大掺量矿物掺合料混凝土的干燥收缩与数学模型.pdf

第 2 5卷第 2期 2 0 0 8年 6月 华 中 科技大学学报( 城市科学版 ) J o f HUS T( Ur b a n S c i e n c e Ed i t i o n ) Vo 1 2 5 No 2 J u n 2 0 0 8 大掺 量矿 物掺 合料混凝 土 的干燥收缩与数学模 型 白 康， 余红发， 郝 娟， 曹文涛， 周 鹏， 韩丽娟 ( 南 京航空航天大学 土木工程系 ，江苏 南京 2 1 0 0 1 6 ) 摘要 ： 本 文研究了矿物掺合料 和膨胀剂对混凝 土干燥 收缩的影响 。结果表 明 在低水胶 比等量取代 5 5 水泥 的情况下 ， 单掺 矿渣 时混凝土 的干燥收缩 值最小 ， 双掺矿渣 和粉煤灰时 混凝 土干燥 收缩值略有 增加 ， 复合 掺加 硅灰时将显著增大 混凝 土的干燥收缩 ， 复合掺加膨胀 剂有 利于降低干燥收缩值 。此外 ， 建立 了大掺量矿 物掺合 料混凝土干燥收缩 的复合指 数函数模型 ， 该模型与实测值 非常吻合 。 关键词 ： 混凝 土 ； 矿物掺合 料； 干燥 收缩 ； 数学模 型 中图分类号 ： T U5 2 8 ； T U5 0 2 6 文献 标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 7 0 3 7 ( 2 0 0 8 ) 0 2 0 0 3 9 0 3 混凝 土收 缩及 其 引起 的开裂 问题 一 直是 国内 外研究 的 重点 和难 点 。矿物 掺合 料 已经 成 为配 置 高性能混凝土的必要条件。但是大掺量矿物掺合 料 混凝 土 的干燥 收缩 变形 较 大 ， 从 而 导致 混 凝 土 结 构开裂 ， 严重 影 响工程 结构 的安全 性 和耐久 性L 1 。 “ 矿物掺合料” 一词在工程界已经替代原先 的“ 工业废渣” 而被广泛接受， 但大量研究工作仍 停 留在宏 观表 象层 面 ， 未 能形 成 明确 的结论 ， 从 而 制约了矿物掺合料在工程实践 中的进一步推广应 用 。研究 表 明 3 卅 ： 矿渣 ( S l a g ， S G) 水 泥混 凝 土 的 干燥收缩是普通水泥混凝土的 1 6 2 1 倍 ； 掺加 5 1 O 硅灰 ( S i l i c a f u me ， S F) 或 3 O 粉煤 灰 ( F l y a s h ， F A) 将 增 大 混凝 土 的干 燥 收 缩 ； 对 于 掺 加 1 O 1 5 的 S F的 混 凝 土 ， 其 干燥 收缩 稳 定 期 比较 长 。本文 研究 了矿物 掺合 料 和膨 胀 剂的 复 掺技术对混凝 土干燥 收缩的影响规律， 并在现有 的 混凝 土 干燥 收缩 数 学 模 型 的 基 础 上 ， 优 化 出 描 述 混凝 土 干燥 收缩 的新 模 型 ， 该 模 型 与 大 掺 量 矿 物掺合料混凝土的干燥收缩实测值 吻合 良好 。 1 试验 1 1原材 料 ( 1 ) 胶凝 材 料 ： 嘉 新京 阳水 泥 股份 有 限公 司生 产 的 P 5 2 5 R 硅 酸 盐 水 泥， 其 初 凝 时 间 为 l h 4 8 mi n ， 终 凝 时 间 为 2 h 3 8 mi n ， 3 d和 2 8 d抗 折 强度分别为 6 0和 9 2 MP a ， 3 d和 2 8 d抗压强 度分别为 2 7 8和 5 5 7 MP a ； 镇 江产风选 I 级粉 煤灰 ， 其细度 ( O 0 8 mm 筛余率) 为 6 8 ， 需水量 比 9 3 ； 埃肯 国际 贸易 ( 上 海 ) 有 限公 司 提供 的埃 肯牌硅灰 ， 平均粒径为 0 2 b t m； 江苏江南粉磨公 司的 $ 9 5 级磨细矿渣， 比表面积 4 6 1 m。 k g ； 安徽 巢 湖 速 凝 剂 总厂 生产 的 铝酸 盐 混 凝 土膨 胀 剂 ( Al u mi n a t e E x p a n s i v e Ag e n t ， AE A) ， 是 以高 铝 水泥熟料与明矾石、 无水石膏共同粉磨而成 ， 其膨 胀源为钙矾石 ， 膨胀能高， 膨胀稳定 。原材料的化 学成分参见表 1 。 表 1 原料 的化学成分 ( w t) 收稿 日期 ： 2 0 0 8 一 O 1 2 5 作者简介 ：自康 ( 1 9 8 2 一 ) 男， 山东淄博人 ， 硕士研究生 研究方 向为混凝 土耐 久性， b a i k a n g O 1 1 1 6 3 c o m。 