掺纤维混凝土早期开裂敏感性研究.pdf

第 4 2卷 第 3期 2 0 1 1年 2 月 人 民 长 江 Ya n g t z e Ri v e r Vo 1 42 NO 3 F eb ，2 01 1 文 章 编 号 ： 1 0 0 14 1 7 9( 2 0 1 1 ) 0 30 0 9 10 4 掺纤维混凝土早期开裂敏感性研究 张 建 峰 ， 罗 平 ， 周 世 华 ， 杨 华 全 ( 长江科 学院 水 利部 水工程安全 与病害 防治工程技术研究 中心 ， 湖北 武 汉 4 3 0 0 1 0 ) 摘要 ： 为 了研 究混凝土早期 的抗 裂性能 ， 利 用温度 应力试验机研 究掺 不同种类纤维混凝土 的开裂敏 感性 ， 通过 分析各种参数 的优 劣性 ， 选定开裂温度作为开裂敏感性 的评价指 标。结果 表明 ， 改性 聚 乙烯醇 纤维或 聚丙烯 纤维的掺入 ， 可 以有效 降低混凝 土的开裂 温度 ， 其 中掺 P V A 1纤维 的混 凝土 开裂 温度 最低 ， 即其抗 裂性 能最 好 。 与 传 统 的试 验 方 法 相 比 ， 温度 应 力 试 验 机 能 大 大减 少测 试 的 工作 量 ， 是 一 种 值 得 推 广 的 试 验 仪 器 。 关键词 ： 聚 乙烯醇纤 维；聚丙烯纤维 ；开裂敏 感性 ；温度应力试验机 中 图 法 分 类 号 ：T V4 3 1 3 文 献 标 志码 ：A 混凝 土是使 用 最 为 广 泛 的建 筑 材料 之 一 ， 但 其 开 裂 问题 ， 尤 其是 早期 因各 种 收缩 产生 的 开裂 ， 已经 成 为 结构混 凝 土劣 化 的重 要 原 因。研 究 证 实 ， 导 致 混 凝 土劣 化 而使其 耐 久性 降低 的最 主要 原 因是 混凝 土结 构物在 各种 条件 下 的 开 裂及 微 裂 缝 的扩 展 ， 进 而导 致 有 害介 质侵 入 。混凝 土早 期 产 生 的这 些 裂 缝 ， 必 将 降 低 混凝 土 的整体 性 能 ， 加 剧混 凝 土 的破 坏 。 对 混凝 土早 期 开裂 敏 感 性 评 价 的研 究 ， 最 早 是 从 收缩评价 方 法开 始 的 ， 传 统 概念 上 多将 自由收 缩 与 开 裂 相联 系 ， 通 过测 定 混凝 土试 件 的 收缩 值 来 评 定 混 凝 土 的开裂 性 能 。研 究 早 期 受 约 束 混 凝 土 的抗 裂性 能 ， 不仅 需要 考虑 收缩 的增 长 ， 还 要 考 虑 应力 的发 展 。对 于应 力发 展来 说 ， 弹性 模 量 和 松 弛 的发 展 是 非 常 重要 的 ， 同时混 凝 土抗 拉 强 度 的 发展 也 必须 加 以考 虑 。试 件必 须在 约束 条件 下 进 行 试 验 ， 才 能 正 确模 拟 混凝 土 的实 际情 况 。 掺 人纤 维作 为 一 种 有 效 预 防 混凝 土开 裂 的措 施 ， 已经在 很 多实 际工 程 中得到 应用 。本 文通 过 国 内最近 引进 的瑞 士 Wa l t e r +B a i 公 司制 造 的温 度应 力 试 验 机 来 研究 掺纤 维混 凝 土 的早 期 开裂 性能 。 1 试验方 法 目前 ， 国 内外 用 于 混 凝 土早 期 开裂 测 试 的约 束 收 缩方 法 主要 有平 板 法 、 圆环 法 和 棱 柱 体 法 。平 板 法 由 于其 具有 简单 易操 作 的特 点 ， 能迅 速 有 效 地 研 究 混凝 土和砂浆 的塑性 干缩性 能。因此 C C E S 0 12 0 0 5 混 凝土结构耐久性设计 与施工 指南 附录 A 2推荐将平 板法作 为 测试 混凝 土早 期 开裂 的方 法 。但该 方 法只能 部分 、 不均 匀地 约 束混 凝土 的 收缩 变形 ， 且试 验结 果对 试 件 尺寸 、 材料 特 性 、 配 筋 情 况 、 环 境 状 况 等 的依 赖 性 很 大 。 ， 在裂 缝 宽度 的量 化 、 后 期 处理 和精 确 评价 方 面也存 在 不足 。 圆环法 虽然 能避 免平 板 法约束 不 均匀 的缺 陷 ， 但 圆环 法 约束试 验 装置 的约 束程 度普 遍不 高 ， 这 导致 试 样 的 开 裂 敏感 性 较 低 。研 究 表 明 ， A S T M C 1 5 8 1采 用 钢 制 内 圆 环 的 约 束 程 度 最 高 约 7 5 ， 而 A A S H T O P P 3 4圆环最 高 仅为 6 0 。 温 度应 力 试 验 机 ( T e m p e r a t u r e S t r e s s T e s t i n g Ma c h i n e ) 可以同时进行单轴约束试验( 温度应力试验 ) 和 自由变形 试验 ， 能 够 准确地 测 量混 凝土 的早 期 变形 、 拉 伸弹性 模 量 和徐 变松 弛 ， 以及 不 同约 束 程 度 下 的应 力 发展 。