矿物掺合料对高性能混凝土收缩分布的影响.pdf

1 矿物掺合料对高性能混凝土收缩分布的影响 高小建，杨英姿，邓红卫 （哈尔滨工业大学 土木工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150006） 摘摘要要为了探索掺不同矿物掺合料高性能混凝土的非均匀收缩特征，采用固定多组位移传感器的方法测试了单面干 燥条件下不同深度处混凝土的收缩变形，同时采用湿度传感器监测了各混凝土中相对湿度变化。结果表明单面干燥 条件下，表层混凝土的相对湿度降低和收缩增长速率明显大于内层混凝土，距离干燥表面 100mm 处的收缩值比 10mm 处低 1533。掺硅灰使混凝土内外层收缩梯度明显减小，掺粉煤灰和矿渣粉均使混凝土内外层收缩梯度增大。各矿 物掺合料混凝土试件表层和内部的收缩与其相对湿度之间均存在较好的线性关系。 关键词关键词高性能混凝土；单面干燥；收缩梯度；矿物掺合料 中图分类号中图分类号TU528文献标识码文献标识码A文章编号文章编号1006-7043 2010 xx-xxxx-x InfluenceInfluenceInfluenceInfluence ofofofof mineralmineralmineralmineral admixturesadmixturesadmixturesadmixtures onononon shrinkageshrinkageshrinkageshrinkage distributiondistributiondistributiondistribution ofofofof highhighhighhigh peranceperanceperanceperance concreteconcreteconcreteconcrete GAO Xiao-jian，YANG Ying-zi，DENG Hong-wei School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150006, China AbstractAbstractAbstractAbstractIn order to study differential shrinkage characteristics of high perance concretes containing different mineral admixtures, several pairs of fixed displacement sensors were used to measure shrinkage strains of concrete at various depths from the exposed surface, and only one surface of the concrete specimen was exposed to dry condition during the experiment. Relative humidity development of concrete at various depths was also studied by using embedded humidity sensors. The results show that the surface concrete shows a more reduction of relative humidity and higher shrinkage than the interior concrete. And concrete at depth of 100 mm from the drying surface has shrinkage of 15 to 33 lower than the concrete with depth of 10mm. Such shrinkage difference according to depths from the drying surface is decreased evidently by the addition of silica fume and is increased by the addition of fly ash or granulated blast furnace slag powder. There is a good linear relationship between shrinkage and relative humidity at different depths from the exposed surface for every concrete. KeywordsKeywordsKeywordsKeywordsHigh perance concrete; one surface exposed to dry condition; shrinkage gradient; mineral admixture 裂缝是现代混凝土结构存在的普遍问题，也是 导致实际工程结构耐久性降低的主要因素[1-2]。 大量 研究和工程实践表明，绝大多数混凝土裂缝是因外 部约束条件下的收缩变形引起的[3]。