基金项 目：国家 自然科 学基 金 ( 5 0 1 7 8 0 4 4 ) ； 江苏省 自然科学基金前期预研项 目( B K2 0 0 5 2 1 6 ) 维普资讯 。4 O 华中科技大学学报 ( 城市科学版 ) ( 2 ) 骨料： 南京六合产玄武岩碎石 ， 最大粒径 1 0 mm， 表 观 密 度 2 8 2 0 k g m。 ， 堆 积 密 度 1 4 3 5 k g m。 ， 含 泥 量 0 3 ， 针 片状 颗 粒 含 量 1 1 4 oA ， 压 碎指 标 6 ， 基 本 属 于 5 1 0 mm 连续 级 配 ； 南 京产黄砂 ， 表观密度 2 5 0 0 k g m。 ， 堆积密度1 6 1 5 k g m。 ， 含泥量 1 0 ， 细度模数 2 7 2 ， 属 于 区 级配 ， 中砂 。 ( 3 ) 高效外加剂 ： 上 海华登外加剂厂生产 的 HP 4 O O R 型聚羧酸缓凝高效减水剂， 该外 加剂为 液体， 减水率 3 O 以上， 无氯离子 ， 碱含量小于减 水剂干重的 1 ； 江苏省建筑科学研究院生产 的 液体 J M一 2 0 0 0 c高效 引气剂 ， 推 荐掺量 为万分之 0 5 1 0。 ( 4 ) 水直接采用饮用水 。 1 2试验 表 2是 矿 物 掺 合 料 掺 量 达 到 5 5 的 系列 混 凝土的配合 比和力学性能。 其中， D1为三掺 ( 2 5 F A+2 5 S G+5 S F ) 的矿物掺合料混凝土 ( 掺 量 采用 质量 比 ， 下 同 ) ， D2为双 掺 ( 2 5 F A+3 O S G) 的矿物掺合料混凝土 ， D3和 D4分别为单掺 5 5 F A和 5 5 S G的矿物掺合料混凝土 ， D5是 在 D1的基础上复合掺加 1 O AE A。每组混凝土 均掺加高效减 水剂和高效 引气剂 ， 其掺量分别 占 胶凝材料总量的 1 oA和万分之 0 8 。 保持混凝土的 坍落 度在 1 0 0 2 O O mm， 水胶 比控制在 0 2 5 0 2 8 之 间 。 表 2混 凝 土 配 合 比 混 凝 土 丽 蔫 D1 2 7 0 1 5 O 1 5 O 3 0 0 6 7 6 1 1 0 4 0 2 5 7 0 6 D2 2 7 0 1 5 O 1 8 0 0 0 6 7 6 1 1 0 4 0 2 7 6 1 2 D3 27 0 33 0 0 0 0 6 7 6 11 0 4 0 2 8 5 1 3 D4 27 0 0 3 3 0 0 0 6 7 6 11 0 4 0 2 5 8 4 5 D5 21 0 1 5 O 1 5 O 3 O 6 0 6 7 6 1 1 0 4 0 2 7 7 6 4 注： HP 4 O O R 的掺量为 1 ， J M一 2 O O O c的掺量为万分之 o 8 。 按照 表 2的 配 比 ， 将 水泥 、 砂 、 石 、 外加 剂和 矿 物 掺合 料 在 搅 拌 机 中干 拌 1 rai n ， 再 加 水 湿 拌 3 mi n 。出料后测定混凝土混合料的坍落度和含气 量 ， 之 后 浇 注 、 振 动 成 型 为 带 不 锈 钢 侧 头 的 4 O mm4 0 mm1 6 0 mm棱柱体试件 。 试件的横截 面 尺 寸 与 粗 集 料 最 大 粒 径 之 比 大 于 3 ， 符合 GB J s z 一 1 9 8 5 普通 混 凝 土 长 期 性 能 和 耐久 性 试 验 方 法 标 准对 测定 混 凝 土干 燥 收缩 的试 件要求 。 成 型 后 的试件 表 面 用 塑 料 薄 膜 覆 盖 ， 采 用 保 湿养 护 ， 1 d后 拆模 、 编号 ， 标 准养护 2 d后 ， 测定试件 的初 始 长度 ， 移人 恒 温 恒湿 室 ( 温 度 2 0 C2 ， 湿 度 6 O 5 ) 观 测试 件 在 1 d， 3 d ， 5 d ， 7 d ， 1 4 d ， 2 1 d， 2 8 d， 3 5 d， 4 2 d， 6 0 d， 9 0 d， 1 2 0 d， 1 5 0 d和 1 8 0 d等干燥收缩值。测试方法遵照 G B J s e 一 1 9 8 5标 准的规定 ， 测试仪器采用 S P 一 1 7 5型立式收缩仪 ， 测量精 度 0 0 0 1 mm。 2结果与讨论 2 1 矿 物掺 合料 和 膨 胀 剂对 混 凝 土 干 燥 收缩 的 影 响 图 1是矿 物掺合 料 和膨胀 剂对 混 凝 土干燥 收 缩的影响。