高效减水剂减水剂， 减水剂掺 量 1 ． 2 ％， 通过控制坍落度在 1 6 0 ~ 2 0 0 m l T 1 来调整用水量。 根据 G B ／ T 5 0 0 8 2 --2 0 0 9 ( 普通混凝土长期性能和耐久性试 验方法标准》 进行混凝土平板开裂试验 ， 制作 6 0 0 m mx 8 0 0 m n l x 1 0 0m l T l 的混凝土试件。 在试件成型 3 0mi n后， 开启风扇并调节 风扇位置和风速， 使试件表面中心正上方 1 0 0 mm处的风速为 ( 5 + 0 ． 5 ) r r d s ， 并且是风向平行于试件的表面和裂缝诱导器 ， 在 试件成型后的( 2 4 + 0 ． 5 ) h后 ， 用放大 4 0倍的显微镜进行测量， 测试每条裂缝的最大宽度和长度， 最终计算平均开裂面积。 具体 试验方案见表 1 。 2 试验结果与分析 混凝土平板开裂裂缝条数、 长度及最大裂缝宽度如表 2 所 示， 混凝土单位开裂面积如表 3所示。 收稿 日期 ：2 0 1 1 - 0 7 - 0 5 基金项目：国家重点基础研究发展计划项目( 2 0 0 9 C B 6 2 3 2 0 3 ) ； 国家自然科学基金重点资助项 目( 5 0 7 3 9 0 0 1 ) 71 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 试验胶凝材料配合比 ％ 胶凝材料$ 9 5系列$ 9 5 + P 8 0 0系列$ 9 5 + P 1 0 0 0系列 F A系列 F A+ P 8 0 0系列 F A+ P 1 0 0 0系列 I ( k g ／ m。 ) N L W N L W N L W N L W N L W N L W 注 ： N 一 裂缝 的条数 ； 卜 裂缝 的最大长度 ， mm； w一裂缝的最大宽度 ， mm。 表 3 混凝土单位开裂面 积 2 ． 1 胶凝材料用量对混凝土早期抗裂性能的影响 从图 1 中可以看出： 粉煤灰和矿粉系列的混凝土的单位开 裂面积均随着胶凝材料的用量的增加而增加， 并且当胶凝材料 用量较大时， 裂缝的面积增长速率提高， 尤其是矿粉系列混凝 土。 当胶凝材料 4 3 0 - -4 7 0 k g ／ m3 时， 矿粉系列混凝土裂缝增长速 度是胶凝材料为 3 5 0 - - 4 3 0 k g ／ m 时近 2倍 ； 胶凝材料 3 5 0 k g ／ m 时 ， S S 9 5 ： S F A = 1 ． 9 4 ，胶凝材料 4 3 0 k g ／ m 时 ， S S 9 5 ： S F A = 2 ． 5 ； 其 次随着胶凝材料的用量的增加， 最大裂缝宽度逐渐变宽， 矿粉 系列与粉煤灰系列的差距逐渐增大 ， 胶凝材料 3 5 0 k g ／ m3 时 ， WS 9 5 ：WF A= 1 ．2 5 ， 胶凝材料 4 3 0 k g ／ m。 时， WS 9 5 ：WF A= 1 ． 6 ； 可见， 胶凝材料的用量对于混凝土的早期开裂影响较大 ， 胶凝材料的 用量越大， 则混凝土的早期开裂面积越大， 抗裂性能越差。 宕 宕 、 嘣 0 0 赵 0 。 0 。 