利 用该 设备 可 以研 究混 凝土 受不 同约 束条 件下 收 稿 日期 ： 2 0 1 00 32 8 基金 项 目： 国家 自然科 学基金重点 项 目( 5 0 5 3 9 0 1 0 ) ； 长江科 学院 中央级公 益科研 ( C K S F 2 0 1 0 0 1 3 、 Y WF 2 0 0 8 1 3 ) ； 水利部 公 益性 行业科研 专项经费项 目( 2 0 0 9 0 1 0 6 6 ) 作者 简介 ： 张建峰 ， 男， 硕 士研 究生 ， 主要从 事建筑材料的研 究工作 。Em a i l ： z h a n 鲥 i a n f e n g z c s i n a c o n 9 2 人 民 长 江 发生 自生 收缩 、 温 度变化 等作 用而 产生 的开裂 行为 ， 美 国 A A S H T O及欧 洲 R I L E M 等权 威 机 构 根 据试 验 研 究 成果制 定 了一 种 新 的试 验 标 准 。 国 内暂 无 该 项 技术 ， 国外研究者从 2 0世纪 8 0年代起就利用该仪器进行了 大量 混凝土 开裂试 验 ， 取 得 了一系 列成果 ， 是一 个较 为 理想 的直 接 评 价 混 凝 土 抗 裂 性 能 的 试 验 平 台 。 现 将相关 试验关 键词 解释 如下 。 第 一零应 力 温度 ： 约 束条 件下 ， 水化 时因 弹模增 长 首次 出现压应 力 时刻 的温 度 ， 表 述 了混 凝 土 由塑 性 状 态 向粘 弹性状 态 的转化 。 第二零应力温度： 在降温阶段 ， 当压应力全部降为 零 、 开始 出现拉 应力 时 的温度 。在混 凝土 降温段 ， 水化 初 期 由于混凝 土 的松 弛度 相对较 高 、 弹模较 大 ， 所 以一 般 第二零 应力 温度 比第 一 零 应力 温 度 要 高得 多 ， 仅 比 温 度最 大值略低 几度 。 开 裂温度 ： 约束试 件 开裂 的温度 ， 即拉 应力超 过抗 拉 强度 时 的 温度 。 开 裂 温 度表 征 试 验 混 凝 土 的抗 裂 性 ， 开裂 温度越 高 ， 越 容易 出现早 期 温度裂 缝 。 最 大压应 力 ： 约 束 条件 下 温 升 过程 中 的最 大压 应 力。 温 度最大值 ： 半 绝 热条 件 下 混凝 土硬 化 过 程 中 的 最 高温度 。 利用温度应力试验机 ， 研究掺不同种类纤维混凝 土的早龄期抗裂性。将四级配混凝土拌和物湿筛以剔 除粒径 大 于 4 0 mm 的 粗 骨 料 ， 然 后 在 试 验 机 内部 浇 注 ， 用振 捣棒 振 实 ， 抹 平 后 开 始 进 行 试 验 。试 验 开 始 后 ， 启动 试验 机 的 同 步 电机 以保 证 试 件 处 于 1 0 0 约 束 状态 ， 试验机 同时跟踪 试件 内部 中心温度 ， 使试 件在 半绝热 绝 热情况 下升 温。当试 件温度 达到 峰值后 ( 即 内部 中 心温 度 稳 定 ) ， 对试 件 进 行 降温 ， 降温 速 率 为 1 c I = ( 3 5 mi n ) ， 直 至试件 开裂 。 2 试验原材料及配合 比 试 验用水 泥 为华 新堡 垒 4 2 5中热 硅酸 盐水 泥 ， 其 物理性 能见 表 1 ； 粉煤 灰 为宣 威 I 级粉 煤 灰 ， 化 学 成分 见表 2 ； 细 骨 料 为 灰 岩 人 工 砂 ， 表 观 密 度 为 2 7 5 0 k g m ， 细 度模数 为 2 7 ； 粗 骨 料 为 粒 径 52 0 m m 和 2 0 4 0 m m 的玄武 岩 人工 碎 石 ； 外 加 剂 采用 江 苏博 特 J MI I 缓凝 高效减水剂 、 浙江龙游 Z B一1 G引气剂 。 减水剂 掺量 为 0 7 时 ， 减水 率为 2 1 0 ； 引气剂 掺 量 为0 0 0 5 时 ， 含 气 量 为 5 5 。纤 维 种 类 见 表 3 。试 验配合 比见 表 4 。 3 试验结果及分析 掺 不 同种类 纤 维的混 凝土早 龄期 抗裂性 关键参 数 见 表 5 ， 混凝 土 早 龄 期应 力 和 中心 温 度 发 展 趋 势分 别 见 图 1 、 2。 表 1 华新 中热水泥物理性能 墓)(k 攀 C a O S i O 2 A I 2 O 3 F e 2 O 3 Mg O S O3 R 2 O 烧失量 表 4混凝土配合 比参数 表 5 温度应 力试 验机试验获得 的关键参数 图 1 全约束状态下混凝 土内部应 力的发展趋势 由试验 结 果 可知 ， 掺 P V A 1纤 维 的混 凝 土第 一零 应 力温度 最低 ， 意 味着 其 温升 阶段 出 现压 应 力 时 的温 度 最低 ， 但 基 准混凝 土第二 零应 力温 度最小 ， 表示 其温 第 3期 张建 峰， 等： 掺 纤维混凝土早期开 裂敏 感性研究 9 3 降 出现拉 应 力时 的温 度最 低 ， 但 总体上 相差 不 大 ； 混 凝 土 内部 温度 在经 过 2 d发展 后 趋 于稳 定 ， 并 且 主 要 的 水化温升发生在最初的 2 4 h ， 因此降低最初 2 4 h的温 升能显著降低混凝土的早期开裂敏感性 。