结果表明， 在低水胶比的条件下， 大掺 量矿 物掺 合料混 凝 土干燥 收 缩随 时 间的发 展趋 势 基 本 相 同 ， 在 7 d内 的干 燥 收 缩 发 展 非 常 迅 速 ， 7 6 0 d之 间 的干燥 收 缩增 加 速 度 放缓 ， 6 0 d之 后 趋 于 稳定 。 单掺 5 5 oAF A 的 D3的 1 8 0 d干燥 收缩 值 为 6 9 4 9 1 0 一， 单 掺 5 5 s G 的 D4的 1 8 0 d 干 燥 收 缩 值 为 4 4 6 5 1 O 一 ， 后 者 比前 者 减 小 了 3 5 7 ， 这 说 明 S G 对 混 凝 土 干 燥 收 缩 的降 低 效 果 比 F A 显 著 。对 于 双掺 ( 2 5 oAF A+ 3 0 S G) 的 D2 ， 其 1 8 0 d干燥收缩值 为 5 1 7 1 71 O 一， 介 于 D3和 D4之 间 ， 但是 D2在 2 4 O d的早期 干 燥 收 缩值 低 于 D4 ， 在 4 0 d以后 干 燥 收缩 值 略有 增 加 ， 因而其 1 8 0 d的干燥 收缩值 比 D4高出 1 5 8 ， 这说 明 F A对降低混凝 土干燥 收缩 的作 用不如 S G。对 于 三 掺 ( 2 5 F A + 2 5 oAS G+ 5 oAS F) 的 D1 ， 与 D 2相比， 混凝土组成 中仅用 5 S F取代 了 5 S G， 其 1 8 0 d干燥收缩值 比 D2增加 了 1 1 0 8 ， 高 达 1 0 9 0 1 0 一， 可见 硅 灰 显 著 地增 大 了混 凝 土的 干燥 收缩 。为 了 降低 三掺 ( 2 5 oAF A+2 5 S G+5 S F) 混凝土的干燥收缩 ， 同时进行了复掺 ( 2 5 oAF A +2 5 S G+ 5 S F+ 1 0 oAAE A) 的 D5 干燥 收缩实验 ， 发现掺加 1 O AE A 以后 ， 其 1 8 0 d干 燥 收 缩 值 降 低 到 9 1 3 1 3 1 0 一， 比 D1减 小 了 1 6 2 ， 可见膨胀剂对补偿混凝土的干燥收缩 有一定 的效果 ， 与文献 - 8 3 有 相 同的结论。根据 1 8 0 d干 燥 收缩 的测定 结 果 ， 可 以发 现 ， 单 掺 5 5 S G 的 D4和 双 掺 ( 2 5 oAF A+3 0 oAS G) D2的 混 凝 2 臻 H _ D l D2 D3 D 4 D 5 图 1 矿物掺合料和膨胀剂对 混凝土 干燥 收缩 的影 响 O O O O O O O 0 瑚 咖 啪 啪 伽 瑚 。 瑚 维普资讯 第 2 期 白 康等 ： 大掺量矿物掺 合料混凝土 的干燥 收缩与数学模型 4 1 土， 具有较小的收缩值 。 2 2 矿物 掺合 料混 凝土 的干 燥收 缩模 型 混 凝 土的 干燥 收缩模 型是 根据试 验 室测定 的 干燥收缩与龄期的数据 ， 通过 回归分析得到的数 学表达式 ， 据此可 以预测混凝土在不 同龄期 的收 缩值。黄国兴等 归纳了普通混凝土干燥收缩 的 3种 表达式 ， 分 别是 ： 双 曲线 函数 e ( f ) 一 ( 1 ) 对数 函数 e ( f ) 一n +6 l n ( t +1 ) ( 2 ) 指数 函数 e ( t ) 一 o 。 ( 1 一日 ) ( 3 ) 式 中 ， e ( t ) 为 任 意 时间 t 时刻 的收缩 变 形 ； 。 。 为 拟 合 收缩终 值 ； a和 b为试 验 常数 。现 有研 究 表 明 ， 式 ( 1 ) 适 用 于普 通混 凝 土 和轻 骨 料 混凝 土 ， 式 ( 2 ) 和式 ( 3 ) 分 别适 用 于粉煤 灰混 凝 土和 高强混 凝 土 。 对 于本文测定 的大掺量矿物掺合料混凝 土的 收缩 曲线 ， 按 照 复合 指 数 函数 1 叼 的关 系进 行 回归 拟合 ， 得到其函数表达式如下 ： e ( t ) =e ( 1 -d e 一 -c e 一 ) ( 4 ) 式 中， o 。 为拟合 收缩终值 ， a ， b ， C ， d为试验常数 ， 其参数取值见表 3 。该 式与式 ( 3 ) 的形式完全 一 致 ， 只是为了增加拟合的精度而增加 了参数。图 2 比较 了 D1 D5混凝土干燥收缩的实测值与数学 表 达式 ( 4 ) 的预 测值 ( D 1 ， D2 ，D3 ， D4 ， D5为试 验值 ； D1 ，D2 ，D3 ，D4 ，D 5 为 模 型 预 测 曲 线 ) 。 