耐久混凝土抗压强度及其影响因素分析.pdf

2 0 1 0 年 第 1期 (总 第 2 4 3 期 ) Nu mb e r I i n 2 0 1 O ( T o t a I No 2 4 3) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORET I CAL RES EARC H d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 O 1 0 1 1 耐久混凝土抗压强度及其影响因素分析 郑学斌 ，周欣竹 ，陈春雷b ( 浙江工业大学 a 建筑规划设计研究院；b 建筑工程学院，浙江 杭州 3 1 0 0 1 4 ) 摘l g - 海洋环境中混凝土耐久性 和抗压强度是结构设计需要考虑的两个重要方面。 通过试验研究了耐 久混凝土抗压强度 的变化规律 ， 基于试验结果 ， 定量 分析了龄期 、 水胶 比 、 粉煤灰掺量 、 骨料级配 、 最大骨料直径和掺耐蚀剂对耐久混凝土抗压强度的影响 ， 获得了一些结 论 ， 为海洋环境钢筋混凝土结构耐久性设计提供理论依据 。 关键词： 耐久混凝 土 ；抗压强度 ；影响因素 ；钢筋混凝土结构耐久性设计 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 0 ) 0 1 0 0 3 0 0 3 Compr e s s i ve s t r e ng t h o f dur a bl e C on c r e t e a nd a na l ys i s of i n f l ue n ci ng f a c t or s ZHENGX u e b i n , Z HOU Xi n - z hu ， C HEN C hu n l e i ( a Ar c h i t e c t ural a n d P l a n n i n g De s i g n a n d Re s e a r c h I ns t i tut e； b S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g a n dA r c h i t e c t u r e ， Z h e j i a n gU n iv e r s i t yo f T e c h n o l o g y ， Ha n g z h o u 3 1 0 0 1 4， C h i n a ) Abs t r a c t ：Th e d u r a bi l it y a n d c o mp r e s s i v e s tre n g th o f c o n c r e t e l o c a t e d i n a c o s t a l e n v i r o n me n t a r e t wo i mp o r t a n t a s p e c t s t h a t n e e d t o b e c o n s i d e r e d i n t h e d e s i g n o f s t r u c t u r e s Th e v a ri a t i o n c h a rac t e r i s t i c s o f t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f d u r a b l e c o n c r e t e are s t ud i e d b y e x p e rim e n t Ba s e d o n t h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s ， th e e ff e c t s o ft h e c u rin g a g e ， wa t e r b i n d e r r a t i o， fl y a s h c o n t e n t ， a g g r e g a t e gr a d a t i o n， ma x i mu m a g g r e g a t e d i a me t e r ， a n d a d d i t i o n o f an t i - c o r r o s i o n p r o d u c t s o n t h e c o mp r e s s i v e s ge n gth o fd u r a bl e c o n c r e t e a r e e v a l u a t e d i n a q u ant i t i v e ma n ue r S o me u s e f ul c o n c l u s i o n s a r e d r a wn， wh i c h c a n p r o v i d e t he o r e t i c a 1 e v i d e n c e f o r t h e d u r a b i l i ty d e s i g n o f s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t ruc tu r e s 1 o e a t e d i n a c o s t a 1 e n v i r o n me n t Ke ywor ds ： d u r a b l e c o n c r e t e； c o mp r e s s i v e s t r e n g t h； i n fl u e n c i n gf a c t o r ； d u r a b i l i ty d e s i gn o f s t e e l r e i n f o r c e d c o n c ret e s t r u c t ur e 0 引言 工程实践和实验室试验均表明， 海洋环境中的钢筋混凝士 结构易受海水 中的氯离子侵蚀 ， 引发钢筋锈蚀 ， 导致 表面混凝 土开裂和剥落 ， 甚至结 构早期破 坏。