矿物掺和料对混凝土早期开裂的影响.doc

第23卷󰀁第4期 2006年12月建筑科学与工程学报JournalofArchitectureandCivilEngineeringVol.23󰀁No.4Dec.2006文章编号1673-2049200604-0019-05 矿物掺和料对混凝土早期开裂的影响 高小建,巴恒静,杨英姿 哈尔滨工业大学土木工程学院,黑龙江哈尔滨󰀁150090 摘要针对高性能混凝土普遍存在的早期开裂问题,采用板式混凝土开裂架研究了掺硅灰、粉煤灰、矿渣粉对混凝土早期开裂的影响规律,同时测量了混凝土早期自收缩及在干燥条件下的总收缩。试验结果表明掺硅灰对混凝土在干燥条件下的早期总收缩影响不大,但使混凝土早期开裂加重;掺粉煤灰使混凝土早期自收缩明显减小,而总收缩并不降低;掺矿渣粉使混凝土早期自收缩和总收缩都增大,而掺粉煤灰和矿渣粉均使混凝土早期抗裂性改善,且掺粉煤灰抗裂性优于矿渣粉。掺硅灰混凝土早期抗裂性差的主要原因是混凝土早期弹性模量增大,徐变和应力松弛能力降低;而掺矿渣粉或粉煤灰混凝土早期抗裂性改善的主要原因在于混凝土早期弹性模量减小、徐变和松弛能力提高。 关键词混凝土;早期开裂;矿物掺和料;自收缩;干燥收缩;徐变 中图分类号TU528.041󰀁󰀁󰀁文献标志码A EffectofMineralAdmixtureonEarlyAgeCrackingofConcrete GAOXiao-jian,BAHeng-jing,YANGYing-zi SchoolofCivilEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,Heilongjiang,China AbstractEarlyagecrackinghasbeenanever-presentproblemduringtheapplicationofhighperanceconcrete.Influencesofsilicafume,fly-ashandgroundgranulatedblast-furnaceslagGGBSonearlyagecrackingtendencyofconcretewerestudiedusingtheplatetypeconcretecrackingframe,andautogenousshrinkage,totalshrinkageofearlyageconcreteunderthedryingconditionwerealsomeasuredinthisexperiment.Thetestresultsshowthattheadditionofsilicafumeworsenstheearlyagecrackingofconcrete,thoughithaslittleinfluenceonthetotalshrinkageofearlyageconcreteunderdryingcondition.Theadditionoffly-ashreducesevidentlytheearlyageautogenousshrinkageofconcreteanditdoesn󰀁tdecreasethetotalshrinkageofconcrete.TheadditionofGGBSincreasesbothautogenousshrinkageandtotalshrinkageofconcreteatearlyages.However,theadditionoffly-ashorGGBSimprovestheearlyagecrackingresistanceofconcrete,andfly-ashexceedsGGBS.Asaresult,themainreasonofthelowercrackingresistanceofthesilicafumeconcreteisthattheadditionofsilicafumeincreasestheelasticmodulusandreducesthecreepstressrelaxationcapabilityofconcreteatearlyages.Thehighercrackingresistanceoftheconcreteaddedwithfly-ashorGGBSisduetothelowerelasticmodulusandthebettercreepstressrelaxationcapabilityofconcretesatearlyages. Keywordsconcrete;earlyagecracking;mineraladmixture;autogenousshrinkage;dryingshrinkage;creep 