结果表明， 采用复合指数函数式( 4 ) 描述大掺 量矿物掺合料混凝土的干燥收缩和龄期之间的关 系 ， 具 有 良好 的相关 性 。 表 3大 掺 量 矿 物掺 合 料 混 凝 土 干 缩 曲线 回 归分 析 编号 。 。 Dl l 06 2 2 3 D2 51 7 6 l D3 6 9 1 2 6 D4 4 5 0 7 3 D5 8 9 4 2 9 a b c d R 0 8 2 4 3 0 1 6 03 0 1 75 6 9 5 5 5 8 7 0 99 2 0 2 7 7 8 0 0 l 5 5 1 2 6 7 2 0 2 97 8 0 99 3 0 21 4 0 2 0 1 9 3 1 2 l 4 O 0 2 5 l 9 0 9 9 9 5 0 2l 6 1 0 7 9 7l 1 2 l 2 3 0 2 5 8 2 0 9 9 6 0 6 3 9 7 0 1 7 2 1 0 3 6 0 3 9 4 8 0 7 8 0 9 9 3 l 2 0 0 1 000 800 600 餐4 0 0 2 00 0 -2 00 - 4 0 0 时间， d 图 2 试 验值 与式 ( 4 ) 预测值 比较 3 结 论 D l D2 D 3 O D 4 D 5 D 1 D 2 D3 -一一D 4 D 5 ( 1 ) 低 水 胶 比大 掺 量 矿 物掺 合 料 混 凝 土 的干 燥 收缩 较 大 ， 在 7 d内的 干燥 收缩 发展 非 常迅 速 ， 在 7 6 0 d之间的干燥 收缩增加速度放缓 ， 在 6 O d之 后趋 于稳定 。 ( 2 ) S G对低 水胶 比混凝 土干燥收缩 的降低 效 果 比 F A 显著 ， 掺 加 S F将 显著 增加 混凝 土 的干 燥收缩。为了制备出较低干燥收缩的大掺量矿物 掺合料 混凝 土， 采 用单 掺 5 5 S G或 双掺 ( 2 5 F A+3 0 S G) 具有更高的实际应用价值 。 ( 3 ) 在 低水胶 比的条件下 ， 三掺 ( 2 5 F A+ 2 5 S G+5 9 6 S F ) 混 凝 土 的 干 燥 收 缩 较 大 ， 掺 加 1 O 9 ， 5 AE A 以后 ， 干燥 收缩 可 降低 1 6 2 。 ( 4 ) 大掺量矿物掺合料混凝土的干燥收缩模 型可以采用式( 4 ) 表示 ， 该模型与干燥收缩实测值 吻合 得 较好 。 参考 文 献 1 吴 中伟 ， 廉慧珍 高性能混凝 土 M 北京 ： 中国铁 道 出版社 ， 1 9 9 9 2 耿 维 恕， 韩 素芳钢筋 混 凝 土 结 构裂 缝 控 制指 南 M 北 京 ： 化学工业 出版社 ， 2 0 0 6 3 Ab i o l a T OP l a s t i c S h r i n k a g e C r a c k i n g o f B l e n d e d Ce me n t Co n c r e t e s U n d e r HO t W e a t h e r Co n d i t i o n s D D h a h r a n： K i n g F a h d Un i v e r s i t y o f P e t r o l e u m a nd M i ne r al s，2 002 4 R a o G AI n f l u e n c e o f S i l i c a F u me R e p l a c e me n t o f C e me n t o n E x p a n s i o n a n d D r y i n g S h r i n k a g e J Ce me n t a n d Co n c r e t e Re s e a r c h， 1 9 9 8 ，2 8 ( 1 0) ： 1 5 O5 1 50 9 5 Ra o G AL o n g t e r m D r y i n g S h r i n k a g e o f Mo r t a r i nf l u e nc e of Si l i c a Fu me a nd S i z e of Fi n e Ag gr e ga t e J 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 1 ， 3 1 ( 2 ) ： 1 71 1 7 5 6 3 B e r t i