为确保钢筋混凝土结构的 耐久性 ， 需要采取各种有效措施缓解氯离子侵蚀。目前， 有效措 施主要包括 ： 耐久性基本措施 和耐久性附加措施 。 耐久性基本 措施是通过混凝土材料和结构的优化设计 ， 最大限度地降低混 凝土本身的渗透性 ， 以限制周 围环境的氯离子侵入到混凝土中， 预防钢筋锈蚀和混凝土结构早期破坏 ， 如降低水胶比、 适当优 化骨料级配 、 采用 高强 度等级优质水泥 、 掺入 定量的矿物掺 合料等。耐久性 附加措施是指另外增加的其他措施 ， 如混凝土 表面涂覆防腐涂料等。因此， 除了通过试验来确定各种因素对 混凝土氯离子扩散系数的影响外， 还需要量化各因素对混凝土 抗压强度的影响。目前， 国内外学者在此方面已经做了一些工 作， B o u z o u b a a 等人和鲁丽华等人研究了粉煤灰掺量对混凝土 强度的影响 ； 在掺加硅粉的情况下 ， R a o分析了水胶比对混 凝土抗压强度的影响 ； Ki m等人讨论了温度和龄期对混凝土 抗压强度的影响。 但是， 骨料级配、 最大骨料直径和耐蚀剂对混 凝土抗压强度影响的研究目前还不多见。为此， 本文在前人工 作的基础上， 通过试验系统地研究了龄期、 水胶比、 粉煤灰掺量、 骨料级 配 、 最大骨料直径 和掺耐蚀剂对耐久性混凝土抗压强度 收稿 日期 ：2 0 0 9 - 0 8 一 l l 基金项 目：国家 自然科学基金( 5 0 8 7 8 1 9 6) 30 的影响， 所得结论可为海洋环境钢筋混凝土结构耐久性设计提 供参考。 1 试验材料 和混凝 土配合 比设计 本试验采用钱潮水泥厂生产的P O 4 2 5级水泥。 粗细骨料 分别采用富勒和等体积级配 ， 采用震击式两用振摆筛选机及 手工筛对骨料进行筛分， 最小骨料直径为0 1 5 mm， 最大骨料直径 分别为 1 6 、 1 9 mi l l 和 2 6 5 IT lI n ， 粗骨料表观密度为 2 7 7 6 k g m ， 吸水率为 0 9 2 ， 细骨料表观密度为 2 6 2 0 k g m ， 吸水率为 1 6 。 采用杭州博能热电有限公司生产的 I I 级粉煤灰， 其表观密度为 2 1 8 0 k g m ， 比表面积 为 7 2 0 m V k g ， 含水率 为 O 1 5 。所 用的 F MA H抗渗耐蚀剂由杭州三狮公司生产 ， 表观密度为 2 6 2 0 k g m， ， 比表面积为 4 2 0 m2 k g ， 含水率为 3 。 采用杭州建筑构件公司外 加剂厂生产的 S N I I 高效减水剂。 混凝土拌和和养护用水均为 自来水 ， p H值为 6 5 。 在混凝土配合比设计中主要考虑 3种不同的水胶比、 3种 不同掺量的粉煤灰、 单一掺量的耐蚀剂 、 两种骨料级配和 3种 不同的最大骨料直径， 具体如表 1 所示。 混凝土试件浇筑成立方体， 其尺寸为 1 0 0 t n mx 1 0 0 m mx 1 0 0 n l i n 。 试件浇筑 l d后脱模 、 编号， 脱模后的试件放在温度为 ( 2 0 + 2 ) 、 相对湿度为 9 0 的养护室中养护， 试件养护时间分 别 2 8 d和 9 0 d ， 养护结束后进行抗压强度试验。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 各种混凝土的配合 比设计 2 抗压强度 测定和试验 结果分析 混凝土抗压强度按式( 1 ) 计算 ： f - - 0 9 5 F ( 1 ) 式中： 广一 混凝土立方体抗压强度( 简称为抗压强度 ) ； 一 试件的破坏荷载 ； A 试件 的承压面积 ； 0 9 5 尺寸换算系数。 配合比编号为 l 、 2和3的试样各做了两组， 一组龄期为2 8 d ， 另一组龄期为 9 0 d ， 其结果如图 1 所示 。由图 1 可见 ， 对于给定 的龄期 ， 混凝土抗 压强度均 随着 水胶 比的增 大而减小 ， 当水 胶 比从 0 4增大到 0 6时 ， 龄期 为 2 8 d和 9 0 d混凝土 的抗压强度 分别减小 3 6 和 3 4 ， 这是因为水灰比越大， 总孑 L 隙率( 包括凝 胶孑 L 和毛细孔) 越大， 混凝土抗压强度越低， 这符合 Ab r a ms 定 律-7 1 。从图 1 也可以看出， 对于给定的水胶 比， 混凝土抗压强度 随着龄期的增长而增大， 当龄期从 2 8 d增长到 9 0 d时， 水胶比 为 0 , 4 、 0 5和 0 6混凝土的抗压 强度分别增大 1 2 、 1 9 和 1 6 ， 主要是因为混凝土总孔隙率随着龄期的增长而不断减小的 缘故， 而且随着水化反应的进行 ， 混凝土中的自由水不断减小， 水化反应速率降低， 因而混凝土后期强度发展比较缓慢。 