矿物掺合料对混凝土早期开裂性能的影响.doc
第36卷第6期中国矿业大学学报Vol.36No.62007年11月JournalofChinaUniversityofMining粉煤灰与矿渣复掺能提高混凝土的开裂性能,粉煤灰与矿渣等比例复掺时其开裂性能最佳;同时,混凝土的开裂时间与其电阻率最低值之间成非线性关系. 关键词混凝土;开裂;粉煤灰;矿渣;电阻率;水分蒸发 中图分类号TU52853文献标识码A EffectoftheMineralBlendersonthe Early-AgeCrackingBehaviorsofConcrete WANGXue-fang,ZHENGJian-lan,CHAOPeng-fei CollegeofCivilEngineering,FuzhouUniversity,Fuzhou,Fujian350002,China AbstractTostudytheinfluenceofthecontentofflyashandslagandtheproportionsofslag-flyashontheearly-agerestraintcrackingbehaviorsofconcrete,thecrackingbehaviorsofcon-cretewasanalyzedcombiningthetestoftheevaporationcapacityandelectricalresisitivityoftheconcreteusingthemodifiedflat-typespecimen.Theresultsshowthattheoptimalcontentofflyashandslagare45and40ofbinder,respectively.Undertheconditionsoftheopt-i malcontent,theearlyagecrackingbehaviorsofconcreteishigherthanothercontent.Butwhenthecontentofflyashexceeds60ofbinderandthatofslagexceeds50ofbinder,thecrackingbehaviorsofconcreterapidlydecrease.Thecrackingbehaviorsoftheconcretemix-turedwiththeflyashandtheslagishigherthanthatonlywiththeflyashorwiththeslag.Andthecrackingbehaviorsofconcretewith11oftheproportionsofslag-flyashisthebest.Therelationshipbetweenthecrackingtimeandthelowestvalueofelectricalresistivityofcon-creteisnonlinear. Keywordsconcrete;cracking;flyash;slag;electricalresistivity;evaporation 混凝土具有原材料来源广泛,价格低廉,坚固 耐用,易于施工,可塑性强等优点,是近现代最广泛 使用的建筑材料.在实际应用中混凝土的评定指标 仅仅为混凝土的强度与其工作性能,除非在特殊部位有其抗渗性能等指标的要求,从而造成混凝土的发展过程主要是混凝土强度等级与工作性能不断提高的过程,而忽视了混凝土的体积稳定性的问题.体积稳定性不良的直接后果就是引发裂缝[1], 收稿日期2007-03-20 基金项目国家自然科学基金项目50478003;福建省自然科学基金重大项目2002F007 作者简介王雪芳1975-,女,福建省仙游县人,助理研究员,工学博士,从事高强高性能混凝土研究.- 第6期 王雪芳等矿物掺合料对混凝土早期开裂性能的影响 769 而裂缝的存在则为各种有害介质从外部向内部渗透或迁移提供了通道,加速了混凝土的劣化破坏过程[2].降低混凝土的耐久性,缩短混凝土结构的使用寿命. 高性能混凝土以其优异的工作性,便于泵送,目前被大量推广应用.而对于高性能混凝土的研究,大都是采用双掺的方法,即通过在混凝土制作过程中,向混凝土中掺加硅灰、粉煤灰或高炉矿渣等外掺料及高效减水剂的方法来提高混凝土各方面的性能[3].在混凝土中掺入矿渣和粉煤灰可减少水泥用量,节省能耗,并改善混凝土的性能.但是掺入矿渣和粉煤灰会降低混凝土的早期强度和弹性模量,而提高混凝土的早期强度和降低弹性模量可以提高混凝土的开裂性能.本文通过改进的平板法 Table1 品种粉煤灰矿渣 水泥 SiO253 8233 4520 43 CaO5 0447 0664 09 Al2O327 3410 125 34 研究粉煤灰、矿渣的掺量及其复掺对混凝土开裂性 能的影响,同时结合水分蒸发量试验和电阻率试验研究分析混凝土的开裂性能. 