l P e r s s o n E i g h t y e a r E x p l o r a t i o n o f S h r i n k a g e i n Hi g h p e r f o r ma n c e C o n c r e t e F J C e me n t a n d Co n c r e t e Re s e a r c h， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 8 ) ： 1 2 2 9 1 2 3 7 7 S h i m o u r a T， Ma e k a wa KAn a l y s i s o f t h e D r y i n g Shr i nka g e Be h av i our of Con c r e t e Us i n g a M i c r ome c ha n i c a l M o de l Ba s e d o n t h e M i c r op o r e S t r u c t u r e o f C o n c r e t e J Ma g a z i n e o f C o n c r e t e Re s e a r c h ，l 9 9 7，4 9 ( 1 8 1 )：3 0 3 3 2 2 8 郝 娟 ， 余红发 ， 周 鹏 ， 等膨 胀剂 和纤维及 其复 合 对 大 掺 量 矿 物 掺 合 料 混 凝 土 干燥 收缩 的影 响 J 华 中科 技 大 学 学 报 ( 城 市科 学 版 ) ， 2 0 0 7 ， 2 4 ( 4) ： 4 0 4 4 9 黄 国兴 ， 惠荣 炎混凝 土的收缩 M 北 京 ： 中国铁 道 出 版 社 ， 1 9 9 0 1 O 田 倩低水胶 比大掺量 矿物 掺合料水泥基材料 的 收 缩 及机理 研究 D 南京 ： 东南 大学 材料 科学 与 工程学院， 2 0 0 6 ( 下 转 第 6 8页) 维普资讯 6 8 华 中科技大学学报 ( 城市科学版) 2 0 0 8薤 p r o c e s s o f t h e a c c e l e r a t i o n r e s p o n s e a n d f o r m t h e c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t ma t r i x。 Th e wa v e l e t c o e f f i c i e n t ma t r i x c a n be a c h i e v e d i f t h e wa v e l e t t r a ns f o r m wa s us e d t o c o v e r t t he c or r e l a t i v e c o ef f i c i e n t ma t r i x The n t h e s i ng ul a r va l u e d e c ompo s i t i o n wa s us e d t o d e c omp os e t h e wa v e l e t c oe f f i c i e nt m a t r i x o f t he s a m e s c a l e s a n d c a n e x t r a c t t he mo de l p a r a me t e r s e x a c t l y The r e s u l t s s ho w t h at t he me t h o d ba s e d on t h e S i n g u l a r Va l u e De c o mp o s i t i o n a n d W a v e l e t Tr a n s f o r m c a n e x t r a c t t h e Wa v e l e t r i d g e o f t h e s t r u c t ur e c on v e ni e nt l y a n d e xa c t l y The me t h od wa s va l i da t e d b y a nu me r i c a l e x a m p l e a n d a c t u a l t e s t s i gn a l s，a nd i t c a n be us e d t o e