混凝土早期凝缩测定及抑制机理研究.pdf

2 0 1 2年 第 4期 ( 总 第 2 7 0期 ) N u mb e r 4 i n 2 0 1 2 ( T o t a l N o 2 7 0 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE ORET 1 CAL RESEARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 0 4 0 0 3 混凝土早期凝缩测定及抑制机理研究 沈化荣 1 I 。 ，高培伟 ，林晖 ，黄欣 z ( 1 淮阴工学院 土木工程系，江苏 淮安 2 2 3 0 0 1 ；2 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： 采用非接触式的涡流传感器研究了聚乙烯醇纤维对混凝土凝缩性能的影响， 试验结果表明： 与素混凝土相比， 掺 0 9 k g m ， 和 1 2 8 k g m 聚乙烯醇纤维混凝土的凝缩值在 6 h内分别减少了 1 2 6 和 1 9 4 ， 而掺有 0 9 k g m 聚丙烯纤维混凝土的凝缩值仅减少 6 5 ， 聚乙烯醇纤维能够明显地减少混凝土的凝缩。 通过扫描电镜分析了掺聚乙烯醇纤维和聚丙烯纤维水泥浆体的表面形貌， 探讨了聚乙烯醇 纤维抑制混凝土凝缩的机理， 建立了聚乙烯醇纤维抑制混凝土凝缩的模型。 关键词 ： 混凝土 ；凝缩 ；机理 ；模型 ；聚乙烯醇纤维 中图分类号 ： T U 5 2 8 O 1 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 4 0 0 0 7 0 2 M e a su r emen t and mec ha ni s m o f se t t l emen t s hr i nk a ge o f c o nc r e t e SHEN Hu a - r o n g ， GA O Pe i wc i 2 , LI N Hu i 2 , HUANG Xi n ( 1 De p a r t me n t o f Civ i l E n g i n e e r i n g ， H u m anI n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， H u a i a n2 2 3 0 0 1 ， C h i n a ； 2 De p a r t me n t o f Ci v i l E n g i n e e r i n g ， N a n j i n gUn i v e r s i t yo f Ae r o n a u ti c s a n dAs t r o n a u ti c s ， N a n j i n g2 1 0 0 1 6 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Th e e f f e c t o f t h e a pp r o p r i a t e p o l y v i n y l a l c o h o l fib e r s o n t h e s e t t l e me n t s h r i n k a g e pe r f o r ma n c e o f c o n c r e t e i s i n v e s t i g a t e d b y u s i n g an c o n t a c t e d d y c u r r e n t s e n s o r Th e e x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t the fi b e r s c a n o b v i o u s ly r e d u c e s e tt l e me n t s h r i n ka g e o f c o n c r e t e Co mp a r i n g t l 1 p l a i n c o nc r e t e t h e s e ttl e me n t s h r i nk a g e v a l u e s of c o n c r e t e wi th O 9 k g m an d 1 2 8 k g m po l y v i n yl a l c o h o l fi b e r d e c r e a s e 1 2 6 a n d 1 9 4 r e s p e c ti v e l y a n d the s e t t l e me n t s h r i nk a g e v Mu e o f c o n c r e t e wi th 0 9 k g m p o l y p r o p y l e ne fib e r de c r e a s e s 6 5 i n 6 hTh r o u g h o b s e r v a t i o n f o r the s u r f a c emo r p h o l o gy o f p a s t ewi th P VA fib e ra n dP P fi b e r b y s c a n n i n g e l e c t r o nmi c r o s c o p e， ， t h eme c h a n i s m a n dt hemo d e l o fs e ttl e m e n t s h r i nk a g e o f c o n c r e t e wi th P VA f i b e r i s d i s c us s e d an d e s t a bl i s h e d Ke y wor d s： c o n c r e t e； s e t t l e me n t s h r i n k a g e ； me c h a n i s m； mo d e l ； p o l y v i n y l a l c o h o l fib e r 0 引言 混凝土材料是当4 I ! t 界上用途最广、 用量最大的建筑材料， 近几年来， 由于水泥混凝土所具有的一系列优点 ， 比如较高的 强度和刚度、 良好的稳定性和耐久性、 简单的养护和较低的建 筑成本等， 使其成为高层建筑、 机场跑道、 公路等主要建筑首选 材料。 