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2 0 1 2 年 第 2 期 (总 第 2 6 8 期 ) Nu mb e r 2 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No .2 6 8 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE ORET【 CAL RES EARCH d o i : 1 0 . 3 9 6 9 ~ . i s s n . 1 0 0 2 — 3 5 5 0 . 2 0 1 2 . 0 2 . 0 0 7 海工高性能混凝土的早期开裂 任慧韬,刘冬梅,郭磊 ( 大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室 , 辽宁 大连 1 1 6 0 2 4 ) 摘要: 早期开裂是高性能混凝土应用中经常出现的问题, 这不仅影响混凝土的外观质量, 也给混凝土的耐久性带来不利影响。 针对这 一 问题, 利用平板法约束试验, 研究 自 然环境下不同水胶比, 大掺量粉煤灰以及聚丙烯纤维对海工高性能混凝土早期开裂的影响。 结果表 明: 一定范围内随着水胶比降低, 开裂明显加剧, 单掺粉煤灰和聚丙烯纤维均对早期开裂有抑制作用, 二者双掺效果更佳。 关键词: 高性能混凝土; 早期开裂;聚丙烯纤维;大掺量粉煤灰 中图分类号 : T U5 2 8 .0 1 文献标志码 : A 文章编号 : 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 2 — 0 0 2 5 — 0 3 E ar l y -a ge cr ac k i n g of mar it i me hi gh pe r f or ma nc e c on c r e t e PEN Hu i - ta o, L I UDo n g - me i , GUOLe i ( S t a t e Ke yL a b o r a t o r yo f C o a s t a l a n dOff s h o r eE n g in e e r i n g , Da l i an Un i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y , Da l i a n1 1 6 0 2 4 , C h i n a ) Abs t r a c t : Ea r l y - a g e c r a c ki n gi s arec u r r e ~ p r o bl e m i nt h e a p p l i c a t i o n o fh i g hp e rfo r ma n c e c o n c r e t e, i t n o t o n l y a ffe ~st h e o u t wa r da p pe a r a n c e q u a l i ty o f c o n c r e t e b u t a l s o b r i n g s a d v e r s e e f f e c t o n d u r a b i l i ty o f c o n c r e t e . Ai ming a t thi s p r o b l e m. T h e infl u e n c e s o f d i ff e r e n t wa t e r - b ind e r r a t i o , l arg e v o l u me f l y a s h a n d p o l y p r o p y l e n e fi be r o n e arl y c r a c k ing o f ma r i t i me hi g h p e r f o r manc e c o n c r e t e b y u s i n g fiat— r e s t r a i nt t e s t o n t he n a