1 1 1 原材料及试验方法 原材料 水泥为福建顺昌水泥产生产的炼石牌42 5级 水泥,化学成分见表1;粉煤灰为漳州后石电厂生产的 级粉煤灰,化学成分见表1;矿渣为漳州金石牌矿粉,比表面积为380m2/kg,化学成分见表1;砂为闽江河砂,细度模数为2 7;石子为525连续级配的碎石;外加剂为浙江五龙化工股份有限公司生产的萘系减水剂FDN.混凝土配合比及其性能见表2. 表1 水泥、粉煤灰及矿渣的化学组成 Oxidecompositionofcementandflyashandslag WB/Fe2O36 370 963 96 MgO0 54-1 09 SO30 651 683 55 K2O1 910 611 00 其它2 062 660 54 烧失量2 26--细度7 6-- Table2 编号M1 M2M3M4M5M6M7M8M9M10M11M12M13M14M15M16M17M18M19M20 m水泥/kg420396360338315305282270245200150387352315270225188282282282 表2混凝土配合比、工作性能及其力学性能 Mixtureproportionsandfreshpropertiesandcompressivestrengthofconcretemixtures m粉煤灰/kg-4490112135165188220245300350------94131 656 4 m矿渣/kg-----------43 881351802252829456 4131 6 m砂/ kg706704704704704704704696696696696706706704704704696704704704 m石子/kg11111111111111111111059056056056056056056044044044044059059056056056044056056056 m水/kg170173173173173165160165165170170170170170165165165165165165 减水剂/0 400 450 450 450 500 530 640 550 550 600 600 400 400 450 550 400 400 500 400 40 坍落度/ cm1819152114151921242320181917201716181519 立方体抗压强度/MPa3d38 236 334 833 831 031 430 527 022 416 89 238 936 935 133 621 515 131 532 733 4 28d54 0 50 949 750 346 350 649 349 448 745 635 454 455 852 954 049 551 450 145 456 0 1 2 试验方法 传统的平板法试验具有混凝土开裂时间迟,且次,直至裂缝贯穿.裂缝贯穿后,每2h观测一次,直至10h,同时测24h的试验数据.水分蒸发试验所用的模具是直径150mm,高50mm的圆筒,每小时用感量为0 1g的电子天平称量一次至3h,之后每1 5h测量1次.同时,采用建维科技有限公司生产的无电极电阻率测定仪进行混凝土电阻率测定. 裂缝观测难、误差大等缺点,本试验方法是在笠井芳夫等人研制的平板法的基础上进行改造,结构如图1所示.中间的隔板引导裂缝发展,以便于观测. 试件成型后置于相对湿度为60 5,温度为23 3 环境中.用放大倍数为40倍的裂缝观, 770 中国矿业大学学报 第36 卷 图1 试验装置 Fig.1Detailsofflat 2 2 1 试验结果 电阻率试验 混凝土电阻率试验结果见图2,由图2可知随 掺量的提高而降低.而且随着粉煤灰与矿渣掺量的增加,其达到电阻率最低值的时间tm随之推后.粉煤灰、矿渣掺量低于40时,混凝土电阻率第一 个峰值点出现时间的变化不是很明显,均在500min左右;而粉煤灰掺量为70的混凝土在龄期为753min时才出现 . 着粉煤灰与矿渣掺量的提高,混凝土初始电阻率随之增大,并且随着水化的进行,其电阻率变化速率也随之降低,使得后期的电阻率随着粉煤灰、矿渣 Fig.2 图2混凝土的电阻率随时间发展 Electricalresistivitydevelopmentofconcrete 2 2水分蒸发试验 图3为水分蒸发试验结果,由图3可以看出, 量为70时,该值为37和64.矿渣掺量低于40时,掺入矿渣对混凝土的水分蒸发量几乎无作用;当矿渣掺量为50与60时,其1h与10h的水分蒸发量分别为基准混凝土的78与90左 右.随着矿渣与粉煤灰复掺比例的提高混凝土的水分蒸发量随之提高,除了复掺比例为1 1的混凝土 . 粉煤灰掺量在020之间时,混凝土的水分蒸发量基本相当;粉煤灰掺量高于20时,混凝土的水分蒸发量基本是随着粉煤灰掺量的提高而减少.