矿物掺合料对高强混凝土塑性开裂影响的研究.doc

2010年第5期 10月 混凝土与水泥制品 CHINACONCRETEANDCEMENTPRODUCTS 2010No5October 矿物掺合料对高强混凝土塑性开裂影响的研究 张守治1，汪守淳2，乔艳静1，陆海梅1 1.江苏博特新材料有限公司，南京210008；2.厦门市建筑工程检测中心有限公司，361000 摘 要采用自行改进的集中约束平板法测试系统，研究了粉煤灰、矿渣微粉及硅灰等矿物掺合料对低水胶比高强混凝土出现 塑性裂缝的初始开裂时间、24h内最大裂缝宽度和裂缝总面积的影响。结果表明粉煤灰的掺入能有效抑制低水胶比高强混凝土的塑性开裂，推迟裂缝出现的初始开裂时间，减小最大裂缝宽度和裂缝总面积；矿渣微粉的掺入在低掺量下对低水胶比高强混凝土的塑性开裂有一定的抑制作用，但在高掺量下有增大低水胶比高强混凝土塑性开裂的趋势；硅灰的掺入加剧了低水胶比高强混凝土的塑性开裂，表现为出现塑性裂缝的初始开裂时间提前和裂缝总面积的增大。 关键词粉煤灰；矿渣微粉；硅灰；高强混凝土；塑性开裂 AbstractInordertouatetheeffectsofthemineraladmixturesontheplasticcrackingpropertiesofhighstrengthconcrete,suchasinitialcrackingtime,maximumcrackwidthandtotalareaofcracks,alotoftestsarecarriedoutbythecentralizedconstrainedplate.Theexperimentalresultsshowthat,theincorporationofflyashcouldeffectivelyinhibittheplasticcrackingofhighstrengthcon-crete,delaytheinitialcrackingtimeandreducethemaximumcrackwidthandtotalcrackingareaofconcrete.Slagcouldinhibittheplas-ticcrackingofhighstrengthconcretewiththerangeoflowdosage,butwiththeincreasingdosageofslag,thetrendofplasticcrackingofhighstrengthconcreteincreased.Silicafumecouldincreasetheplasticcrackingofhighstrengthconcrete,withtheincreasingdosageofsilicafume,theinitialcrackingtimeisaheadandtotalcrackingareaofconcreteincreased. KeywordsFlyash；Slagpowder；Silicafume；Highstrengthconcrete；Plasticcracking中图分类号TU528 文献标识码A 文章编号1000-4637（2010）05-24-04 0前言 塑性开裂是指混凝土自浇注成型后至凝结硬化前 掺合料对高强混凝土塑性开裂趋势的影响，并探讨了矿物掺合料对高强混凝土塑性开裂的影响机制。 产生的表层开裂，通常是由混凝土表面的水分蒸发速率超过其泌水速率所致。塑性开裂是混凝土工程中一种普遍存在的早期裂缝。近年来，随着混凝土超塑化剂和矿物掺合料在混凝土中的普遍使用，以低水胶比和大流动性为特征的高强混凝土在工程中得到越来越广泛的应用[12]。混凝土水胶比的降低和流动度的增大，造成了混凝土塑性收缩加大，导致了混凝土塑性开裂的几率和程度加剧[3]。作为配制低水胶比高强混凝土不可或缺的组分之一，关于矿物掺合料（包括粉煤灰、矿渣微粉及硅灰等）对高强混凝土收缩开裂的影响规律已有诸多报道，但不同研究者之间存有不一致的结论，且目前的研究[46]主要集中在矿物掺合料对高强混凝土硬化后的体积稳定性及其开裂方面，对高强混凝土塑性阶段的开裂变形研究却相对较少[78]。