t u r a l e n v i r o n me n t we r e s t a d i e d . Th e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t wi t h i n a c e r t a i n r a n g e the l o we r t h e wa t e r b i n d er rat i o i s , the mo r e s h r i n k a g e a n d c rac ki n g i s f o u n d, flya s ho r po l y p r o p y l e n efi b e r C an r e s t r a i nthe e arl y - a g e c rac k i n g a l o n e, h a v i n gb o t ho f the m g e t s ab e t t e rr e s u l t s . K e y wo r d s : h i 曲 p e r f o rm a n c e c o n c r e t e ; c r a c k i n g a t e a r l y a g e ; p o l y p r o p y l e n e fi b e r ; h i g h v o l u me fl y a sh 0 引言 目前正是我国经济高速发展的时期, 由此也带来了我国海 洋基础建设的高峰。 许多耗资巨大处于海洋环境下的重要建筑 ( 构筑) 物 , 如跨海大桥、 海底隧道 、 海上采油平台、 海岸和近海 岸工程已经建成或正在兴建。 这些重要的基础设施大部分是混 凝土结构且耗资巨大 , 一般要求的使用期限是 1 0 0年以上。 日本 和欧美国家已提出5 0 0年服役寿命的要求和概念。 但 目前已建 工程因钢筋与混凝土材料受海洋环境的侵蚀作用而过早破坏 的现象非常严重, 因此这类混凝土的耐久性也是土木工程界关 注的焦点问题。 高性能混凝_~( Hi g h P e r f o r ma n c e C o n c r e t e , HP C ) 是 2 0世纪 8 O年代末 9 0年代初, 一些发达国家基于混凝土结构 耐久性设计提出的一种全新概念的混凝土, 它以耐久性为首要 设计指标, 这种混凝土有可能为基础设施工程提供 1 0 0年以上 的使用寿命。 以高耐久性为主要 目标的高性能混凝土越来越受 到人们的重视, 理论上高性能混凝土密实度高, 抗渗性好, 具有 更高的耐久眭和使用寿命, 然而近几年来人们发现以低水胶比、 高胶凝材料和超细矿物掺合料、 大坍落度为基本特征的HP C也 存在易裂性 , 而且早期裂缝出现的时间比传统的混凝土还要早[ 1 ] 。 早期裂缝的出现大大降低了混凝土的耐久性, 阻碍了高性能混 凝土的进一步推广使用, 因此研究如何控制和减少高性能混凝 土的早期开裂显得尤为重要。 影响海工高性能混凝土早期开裂的因素很多, 其中包括水胶 比、 水泥品种、 水泥用量、 矿物掺合料、 外加剂、 砂率、 骨料、 养护条件 收稿 日期 :2 0 1 1 _ J 0 8 3 等。 本试验利用平板法约束试验, 研究自然环境下不同水胶比, 大掺 量粉煤灰以及聚丙烯纤维对海工高性能混凝土早期开裂的影响。 1 试验材料及 试验 方案 1 . 1 试验 材料 水泥( C) : 普通硅酸盐水泥 P O 4 2 . 5 R级 ; 细集料( S ) : 河 砂 , 细度模数 2 . 7 ; 粗集料( G) : 碎石, 粒径 5 ~ 2 5 I n m, 连续级配 ; 粉煤灰( F A) : 丹东某电厂产 I 级粉煤灰; 减水剂 : 聚羧酸高效减 水剂 ; 聚丙烯纤维 : 辽宁巨欣丝状纤维 1 、 2 号。 1 . 2试验 方 案 1 . 2 . 1 配合比设计 配合比设计参考青岛海湾大桥配合比设计, 设计 C 4 0 高性能 混凝土, 根据坍落度要求调整减水剂用量, 坍落度范围( 1 8 2 ) c m。 