水胶 比 图 1 水胶 比和龄期对抗压强度的影响 配合比编号为 4 、 5和 6的试样主要是用来分析粉煤灰掺 量对混凝土抗压强度的影响， 其结果如图2所示。由图2可见， 与普通混凝土相比， 掺加粉煤灰使得混凝土抗压强度减小 ， 而 且随着粉煤灰掺量的增大， 抗压强度不断减小。如掺加 2 0 粉 煤灰时 ， 2 8 d的抗压强度为普通混凝土抗压强度的 9 3 ， 9 0 d 的抗压强度为普通混凝土抗压强度的 9 6 ； 掺加 4 0 粉煤灰时， 2 8 d的抗压强度为普通混凝土抗压强度的 7 7 2 ， 9 0 d的抗压 强度为普通混凝土抗压强度的 8 4 。由于粉煤灰取代部分水泥 后 ， 拌合料的活性降低 ， 水化反应速率降低 ， 但随着龄期的增 长， 后期强度均有较大的提高 ， 因为在混凝土硬化的过程中， 水 泥熟料矿物的水化反应在先 ， 粉煤灰 的二次水化反应在后 ， 水化 反应初期 ， 水胶 比较高， 绝大部分水泥水化有充足的 自由水供 应， 使得不掺粉煤灰混凝土的密实度比掺粉煤灰混凝土的密实 度高8 】 。 但到了后期， 水泥熟料的水化反应的产物之一氢氧化钙 不断侵蚀粉煤灰玻璃微珠的致密表层 ， 粉煤灰由外向内逐渐水 化 ， 再加上粉煤灰的火山灰和微集料填充效应 ， 使得掺粉煤灰 混凝土的后期 强度有所提高 。 粉煤 灰掺量 ， 图 2 粉煤灰掺量对抗压强度的影 响 配合 比编号为 2 、 7 、 8和 9的试样主要研究最大骨料直径 和骨料级配对混凝土抗压强度的影响， 试验结果如图 3和图4 所示。由图 3 可见， 当最大骨料直径从 1 6 I T U T I 增大到 1 9IT I I I 1 时 ， 2 8 d和 9 0 d的混凝土抗压 强度分别增大 9 6 和 1 1 ； 而当最 大骨料直径从 1 6 1 T I I I 1 增大到 2 6 5 m m时， 2 8 d和 9 0 d的混凝 土抗 压强度分别减小 2 1 和 3 9 。 一方面 ， 理论分析和计算机 模拟已经证实， 普通混凝土中骨料与水泥石基体之间存在高孔 隙率的界面层柳， 是混凝土中最薄弱的环节， 界面体积百分数随 着最大骨料直径的增大而减小， 因而混凝土抗压强度随着最大 骨料直径的增大而增大。另一方面， 混凝土中还存在着骨料分布 的边壁效应6 1 ， 最大骨料直径越大， 边壁效应越明显 ， 混凝土抗 压强度越低。因此， 当前一种效应大于后一种效应时， 混凝土抗 压强度随着最大骨料直径的增大而增大； 当后一种效应大于前 一 种效应时， 混凝土抗压强度随着最大骨料直径的增大而减小； 当前一种效应与后一种效应相等时， 混凝土抗压强度达到最大 值。由图 4可见， 用等体积级配骨料配制混凝土的抗压强度明 显低于用富勒级配骨料配制混凝土的抗压强度 ， 当龄期为 2 8 d 和9 0 d 时， 分别降低 3 9 和 2 9 。这是由于在最大骨料直径相 等的前提下， 等体积级配骨料中包含更多的小尺寸骨料， 导致 更大的界面体积百分数。 31 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 60 50 至 4 0 美 3 o 20 1 0 最 大骨料直 径 ram 图 3 最大骨料直径对抗压 强度的影响 水灰 比 图 5 掺耐蚀剂对抗压强度的影响 3结 论 ( 1 ) 混凝 土抗 压强度随着水胶 比的增 大而减小 ， 但随着龄 期的延长而增大。 ( 2 ) 对 于给定 的水胶 比， 混凝土抗压强度先 随着最大骨料 直径的增大而增大， 达到最大值后再随着最大骨料直径的增大 而减小 ； 骨料级配对混凝土抗压强度 的影响较大。 ( 3 ) 掺加粉煤灰会降低混凝土抗压强度， 而且降低程度随 着粉煤灰掺量的增加而增大； 掺耐蚀剂基本不会降低混凝士抗 压强 度 参考文献 ： 1 张宝胜， 干伟忠， 陈涛 杭州湾跨海大桥混凝土结构耐久性解决方 案【 J 土木工程学报， 2 0 0 6 ， 3 9 ( 6 ) ： 7 2 7 7 2 B O U Z O UB AA N， Z HE NG M H， MA L HO T R A V M L a b o r a t o r y p r o d u c e d h 培h v u me fl y a s h b l e n d e d c e m e s c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n d r e s i s - t a n e e t o t h e c h l o r i d e i o n p e n e t r a t i o n o f c o n c r e t e ：阴C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h， 2 0 0 0， 3 0 ( 7 )： 1 0 3 7 一 l 0 4 6 3 】鲁丽华 ， 潘桂生 ， 陈四利 ， 等 不 同掺量粉煤灰混 凝土的强度试验 沈阳工业大学学报， 2 0 0 9 ， 3 1 ( 1 ) ： 