当粉煤灰掺量为40时,其1h与10h时的水分蒸发量分别为基准混凝土的50与78;粉煤灰掺 Fig.3 图3 混凝土水分蒸发量随时间发展 Developmentofevaporationcapacityofconcrete 2 3混凝土开裂性能试验 图4为粉煤灰掺量不同时混凝土开裂性能试 粉煤灰掺量低于45时,混凝土的开裂面积随着粉煤灰掺量的提高而减小.当粉煤灰掺量为45时,混凝土的开裂面积仅为基准混凝土的46 6. 但当粉煤灰的掺量高于50时其开裂面积随着粉煤灰掺量的提高而迅速增大,粉煤灰掺量为60 验结果,由图4可以看出,随着粉煤灰掺量的提高,混凝土的开裂时间有所推迟.粉煤灰掺量为70的混凝土开裂时间较基准混凝土推迟了240min. 第6期 王雪芳等矿物掺合料对混凝土早期开裂性能的影响 771 的混凝土开裂面积是掺量为50的1 93倍;相应粉煤灰掺量为70的混凝土开裂面积是掺量为60的1 46倍,是基准混凝土的1 52倍 . 3试验结果分析 混凝土的电导与孔隙、孔溶液相关,孔隙多少、 孔径大小以及连通程度、孔液中离子数量都将决定 单位时间内离子的迁移数目即离子的电导率[4].随着粉煤灰与矿渣掺量的提高,相应混凝土中水泥含量的随之减少,而粉煤灰与矿渣是火山灰性的矿物掺合料,使得浆体中Ca,OH,SO,K,Na等离子浓度随之减少,从而使其初始电阻率随之提高.同时,由于粉煤灰与矿渣的火山灰性,随着其掺量的提高,混凝土的水化程度随之降低,其早期的孔隙率及自由水含量随之提高,同时由于粉煤灰与矿渣的二次水化反应及其分散作用,促进水泥颗粒的溶出,增加了孔溶液中离子迁移的能力,所以在溶解期之后随着龄期的发展,其电阻率变化速率较慢,后期的电阻率较低. 根据Raoult定律,当水中含有可溶物质或离子时,水的蒸汽压将随着可溶物质浓度提高而降低[5].由于矿物掺合料的掺入,会降低混凝土孔液中离子浓度,从而使水的蒸汽压随之提高,水分蒸发速率也就越快.但是,由于掺入矿物掺合料会提高混凝土的保水性,从而使得水分不易蒸发.两者的相互作用使得单掺矿渣的混凝土水分蒸发速率相差不明显;由于粉煤灰颗粒较细,比矿渣具有更强的保水性,随着粉煤灰掺量的提高,水分蒸发量亦有所降低. 由于粉煤灰与矿渣所具有火山灰活性的特点,随其掺量的提高,混凝土的水化速度减缓,其初凝 图5 矿渣掺量不同试验数据对比 Fig.5Comparisonsoftestdataofconcrete withdifferentcontentofslag 2 -2- 图4粉煤灰掺量不同试验数据对比 Fig.4Comparisonsoftestdataofconcretewith differentflyashcontent 图5为矿渣掺量不同时混凝土开裂性能试验.由图5可以看出,矿渣掺量低于40时,随着矿渣掺量的提高,混凝土的开裂时间有所推迟.当矿渣掺量为40时,其开裂时间较基准混凝土推迟130min.矿渣掺量超过40之后,其开裂时间反而稍有提早.矿渣掺量不高于40时,矿渣掺量对混凝土的开裂面积影响不显著,矿渣掺量为40的混凝土开裂面积为掺量30的混凝土的68;但矿渣掺量超过40之后其开裂性能迅速下降,掺量50的混凝土的开裂面积为掺量40混凝土的1 6倍;掺量60的混凝土的开裂面积为掺量50混凝土的1 3倍 . 时间推后.这个可以从混凝土的电阻率试验得到证 实,已有试验研究表明混凝土的初凝时间与其电阻率的最低值点和电阻率变化率的第1个峰值点出现的时间成线性关系,电阻率试验研究表明随着矿物掺合料掺量的提高,其电阻率最低值点出现的时间推迟,而且电阻率变化率第一个峰值点出现的时间在掺量低于40时相差不明显,掺量为70时明显推后.混凝土的开裂时间与其初凝时间密切相关[7].同时,粉煤灰与矿渣的活性较低,早期基本不参与水化反应,使得混凝土中的自由水增加,从而其在水化过程中毛细孔中的负压增长较慢.随着粉煤灰与矿渣掺量的提高,混凝土的开裂时间亦有所推后.从混凝土的电阻率试验结果与开裂试验结果综合分析可以看出,混凝土的开裂时间是出现在混凝土达到电阻率最低值点与混凝土电阻率变化率第1个峰值点之间.混凝土达到电阻率最低值点,[6] 图6为矿渣与粉煤灰复掺比例试验结果,由图6可以看出,在矿物掺合料掺量为40时,矿渣与粉煤灰的复掺比例对混凝土的开裂时间影响不显著.矿渣与粉煤灰复掺可以有效的提高混凝土的开裂性能,复掺比例11的混凝土开裂面积为复掺比例为3 7与0 1混凝土的70与 49. 图6矿渣与粉煤灰复掺比例试验数据对比Fig.6Comparisonsoftestdataofconcretewith 772 中国矿业大学学报 第36卷 物;混凝土电阻率变化率第1个峰值点与水化终凝相关[6].混凝土的开裂是出现在混凝土初凝与终凝之间.混凝土电阻率最低值点的大小也反应了早期混凝土的水化程度的高低,从试验结果分析可以看出混凝土的开裂时间与其电阻率最低值之间成非线性关系,如图7所示 . 