实际工程中的 混凝土由于距离表面层不同深度处的温、湿度分布 不同，从而形成内外层非均匀收缩变形而产生附加 的自约束收缩应力[4-5]， 这样混凝土便在内外部约束 共同作用下产生收缩开裂；特别是对于混凝土路面 或桥梁板等结构物，因单面干燥条件下内外层非均 匀收缩产生的自约束应力是导致表面开裂的主要 因素[6]。矿物掺合料是高性能混凝土的必要组份之 一，目前关于矿物掺合料对高性能混凝土的自收 缩、 早期收缩方面的研究已有较多报道[7-9]， 但在掺 矿物掺合料对混凝土结构表层区域不同深度处收 缩分布的影响方面还未见报道。因此，本文通过自 行研制的固定多组位移传感器方法测试了单面干 燥条件下不同矿物掺合料高性能混凝土内距离表 面不同深度处的收缩分布、相对湿度变化规律以及 二者的相关性，从而为实际工程中评判高性能混凝 土的收缩开裂提供理论依据。 1 1 1 1实验方案 收稿日期收稿日期收稿日期收稿日期 2009-04-22 基金项目基金项目基金项目基金项目 国家自然科学基金资助项目50408016; 中国博士后科学基 金资助项目20060400825. 作者简介作者简介作者简介作者简介 高小建1976-, 男, 副教授, 博士, E-mail xjgao2002 ； 杨英姿1967-, 女, 教授, 博士生导师. 通信作者通信作者通信作者通信作者 高小建. 2 1.11.11.11.1 原材料及混凝土配合比原材料及混凝土配合比原材料及混凝土配合比原材料及混凝土配合比 采用亚泰集团哈尔滨水泥有限公司生产的 PO 42.5 水泥。选用石灰岩质碎石，粒径 525mm 连续 级配，压碎指标为 4.8，针片状含量 3；细集料 采用松花江江砂，细度模数为 2.85，属中砂、Ⅱ区 级配。3 种矿物掺合料分别为挪威埃肯公司生产 的中密质硅灰，其平均粒径为 0.1μm，密度为 2.26g/cm3；哈尔滨第三发电厂生产的Ⅰ级粉煤灰， 80m 方孔筛筛余为 4.8，需水量比为 94；鞍山 钢铁厂生产的磨细矿渣粉，其密度为 2.86g/cm3， 比 表面积为 501m2/kg。采用上海花王公司生产的 Mighty 100 高效减水剂，推荐掺量为胶凝材料总量 的 0.71.2。 配制了 4 组不同配合比混凝土，分别为无掺 合料的混凝土（基准） 、掺 5硅灰混凝土（SF5）、 掺 20粉煤灰混凝土 （FA20） 和掺 20矿渣粉混凝 土（SL20） ，具体配合比如表 1 所示。各混凝土中 用水量均为 147kg/m3、水胶比固定为 0.32；通过调 整减水剂掺量， 使各混凝土坍落度达到 1820cm 范 围，以保证各试件成型质量良好。 表表 1 1 1 1混凝土配合比混凝土配合比 TableTableTableTable 1 1 1 1 MixingMixingMixingMixing proportionproportionproportionproportion ofofofof concreteconcreteconcreteconcrete 编号 每立方米混凝土各材料用量kg/m3 28 d 抗压强度/MPa 水泥矿物掺合料水碎石砂高效减水剂 基准460014711067373.6866.2 SF543723 硅灰14711067373.9170.5 FA2036892 粉煤灰14711067373.2259.4 SL2036892 矿渣14711067373.2264.4 1.21.21.21.2 测试方法测试方法测试方法测试方法 采用自行研制的多组接触式LVDT差动变压位 移传感器方法对混凝土中不同深度处收缩变形进 行实时监测[4]，如图 1 所示。该传感器的测试量程 为 02mm，测试精度为 0.1，使用温度范围-10～ 70℃，使用湿度范围为 2090。整个测量系统 安装在盛有一种饱和盐溶液的密闭容器中，从而使 混凝土所处环境相对湿度控制在 551，环境温 度通过室内空调控制在 202℃。采用 100mm 200mm400mm 的混凝土试件，每个试件在距离成 型底面 10mm、55mm、100mm 位置处沿试件长轴 方向对称埋置铜制测头，如图 2 所示。所有试件均 在室温养护 24h 后脱模，并立即转入标准养护室养 护到 3d 龄期； 随后把试件除了成型底面外的其他 5 个表面均用铝箔密封以防止与外界湿度交换[10]。密 封后的试件立即放入测量系统中，通过各位移传感 器直接监测混凝土试件中预埋测头处所对应的距 离表面不同深度处的收缩变形。 另外，成型与测量混凝土收缩所用试件同样尺 寸的试件，与测量收缩时埋置测头相同位置处预留 孔洞，经过与收缩件相同的密封处理后，将该混凝 土试件同样放入一装有饱和盐溶液的箱体，通过湿 度传感器对各混凝土试件中不同深度处的相对湿 度进行同步测量。 