1 0 7 1 1 1 4 】R A O G A R o l e o f w a t e r b i n d e r r a t i o o n t h e s t n gth d e v e l o p me n t i n mo n ks i n c o r p o r a t e d w i t h s i l i c a f u me J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 1 ， 3 1 ( 3 ) ： 4 4 3 4 4 7 5 K I M J K， MO O N Y H， E O S H C o m p r e s s i v e s t r e n g t h d e v e l o p m e n t o f c o n c r e t e w i t h d i f f e r e n t c u r i n g t i me a n d t e mp e r a t u r e 啪 C e m e n t a n d C o n - c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 8 ， 2 8 ( 1 2 ) ： 1 7 6 1 1 7 7 3 【 6 】Z H E N G J i a n - j n n ， L I C h u n q i n g T h r e e d i m e n s i o n a l a g g r e g a t e d e n s i t y i n c o n c r e t e w i t h w a l l e f f e c t 叨 A C I Ma t e r i a l s J o u r n a l ， 2 0 0 2 ， 9 9 ( 6 ) ： 5 6 8 5 7 5 。 7 】N E V I L L E A M， B R O O K S J J C o n c r e t e t e c h n o l o g y M E s s e x ： L o n g m a n S c i e n t i fic T e c h n i c a l ， 1 9 8 7 8 罗季英， 冷发光 ， 冯乃谦 ， 等 粉煤灰掺量对高性能混凝土强度和耐 久性的影响 J 1 _ 中国建材科技 ， 2 0 0 1 ( 3 )： 1 5 1 8 【 9 Z H E N G J i a n - j u n ， L I C h u n - q i n g ， Z HO U X i n z h u T h i c k n e s s o f i n t e r f a c i a l t r a n s i t i o n z o n e a n d c e me n t c o n t e n t p r o fi l e s a r o u n d a g g r e g a t e s J Ma g a z i n e o f C o n c r e t e R e s e a r c h， 2 0 0 5 ， 5 7 ( 7 ) ： 3 9 7 4 0 6 作者简介 ： 单位地址： 联系电话： 郑学斌( 1 9 6 4 一 ) ， 男， 高级工程师， 研究方向为钢筋混凝土 结构。 杭州市浙江 工业大学建筑规划设计研究院( 3 1 0 0 1 4 ) 1 3 9 5 7l 3 3 4 36 藿 趸 翟疆 湖南 省 混 凝土 机 械工 程 技术 研究中 心落 户三 一 近 日， 湖南省科技厅作 出批复 ， 同意以三一重工股份有 限公 司为依托单位 ， 组建湖南省混凝土机械工程技术研究 中心 ， 并列入 2 0 0 9年度湖南省工程技术研究中心组建计划。三一重工由此又添一项省级科技创新平台， 将获得资金和政策等支持。 三一重工拥有世界领先的混凝土机械研发及生产能力， 在混凝土机械领域打造了国际知名的“ 三一” 品牌。目前， 三一重工专门 从事混凝土机械研究开发的人员超过 6 0 0 人， 其中 5 0 以上具有博士或硕士学历， 拥有以易小刚为代表的一大批混凝土机械顶级 技术专家。 在混凝土机械领域， 三一先后承担国家 8 6 3 计划、 国家重大装备研制项目等国家级课题 1 0项， 获得包括国家科技进步奖在内的 各级科技奖励 5 0余项， 专利申请量和拥有量居国内同行业首位。产品先后荣获“ 中国驰名商标、 全国免检产品、 中国名牌产品、 国家 自主创新产品” 等称号。 三一拖泵被誉为“ 中国泵王” ， 多次创造混凝土泵送高度世界纪录。 t 昆 凝土泵车全面取代进口， 连续多年产销 量居全球第一。 三一重工申报的湖南省混凝土机械工程技术研究中心先后通过湖南省科技厅组织的前期调研 、 专家技术评审和综合评审， 并最 终获批组建。研究中心的建设期为2年， 组建完成后， 湖南省科技厅将组织专家评估验收， 合格后再予以正式挂牌。 湖南省混凝土机械工程技术研究中心的组建， 将加快三一混凝土机械自主创新的步伐， 加快制约行业发展的瓶颈问题的解决， 形成更多的自主知识产权。同时， 也将进一步促进湖南省工程机械整体实力和经济效益的提升。 3 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m