掺不同纤维 的混凝 土 内部温 升发 展 趋 势 基 本 一 致 ； 基 准 混 凝 土 的 压 应力最 大 ， 掺 P V A I纤 维 的 混 凝 土 最 小 ， 但 相 差 不 大 ， 而且 全约 束状 态下 应力 的发 展 趋势 相 同 ， 刚 开始 受 压应 力 ， 这表 明在 水化 初期 混凝 土 有微 膨胀 的趋 势 ， 随 着龄期的增长 ， 当试件 由压应力转化成拉应力后 ， 混凝 土开始收缩。若拉应力大于试件的抗拉强度 ， 则出现 开 裂 。经 比较 可 知 ， 掺 P P纤 维 的混 凝 土开 裂 应 力 最 大 ， 基准 昆 凝土和掺 P V A 2纤维混凝土较小。这 是因 为 当微裂缝 的长度 大 于 纤 维 的 间距 时 ， 纤 维将 跨 越裂 缝起 到传 递荷 载 的桥 梁 作 用 ， 使 混 凝 土 内的 应 力 场更 加连 续和 均 匀 ， 使 微 裂 缝 尖 端 的 应 力 集 中得 以 钝 化 。 当长 度小 于纤 维 间距 的 原 生 裂缝 扩 展 遇 到 纤 维 时 ， 纤 维将迫使其改变延伸方 向或跨越纤维生成更微细的裂 缝场 ， 显著 增 大 了 微 裂 缝 扩 展 的能 量 消 耗 ， 因 此 掺 纤 维 混凝 土 的开裂应 力 要更 大 。 4 抗裂性能评价 温度 应 力试验 机 可 以从 多个 方 面对 混凝 土 的抗裂 性能进行评价 ， 例如最 大压应力 、 开裂应力 、 开裂温度 和最 高温 度等 。 ( 1 )最高温度评 价。R S p r i n g e n c h mi d采用抗裂 试验机研究 7种配合 比混凝土的最高温升与开裂的关 系 ， 见 图3 。若按最高温度评价混凝土开裂性能 的 好坏 ， A组混凝 土最 高温 度与 开 裂温 度 基本 相等 ， 但 B 组混凝 土最 高 温度 和开裂 温 度 相 差超 过 3 0 ， 而且 其 他几组 也 有 比较 大 的差 别 ， 因 此 采 用最 高温 度 来 评 价 混凝土的开裂敏感性与实际并不相符。 ( 2 )开裂应 力 评价 。混 凝土 内部 产生 的拉 应力 超 过了混凝土的抗拉强度是混凝土开裂 的直接原因， 但 不同混凝土在开裂时的抗拉强度是不 同的 ， 利用开裂 应力与抗拉强度的 比值进行判断更合理。但是 ， 必须 提 供 与 T S T试 件 同样 温 度 历 程 下 的 混 凝 土 的抗 拉 强 度 测试 结 果 。张 国志 建议还 可 用应 力储 备来评 价 混凝 土的开裂敏感性 ， 应力储备反映了混凝土在工程 中 的抗裂安全系数 ， 它跟 温度应力与极限应力的比值有 关 。 1 0 嫠 图 3 混 凝 最 高温 度 与 开 裂 温 厦 对 比 ( 3 )开 裂温 度评 价 。 由于开 裂温度 综 合反 映 了混 凝土的水化热温升 、 升温 阶段 压应力 、 降温阶段拉应 力 、 应 力松 弛 、 弹性 模 量 、 抗 拉应 变 容 许 值 、 抗 拉 强 度 、 线膨 胀 系 数 、自生 体 积 变 形 等 因 素 的交 互 影 响。 R I L E M推荐性标准 T C 1 1 9一 T C E 3 “ 使用开裂试验架评 价早 龄期 混凝 土抗 裂性 ” 就 采 用 “ 开 裂温 度 ” 作 为抗 裂 性 评 价指 标 ， 且 混凝 土 的工 程 实 际 表 现 与试 验 结 论 的 一 致性很好 。由试验结果可知， 掺聚丙烯纤维有利于 降低混 凝 土 的开 裂 温 度 ， 其 中掺 P V A1纤 维 的 混 凝 土 开裂温度最低 ， 只有 一 7 3 ， 意味着其抗裂性能最好 5 结 语 利用 温 度应 力试 验机 研究 掺 不 同种类纤 维 混凝 土 的开 裂敏 感性 ， 通 过分 析各 种 参数 的优 劣性 ， 选 定开裂 温度 作为 开 裂敏感 性 的评 价指 标 。掺纤 维 可 以有 效 降 低混凝土 的开裂温度 ， 其 中掺 P V A 1纤维 的混凝土开 裂温 度最 低 ， 即其 抗 裂 性 能 最好 。温 度 应 力试 验机 一 般 能 在 2 0 0 h以 内进 行 1次 完 整 的 试 验 ， 相 对 于单 项 性能试 验 的 9 01 8 0 d龄 期 来 说 ， 大 大 缩 短 了试 验 龄 期 。