收稿日期2006-11-01 基金项目国家自然科学基金项目50408016-,男,,,,。 20建筑科学与工程学报 2006年 0引 言 裂缝是导致混凝土结构耐久性和使用寿命降低 [1] 通硅酸盐水泥。3种矿物掺和料包括挪威埃肯公司生产的中密质硅灰SF、广东深圳第二电厂生产的Ⅰ级粉煤灰FA和辽宁鞍山钢铁集团生产的磨细矿渣粉SL,比表面积为450kg m。粗骨料采用石灰岩质碎石,Dmax20mm,连续级配,压碎指标为4.9;细骨料为松花江江砂,细度模数为2.82,属中砂、Ⅱ区级配。减水剂采用萘系高效减水剂M100,减水率为2535。1.2混凝土配合比 所有混凝土胶凝材料总用量固定为520kg m,水胶比固定为0.3,砂率固定为0.38,通过控制减水剂用量使新拌混凝土坍落度在1822cm范围内,共设计了基准混凝土、掺硅灰5SF5和10SF10、掺粉煤灰20FA20和40FA40、掺磨细矿渣粉20SL20和40SL407个配合比的混凝土文中的掺量均为质量分数,具体配合比及相对应的坍落度、抗压强度值见表1。1.3 测试方法 采用尺寸为600mm 600mm 63mm的板状混凝土进行约束开裂试验评价各混凝土的早期抗裂性能,如图1所示。钢制模具每个边的外侧都增加了4条肋,以提高模具的刚度;模具的4个边内侧各装配了14个 10 100的全螺纹螺栓以对混凝 -3 -2 的主要因素。据统计,绝大多数混凝土裂缝是由约束条件下的体积变形引起的,而混凝土处于硬化阶段的早期开裂是困扰现代混凝土工程界的一个普遍问题。近年来,各国在混凝土早期开裂方面进行了大量研究,但大多数都是从混凝土养护1d左右才开始测定混凝土开裂情况[3-4]。研究表明,低水胶比的高性能混凝土在初凝后到1d内的收缩速率非常快,而这时混凝土拉抗强度并不高,因而实际工程中早期开裂常发生于最开始的1d龄期内[5]。矿物掺和料是现代混凝土中不可或缺的一个重要组成部分[6-8],但关于不同矿物掺和料对混凝土早期开裂影响的研究还较少,因此,笔者采用板式混凝土开裂试验方法,研究了加不同矿物掺和料的混凝土在初凝后到3d龄期内表面开裂情况,同时分析了各混凝土早期收缩和水分散失率,得出了不同矿物掺和料对高性能混凝土早期开裂的影响规律与作用机理。 [2] 1 1.1 原材料与试验方案 原材料 采用黑龙江牡丹江水泥厂生产的P.O42.5普 表1 Tab.1 材 料 混凝土配合比及基本性能 MixtureProportionandBasicPerancesofConcrete 坍落 水156156156156156156156 减水剂4.474.945.464.424.474.424.68 度/cm18.518.518.019.519.018.520.0 135.735.235.121.616.531.221.1 不同龄期d下的抗压强度/MPa 351.853.053.640.232.849.736.2 765.567.469.557.545.971.854.2 2876.883.385.674.865.479.276.5 原材料用量/kg m-3 水 泥520494468416312416312 掺和料02652104208104208 砂685685685685685685685 石1119111911191119111911191119 基准混凝土 SF5SF10FA20FA40SL20SL40 土收缩起约束作用。混凝土板浇注后密封养护6h,然后置于风吹加速干燥条件下[温度为20 0.5 C、相对湿度为50 5、风速为 -1 0.6m s],用50倍读数放大镜定期观察每个混凝土板出现裂缝的时间及裂缝数量、长度、宽度等随时间的变化情况。