本文通过集中约束平板法，系统研究了粉煤灰、矿渣微粉及硅灰等矿物 表1 11.1 试验概况原材料 水泥PⅡ52.5级水泥，标准稠度用水量28.6， 其化学成分如表1所示。 粉煤灰南京产Ⅰ级粉煤灰，需水比90.9，含水量0.22，比表面积3228cm2/g，其化学成分如表1所示。 矿渣微粉密度2.21g/cm3，比表面积3215cm2/g，其化学成分如表1所示。 硅灰贵州某厂生产，比表面积约为20104cm2/g，其化学成分如表1所示。 细集料赣江产中粗河砂，细度模数2.6。 粗集料镇江产玄武岩碎石，粒径525mm，连续级配。 外加剂江苏某公司生产的JM-B萘系高效减水 SiO222.7954.7833.5589.91 烧失量 合计 原材料的化学组成 CaO 水泥粉煤灰矿渣微粉硅灰 MgO1.670.9110.870.36 Fe2O33.724.421.211.01 Al2O34.3729.9012.130.97 64.973.1635.991.63 2.322.641.775.88 99.6695.8195.5299.76 张守治，汪守淳，乔艳静，等剂。 矿物掺合料对高强混凝土塑性开裂影响的研究 1.3 配合比 为了研究矿物掺合料掺量对高强混凝土塑性开裂 试验方法 试验采用集中约束平板法，为使浇注的混凝土填 1.2 充密实，参考中国工程院水利与建筑学部混凝土结构耐久性设计与施工指南和ASTMC1579-06钢纤维混凝土塑性开裂评估方法，对其尺寸作相应的改进。改进后的平板模具尺寸为900mm620mm80mm，模具边框采用63mm40mm6.3mm的槽钢制作，模具四边与底板通过螺栓固定在一起，以提高模具的刚度。在 kg/m3 砂 石 水 减水剂 的影响，试验给出了4类配合比①不掺矿物掺合料的基准配合比；②粉煤灰掺量分别为10、30和50的配合比；③矿渣微粉掺量分别为10、30和50的配合比；④硅灰掺量分别为10和20的配合比。如表2所示。 表2 编号 水泥 粉煤灰 矿渣微粉 硅灰 试验用混凝土配合比 RFA10FA30FA50SL10SL30SL50SF10SF20 460414322230414322230414368 04613823000000 00004613823000 00000004692 670670670670670670670670670 119211921192119211921192119211921192 138138138138138138138138138 3.683.683.683.683.683.683.683.683.68 注试验用水胶比均为0.30，砂率均为0.36。 模具的每个边上固定两排伸向模具内侧、相互交错的螺栓，当浇注的混凝土平板发生收缩时，四周将受到螺栓的约束。将搅拌好的混凝土浇注、振实、抹平后，放入温度为（352）℃、湿度为（405）的高温低湿环境中。为了进一步加速混凝土的塑性开裂，同时用风扇吹混凝土表面，风速为8m/s，然后开始观察记录平板表面出现裂缝的初始开裂时间。从试件浇注起24h后，先用普通放大镜在平板上标出出现的裂缝，后用25倍带刻度的笔式放大镜测量裂缝情况。具体做法是先对比观察裂缝最大宽度出现的位置，并用笔式放大镜测量其相应的宽度D0，然后将整条裂缝分为长度大致相等的若干小段，分别测定其长度Li和宽度Di，最后根据公式∑LiDi计算裂缝总面积。 面积的影响。由图1可以看出，与未掺粉煤灰的高强混凝土空白样R相比，掺入粉煤灰后高强混凝土出现塑性裂缝的初始开裂时间随粉煤灰掺量的增加，表现出先增大后减小的趋势，而24h内的最大裂缝宽度和裂缝总面积均随粉煤灰掺量的提高而降低。水胶比为 0.30的高强混凝土分别掺入10、30和50的粉煤灰后，出现塑性裂缝的初始开裂时间分别推迟了 25min、50min和15min；24h内的最大裂缝宽度分别降低了22.9、45.8和54.2；裂缝总面积分别减少了 25.9、49.2和55.7。测试结果表明，粉煤灰对高强混凝土的塑性开裂起到了较好的抑制作用，推迟了出现塑性裂缝的初始开裂时间，减小了最大裂缝宽度和裂缝总面积，降低了塑性开裂的敏感性。