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膨胀剂在高掺量粉煤灰混凝土中 作用效果的试验研究 李 飞 覃维祖 清华大学土木工程系, 清华大学结构工程与振动教育部重点实验室, 北京 100084 摘 要 采用温度应力试验机TSTM 试验方法, 对比研究了膨胀剂在普通水泥混凝土与高掺量粉煤灰 混凝土中的作用效果, 包括自由条件下的膨胀率及完全约束条件下的压应力发展。结果表明 在本试验条件 下, 粉煤灰与膨胀剂复合使用, 发挥出超叠效应。 关键词 膨胀剂; 粉煤灰; 完全约束; 自压应力; TSTM INVESTIGATION ON THE EFFECT OF EXPANSIVE AGENT IN HIGH VOLUME FLY ASH CONCRETE Li Fei Qin Weizu Department of civil Engeering, Key Laboratory Structural Engineering and Vibration of China Education Ministry, TsingHua University, Beijing 100084, China Abstract Results of tests pered on the effect of expansive agent in normal concrete and high volume fly ash concrete are presented. The expansive deation ratio without restraint and the sel- f compressive stress under complete restraint are investigated in the testswith temperature -stress test machine TSTM . The results indicate that combination of fly ash and expansive agent may produce a synergistic effect on the concrete under the specific condition. Keywords expansive agent; fly ash; complete restraint; sel- f compressive stress; TSTM 第一作者 李飞, 男, 1981 年10 月出生, 博士研究生。 E- mail lifei99mails. tsinghua. edu. cn 收稿日期 2008- 08- 12 我国混凝土膨胀剂的开发和应用已有 20 多年 历史, 目前产量已超过 100 万 t, 是我国最重要的混 凝土外加剂之一 [ 1- 2] 。大量的研究和应用实践表 明, 掺加膨胀剂以补偿收缩是抑制收缩裂缝最方便、 最经济和最有效的措施 [ 3] 。但是由于对膨胀剂作用 机理的认识以及相应检测评价方法等原因, 在现今 一些混凝土工程中使用出现效果不佳, 即结构物依 然出现早期开裂的现象。 而粉煤灰用作混凝土的掺合料可追溯到 20世纪 40年代末, 随着对粉煤灰混凝土研究和应用的不断深 入, 高 掺量 粉 煤灰 混 凝 土 High Volume Fly Ash Concrete HVFAC 得到发展, 特别是在水坝、 基础底 板等大体积混凝土工程, 充分发挥了粉煤灰降低温 升、 减小收缩的作用。在高掺量粉煤灰混凝土中掺入 膨胀剂, 目的在于进一步抑制早期收缩开裂的可能。 国内外对同时掺用粉煤灰和膨胀剂的混凝土做 了相关的研究, 其中有些文献表明 [ 4- 5] 在收缩补偿 混凝土中, 粉煤灰替代部分水泥后, 限制膨胀率减 小, 对膨胀效果有一定抑制作用。 随着研究的深入和工程经验的积累, 粉煤灰等 量取代的配合比设计方法已经相对落后, 现在很少 采用。特别是在高掺量粉煤灰混凝土中, 粉煤灰掺 量达到甚至超过 50 , 通常要求降低水胶比, 使得 配合比设计一方面充分利用粉煤灰的减水效果, 另 一方面满足设计强度的要求。