相 对 采用 单项 指 标 测试 而 言 ， 温 度 应力 试 验 机 法 显 著减 小 了测试 的工 作 量 。此 外 ， 试验 数 据 还 能 为 现 有 的理论模型提供必要的混凝 土性能数据 ， 因此这种 方 法值 得进 一 步 的推广 和应 用 。 参考 文献 ： 1 S u g i y a ma T ，B r e mm e r TWE f f e c t s o f s t F e s $ o n g a s p e r me a b i l i t y J ACI Ma t e r i a | s J o urna 1 1 9 9 4。 9 1 ( 5)： 4 4 345 0 蚰 如 0 豫嚼 的 如 0 p 赠 9 4 人 民 长 江 2 0 1 1正 2 3 4 5 6 Ge r a r d BMa r e h a n d J I n f l u e n c e o f c r a c k i n g o n t h e d i f f u s i o n p r o p e r - t i e s o f c e me n t b a s e d ma t e r i a l s P a nI ：I n fl u e n c e o f c o n t i n u o u s c r a c k s o n t h e s t e a d y s t a t e r e g i me J C e m e n t a n d C o n c r e te R e s e a r c h 。 2 0 0 0， ( 3 0 ) ： 3 7 4 3 王迎春 ， 杨华全 ， 周世 华， 等 温度 应力试验机在 混凝土 裂缝测试 中的应 用 J 人民长江， 2 0 0 9 ， 4 0 ( 4) ： 6 26 3 卫民堂， 王宏毅 ， 粱磊 决策理论与技术 M 西安 ： 西安 交通大 学 出版 社 2 0 0 5 D a ft R L O r g a n i z a t i o n T h e o r y a n d D e s i g n M B e i j i n g ： T h o m s o n L e a r n i n g ， 1 9 9 8 He a t h e r T S e e ， Emma n u e l K At t i o g b e， Ma t t h e w A Mi he n b e r g c r S h r i n k a g e c r a c k i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f c o n c r e t e u s i n g r i n g s p e c i me n s 7 8 9 1 O A C I Ma t e r i a l s J o u r n a l ， 2 0 0 3， 1 0 0 ( 3 ) ： 2 3 9 2 4 5 Ri | e mt c l 1 9一t e e： a v o i d a n c e o f t h e r ma l c r a c k i n g i n c o n c r e t e a t e a r l y a - g e s ， Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e ， 1 9 9 7 ， ( 3 O ) ： 4 5 1 4 6 4 刘 兰强 ， 曹诚 聚丙烯 纤维在混凝土 中的阻裂效应研 究 J 公路 ， 2 0 0 0， ( 6)： 3 94 2 S p r i “ g e n s c h mi d R，Br e i t e n b u c h e r R ，Ma n g o l d M De v e l o p me n t o f t h e c r a c k i n g f r a me a n d t h e t e mp e r a t u r e s t r e s s t e s t i n g m a c h i n e c I n ： R S p r i n g e n s c h mi d e d s T h e r ma l c r a c k i n g i n c o n c r e t e a t e a r l y a g e s S u f lf n l k：EF N S P 0N1 9 9 4： 1 3 71 4 4 张国志 海工绿 色高性能 混凝土早期抗 裂与抗 氯盐侵蚀性 能研 究 D 武 汉： 武汉大学 ， 2 0 0 6 ( 编辑 ： 郑 毅) S t ud y o n t h e e a r l y c r a c k i n g s e ns i t i v i t y o f c o n c r e t e m i x e d