粉煤灰对高强混凝土塑性开裂的抑制作用受其掺量的影响，当粉煤灰掺量在030之间时，随粉煤灰掺量增加，高强混凝土出现塑性裂缝的初始开裂时间有所推迟；但当粉煤灰掺量在30％50之间时，随粉煤灰掺量增加，高 400 裂缝总面积/mm2 22.1 试验结果与分析 粉煤灰对高强混凝土塑性开裂的影响 图1显示了粉煤灰掺量对高强混凝土出现塑性裂 缝的初始开裂时间、24h内的最大裂缝宽度和裂缝总 250 初始开裂时间/min 最大裂缝宽度/mm 0.50.40.30.20.10 R FA10 FA30 FA50 R FA10 FA30 FA50 200150100500 3002001000 RFA10FA30FA50 a初始开裂时间 图1 b24h内的最大裂缝宽度 粉煤灰掺量对高强混凝土塑性开裂的影响 c裂缝总面积 - 2010年第5期混凝土与水泥制品总第175期 强混凝土出现塑性裂缝的初始开裂时间缩短。可见，粉煤灰存在一临界掺量值使高强混凝土出现塑性裂缝的初始开裂时间最长，在本研究条件下，该临界掺量值为 积。但当矿渣微粉掺量大于10时，随着矿渣微粉掺量的增加，高强混凝土出现塑性裂缝的初始开裂时间由 195minSL10试样减小到155minSL50试样，24h内的最大裂缝宽度和裂缝总面积分别增加了22.2和 30左右。 粉煤灰本身不具备胶凝特性，其火山灰活性需要在水泥水化产物氢氧化钙的激发下才能参与反应，因此，粉煤灰参与水化反应的速度和程度远低于水泥。粉煤灰等量替代水泥后，整个体系的早期水化程度较纯水泥浆减弱，塑性阶段胶凝材料水化产生的化学收缩降低，并且粉煤灰的密度远远低于水泥的密度，等量取代水泥后使得混凝土的密度明显减少，这将促使以塑性沉降为主的塑性收缩减小。粉煤灰的掺入抑制了体系的水化反应，尤其在早龄期时更加明显。粉煤灰的这种水化动力学使得掺有粉煤灰的水泥浆体早期的孔隙结构变粗，水化反应消耗水分的速率递减，且水分的消耗趋于往大孔中进行，因此临界半径以相对较缓慢的速率递减，毛细管负压增加的速度和程度均减小，所以粉煤灰的掺入降低了高强混凝土的塑性收缩，从而降低了高强混凝土塑性开裂的风险。 37.3。可见，矿渣微粉在低掺量时对高强混凝土塑性开裂有一定的抑制作用，但随矿渣微粉掺量的增加，有加剧高强混凝土塑性开裂的趋势。 相对于粉煤灰而言，矿渣微粉本身具有微弱的自硬性，但其自身的水化也不足以形成结构，因此，矿渣微粉的水化同样要取决于水泥水化产生的氢氧化钙。矿渣微粉等量替代水泥后，同样降低了整个体系的早期水化程度，减小了胶凝材料在塑性阶段水化产生的化学收缩。但与粉煤灰不同，矿渣微粉的密度与水泥的密度相差不大，等量取代水泥后混凝土的密度下降不明显，因此，以塑性沉降为主的塑性收缩减小程度不如粉煤灰。另一方面，矿渣微粉的缓凝作用使混凝土早期塑性抗拉强度发展速度大大减慢，而高温低湿环境下由水分蒸发产生的塑性收缩应力并没有明显降低，所以矿渣微粉有增大高强混凝土塑性开裂的风险。 2.2矿渣微粉对高强混凝土塑性开裂的影响 图2显示了矿渣微粉掺量对高强混凝土出现塑性 2.3硅灰对高强混凝土塑性开裂的影响 图3显示了硅灰掺量对高强混凝土出现塑性裂缝 裂缝的初始开裂时间、24h内的最大裂缝宽度和裂缝总面积的影响。由图2可以看出，与未掺矿渣微粉的高强混凝土空白样R相比，10矿渣微粉SL10的掺入，略微推迟了高强混凝土出现塑性裂缝的初始开裂时间，并相应降低了24h内的最大裂缝宽度和裂缝总面 200 初始开裂时间/min 的初始开裂时间、24h内的最大裂缝宽度和裂缝总面积的影响。由图3可以看出，随着硅灰掺量的增加，高强混凝土出现塑性裂缝的初始开裂时间不断缩短。