现今工程中采用的普 通混凝土已经习惯于掺加高效减水剂并采用较小的 水灰比, 以满足强度和工作性的要求, 事实上这样会 使得膨胀剂和水泥由于缺乏水分而不能充分水化, 难以发挥其补偿收缩和发展强度的作用。考虑到上 述配合比设计思路, 试验设计以不掺高效减水剂的 普通混凝土和掺有高效减水剂的高掺量粉煤灰混凝 土, 两者的水灰比 水胶比 差异大, 但 28d 龄期抗压 强度大致相等, 采用温度应力试验机试验方法, 对比 研究了膨胀剂在两种混凝土中的作用效果。 1 原材料及试验方法 11 原材料 本试验所用水泥为北京兴发水泥有限公司生产 89 Industrial Construction Vol39, No5, 2009工业建筑 2009 年第 39 卷第 5期 的拉法基 PO425 普通硅酸盐水泥, 品质符合 GB 175 99硅酸盐水泥、 普通硅酸盐水泥的规定, 粉煤 灰是内蒙古元宝山电厂 I 级低钙粉煤灰, 其化学成分 见表1。膨胀剂为中国建筑材料科学研究院生产的 HCSA 高效混凝土膨胀剂, 高效减水剂为 SIKA公司的 聚羧酸系高效减水剂。细骨料为中砂, 细度模数为 27, 粗骨料是石灰石质碎石, 最大粒径为20 mm。 表 1 水泥和粉煤灰的化学成分 Table 1 Chemical composition of cement and fly ash SiO2Al2O3Fe2O3CaO MgOK2O Na2O SO3TiO2 LOI 水泥22 71 4 572 85 6610 190 068 015 037-0 50 粉煤灰 60 20 20 46 8 60 346 450--128 0761 80 12 试验方法 本研究采用了自行开发的温度应力试验机 Temperature -Stress Test Machine TSTM 来评价混凝 土 早 龄 期 的 开 裂 敏 感 性, 工 作 原 理 参 考 Springenschmid [ 6] 等研发的第一台温度应力试验机。 试验机及主要部件如图 1 所示。该机器可水平浇注 的长1 000 mm、 断面为 100 mm 100 mm 的梁式试 件。温度控制的模板可以帮助实现控制硬化混凝土 试件内部的温度历程。试件的端部固定通过夹头固 定, 其中一个夹头是可调夹头, 另外一个则是刚性固 定在纵向的钢筋棒上。可调夹头的变形通过碳纤维 棒上的位移传感器来测量, 精度可以达到 1 m。一 旦混凝土变形超过预设限值 一般为 2 5 m , 可 调夹头即通过步进电机恢复原来位置, 使得总变形 保持为零, 即实现完全的轴向约束, 而夹头控制过程 相应产生的约束应力通过应力传感器连续测量。 1 试件;2 可调卡头; 3 固定卡头; 4 步进马达;5 压力盒; 6a 卡头位移测定;6b 用碳纤维棒测长; 7 模型加热 冷却系统;8 电脑; 9 加热 冷却控制仪 图 1 温度应力试验机 TSTM Fig. 1 Temperature -stress test machine 该试验方法使混凝土从入模开始即受到约束, 并可以直接测定试件在约束条件下内应力的发展。 同时平行试件可以测定相同尺寸的试件在自由条件 下的变形发展。 13 试验设计 试验选用了普通混凝土和高掺量粉煤灰混凝 土, 混凝土配合比如表 2 所示。试验对 采用 恒温条件 20 2 , 对比研究其开裂敏感性, 又对 、 重点进行了模拟较大体积混凝土 半绝热温度 历程, 即边放热升温、 边散热的状态 条件下的研究。 表 2 混凝土配合比及抗压强度 Table 2 The mix and compressive strength of concrete 编号 配合比 kgm- 3 水泥粉煤灰膨胀剂砂碎石水 SP R7d MPaR28d MPa C -05400007141 0712000264394 CF -035220220007131 07015410287402 C -EA - 0 53680327091 06420000323415 CF -EA - 0 35202202357111 06615408315435 2 结果分析 恒温条件试验结果如图 2所示。 在等温条件下, 掺入膨胀剂的混凝土, 在早期水 化生成的膨胀性产物, 由于受到约束而转变为压应 力积累下来, 抵消了甚至超过了由于自生收缩产生 的拉应力, 发挥了补偿收缩的作用。