F 1 、 F 2 、 F 3 分别为粉煤灰取代水泥量 3 0 %、 4 5 %、 6 0 %; P 1 、 P 2 、 P 3 聚丙烯纤维为辽宁巨欣丝状纤维 1 号 , 掺量分别为 0 . 6 、 0 . 9 、 1 . 2 k g / m3 , P 4为辽宁巨欣丝状纤维 2号, 掺量为 0 . 9 k g / m ; F 1 P 4 、 F 2 P 4为双掺纤维和粉煤灰 , 纤维均为 2号, 掺量为 0 . 9 k g / m3 , 粉煤灰取代水泥量分别为 3 0 %、 4 5 %。具体配合比见表 1 。 1 . 2 . 2 平板开裂试验 参照我国 C E C S 1 3 : 2 0 0 9 ( 纤维混凝土试验方法标准》 [2 】 , 试 验装置如图 1 所示, 图2为试验基准混凝土J 3 2 4h开裂效果图。 本试验所有试件均采用 自 然环境下养护, 环境温度( 2 0 ~ 5 ) ℃, 相对湿度不大于 6 0 %, 试件成型后即开始暴露试验, 分别在 3 、 6 、 1 2 、 2 4 h时观测裂缝的数量、 长度和宽度。 2 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 配合比 编号 材料用量 / ( k e / m ) 减水剂 水胶比水水泥 粉煤灰聚丙烯纤维石子砂子 / % 注: 减水剂表示掺量占胶凝材料总量的百分比。 图 1 早期开裂试验模 板 图 2 J 3 2 4 h开裂效果图 2 试验 结果与分析 2 . 1 抗压强度分析 各配合比混凝土不同龄期的抗压强度如图 3 。 4 编 号 图 3 各配合比不同龄期下抗压强度 从图 3中可以看出, 粉煤灰和聚丙烯纤维的掺人均在一定 程度降低混凝土的抗压强度, 在早期更为明显。 7 d 抗压强度 , F 1 、 F 2 、 F 3较 J 3分别降低 3 6 %、 4 9 %、 6 4 %。 2 8 d抗压强度, F 1 、 F 2 、 F 3较 J 3分别降低 1 0 %、 2 5 %、 4 1 %, 而较 7 d抗压强度, 分别增 长 4 7 %、 5 7 %、 7 0 %, 此时J 3较 7 d 抗压强度仅仅增长 6 %。 由此 可见, 在没有任何激发措施时, 粉煤灰在早期仅仅充当细集料 26 作用 , 几乎不参与水化反应, 对强度几乎没有贡献, 随着时间的 推移 , 水泥水化产物为粉煤灰提供了良好的碱性环境, 此阶段 粉煤灰火山灰活性得以激发, 对混凝土强度做出很大贡献。 7 d 抗压强度, P 1 、 P 2 、 P 3 、 P 4较 J 3分别降低 2 6 %、 2 3 %、 2 5 %、 2 1 %, 2 8 d 抗压强度 , P 1 、 P 2 、 P 3 、 P 4 较 J 3 分别降低 1 5 %、 1 3 %、 8 %、 1 O %, 而较 7 d抗压强度, 分别增长 2 2 %、 2 0 %、 3 0 %、 2 2 %。 由此 可见聚丙烯纤维的加入降低了混凝土的抗压强度, 由于聚丙烯 纤维细度高, 比表面积大, 即使掺量较低 , 也能在混凝土中获得 很大的纤维一 基体界面。 由于聚丙烯纤维的不亲水性, 纤维一 基体 界面往往具有比基材更高的水灰比, 使聚丙烯纤维一 基体界面效 应呈弱界面效应 , 导致混凝土的孔隙率增大 , 对混凝土强度不 利[3 J 。 F 1 P 4 、 F 2 P 4对强度的影响和 F 1 、 F 2相似, 从双掺试验结果 分析, 对于掺人粉煤灰的混凝土, 纤维的加入对强度影响不大。 2 . 2 开裂结果与分析 参照 C E C S 1 3 : 2 0 0 9 ( 纤维混凝土结构技术规程》 中推荐的 混凝土( 砂浆) 早期抗裂性试验评价方法进行计算。 表 2 阻裂效能等级评定标准 抗裂性能等级 评定标准 对于无掺合料和聚丙烯纤维的混凝土, 3种水灰比裂缝出 现的规律是一致的, 最先在平板 中部出现一条, 随即发展成一 条上下贯通或是环形贯通主裂缝 , 这条主裂缝可以很好的释放 收缩应力, 其后出现的裂缝大都顺着周边约束螺栓方向向着板 内延伸 , 从表 3中可以看出 J 3主裂缝较宽, 释放掉较多应力 , 表现为裂缝总条数有所减少。 