胶凝 材料用 量 ／ ( k g ／ m ’ ) ( a ) 胶凝材 料用量 ／ ( k g ／ m ) (b ) 胶凝材料用量 ／ ( k g ／ m ) 胶凝材料用量 ／ ( k g ／ m ) ( c ) ( d ) 图 1 胶凝材料 用量对混凝土早期抗裂性能 的影响 随着胶凝材料用量的增大， 混凝土试块的单位开裂面积变 大 ， 这主要是因为增加单位水泥用量， 水化所需水分增多， 热变 形值增加 ， 导致混凝土干缩变形增大， 最终产生裂缝( 纹) ； 同 时， 胶凝材料较多时， 早期混凝土 自由水分较多， 养护不好的条 件下 ， 水分容易散失， 尤其是在受热风的影响时， 混凝土会急剧 72 的收缩， 而混凝土早期强度较低 ， 无法抵抗其本身的收缩 ， 从而 造成早期收缩裂缝 。 2 ． 2 矿粉和粉煤灰单掺对混凝土早期开裂性能的影响 由图 2可以看出： 单掺粉煤灰和矿粉， 混凝土的开裂面积 随着胶凝材料用量的增加而增加， 变化趋势相似， 当胶凝材料 用量大于4 3 0 k m 时， 混凝土的开裂面积增长速率突然增大； 同胶凝材料用量条件下， 单掺矿粉系列混凝土的开裂面积要远 远大于单掺粉煤灰系列， 胶凝材料 4 7 0 k g ／ m3 时， 矿粉系列是粉 煤灰系列的 2 ． 3 倍 ； 胶凝材料 3 5 0 k g ／ m3 时， 单掺矿粉系列混凝 土单位开裂面积是粉煤灰的4 ． 5 倍。 单掺矿粉时， 裂缝的最大宽 度为 0 ． 5 5 n q 1 T I ， 是粉煤灰的约 2倍。 而粉煤灰混凝土的裂缝条数 也远小于矿粉混凝土， 粉煤灰混凝土最多的裂缝条数是 3 条 ， 而 矿粉混凝土无论胶凝材料多少， 裂缝条数都是 4 条。 即粉煤灰的 抗裂性能要明显优于矿粉。 研究亦表明同 ： 掺入矿粉使得混凝土 的早期总收缩增大， 而粉煤灰对混凝土的早期总收缩影响不大， 但是这两种矿物掺合料均能使混凝土的早期开裂明显减轻。 0 o 0 。 嘣 0 。 胶凝材 料用量 ／ ( k g ／ m ) 胶 凝材料 用量 ／ ( k g ／ m ) ( a ) ( b ) 图 2 矿粉和粉煤灰 单掺对混凝土早期开裂影响 2 ． 3 超细矿粉对矿粉及粉煤灰 系列混凝 土早期开裂 性 能 的影响 从图3中可以看出， 矿粉系列混凝土早期开裂面积总体趋 势为： 矿粉 + P 1 0 0 0 >矿粉 >矿粉 + P 8 0 0 ， 不同胶凝材料体系的裂 缝面积随着胶凝材料的增加呈现出相似的趋势。 矿粉和 P 1 0 0 0 复掺 ， 胶凝材料 4 7 0 k g ／ m3 时， 开裂面积达 9 9 2 m m2 ／ m ， 是单掺 矿粉开裂面积的 1 ．4倍 ； 当矿粉和P 8 0 0复掺时， 混凝土的开裂 面积要小于单掺矿粉系列， 单掺矿粉单位开裂面积大约是复掺 P 8 0 0的 1 ． 4 ～ 1 ． 7 倍。 从图 4中可以看出， 粉煤灰和 P 1 0 0 0超细矿粉复掺时， 早期 单位开裂面积以及裂缝最大宽度均为较大组别， 其次是粉煤灰 和 P 8 0 0超细矿粉复掺组别， 这两系列裂缝的条数相差不多 ； 掺 加 P 8 0 0 及 P 1 0 0 0 矿物掺合料的混凝土， 其开裂性能均要劣于单 掺粉煤灰组别。 胶凝材料用量 3 5 0 k e C m 时， 复掺 P I O 0 0混凝土 开裂面积是单掺粉煤灰的 3 倍， 最大裂缝宽度是单掺粉煤灰的 ∞ " O 0 O 0 1 8 O O 躬 ∞ ∞ 3 4 2 1 ” O O O O O 4 O O ∞ " ∞ ∞ 3 2 2 4 0 O 0 O 8 8 O O ∞ 铊 ∞ ∞ 2 2 1 3 卯 O O O O 0 O O 1 ∞ ∞ 印 6 3 5 7 O O O O 7 O O 3 ∞ 印 2 2 1 5 铝 O O O O 8 8 0 O 印 4 4 4 4 O O O O 卯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 旨： 曼 。