图图 1 1 1 1 混凝土试件收缩变形分布测量装置混凝土试件收缩变形分布测量装置 Fig.1Fig.1Fig.1Fig.1 EquipmentEquipmentEquipmentEquipment forforforeasuringmeasuringmeasuringmeasuring shrinkshrinkshrinkshrinka a a agegegege distributiondistributiondistributiondistribution ofofofof concreteconcreteconcreteconcrete 图图 2 2 2 2 混凝土试件中测头位置混凝土试件中测头位置 Fig.Fig.Fig.Fig. 2 2 2 2 PositionPositionPositionPosition ofofofof studsstudsstudsstuds inininin thethethethe concreteconcreteconcreteconcrete specimenspecimenspecimenspecimen 2 结果与分析 混凝土试件 成型底面 400mm 铜制 测头 100mm 200mm 3 2.12.12.12.1 不同深度处的收缩分布不同深度处的收缩分布不同深度处的收缩分布不同深度处的收缩分布 各混凝土试件距离表面不同深度处的收缩随时 间的变化规律如图 3 所示。可见，与传统的各表面 均暴露于干燥环境中的混凝土收缩相比，单面干燥 条件下混凝土试件的收缩值相对较小，这主要是因 为混凝土内部水分是从裸露表面蒸发散失，所以混 凝土体积越大，裸露表面越小，收缩值就越小。各 试件在单面干燥条件下均存在表层混凝土收缩大、 内部混凝土收缩小的现象，这种内外层收缩梯度使 混凝土表层受拉，内部受压，从而会加剧混凝土表 面开裂。与基准混凝土相比较，掺 3 种矿物掺合料 均使混凝土收缩值有所减小；到第 28 天时，距离 表面 10mm 处，掺 5硅灰、20粉煤灰和 20矿 渣粉分别使混凝土收缩降低 23.8、13.6和 19.2；距离表面 100mm 处，掺 5硅灰、20粉 煤灰和 20矿渣粉分别使混凝土收缩降低 7.4、 16.5和 21.3。 这是由于表面层混凝土主要以干燥 收缩为主，而矿物掺合料细度越大、活性越高，使 混凝土的密实度越好，水份散失和收缩就越小，因 此掺硅灰使混凝土表面收缩降低最多，粉煤灰降低 最少。内层混凝土由于同时受干燥收缩和自收缩的 影响，掺硅灰会增加混凝土自收缩[8]，因而其内层 混凝土的收缩值降低幅度明显小于外层混凝土；而 矿渣和粉煤灰既会降低自收缩也降低干燥收缩，因 而其内层混凝土收缩降低量比外层混凝土更加明 显。 a基准混凝土bSF5 混凝土 cFA20 混凝土dSL20 混凝土 图图 3 3 3 3 不同掺合料混凝土不同掺合料混凝土的收缩分布的收缩分布 Fig.Fig.Fig.Fig. 3 3 3 3 ShrinkageShrinkageShrinkageShrinkage distributiondistributiondistributiondistribution inininin concreteconcreteconcreteconcrete withwithwithwith differentdifferentdifferentdifferent mineralmineralmineralmineral admixtureadmixtureadmixtureadmixture 各混凝土内外层的收缩变形差随着时间延长 不断增大，到第 28d 时，基准混凝土、掺硅灰混凝 土、掺粉煤灰混凝土和掺矿渣混凝土试件距离表层 10mm 和 100mm 处的收缩变形差分别为8810-6、 3410-6、8210-6和 75.310-6，100mm 处的收缩分 别比 10mm 处的收缩值低 30.6、15.5、33.0和 32.4。因此，从绝对值上看，掺 3 种掺合料均使 混凝土内外层收缩变形差减小；但是由于掺合料使 t/d 0 50 100 150 200 250 300 350 14710131619222528 Time days Shrinkage10-6 10mm 55mm 100mm 收缩/10-6 0 50 100 150 200 250 14710131619222528 Time days Shrinkage10-6 10mm 55mm 100mm t/d 收缩/10-6 0 50 100 150 200 250 14710131619222528 Time days Shrinkage10-6 10mm 55mm 100mm t/d 收缩/10-6 0 50 100 150 200 250 300 14710131619222528 Timedays Shrinkage10-6 10mm 55mm 100mm t/d 收缩/10-6 4 混凝土总体收缩值有所减小，以内外层收缩变形相 对值来表征收缩变形梯度更为合理，因此，掺硅灰 使混凝土收缩变形梯度明显减小，掺粉煤灰和矿渣 粉均使混凝土内外层收缩梯度差有所增大。 2.22.22.22.2 不同深度处的相对湿度分布不同深度处的相对湿度分布不同深度处的相对湿度分布不同深度处的相对湿度分布 各混凝土中的相对湿度随龄期变化情况如图 4 所示。处于干燥条件下，混凝土试件表层中的水份 向环境中散失，内层混凝土中水分在湿度梯度作用 下向表层缓慢迁移，从而使混凝土内外层相对湿度 随龄期不断降低且内层与外层混凝土间存在明显 的湿度梯度差[11]，这也是导致混凝土收缩变形差的 主要原因。从距离表层 10mm 处混凝土的相对湿度 来看，掺硅灰和矿渣粉的混凝土相对湿度降低量与 基准混凝土相差不大；而掺粉煤灰使混凝土早期密 实度降低，因而相对湿度降低速率较快，最终的相 对湿度值明显低于基准混凝土。