当混凝土养护到3d时停止试验,记录每个混凝土板表面出现裂缝的最大宽度和总长度,此时将整个混凝土板表面等分成20 20个方格,凡有裂缝经过的方格都计为开裂区域,从而统计各混凝土板的表面开裂面积率。 [9] 缩仪测量混凝土从浇注6h到3d龄期内的收缩,具体试验方法见文献[10]。分别测量混凝土在20 0.5 C恒温绝湿条件下的自收缩及混凝土在单面自然干燥条件下[温度为20 0.5 C、相对湿度为50 5]的总收缩,同时还测量了混凝土在单面干燥条件下的质量损失情况,换算出了水分损失率。本文中定义水分损失量占混凝土中水分总用量的百分率为水分损失率 w 100 w Wtotal 1 第4期 高小建,等矿物掺和料对混凝土早期开裂的影响量;Wtotal 为计算出的混凝土试件中总拌和水用量。 21 间提前,裂缝贯穿整个混凝土表面所需时间缩短,最终裂缝条数增多,最终的最大裂缝宽度与裂缝总长度及开裂面积都有所增加,因此说处于恶劣的干燥条件下,掺硅灰使混凝土早期抗裂性变差。掺粉煤灰比不掺粉煤灰的混凝土出现裂缝的时间及裂缝伸展到贯穿整个混凝土表面的时间都明显推迟,最终的最大裂缝宽度、裂缝数量、裂缝总长度和开裂区面积都降低,而且粉煤灰掺量越大,减轻混凝土开裂的效果越显著。磨细矿渣的掺入对混凝土早期开裂的改善作用整体来说不如粉煤灰效果好;但当磨细矿渣掺量增加到40时,混凝土开裂时间明显推迟,最终裂缝扩展速度、最大裂缝宽度、裂缝数量和开裂面积都有大幅度降低,所以,要通过掺加磨细矿渣来提高混凝土早期抗裂性,就必须保证有足够高的掺量。由此可得不同矿物掺和料对混凝土早期抗裂性的作用效果优劣依次为粉煤灰、磨细矿渣、基准混凝土、硅灰。 图1Fig.1 板状混凝土约束收缩开裂架forPlateTypeConcrete CrackingFrameofRestraintShrinkage 2 2.1 试验结果与分析 早期开裂 不同矿物掺和料对混凝土早期开裂的影响见表 2。由表2可知,掺硅灰使混凝土表面出现裂缝的时 表2 Tab.2 材 料基准混凝土 SF5SF10FA20FA40SL20SL40 初裂时间/h 1.000.830.75 3.003.501.102.00 不同混凝土的早期开裂性试验结果 TestingResultsofEarlyAgeCrackingofDifferentConcretes 不同龄期d下的最大裂缝宽度/mm 11.101.201.350.700.350.800.60 31.101.301.400.750.400.850.65 最终裂缝数/条 24262721192625 最终裂缝总长度/cm 264287288256239278241 最终开裂面积率/22.825.024.521.319.627.021.3 裂缝贯穿时间/h2.001.831.925.506.753.007.00 2.2早期收缩 各混凝土早期自收缩测量结果如图2所示。由 图2可知,掺硅灰对混凝土1d内自收缩基本无影响,而1d后掺硅灰混凝土收缩开始加快,超过了基准混凝土,到3d时掺5硅灰使混凝土自收缩增加了6.8。掺粉煤灰使混凝土早期自收缩明显减小,掺粉煤灰20使混凝土1、3d时早期自收缩分别减小了29.7和20.5。在开始测量的几小时,掺矿渣混凝土自收缩小于基准混凝土;1d后掺矿渣粉混凝土自收缩开始超过基准混凝土;到3d时掺矿渣粉20混凝土自收缩值为基准混凝土的110.6。 处于单面干燥条件下混凝土早期总收缩的测量结果如图3所示。在整个试验期间,掺与不掺硅灰混凝土的早期总收缩量相差很小,到3d时掺硅灰混凝土的总收缩量比基准混凝土大6左右。由于明,图2Fig.2 矿物掺和料对混凝土早期自收缩的影响InfluenceofMineralAdmixtureonAutogenousShrinkageofConcreteatEarlyAges 收缩值低于基准混凝土;但由于掺粉煤灰混凝土强度发展较慢,特别是早期密实度低于基准混凝土,在干燥条件下的水分散失较多、引起的干燥收缩较大,因而掺粉煤灰混凝土的早期总收缩与基准混凝土接8, 22建筑科学与工程学报 2006年 期总收缩小于基准混凝土,这是由于在此期间掺矿渣粉混凝土自收缩较小,同时因其表面泌水能够及时地补充水分蒸发,使混凝土内部水分向外迁移和由此带来的相对湿度降低还不明显。