wi t h fibe r s Z HANG J i a n f e n g ， L U O P i n g， Z HOU S h i h u a ， YAN G Hu a q u a n ( R e s e a r c h C e n t e r o f W a t e r E n g i n e e r i n g S a f e t y a n d D i s a s t e r P r e v e n t i o n of Mi n is t r y of W a t e r R e s o u r c e s ， C h a n g j i a n g R i v e r S c i e n t c R e s e a r c h I n s t i t u t e ，Wu h a n 4 3 0 0 1 0，C h i n a) Abs t r a c t： I n o r d e r t o s t ud y e a r l y c r a c k r e s i s t a n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f c o nc r e t e，t he e a r l y c r a c k i n g s e ns i t i v i t y o f c o n c r e t e mi x e d wi t h f i be r s i s s t u di e d by us i n g t e mpe r a t u r e s t r e s s t e s t i ng ma c hi n eTh e c r a c k i n g t e mpe r a t u r e i s s e l e c t e d a s t h e e v a l ua t i o n i n d e x o f c r a c ki n g s e ns i t i v i t y t h r o u g h a na l y z i ng t he p r o s a n d c o n s o f v a r i o u s pa r a me t e r s Th e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t he mi x i ng o f mo di f i e d PVA f i be r o r po l y p r o p y l e ne fib e r c o ul d e f f e c t i v e l y r e d uc e t h e c r a c ki n g t e mpe r a t u r e o f c o nc r e t e，i n wh i c h t h e c r a c ki n g t e mpe r a t u r e o f t h e c o n c r e t e mi x e d wi t h P VA1 fib e r i s t h e l o we s t ，s h o wi n g t h a t i t s c r a c k i n g r e s i s t a nc e i s t h e b e s t The t e mpe r a t u r e s t r e s s t e s rin g ma c h i n e c o u l d s i g n i f i c a n t l y r e d uc e t e s t i n g wo r k l o a d a nd i s a t e s t i n g me t h o d wo ah y o f pr o mo t i n g Ke y wo rd s：PVA fib e r ；po l y p r o p y l e ne fi be r ；c r a c k i n g s e ns i t i v i t y；t e mp e r a t u r e s t r e s s t e s t i ng ma c h i ne ( 上接第 5 6页 ) 】， 】一| ， ， Nu m e r i c a l s i m u l a t i o n o f c l i m a t e c h a ng e u nd e r di f f e r e nt CO2 c o nc e n t r a t i o ns：c a s e o f w e s t e r n r o u t e o f S o u t ht oN o r t h Wa t e r D i v e r s i o n P r o j e c t Z HANG Mi n g z h u 一， Q I N T i