要是由自身的水化引起的体积收缩与水分蒸发所产生的体积收缩,水分蒸发量越小,其收缩相对也就越小;而且从强度试验可以看出粉煤灰与矿渣的复掺比例对混凝土的早期强度影响不大,所以当粉煤灰与矿渣的复掺比例为1 1时,其开裂性能是最佳的. 4结论 1随着矿物掺合料掺量的提高,混凝土的开裂时间基本是随之推迟.混凝土的裂缝出现是发生在混凝土电阻率最低值点与电阻率变化率第1个 图7 混凝土电阻率最低值与开裂时间的关系 Fig.7Lowestresistivityvs.thecrackingtimeofconcrete 峰值点之间,也就是混凝土的初凝与终凝之间.混凝土的开裂时间与其电阻率最低之间成非线性关系. 2随着粉煤灰和矿渣掺量的提高,混凝土初始电阻率随之提高,后期电阻率随之降低. 3掺入粉煤灰使混凝土的水分蒸发量有所降低,但掺入矿渣对混凝土的水分蒸发量基本无影响. 4掺入适量的优质粉煤灰有利于提高混凝土的开裂性能.粉煤灰掺量低于45时,随着粉煤灰掺量的提高混凝土的开裂面积随之降低.当粉煤灰掺量为45时,其开裂面积仅为基准混凝土的47.但当粉煤灰掺量超过50时,其开裂性能又迅速下降. 5矿渣对混凝土开裂性能的贡献存在一最优掺量为40.当掺量低于40时,掺入矿渣对混凝土的开裂性能作用不显著;当矿渣掺量为40时其开裂性能得到明显提高,其开裂面积为基准混凝土的61;但当掺量超过40时,其开裂性能迅速下降,矿渣掺量为60时,其开裂面积为基准混凝土的1 3倍. 6粉煤灰与矿渣复掺有利于提高混凝土的开裂性能,复掺比例为1 1时,其开裂性能达到最佳点,开裂面积仅为单掺粉煤灰混凝土的49.参考文献 [1] 马保国,王信刚,梁文泉,等.掺高效减水剂水泥砂浆的早期开裂研究[J].建筑材料学报,2005,86593-598. MABao-guo,WANGXin-gang,LIANGWen-quan,etal.Studyonearly-agecrackingofcementmortarwithhighrangewaterreducingadmixtures[J].Jour-nalofBuildingMaterials,2005,86593-598. 已有的研究表明,掺优质的粉煤灰可减少高性能混凝土的收缩;粉煤灰掺量越高,其收缩越低 [7-9] .粉煤灰内SO3含量的提高可以降低混凝土 的自收缩,SO3的化学膨胀对减少混凝土的自收缩起主要作用,SO3是附着于粉煤灰颗粒表面,在搅拌的过程中极易溶解出来,生产钙矾石,抑制混凝土的收缩.本文所用的粉煤灰含有少量的SO3. 随着粉煤灰掺量的提高其早期的水化反应的速度随之降低,相应的化学收缩有所减少;从水分蒸发试验可以看出,随着粉煤灰掺量的提高,其水分蒸发量有所减少,收缩亦有所降低.同时,随着粉煤灰掺量的提高,混凝土早期抗拉强度与弹性模量亦随之降低.从上述粉煤灰对早期混凝土性能的影响综合作用存在平衡点,即粉煤灰的掺量对混凝土的早期开裂存在着最佳掺量.同时从强度试验也可以看出,当粉煤灰掺量超过50时,虽然其后期强度与基准混凝土相差不多,但是早期强度降低非常厉害,其早期强度非常低,混凝土一旦开裂,其裂缝发展迅速.故当粉煤灰掺量超过50时,其开裂性能骤降. 掺入矿渣对混凝土的水分蒸发量作用不明显;矿渣掺量越高,混凝土1d之内自生收缩与1214h的总收缩越小.由于矿渣的火山灰性,掺入矿渣也会降低混凝土的早期强度与弹性模量,从强度试验结果可以看出当矿渣掺量低于40时,对其早期强度影响相当;掺量高于40时,其早期强度骤降,从而造成其开裂性能的骤降.对于掺矿渣的混凝土其掺量为40时为其开裂性能的转折点.粉煤灰与矿渣的复合作用使得其水分蒸发量减少,而且当粉煤灰与矿渣的复掺比例为1 1时.[9] [7] 804 中国矿业大学学报 [6] 第36卷 brator[J].CoalMineMachinery,2007,282136-137.[3] 赵玉成,华16. ZHAOYu-cheng,HUAJun,XUQing-yu,etal.Nonlinearmodelestablishingandvibratingcharacter-isticanalysisofcompactor[J],ConstructionMachin-eryandEquipment,2000315-16.[4] 夏玉林,康英杰,付运强,等.电磁复频振网筛[J].煤矿机械,2006,272308-309. XIAYu-lin,KANGYing-jie,FUYun-qiang,etal.Complex-frequencyvibratingscreenwithoutcoarsesize[J].CoalMineMachinery,2006,272308-309.[5] 王子文,朱满平.双层电磁高频振网筛[J].