外掺剂对混凝土干缩性能影响分析.pdf

2 0 1 6年 第 2 期 ( 总 第 3 1 6期 ) Nu mb e r 2 i n 2 0 1 6 ( T o t a l N o 3 1 6】 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅 助物料 M ATERI AL AND ADMI NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 6 0 2 0 2 6 外掺剂对混凝土干缩性 能影 响分析 孙 建诚 。 韩冰 ( 河北工业大学 土木工程学院， 天津 3 0 0 4 0 1 ) 摘要：自 研究高性能混凝土的干燥收缩与 自生收缩人手 ， 进行系统地研究混凝土早期开裂问题。 主要研究混凝土浆体的早期 抗裂性能 ， 参照 水泥混凝土砂浆体抗裂性能试验方法 ， 把混凝土早期抗裂问题简化成水泥浆体的抗裂行为进行具体分析。 关键词： 外掺剂 ； 混凝土 ； 干缩性能 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 2 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 6 ) 0 2 0 1 0 6 0 4 Ad dit iv e a g e n t d r y i n g s h r i n k a g e o f c on c r e t e p e r f o r ma n c e i mp a c t a n a l y s i s SUN J i a n c h e n g，HAN Bi n g ( S c h o o l o f Ci v i l E n g i n e e ri n g， He b e i Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y， T i a n j i n 3 0 0 4 0 1 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： Dr yi n g s h rin ka g e o f h i g h p e rfo r ma n c e c o n c r e t e wi t h s po n t a n e ou s c on a c ti o n o f s y s t e m we r e s t u d i e d e a r l y c r a c k i n g o f c o n c r e t e pr o bl e ms I t ma i n l y s tud i e d the e a r l y c r a c k r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e s l u r r y， wi th r e f e r e n c e t o t h e c e me n t c o n c r e t e mo r t a r b o d y c r a c k r e s i s t a n c e t e s t me t h od， t o s i mp l i f y the p r o b l e m o f c o nc r e t e e arl y c r a c k i n t o wa t e r s l u r r y a n t ic r a c k i ng p e rfo r ma n c e o f c o n c r e t e a n a l y s i s Ke y wor ds： t h e a d d i ti ve a g e n t ； c o n c r e t e； d r y i ng s h r i n k a g e p e rfo r ma n c e 0 引 言 有效地减少或者避免 开裂的前提是正确地检 测和评 价混凝土的收缩 、 开裂和裂缝发展趋势。 混凝 土早期抗开 裂性能评价相关试验 的五种方法有 ： 水泥混凝 土砂浆体 、 水泥水化放热试验 、 轴向约束试验 、 混凝土 自由收缩试验 、 环形约束试验 与平板 约束 试验。 前两种方 法是 间接 评价 法 ， 后三种则为直接评价法 。 间接评价法是通过 测定 影响混凝土开裂 的单一 因 素以及进行有关对 比分析继而评价抗裂性能。 