同时可以看出, 掺入高掺量粉煤灰后, 尽管水胶比大幅度下降, 但是 由于综合作用减小了自身收缩 [ 7] , 使得没有掺膨胀 剂的高掺量粉煤灰混凝土后期拉应力要小于普通混 凝土, 而掺入 8 膨胀剂的高掺量粉煤灰混凝土在 后期显示较普通混凝土更好的补偿收缩的效果。掺 90 工业建筑 2009 年第 39 卷第 5期 1 CF -EA - 0 35; 2 C -EA -0 5; 3 CF -035; 4 C - 0 5 图 2 恒温条件应力发展 Fig. 2 Stress development at isothermal condition 入粉煤灰后, 无论拉应力还是压应力的发展, 都比普 通混凝土缓慢, 这是由于早期强度和弹性模量发展 相对缓慢, 凝结时间延长, 使得高掺量粉煤灰混凝土 早期的松弛能力增强, 在相同约束条件下, 约束应力 的发展也相对变缓。 半绝热条件试验结果如图 3 所示。 1 CF -EA -035; 2 C -EA -05 图 3 半绝热条件应力发展 Fig.3 Stress development at sem- i adiabatic condition 由图 3 可见, 半绝热条件下应力发展的趋势与 恒温条件下有很大区别。普通混凝土在半绝热条件 下, 即使掺入了 8 的膨胀剂, 当温度降到环境温度 时, 混凝土内也由压应力转变为拉应力, 也就是说在 半绝热条件下膨胀剂的效果不明显, 这与其他学者 的研究结果类似 [ 8] 。 混凝土中掺入粉煤灰, 配合比设计中需要降低 水胶比, 以满足设计要求。由于粉煤灰是火山灰性 质的辅助胶凝材料, 其早期反应很慢, 在低水胶比情 况下为水泥和膨胀剂提供了更好的水化环境, 膨胀 剂的水化更加充分, 使得高掺量粉煤灰混凝土中膨 胀剂的效果明显。同时, 与恒温条件下相同, 粉煤灰 减小收缩的作用也有利于压应力在混凝土中维持。 根据以上试验结果, 拟对膨胀剂作用机理及现 行检测评价方法存在的问题提出一些看法 1 现今工程中使用的混凝土为满足高早强以 缩短工期、 加快模板周转的需求, 一般水泥用量较 多、 水灰比 水胶比 较低, 其硬化过程没有足够的自 由水供膨胀剂水化, 与实验室进行检测评价试验时 将小试件浸水多天的条件大相径庭。 2 掺膨胀剂混凝土的膨胀与收缩并不同步, 而 在此期间混凝土的弹性模量、 线胀系数、 松弛能力等 参数都不断在发生变化, 因此膨胀剂的作用效果并 不能通过对膨胀率大小的检测来评价, 而是需要模 拟混凝土在结构中变形受约束状态下产生的压缩 能, 去补偿它因收缩受约束形成的拉伸能, 这与给混 凝土施加预应力及其因多种原因产生预应力损失的 评价类似, 由此看来, 选用温度- 应力试验机 或开 裂试验架 来对掺膨胀剂混凝土改善开裂敏感性是 比较适宜的。 3 掺有膨胀剂的现浇混凝土在运输和等待浇 注的过程, 其自由发生膨胀, 且导致混凝土温升加 剧, 是现今掺膨胀剂混凝土在工程中使用达不到预 期效果, 甚至加剧早期开裂的重要原因。这需要一 方面通过开发延缓膨胀的外加剂, 另一方面改变现 行的检测评价手段来解决。 3 结 论 1 等强度条件下单独掺入粉煤灰可以减小混凝 土由于约束而产生的拉应力, 降低开裂敏感性。 2 膨胀剂与粉煤灰的复合使用能够补偿混凝土 的收缩, 并不是通过设计混凝土在自由变形条件下 通过掺加膨胀剂以获得足够的膨胀率, 与后期的收 缩变形相抵消, 而是通过在约束条件下, 利用早期放 热过程及生成钙矾石的膨胀来积累压缩能, 以抵消 后期收缩受约束形成的拉伸能, 减小拉应力甚至产 生相当程度的压应力, 大幅改善混凝土的抗裂性能, 获得超叠效应。 3 等强度条件下, 在高掺量粉煤灰混凝土中使 用膨胀剂, 同样可以实现补偿收缩的效果, 而且在后 期表现出比在普通混凝土中使用膨胀剂更好的效 果, 约束条件下能够获得更长期的压应力。特别是 在必须考虑温度应力影响, 即混凝土构件断面尺寸 较大的半绝热条件下, 膨胀剂和粉煤灰的综合作用 能够实现一定程度的自应力, 明显改善混凝土抗裂 性能。 参考文献 [1] 游宝坤. 我国混凝土膨胀剂的发展近况和展望[ J] . 混凝土, 2003 4 3- 6. 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