x t r a c t t he mo da l pa r a me t e r s o f m u l t i d e g r e e f r e e do m s t r u c t u r e s Ke y wo r d s： t he s i n gu l a r va l u e d e c o m p o s i t i on； t he wa ve l e t t r a n s f o r m ； t h e e x t r a c t of t he mod e l par am et e r s ( 上接 第 4 1页) Dr y i n g S hr i n ka g e o f H i g h Vo l u m e M i n e r a l Ad m i x t ur e Co nc r e t e a n d M a t h e ma t i c a l M o de l BAI Ka n g， y Ho n g 一 ， HAO J u a n， CAO We n t a o， Z HOU Pe n g， HAN Li j a n ( De p a r t me n t o f Ci v i l En g i n e e r i n g，Na n j i n g Un i v e r s i t y o f Ae r o n a u t i c s a n d As t r o n a u t i c s ， Na n j i n g 2 1 0 0 1 6 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ： Thi s pa p e r s t u di e d t h e i n f l u e nc e o f mi ne r a l a dmi xt u r e s a n d e xp a n s i v e a g e nt s on dr y i ng s h r i n k a g e o f c o n c r e t e Th e r e s u l t s s h o w t h a t ，u n d e r t h e c o n d i t i o n o f l o w wa t e r - b i n d e r r a t i o a n d e q u a l r e pl a c e me n t of 5 5 c e me nt ，t he dr y i n g s hr i n ka g e o f s i n gl e a d de d s l a g c o n c r e t e i s m i n i m u m a nd t h a t o f dou b l e a d de d s l a g an d f l y a s h c on c r e t e ha s a l i t t l e i n c r e a s i ng； whe n s i l i c a f u m e i s a d de d c o m p os i t e l y， t he d r yi n g s h r i nka ge of c o nc r e t e i n c r e a s e s ob vi o us l y； e x pa ns i o n a ge nt t ha t i s a d de d c ompo s i t e l y i s he l p f ul t o r e du c e t he dr y i ng s h r i n ka ge o f c on c r e t e；b e s i de s，c ompo s i t e i n de x f un c t i on mo de 1 o f hi g h vo l ume m i n e r a l a dmi x t ur e c o nc r e t e i s bu i l t a n d t h e m e a s u r e d va l u e a c c or d s wi t h t h e mo de l we l 1 Ke y w o r d s ：c o n c r e t e；mi n e r a l a d mi x t u r e s ；d r y i n g s h r i n k a g e ；ma t h e ma t i c a l mo d e l 维普资讯