混凝 土开裂 通常是诸多因素共 同作用 的结果 ， 单一地考虑其 中的某一 个 因素的影响反而忽略其他因素的影响 ， 就不能得 到准确 而真实的结果。 水泥混凝土的水化热和收缩程度均是影 响 混凝土开裂 的重要 因素 ， 但 随着施工养护 、 时间和工程环 境的不同 ， 其影响程度还需结合混凝 土的弹性模量 、 抗拉 强度 、 膨胀 系数与混凝土变形受 到的边界约束条件 以及应 力水平才可确定。 直接评价法是通过直接测定混凝土的开裂行为继而 评价开裂的一种方法。 直接评价法可综合考虑诸多关键 因 素 ， 结果就更接近实际， 因此被认为是最有效 的手段之一。 1 原材料 、 试验 方法与试验方案 1 1 试验原材料 冀东 P O 4 2 5级水泥 ； 河砂 ( 细度模数 2 7 ) ； 中砂 ； 碎 石 ( 连续级配且 最大粒 径为 2 0 mm) ； 矿 渣 ； 粉煤 灰 ； S i k a A n t i s o l 9 0 C混凝土表 面养护剂 ； S i k a 聚羧酸减水剂。 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 3 1 1 1 O 6 1 2试验 方 法及 试 验 方 案 为更好了解掺合料与J t, D N N对混凝土早期抗 裂性能 的影响， 本试验从宏观与微 观两方 面人手研究。 先通过水 泥混凝土砂浆体抗裂性试验 进行研 究各种配合 比下混凝 土浆体 的抗裂性能 ， 在宏观角度分析各种组成设计 对混凝 土的早期抗裂能力影 响； 进行混凝土各个龄期 的各种基本 强度试验 ， 在宏观角度掌握混凝土的组成设计对混凝土早 中期抗裂能力 的影响 ； 利用扫描 电镜 S E M 技术 ， 来分析混 凝土组成设计对混凝土水化产物的影 响， 在微观角度揭示 混凝土早期抗裂性能和水化产物的内在关 系。 在本试验中还要探究不 同掺合料 、 不 同掺量对于混凝 土砂浆体或是混凝 土工作性能的影响 以及外加剂对混凝 土或者混凝土砂浆体抗裂性的影响。 另外探究双掺技术在 提高混凝土浆体抗裂性 中的优越性 。 2 混凝土早期抗收缩开裂试验研 究 ( 1 ) 试验装置 混凝土砂浆体搅拌机 ； 台秤 ； 电子计量秤 ； 工业 天秤 ； 风扇 ； 碘钨灯( 1 0 0 0 W ) ； 塞尺 ； 钢卷尺等。 ( 2 ) 试验室条件 温度是( 2 0 3 ) ， 相对湿度是 ( 6 0 5 ) 的室 内。 ( 3 ) 原材料和配合 比 P O 4 2 5级水泥； 细度模数 为 2 7 、 含泥量小于 1 的 中砂。 水泥浆体配合 比设计方法 ： 先进行混凝 土配合 比的 设计 ， 后刨除粗骨料 ， 求1 m 水泥 混凝土砂浆 体配合 比， 誊 羞 勰 趟 80 7O 誊 6 0 盎 5 O 型 4 0 K - -30 2 O 1 0 1 0 2 0 3 0 粉煤灰掺量 f a ) 掺粉煤 灰混凝 土抗裂 性能 蓬 丑 效用。 此外 ， 三掺技术 ( 粉煤灰 、 矿渣 、 减水剂 ) 可得 出更好 的效果 ， 本试验 中， 混凝 土砂浆体 中加入 2 0 粉 煤灰 、 1 0 矿渣 、 1 2 减水剂可最大限度减少产生裂缝 ， 抗开 裂性 能 比至 1 0 0 。 这就是 目前广泛应 用的“ 双掺技术 ” ， 在 昆 凝 土中掺加一定量粉煤灰 、 减水剂 、 矿渣 以提高混凝土 的连 续性、 整体性； 首先， 粉煤灰与矿渣均为活性矿料掺合物， 同时掺入后 ， 填充效应 、 微集料效应得到发挥 ， 填充 至混凝 土砂浆体反应孔隙中； 此外 ， 矿渣 比粉煤灰化学活性更大， 复掺后可更大的发挥互补的作用 。 在混凝土内部碱性环境 之中， 矿渣粉 、 粉煤灰吸收水泥水化 时形成 C a ( O H) ， ， 进 一 步水化后形成水化硅 酸钙凝胶 ， 使界 面区 的 C a ( O H) ， 晶粒变小， 降低取 向程度 ， 改善浆体与骨料的界面区结构 ， 使水泥浆体间的孔隙 、 空隙显著减少 ， 强化骨料 界面 的黏 结力 ， 持续提高混凝土强度 ， 提 高混凝土的极限拉伸应变 、 早期抗拉应变， 提高混凝土的早期抗裂性能 。 减水剂对混凝土砂浆体抗裂性能的影响 ： 减水剂可增 加混凝土砂浆体 的抗裂性能。 在 2 0 F A试 验中混凝土砂 浆体的抗开裂性能 比达 8 0 1 2 ， 在加入减水剂后 ， 值增 到 9 2 0 1 ， 提高 1 2 。 