而各掺合料对距离 表面 100mm 处的混凝土相对湿度的影响规律为 掺硅灰由于增大自干燥作用，混凝土内部相对湿度 值降低明显大于基准混凝土；掺粉煤灰和矿渣粉由 于增大了混凝土中水分往外的迁移速率，最终的相 对湿度值略低于基准混凝土。第 28 天时，4 种混凝 土的内外层相对湿度差值由小到大排序为掺硅灰 混凝土＜基准混凝土＜掺矿渣混凝土＜掺粉煤灰 混凝土，这与各混凝土内外层的相对收缩梯度规律 是一致的。 a基准混凝土bSF5 混凝土 cFA20 混凝土dSL20 混凝土 图图 4 4 4 4 不同掺合料混凝土中不同掺合料混凝土中的的相对湿度相对湿度分布分布 Fig.Fig.Fig.Fig. 4 4 4 4 RelativeRelativeRelativeRelative humidityhumidityhumidityhumidity distributiondistributiondistributiondistribution inininin concreteconcreteconcreteconcrete withwithwithwith differentdifferentdifferentdifferent mineralmineralmineralmineral admixtureadmixtureadmixtureadmixture 2.32.32.32.3 混凝土中相对湿度与收缩间关系混凝土中相对湿度与收缩间关系混凝土中相对湿度与收缩间关系混凝土中相对湿度与收缩间关系 几组混凝土试件距离表面10mm和100mm度处 的收缩值与对应位置处相对湿度间的关系如图 5 所 示。可见，随着内部相对湿度下降，混凝土收缩变 形不断增加，并且二者存在显著的线性关系 εaRHb. 式中ε为收缩值，RH为相对湿度，a、b为常数， 具体取值见表 2。从各图中拟合曲线相对位置可以 看出， 在降低到相同相对湿度值时， 距离表面 10mm 处的外部混凝土收缩值明显小于距离表面 100mm 处的内部混凝土，这也是由于内外层混凝土收缩变 形差导致表层混凝土收缩受内部混凝土约束而引 起的。 50 60 70 80 90 100 051015202530 Time d RH 10mm 100mm t/d 相对湿度/ 50 60 70 80 90 100 051015202530 Time d RH 10mm 100mm t/d 相对湿度/ 50 60 70 80 90 100 051015202530 Time d RH 10mm 100mm t/d 相对湿度/ 50 60 70 80 90 100 051015202530 Timed RH 10mm 100mm t/d 相对湿度/ 5 a基准混凝土bSF5 混凝土 cFA20 混凝土dSL20 混凝土 图图 5 5 5 5 混凝土中收缩与内部相对湿度间关系混凝土中收缩与内部相对湿度间关系 Fig.Fig.Fig.Fig. 5 5 5 5 RelationshipRelationshipRelationshipRelationship betweenbetweenbetweenbetween shrinkageshrinkageshrinkageshrinkage andandandand relativerelativerelativerelative humidityhumidityhumidityhumidity ofofofof concreteconcreteconcreteconcrete 表表 2 2 2 2 混凝土混凝土收缩与相对湿度间的线性回归结果收缩与相对湿度间的线性回归结果 Table2Table2Table2Table2 ResultResultResultResult ofofofof linearlinearlinearlinearregressionregressionregressionregression betweenbetweenbetweenbetween shrinkageshrinkageshrinkageshrinkage andandandand RHRHRHRH 混凝 土 深度 /mm 回归方程R2 基准 10ε -9.044RH 841.510.9826 100ε -8.761RH 950.460.865 SF5 10ε -9.005RH 766.930.9668 100ε -9.764RH 959.340.9325 FA20 10ε -6.206RH 585.230.9489 100ε -10.808RH 10870.9212 SL20 10ε -8.146RH 733.510.9806 100ε -16.011RH 15380.8612 3 结论 1）单面干燥条件下，高性能混凝土试件中距 离表面不同深度层存在明显的相对湿度和收缩梯 度，即外层混凝土的相对湿度降低量和收缩值明显 大于内层混凝土，距离干燥表面 100mm 处的收缩 值比 10mm 处的低 1533。 2）掺硅灰、粉煤灰、矿渣粉均在一定程度上 降低了单面干燥条件下混凝土的收缩值，也使内外 层混凝土收缩变形差绝对值有所降低；但以内外层 收缩变形相对值来看，掺硅灰使混凝土收缩梯度明 显减小，掺粉煤灰和矿渣粉均使混凝土内外层收缩 梯度有所增大。 