随着水灰比减少 , 裂缝总面积明显 变大, 且裂缝宽度也变大。 这是因为随着水灰比降低, 胶凝材料 用量增大, 水化后胶体间距离减小, 从微观角度看, 胶体颗粒间 作用力更强 , 水化产物容易相互搭接形成空间网络结构 , 低水 灰比混凝土早期弹性模量以及强度发展较快, 而此时当混凝土 表面水分蒸发速率大于混凝土内部泌水速率, 混凝土表面出现 塑性裂缝 , 弹性模量越大 , 收缩应力越大, 开裂越明显, 且水灰 比越低, 裂缝出现的时间越早。 对于掺入粉煤灰的混凝土, 无论是裂缝总面积还是裂缝最 大宽度都有所降低, 但 3 0 % 粉煤灰取代水泥混凝土减裂效果不 理想。 3 种掺量粉煤灰混凝土裂缝均未贯通 , 平板中部裂缝分布 规律性不强, 四周裂缝大都顺着约束螺栓向内部发展。 掺入粉煤 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 灰后 , 一方面水泥用量相应降低, 早期水化热降低, 减少了混凝 土表面水分蒸发速率; 另一方面粉煤灰的火山灰活性主要表现 在后期 , 早期几乎仅仅起微细集料填充作用, 大掺量粉煤灰早 期弹性模量和强度增长较慢, 弹性模量较低的粉煤灰混凝土在 一 定收缩量下收缩应力小, 开裂程度也减小。 从表 3中可以看出, 抑制开裂的效果和粉煤灰掺量不成正比。 由聚丙烯短纤维本身的物理特性可知, 即使很少 的掺量 ( O . 9 k g / m3 ) , 每立方米也将含有高达数亿根聚丙烯纤维 , 这些均 匀分散的纤维互相搭接形成空间网状撑托系统, 可以有效减少 骨料下沉, 封锁泌水通道 , 提高黏聚性和保水性, 从而减少裂缝 的产生。 从平板开裂试验可以看出, 掺入聚丙烯纤维后, 四周约 束产生的顺螺栓方向的裂缝大大减少。 笔者认为乱向分布的聚 丙烯纤维起着微细配筋的作用 , 可以减少螺栓处约束应力集中, 消耗掉开裂产生的能量。 1 号聚丙烯纤维抗裂效果不理想 , 掺量 为 1 . 2 k g / m, 才达到二级抗裂, 2号聚丙烯纤维阻裂效果较好 。 为此追加两组双掺试验, 取得不错的效果。 3结 论 ( 1 ) 一定范围内, 随着水灰比降低, 裂缝明显加剧。 ( 2 ) 大掺量粉煤灰可以很好的抑制裂缝, 但抑制开裂效果 与掺量不成正比。 ( 3 ) 聚丙烯纤维在混凝土中呈三维乱向分布 , 有效减少骨 料下沉 , 封锁泌水通道, 其在减少钢筋约束产生的裂缝方面效 果显著。 ( 4 ) 聚丙烯纤维和粉煤灰双掺减裂效果较好 , 具有叠加减 裂作用。 参考文献: 【 1 ]AL T O UB A T S A, C R E E P D A L . S h r i n k a g e a n d c r a c k i n g o f r e s t r a i n e d c o n c r e t e a t e a r l y a g e [ J ] . A C I Ma t e ri a l s J o u rna l , 2 0 0 1 , 9 8 ( 4 ) : 3 2 3 — 3 3 1 . 【 2 】 C E C S 1 3 : 2 0 0 9 , 纤维混凝土试验方法标准【 s 】 . [ 3 ] 张云莲, 周宏凯, 等. 高性能掺合料改善聚丙烯纤维海工混凝土性能 的研究【 J 】 . 水利水电技术, 2 0 0 5 , 3 6 ( I 1 ) : 9 0 — 9 2 . 作者简 介: 联 系地址 联 系电话 任慧g ~ ( 1 9 7 3 一 ) , 男, 副教授 , 硕士生导师, 主要研究方向 高性能混凝土的早期开裂。 大连理工大学建设工程学部四号楼3 0 3 室( 1 1 6 0 2 4 ) 1 3 9 9 8 5 6 3 45 0 c 国圆 全球 工程机械行业的重, L q m速向中国转移 随着全球工程机械行业的重心加速向中国转移, 海外并购已成为中国企业国际化的最重要手段。 2 0 0 5 年, 全球工程机械行业前 1 0 名中没有中国企业, 前 5 0 名中有 3 家中国企业; 2 0 1 1 年, 前 1 0名中有 3 家中国企业, 前 5 0名中 有 1 1 家中国企业。 