随后,由于混凝土强度发展缓慢且矿渣粉的保水性不好,掺矿渣粉混凝土中水分的不断散失以及相对应早期自收缩增长速度的加快,使早期总收缩增长速率加快,逐渐超过了基准混凝土。1d龄期时,掺20矿渣粉混凝土的早期总收缩比基准混凝土高13.7左右;3d龄期时高出18.7 。 图4Fig.4 单面干燥条件下混凝土水分散失率WaterLossRatioofConreteUnderSingle-FacedDryingCondition 当收缩拉应力超过混凝土抗拉极限时便导致混凝土开裂。假设混凝土处于单轴约束状态图5,则约束条件下混凝土的总应变为r total f r f er cr 2 式中 f为自由状态下混凝土的收缩应变,取负值; r为约束拉伸应变; er、 cr分别为约束拉伸弹性应变和徐变。 图3Fig.3 单面干燥条件下混凝土的早期总收缩TotalShrinkageofConcreteatEarlyAgeUnderSingle-FacedDryCondition 2.3表面水分散失 各试件在单面自然干燥条件下的水分散失率如 图4所示。由于硅灰颗粒小、细度大,对水的吸附作用强,同时掺硅灰使混凝土中大孔减少,密实度提 高,并降低了混凝土早期水分散失率。磨细矿渣粉和粉煤灰的细度都大于水泥,掺入混凝土中能提高混凝土的初始物理填充密实度,但因其化学活性低,它们的掺入减少了单位体积水泥用量,使混凝土的凝结和硬化过程推迟,混凝土早期结构强度和密实度都有所降低,因此处于干燥条件下混凝土的早期水分散失率明显高于基准混凝土;同时由于矿渣粉本身保水性差,同掺量时其水分散失率高于粉煤灰混凝土。 将图4与表2、图2对比可见混凝土在单面干燥条件下的表面水分散失率与早期收缩、开裂程度并无对应关系,因此,混凝土表面水分散失率并不能直接用来判定混凝土早期收缩、开裂情况。这主要是因为低水胶比的高性能混凝土早期自收缩大,早期开裂是由自收缩、干燥收缩及温度变形本文中研究的混凝土体积较小,可忽略共同作用的结果。2.4早期收缩与开裂的关系 混凝土早期开裂的基本原理为混凝土早期收 , 图5 Fig.5 约束条件下混凝土早期收缩变形UnderConditionofRestraint ShrinkageDeationofConcreteatEarlyAge 若混凝土受约束程度用系数Kr表示 Kr- er cr/ f 3 则约束状态下混凝土中产生的收缩拉应力 c为 c erEc-Kr f- crEc4 由文献[11]可知当混凝土中产生的收缩拉应力达到混凝土抗拉强度ft的0.750.8倍本文中用系数k表示时,混凝土出现开裂,由此可得混凝 土收缩、开裂判定公式为 -Kr f- crEc kf t 5 由式5可知,混凝土早期收缩、开裂取决于混凝土收缩、徐变、弹性模量、抗拉强度发展及受约束程度等多方面因素。混凝土收缩量越大、弹性模量越高、受约束程度越高,混凝土中产生的收缩应力就越大,就越容易产生开裂;相反,混凝土早期受拉徐变量越大、抗拉强度越高,混凝土抗裂性能就越好。 由第2节试验结果可知掺硅灰对混凝土在干 第4期 高小建,等矿物掺和料对混凝土早期开裂的影响了混凝土早期开裂,这主要是由于掺硅灰使混凝土早期强度发展加快,混凝土弹性模量增大而徐变和应力松弛能力减小的结果。掺矿渣粉使混凝土早期总收缩增大,掺粉煤灰对混凝土早期总收缩影响并不大,但这两种矿物掺和料却使混凝土早期开裂明显减轻,这主要是由于掺矿渣粉或粉煤灰使混凝土早期强度发展缓慢,弹性模量减小,而且混凝土徐变和应力松弛能力提高,因而使混凝土早期抗裂性能得以改善。 [5] 23 etal.InfluenceofGGBFSContentonShrinkageCrackingofConcrete[J].EngineeringJournalofWu-hanUniversity,2004,37177-81. 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