煤矿机械,2006,273484-485. WANGZ-iwen,ZHUMan-ping.Double-layervibra-tingscreenwithoutcoarsesize[J].CoalMineMa-chinery,2006,273484-485. 军,许庆余,等.振动冲击夯非线性模 型建立及振动特性分析[J].工程机械,2000315- 张忠纯,张铜钢,朱满平.复频振动筛[J].煤矿机械,2006,271113-114. ZHANGZhong-chun,ZHANGTong-gang,ZHUMan-ping.Complex-frequencyvibratingscreen[J].CoalMineMachinery,2006,271113-114. [7]常虹,王爱乐.变频器振动试验台的应用[J].科 技情报开发与经济,200510267-268. CHANGHong,WANGA-ile.Applicationofthev-ibrationteststandofthefrequency-converter[J].Sci/techInationDevelopmentEconomy,200510267-268.[8] 宋书中,周祖德,胡业发.振动筛分机械发展概述及新型振动筛研究初探[J].矿山机械,2006,34473-74. SONGShu-zhong,ZHOUZu-de,HUYe-fa.Gener-alnarrationtothedevelopmentofvibrationscreeningmachineryandprimaryprobetonewtypevibrationscreen[J].MiningProcessingEquipment,2006,34473-74. 责任编辑姚志昌 上接第772页 [2] 王建福,杨全兵.矿渣对净浆早期开裂的影响[J].混凝土与水泥制品,2006,147110-12. WANGJian-fu,YANGQuan-bin.Effectofslagonresistancetocrackingofconcreteatearlyage[J].ChinaConcreteandCementProducts,2006,147110-12.[3] 姬永生,袁迎曙,袁广林,等.粉煤灰复合水泥对改善混凝土性能的试验研究[J].中国矿业大学学报,2006,353306-310. JIYong-sheng,YUANYing-shu,YUANGuang-li,etal.Experimentalresearchoncompositeportlandcementwithflyashtoimproveconcreteperance[J].JournalofChinaUniversityofMiningTech-nology,2006,353306-310.[4] 钱觉时,李长太,唐祖全.掺合料对钢渣混凝土电阻率的作用[J].粉煤灰综合利用,2004,1847-9.QIANJua-shi,LIChang-tai,TANGZu-quan.Theeffectofmineralblendersontheelectricalbulkresis-tivityofstee-lslageconcrete[J].FlyAshComprehen-siveUtilization,2004,1847-9. [9][8][7][6][5] 蒋正武.高性能混凝土水分扩散与自收缩研究[D].上海同济大学材料科学与工程学院,2002. WEIXiao-sheng.Interpretationofhydrationprocessofcement-basedmaterialsusingelectricalresistivitymeasurement[D]SchoolofScienceandTechnology,HongKongUniversity,2004. DIASWPS.Influenceofmixandenvironmentonplasticshrinkagecracking[J].MagazineofConcreteResearch,2003,554385-394. CENGIZDA.High-volumeflyashconcretewithhighstrengthandlowdryingshrinkage[J].JournalofMaterialsinCivilEngineering,2003,152153-156. 高小建,巴恒静.加掺合料高性能混凝土早龄期收缩特性[J].哈尔滨工业大学学报,2004,36121615-1618. GAOXiao-jian,BAHeng-jing. Characteristicsof earlyageshrinkagesdevelopmentofHPCcontainingmineraladmixtures[J].JournalofHarbinInstituteofTechnology.2004,36121615-1618. 责任编辑