从 2 0 0 5年到 2 0 1 1 年, 全球工程机械行业 5 0强排名的一个重要趋势是 , 除卡特彼勒、 沃尔沃、 利勃海尔等少数老牌强手外, 欧 美企业排名普遍下降, 而中国企业的发展却呈井喷态势。在这一过程中, 海外并购正越来越多地为中国工程机械公司所使用。 就在 1 月 3 1日三一重工收购普茨迈斯特发布会的当天, 国内另一行业巨头柳工( 0 0 0 5 2 8 . s z) 发布公告 , 宣布以 3 . 3 5 亿元人民 币并购波兰 HS W 公司工程机械业务单元。 与此同时, 徐工机械正在和德国施维英( s c Hw G) 洽谈并购事宜。 . 算上 2 0 0 8 年中联重科并购意大利 C I F A, 国内工程机械四强无一例外地启动了海外并购。 在工程机械的分支混凝土机械领域, 普茨迈斯特是公认的第一品牌, 紧随其后的则是施维英和 C I F A. 如果徐工机械收购施维英 成功, 那么该领域的前三强就悉数归于中国企业。 这轮“ 改变全球工程机械行业竞争格局” 的并购大潮发端于 2 0 0 8 年金融危机之前, 加速于金融危机之后 , 站在潮头的是中资企 业, 大潮背后 , 是全球工程机械行业的重心加速向中国转移。 金融危机发生后, 普茨迈斯特等传统巨头的收入和利润逐年下滑 , 颓势难止。反观中资企业, 由于政府实施了若干拉动行业发 展的政策, 直接刺激了国内工程机械行业的快速发展。此消彼长之间, 中资企业在国际市场强势崛起。 2 0 0 8 年之前, 对大多数国内机械企业而言, 去做海外并购这种事想都不敢想。 转折发生于 2 0 0 8 年全球金融危机之后。 这为三一 等本土企业去海外“ 抄底” 提供了难得的机会, “ 学生” 与“ 老师” 之间的地位出现了颠覆性变化。 以普茨迈斯特为例, 该公司 2 0 0 7 年营业收入为 1 O 亿欧元, 此后逐年下降, 2 0 1 0 年已跌至 5 . 5 亿欧元, 净利润约为 1 5 0 万欧元。 与之相反, 三一重工 2 0 0 7年营收为 8 3 .6亿元人民币, 2 0 1 0年为 3 3 9 . 5 亿元人民币, 净利润 6 0 亿元。类似此消彼长的变化也发生于 施维英与徐工机械、 C I F A与中联重科、 HS W 与柳工之间。 一 面是深受金融危机重创的欧美公司, 一面是在 4万亿元投资刺激下飞速发展的中国公司, 全球工程机械行业原有的市场格 局被打破。2 0 0 6 年, 普茨迈斯特在全球混凝土机械的市场份额排名第一 , 约为 2 1 . 5 %, 施维英排名第二, 约为 1 5 %; 当时中国混凝土 机械市场规模还不值一提, 三一重工混凝土机械约占全球市场份额 8 %, 中联重科占5 %. 到 2 0 0 9年, 三一重工已超越普茨迈斯特成 为全球混凝土机械市场年销售额的冠军, 2 0 1 0年三一重工蝉联冠军, 中联重科则追上了普茨迈斯特, 施维英掉到了第四。 2 0 1 1 年, 中国工程机械业的营业收入同比增长 1 7 %, 达 5 0 0 0 亿元左右, 出口额更是突破 1 5 0 亿美元 , 创历史最高水平。 但 目前 国内工程机械企业的国际化程度并不高。2 0 1 1 年上半年, 徐工机械海外收入占总销售额的 1 3 .9 %, 柳工为9 %, 中联重科为 4 . 2 %, 三 一 重工为 3 .8 9 %。 自 普茨迈斯特出售的消息在业内传出后, 三一重工、 中联重科、 徐工机械等国内巨头均有意竞购, 但大家都清楚 , 这种“ 买回来 就能改变行业格局” 的机会并不多。 目前国内工程机械巨头无不将“ 海外扩张” 视为核心战略。从备受瞩目的中联重科收购 C I F A, 到三一重工收购普茨迈斯特; 从 徐工另辟蹊径加速收购海外研发机构, 到柳工“ 安营扎寨” 8 0国, 无不显示出本土企业与国际品牌同台竞技的决心。 27 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m
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