0 0 O 墨 。 0 。 0 。 胶凝材料用量 l ( k g l m ) 胶凝材料用量l ( k g l m ) ( a ) ( b ) 图 3 超细矿粉对矿粉混凝土早期开裂影响 4 7 0 3 5 0 3 9 0 4 3 0 4 7 0 3 5 0 3 9 0 4 3 0 4 7 0 胶凝材料用量 ／ ( k g ／ m ) 胶凝材料用量／ ( k g ／ m ) ( a ) ( b ) 图 4 超细矿粉对粉煤灰 混凝土早期开裂影响 2 ． 9倍； 胶凝材料 4 7 0 k g ／ m。 时， 二者差别分别为 1 ． 2和 1 ． 3 倍。 上述现象发生的原因主要为超细矿粉早期水化较快 ， 需要消耗 较多的水分 ， 水化放热较多， 混凝土内部温度升高， 加快了水分 的散失， 同时按照国标试验方法， 早期进行风吹 2 4 h ， 外界的风 吹条件进一步加大这种失水趋势。 造成水分散失较大， 而这与实 际工程中混凝土需要进行带模养护的情况不符合。 2 ． 4 养护及成型方式不同对混凝土抗裂性能的影响 考虑到现场生产中， 混凝土需要带模板养护一定时间才能 拆模， 而且还需养护 7 ～ 1 4 d ， 因此认为 G B ／ T 5 0 0 8 2 --2 0 0 9 ( 普通 混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》 中的规定的早期抗裂 性试验方法并不适合于模铸混凝土。 为了研究养护方式对模铸 混凝土开裂的影响， 测试了三种养护制度下混凝土早期开裂情 况， 包括： 成型后 +风吹 2 4h 、 标养 2 4 h +风吹 2 4h 、 自养 2 4h + 风吹 2 4 h 。 试验结果如下： 成型后+风吹 2 4 h的试件均发生开裂； 在标养 2 4h +风吹 2 4h 、 自养 2 4h +风吹 2 4h两种养护制度下 的试件均未出现开裂。 在试件成型 8 d 后 ， 将试块放人 6 O℃烘箱 内烘干 2 4 h ， 冷却后再测试开裂情况， 发现只要在前面试验中 没有开裂的试件， 烘干 2 4 h 后也未开裂。 分析原因， 我们认为抗 裂试验模具中的裂缝诱导器间距过小 ， 而混凝土的工作状况类 似于密集配筋混凝土， 导致只要在早期试验中没有开裂的试件， 即便是烘干2 4 h 后也未开裂。 所以， 试验中增加了一批改变模具 诱导器间距的试验。 切割掉了3 根裂缝诱导器， 其他的间距不变。 胶凝材料体系采用 4 7 0 k ed ms 时的配合比， 试件成型后放置在室 ＼ p s 、 内( 温度 ： 2 5℃， 相对湿度 ： 8 0 ％) ， 避免风吹 日晒， 2 4 h后观察裂 缝发展情况， 然后再风吹 2 4 h ， 观察裂缝的发展。 试验结果为成 型 2 4 h 候除了粉煤灰和 P 1 0 0 0复掺一组外 ， 其余的组均没有开 裂。 风吹 2 4 h后， 所有组别裂缝均未发展。 由此可以看出， 在混凝土成型后要尽量避免风吹 日晒等 自 然行为对混凝土的影响， 只有这样才能更好的防止早期裂缝的 产生 ， 可见 ， 混凝土的养护方式对混凝土的早期抗裂性能有很 大的影响， 绿色混凝土浇筑时一定要注意 ： 浇筑混凝土应该进 行湿润养护； 高温和大风天气要设遮阳棚和挡风设施来防止水 分蒸发过快。 3结论 ( 1 ) 随着胶凝材料用量的增大 ， 混凝土试块的单位开裂面 积变大， 且裂缝的面积增长速率提高。 ( 2 ) 单掺粉煤灰和矿粉， 混凝土的开裂面积随着胶凝材料用 量的增加而增加， 变化趋势相似， 且当胶凝材料用量大于4 3 0 k g ／ m3 时， 混凝土的开裂面积增长速率突然增大 ； 同胶凝材料用量条 件下， 单掺粉煤灰混凝土的早期抗开裂性能远优于单掺矿粉系 列混凝土。 ( 3 ) 混凝土的养护方式对大掺量矿物掺合料混凝土的早期 抗裂性能有很大的影响， 在混凝土成型后要尽量避免风吹日晒 等自然行为， 高温和大风天气要设遮阳棚和挡风设施来防止水 分蒸发过快。 参考文献： [ 1 】ME HT A P K， B UR R O WS R W． B u i l d i n g d u r a b l e s t r u c t u r e s i n th e 2 1 t h c e n t u r y [ J ] ． C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l ， 2 0 0 1 ： 5 7 - 6 3 ． [ 2 ] 施惠生， 方伟 昆 凝土早期开裂的原因( 一) 【 J l _建筑技术及应用， 2 0 0 3 ( 6 )： 1 0 — 1 3 ． 【 3 ] 郑建岚 ， 罗素蓉 ， 王雪芳． 高性能混凝土抗裂性能研究fJ 1 _ 工程力学 ， 2 0 0 8： 71 — 98 ． [ 4 ]王迎飞， 马保国， 黄雁飞．粉煤灰对混凝土抗裂性能综合评价研究[ J 】 ． 粉煤灰， 2 0 0 6 ( 4 ) ： 4 0 — 4 3 ． [ 5 15 高晓健 ， 杨英姿． 矿物掺合料对混凝土早期开裂的影响[ J 1 ．建筑科学 与工程学报， 2 0 0 6 ( 4 ) ： 1 9 — 2 3 ． [ 6 】唐修生， 蔡跃波． 大掺量磨细矿渣高性能混凝土抗裂性能的改善【 J ] ． 建筑科学学报 ， 2 0 0 9 ( 5 ) ： 6 1 4 — 6 1 7 ． 作者简介 联系地址 联系电话 张草( 1 9 7 4 一 ) ， 女 ， 博士研究生。 山东省青岛市四方区抚顺路 1 1 号 青岛理工大学土木学 院( 2 6 6 0 3 3 ) 1 3 78 0 6 4 91 2 7 0 混凝土保温异形砖——新型墙材界又现新面孔 E t 前 ， 一种能够代替外墙保温、 节能效果显着的新型墙体材料——混凝土保温异形砖研制成功。该项目由南阳市某建材有限公 司承担。 混凝土保温异形砖产品， 主要适用于建筑节能要求为 6 5 ％ 冬冷夏热地区的建筑外围护墙体， 是一种集节能建筑墙体自保温 技术和外墙体外保温技术的优势于一体， 形成适用性强 、 耐久性好的墙体自保温技术， 解决了目 前采用外保温技术存在的使用年限 短、 传热系数偏大和节能投资偏高等问题 ， 符合建筑节能技术发展方向。 该产品的主要技术优点有 ： ( 1 ) 具有良好的物理力学性能和良 好的防火性 、 耐冲击性、 抗老化性和耐久性( 使用寿命能与建筑物 同步 ) ， 又具有外保温技术高热工性能、 体积密度小的特性。( 2 ) 节能投资小 ， l m： 砌体自保温墙体材料增加的费用相当于贴饰面砖 外保温技术的3 0 ％～ 4 0 ％。( 3 ) 便于施工， 采用常规操作工艺。( 4 ) 质量稳定， 砌体墙材和复合保温板可标准化、 工厂化生产 ， 材质和保 温层的厚度能得到保证， 确保了质量。( 5 ) 自保温墙体技术粘饰面砖不受高度限制。 7 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m