a n l i n g ， WANG L i n g h e ， HAO C a i l i a n ( 1 G u a n g z h o u H y d r a u l i c R e s e a r c h I n s t i t u t e ， G u a n g z h o u 5 1 0 2 2 0， C h i n a ； 2 W a t e r R e s o u r c e s D e p a r t m e n t ， C h i n a I n s t i t u t e o f W a t e r Re s o u r c e s a n d Hy d r o p o w e r R e s e a r c h ，B e r i n g 1 0 0 0 3 8 ，C h i n a ； 3 C o l l e g e of En v i r o n me n t a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g，D o n g h u a U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 1 6 2 0 ， C h i n a ； 4 C o l l e g e o fU r b a n C o n s t r u c t i o n ， H e b e i U n i v e r s i t y ofE n g i n e e r i n g， H a n d a n 1 0 0 0 5 6 ， C h i n a ) Abs t r a c t ：T hr o u g h s i mu l a t i o n o f t wo s e t s o f d i f f e r e n t CO2 c o n c e n t r a t i o n s，t h e i n flu e n c e o f CO2 c o n c e nt r a t i o n v a r i a t i o n o n c l i ma t e c h a n g e a n d wa t e r r e s o u r c e s i n t h e wa t e r s o u r c e s a r e a o f we s t e r n r o u t e o f S o u t h t o No r t h Wa t e r D i v e r s i o n P r o j e c t h a s b e e n d i s c u s s e d us i ng r e g i o n a l c l i ma t e mo d e l Re g CM3Th e r e s u l t s s h o w t h a t a f t e r CO2 c o n c e n t r a t i o n d o u b l e d，t h e ne a rs u rfa c e t e m p e r a t u r e a n d t h e p r e c i p i t a t i o n a nd r u no ff i n c r e a s e，e s p e c i a l l y i n s umme r The a n n ua l me a n n e a rs u r f a c e t e mpe r a t ur e i n c r e a s e s b y 0 7 1 q C，r e ma r k a b l y i n wi n t e r ；t h e a v e r a g e a n n u a l p r e c i p i t a t i o n i n c r e a s e s b y 5 2 4 ，ma i n l y i n fl o o d s e a s o n f r o m Ma y t o S e p t e mbe r ；t he me a n a nn u a l r u n o ff i nc r e a s e s b y 3 1 4 ，o b v i o us l y i n s u mme r a n d a ut umn，b u t d e c r e a s e s i n wi n t e r a n d s p r i n g Ke y wo r d s ： r e g i o n a l c l i ma t e mo d e l ；CO2 ；c l i ma t e c h a n g e ；w e s t e r n r o u t e o f S o u t ht oNo r t h Wa t e r Di v e r s i o n P r o j e c t