掺量为10SF10试样时，高强混凝土出现塑性裂缝的初始开裂时间为155min，低于未掺硅灰的高强混凝土 5004003002001000 0.6 最大裂缝宽度/mm 0.50.40.30.20.10 裂缝总面积/mm2 150100500 RSL10SL30SL50 图2 RSL10SL30SL50RSL10SL30SL50 a初始开裂时间b24h内的最大裂缝宽度 矿渣微粉掺量对高强混凝土塑性开裂的影响 c裂缝总面积 200 初始开裂时间/min 最大裂缝宽度/mm 0.6 裂缝总面积/mm2 6005004003002001000 R SF10 SF20 R SF10 SF20 0.50.40.30.20.1 150100500 R SF10 SF20 a初始开裂时间 图3 b24h内的最大裂缝宽度硅灰掺量对高强混凝土塑性开裂的影响 c裂缝总面积 张守治，汪守淳，乔艳静，等矿物掺合料对高强混凝土塑性开裂影响的研究 缝总面积的增加。 （4）含矿物掺合料的高强混凝土早龄期抗裂性能大小顺序为粉煤灰高强混凝土＞矿渣微粉高强混凝土＞硅灰高强混凝土。 参考文献 空白样R的185min；当硅灰掺量达到20SF20试样时，高强混凝土出现塑性裂缝的初始开裂时间又进一步缩短为115min。从24h内的最大裂缝宽度和裂缝总面积的测试数据同样可以看出，硅灰的掺入虽然对最大裂缝宽度的影响不大，但却明显增大了裂缝总面积。由此可见，硅灰的掺入降低了高强混凝土的早龄期抗裂性能，加剧了其塑性开裂的风险。 硅灰是一种具有较大比表面积的超细球状矿物活性材料。因此，与粉煤灰和矿渣微粉相比，一方面硅灰颗粒很小，等量替代水泥后能填充于水泥颗粒之间，使水泥浆体的大孔减少、小孔增多，在水分蒸发速率相同的情况下能显著增大毛细管负压，致使混凝土发生较大的塑性收缩；另一方面，硅灰具有极大的比表面积，对水具有很大的亲和力，在相同环境条件下能显著降低混凝土的泌水率。因而在高温、低湿和高风速环境下，硅灰的掺入加剧了高强混凝土的塑性开裂。 [1]刘建忠，孙伟，缪昌文等.矿物掺合料对低水胶比混凝土干缩和自收缩的影响[J].东南大学学报自然科学版，2009，393580-585. 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[8]杨长辉，王川，吴芳.水灰比对混凝土塑性收缩裂缝的影响[J].重庆建筑大学学报，2003，25277-81. 较好的抑制作用，推迟了混凝土出现塑性裂缝的初始开裂时间，减小了24h内的最大裂缝宽度和裂缝总面积，降低了塑性开裂的敏感性。 （2）矿渣微粉在低掺量010下对高强混凝土的塑性开裂有一定的抑制作用，但当其掺量增加时，有增大高强混凝土塑性开裂的风险。 （3）硅灰的掺入加剧了高强混凝土塑性开裂的风险，表现为出现塑性裂缝的初始开裂时间的缩短和裂 收稿日期2010-07-02 作者简介张守治（1982-），男，硕士。 通讯地址南京市江宁区上坊镇万安西路59号联系电话13809042569 E- （上接第18页） 等时变参数的选取，大大简便了计算过程，与实测结果比较，达到了较为满意的计算精度，所建立的模型合理可靠。 （2）对浇筑层厚为3m的垫层混凝土进行模拟，计算混凝土30d龄期内的温升情况。由于层高偏厚，内部水化热较难消散，因而混凝土中心最高温度高出温控标准很多，且混凝土中心和外表面温差较大，存在产生裂缝的隐患。根据经验采取布设冷水管的方法降低混凝土内部最高温度，同时采取外部保温措施缩小内外温差，经过计算证明，此方法可行。 参考文献 收稿日期2010-08-07通讯作者陈兵 通讯地址上海市东川路800号联系电话13917109022 [3]GBT50496-2009大体积混凝土施工技术规范征求意见稿.[4]张亚鹏,孟文清,邹景磊,石华旺.高层建筑基础大体积混凝土水化热系数研究[J].煤炭工程,2008391-93. [5]王军玺,陈金淑.混凝土箱梁水化热温度场有限元分析[J].甘肃科学学报,2007,191149-152. [6]石南南,陈波,张辉,高培伟.大坝混凝土温度应力数值模拟[J].低温建筑技术,2009240-42. [7]王军玺,杨华中.大体积混凝土温度场仿真分析在ANSYS上的实现[J].兰州交通大学学报,2008,27429-32. [1]张朝晖.ANSYS热分析教程与实例分析[M].北京中国铁道出版社,2007. [2]朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京中国电力出版社,1999. E- -