0 50 100 150 200 250 300 60708090100 RH shrinkage10-6 10mm100mm 相对湿度/ 收缩/10-6 0 50 100 150 200 250 60708090100 RH shrinkage 10-6 10mm100mm 相对湿度/ 收缩/10-6 0 50 100 150 200 250 300 5060708090100 RH shrinkage10-6 10mm100mm 相对湿度/ 收缩/10-6 0 50 100 150 200 250 300 60708090100 RH shrinkage 10-6 10mm100mm 相对湿度/ 收缩/10-6 6 3） 4 种混凝土的内外层相对湿度差由小到大排 序为掺硅灰混凝土＜基准混凝土＜掺矿渣混凝土 ＜粉煤灰混凝土，这与各混凝土内外层的收缩梯度 值具有相同规律。 4）单面干燥条件下，各组混凝土试件表层和 内部的收缩变形与其相对湿度之间均存在较好的 线性关系，且在达到相同湿度条件下的表层混凝土 收缩值小于内层混凝土。 参考文献 [1] JENSEN A D, CHATTERJI S. State of the art report on micro-crackingandlifetimeofconcretepartⅠ[J]. Materials and Structures, 1996, 291 3-8. [2] SAMAHA H R, HOVER K C. Influence of micro-cracking on the mass transport properties of concrete [J]. ACI Materials Journal, 1992, 894 416-424. [3] SHAH S P, OUYANG C, MARIKUNTE S, et al. A to predict shrinkage cracking of concrete [J]. ACI Materials Journal, 1998, 954 339-346. [4] 高小建, 阚雪峰, 杨英姿. 单面干燥条件下混凝土的收 缩变形分布特征[J]. 硅酸盐学报, 2009, 37187-91. GAO Xiaojian, KAN Xuefeng, YANG Yingzi. Shrinkage distribution characteristic of concrete with one surface exposed to dry condition [J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2009, 371 87-91. [5] KIM J K, LEE C S. Prediction of differential drying shrinkage in concrete [J]. Cement and Concrete Research, 1998, 287 985-994. [6] KIM H, CHO S. Shrinkage stress analysis of concrete slabs with shrinkage strips in a multistory building [J]. Computers Structures, 2004, 8215-161143-1152. [7] LEE K M, LEE H K, LEE S H, et al. Autogenous shrinkage of concrete containing granulated blast-furnace slag [J]. Cement and Concrete Research, 2006, 367 1279-1285. [8] YANGY,RYOICHI S, KENJI K. Autogenous shrinkage of high-strength concrete containing silica fume under drying at early ages [J]. Cement and Concrete Research, 2005, 353449-456. [9] PERSSON B. Eight-year exploration of shrinkage in high perance concrete [J]. Cement and Concrete Research, 2002, 3281229-1237. [10] NETOAM, CINCOTTO M A, REPETTEW. Drying and autogenous shrinkage of pastes and mortars with activated slag cement [J]. Cement and Concrete Research, 2008, 384 565-574. [11] ANDRADE C, SARRAJ, ALONSO C. Relative humidity in the interior of concrete exposed to natural and artificial weathering [J]. Cement and Concrete Research, 1999, 298 1249-1259.