在 加入 1 0 S l a g的试 验 中， 抗开 裂 性能比 7 6 0 9 ， 加入减水剂后 y 值达 8 6 。 也提高了1 0 ， 很大程度增加 了混凝 土砂浆体 的抗裂性。 此外 ， 粉煤灰 在 提高混凝土砂浆体抗裂性强于矿渣的作用。 可 知 ： 使用 减 水剂可改善混凝土 和易性 ， 降低单位 用水量 ， 明显提高 混 凝土浆体的抗裂性能 。 在试验 中还研究 了? 昆 凝土表面养护剂对 混凝土早期 抗裂性影响。 在不 同空 白组试 件表 面分别 喷上 5 0 、 1 0 0 、 2 0 0 g m 的养护剂 ， 成 一层膜 均匀 的分布在 整个试 件表 面 ， 在相同养 护条件 、 相 同龄 期后 ， 试 件表 面均无 可见裂 缝。 可知 ， 应用养护剂可提高混凝土砂浆体的抗裂性。 小剂 量的养护剂会在混凝土砂浆体表面形成一层致密的保护膜 ， 防止混凝土开裂 ， 减少裂缝产生 ， 以提高混凝土工作性能。 初步分析得 出以上结论 的是 因为外加 料( 粉煤灰 、 矿 渣 ) 参 与一部分水化 反应 、 外加剂等 ( 减水剂 、 养 护剂 ) 不 直接参与水泥混凝土砂浆体水化反应 ， 加入它们 可以控制 混凝土的反应速率 ， 改善混凝土工作性能 ， 增强整体性 ， 防 止开展裂缝。 但当掺合料用量较多时， 掺合料影响反应速 率相同 ， 外加剂本 身性质也 会对混 凝土砂 浆体 有不利 影 响： 过多未反应外加料会影响 昆 凝土砂浆体试件 的整体性 而使试件在薄弱环节易开裂 ； 此外 由于掺合料 的某些性质 ( 保水性 、 泌水性 、 水硬性 ) 均会对 混凝土砂浆体强度产 生 一 定影响。 因此适量添加外加剂可 以提高混凝土砂浆体的 抗裂性 参考文献 ： 1 池远东 复掺矿物掺合料混凝土抗裂性能试验研究及理论分 析E D 杭州 ： 浙江大学 ， 2 0 0 6 2 王培铭， 丰曙霞， 刘贤萍 水泥水化程度研究方法及其进展E J ； 建 筑材料学报 ， 2 0 0 5 ( 6 ) ： 6 4 6 6 5 2 下转第 1 1 3页 1 09 蚰 鲫 如 加 o 加 如 们 如加 m 纹， 在高应变率条件下， 混凝土梁会产生更多的裂纹， 受拉 破坏区产生更多的碎块 ， 笔者认为 ， 这是 由于试件端 部的 摩擦效应 以及高应变率下材料 的惯性效应造成的。 冲击加 载时荷载比静力时 的荷载要高许多 ， 因此端 面的摩擦效应 比静力 时要大。 冲击荷载形成的微裂纹最先出现在骨料与 水泥浆的交界面。 这是因为骨料 和水 泥浆 的波阻抗不 同， 应力波通过试样时 ， 在不同波阻抗介质 的界 面发 生反射 ， 压缩波反射变为拉伸波， 由于界面处的抗拉强度远远小于 抗压强度 ， 于是最初的裂纹在骨料和水泥浆 的界面出现 。 2 2 相 同高度不 同掺 量 在废玻璃粉掺量增加下落高度一定的条件下 ， 荷载峰 值略有增加 ， 而加载时长略有减少。 从相同高度下落 ， 重锤 冲击初速度相等 ， 荷 载加载 的初始速率大致相 同， 系统初 始动量和输入 能量相 同， 到达峰值 荷载 的速率无 明显差 异 3 分 形评 价 在总结分析 了常用分形维数 的计 算方法 的基础上 ， 确 定计盒维数为本研究的分形维数。 根据盒维数算法思想及 数字图像存储原理 ， 设计 了基 于 Ma t l a b的数 字图象盒 维 数计算程式 ， 建立 了一种数字图像盒维数简易算 法 ， 为混 凝土表 面裂缝图形盒维数计算提供 了计算方法。 试验结果 表 明： 冲击荷载条件 下 ， 混 凝土表面裂缝具有很好 的分形 特性 ， 分维可作为混凝土损伤程度的描述参数。 从 表 2可 知 ， 不同试块的分形维数值随冲击荷载和应变率 的增长而 增大 ， 相邻荷载 级别问 的分形维数差 值 也同样呈 增大趋 势 。 为探索混凝土表面裂纹 图形的分形特征与其承受的动 荷载之间的内在规律 ， 提供了一条新 的研究思路。 4 结论 通过测定不 同掺量废玻璃粉掺量混凝 土梁在 冲击荷 载 中的力学强度和变形性能及分形分析知 ： ( 1 ) 当废玻璃粉掺量相同时 ， 随落锤下落高度增加 ， 加 载速率 、 荷载峰值 、 混凝土梁竖 向位移 、 及落锤对混凝土梁 所做的功均逐渐增加。 ( 2 ) 当落锤高度相同时， 随废玻璃混凝土掺量的增加， 荷载峰值略有增加 ， 而加载时长略有减少。 ( 3 ) 混凝土损伤裂缝具 有很好 的分形 特性 ， 分 维是 表 征混凝土破坏程度的一个定量参数 ， 体现了 昆 凝土破裂的 损伤演化特征 ， 结合数 字图象分 析技术 与 Ma t 1 a b计算 功 能 ， 对冲击荷载下 昆 凝 土试 件裂缝 的盒维数进行计算 ， 具 有很好 的实用性 ， 可作为混凝土损伤程度 的描述参数 。 试 上接第 1 O 9页 D- I田野 复掺矿物掺合料混疑土性能及抗裂机理、 微观特性研究 D 杭州 ： 浙江大学 ， 2 0 0 7 4 苏力辉 粉煤灰水泥水化热微观分析 J 黑龙江交通科技， 2 01 2 5 李跃 大体积混凝土的温控和防裂技术研究 D 武汉： 武汉理 工大学 ， 2 0 1 4 验统计结果表明， 混凝土损伤裂缝的分维值大小同其受压 状态相关。 随着冲击荷载 的增大 ， 裂缝分形维数值 逐渐增 大。 参考 文献 ： 1 卞致璋 从发达国家的做法看我国废玻璃的回收与利用 J 中 国建材， 2 0 0 3 ( 6 ) ： 5 1 5 5 2 刘连新 利用废玻璃研制轻粗骨料及轻混凝土m J 1 新型建筑材 料， 2 0 0 2 ( 2 ) ： 1 6 1 7 I- s F O R Q U I N P ， G A R Y G， G A T U I N G T F A t e s t i n g t e c h n i q u e f o r c o n c r e t e u n d e r c o n fin e me n t a t hi g h r a t e s o f s t r a i n I n ter n a t i o na l J o u ma l o f I m p a c t E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 8 ， 3 5 ( 6 ) ： 4 2 5 4 4 6 4 范立新， 焦楚杰 ， 张亚芳， 等 昆 凝土动态拉伸试验与数值研究 进展 J 混凝土 ， 2 0 1 3 ( 2 ) ： 1 2 1 6 5 崔延卫 混凝土动力特征试验研究方法分析及其应 用 D 南 京： 河海大学， 2 0 0 5 F 6 3肖诗云， 林皋， 王哲， 等 应变率对混凝土抗拉特性影0 8 J 大 连理工大学学报 ， 2 0 0 1 ， 4 1 ( 6 ) ： 7 2 1 7 2 5 7 3李建雄， 祝文化 冲击荷载下混凝土材料损伤破坏的分形试验 研究 D 武汉 ： 武汉理工大学， 2 0 0 8 8 MA N D E L B R O T B B， P A S S O J A D E ， P a u l l a y A J F r a c t a l c h a r a c t e r o f f r a c tu r e s u r f a c e s o f me t a l J N a t u r e ， 1 9 8 4 ， 3 0 8 ( 1 9 ) ： 7 217 2 2 1- 9 成盛 ， 金南国， 田野， 等 混凝土裂缝特征参数的图形化定量分 析新方法 J 浙江大学学报 ， 2 0 1 0 1 O 谢和平 分形岩石力学导论 M 北京 ： 科学出版社 ， 1 9 9 6 ： 1 1 23 1 1 周克荣， 肖小松， 吴晓涵 混凝土立方体抗压 强度尺寸效应中 的分形行为 J 福 州大学学报 ( 自然科学版 ) ， 1 9 9 6 ， 2 4 ( 增 刊) ： 6 3 6 8 1 2 - 1 曹茂森， 任青文 ， 瞿爱良， 等 ； 昆 凝土结构损伤的分形特征试验 分析 J 岩土力学 ， 2 0 0 5 ， 2 6 ( 1 O ) ： 1 5 7 0 1 5 7 4 1 3 彭瑞东， 谢和平， 鞠杨 二维数字图像分形维数的计算方i k E J 中国矿业大学学报， 2 0 0 4 ， 3 3 ( 1 ) ： 1 9 2 4 1 4 祝文化， 李建雄， 张明中 混凝土损伤裂纹的二维数字图像盒 维数算法 J 武汉理工大学学报 ， 2 0 0 8 第一作者 ： 联 系地址 ： 联系电话 ： 邱活群( 1 9 9 0一 ) ， 女 ， 硕士研究生 ， 研究方向为土木工 程。 湖南省衡阳市南华大学城市建设学院( 4 2 1 0 0 1 ) 1 52 1 1 4 7 5 6 0 6 第一作者 ： 孙建诚( 1 9 6 9一) ， 男 ， 副教授， 博士 ， 主要从事道路工 程研究。 联系地址 ： 天津市北辰区双 口镇西平道 5 3 4 0号 河北工业大学土 林工程学院( 3 0 0 4 0 1 ) 联系电话 ： 1 3 9 2 0 3 5 6 8 5 2 1 13