在将来 ， 混凝土仍然是一种不可缺少的建筑材料 ， 并且正 朝着高性能、 高强度和多功能方向发展。 但是， 高强度混凝土也 存在一定的缺陷， 如： 高收缩变形、 较高的脆性等 ， 这些缺陷将 影响它的广泛应用， 控制混凝土材料的收缩变形和开裂已成为 工程界十分关注的热点和难点问题 1 】 。 为了克服上述缺点， 可采用复合化的方法 ， 其中最有效、 简 单易行的办法是掺加纤维制成水泥基复合材料。 我国著名混凝 土专家吴中伟教授生前曾多次指出： “ 复合化是水泥基材料高 性能化的主要途径， 纤维增强是其核心” 。 在建筑中使用的纤维主要包括 ： 玻璃纤维、 聚丙烯纤维、 钢 纤维和碳纤维等。 其中高强、 高弹模聚乙烯醇纤维( P V A纤维 ) 具有许多优良的性能， 如： 具有较高的强度和弹性模量 ， 其弹 性模量仅次于钢纤维、 玻璃纤维 、 碳纤维和超高分子聚乙烯纤 维 ， 其抗拉强度可与钢纤维 、 玻璃纤维、 碳纤维、 超高分子聚乙 烯纤维和对位芳香聚酰胺纤维媲美； 机械性能良好 ， 可提高 建筑材料的韧性和抗冲击强度； 与波特兰水泥具有 良好的化 学相容性 ； 亲水性好， 使 P VA纤维能均一地分散在水泥基质 中； 高强度 P VA纤维与水泥基质间具有良好的界面黏合力 ； 耐光性和耐酸碱性好， 适用于各等级的水泥混凝土； 具有 优良的化学稳定性等 5 。 国内对 P V A纤维在混凝土材料中应用研究尚处于起步阶 段 。 P V A纤维具有高强、 高弹模、 亲水性好( 增加黏结力 ) 、 耐 酸碱 、 使用安全等一系列优点， 在混凝土中掺入 P V A纤维可增 强混凝土材料的抗裂性能、 韧性等， 具有良好的工程应用前景。 目前 ， 国内外已逐步开始研究 P VA纤维的种类和规格对混凝土 性能的影响， 但关于 P V A纤维对混凝土凝缩影响的研究及报道 很少 ， 对其进行深入地研究与探讨是非常必要的 。 1 试验原材料 与方法 1 1 试验原材料 采用南通水泥有限公司生产的华新 P O 4 2 5级水泥； 粉煤 灰采用镇江生产的I 级粉煤灰。 砂采用赣江中河砂， 细度模数 2 6 ； 石子采用茅迪产玄武岩碎石， 粒径 5 2 0 m m。 减水剂和纤维采 用江苏博特新材料有限公司生产的以羧酸类为主体的复合添 收稿 日期 ：2 0 1 1 - 1 0 1 4 基金项 目：“ 8 6 3 ” 国家高新技术项 目( 2 0 0 9 A A0 3 Z 5 0 8 ) ； 国家 自然科学基金 ( 6 0 6 7 2 1 6 6 ) ； 西部交通项 目( 2 0 0 9 CB 0 1 ) 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 加剂 J M P C A( I ) d 超塑化剂、 润强丝 一 Q1 型和润强丝 I 型抗裂 纤维 ， 纤维 的性能指标见表 1 。 表 1 纤维的物理和力学性能 1 2试 验设 备 凝缩试件采用内衬 3 mi l l 聚四氟乙烯管材， 底座可拆卸的中空 圆柱形钢管， 内径 4 , 9 8 m l i 1 ， 净高度 5 0 0 m r n 。 模具置于大理石台面 上。 采用非接触式的涡流传感器( 德国米依公司的Mu l t i NC D T 3 0 0 精密型传感器) ， 其主要技术参数为： 测量范围为 1 mm， 线性度 为 0 2 ， 分辨率 0 0 1 ， 传感器温度范围： 一 5 0 1 5 0， 温度稳 定性 0 0 2 ， 试件模具及测试装置如图 1所示。 图 1 早期混凝土凝缩测量装置 1 3 试 验 方 法和 配合 比 成型之前在模具内预放双层聚氯乙烯塑料薄膜， 底座与钢 管之间涂上密封黄油， 混凝土拌和好后即装模， 成型后将钢管 顶面用铝箔密封防止水分蒸发， 加水拌和后 0 5 h开始测试初始 值， 试验原材料配合比见表 2 。 表 2 凝缩性能配合比设计 在混凝土上面放置了一个为涡流式传感器设置的金属片 和浮起金属片的塑料薄片， 混凝土试件的实际高度为 4 9 8 mn a ， 凝缩值按照式( 1 ) 进行计算 ： 8 = 1 0 0 0 0 0 0 l o - l t ( 1 ) 式中, oo 龄期 t 时凝缩值 ， 1 0 ； f n 初始时刻读数， mm； 龄期 t 读数 ， ml l l 。 2 结果与讨论 不同掺量的 P V A纤维对早期高强混凝土初凝前的凝缩值 影 响如图 2 所示 。 掺加 P VA纤维后， 高强混凝土在初凝前的早期凝缩值显著 降低。 在 3 6 0 mi n时， P V A纤维掺量为 0 9 k g m 时的凝缩值比基 准混凝土降低了 1 2 6 ； 纤维掺量由0 9 k g m。 增加为 1 2 8 k g m ， 凝_缩值比基准耨 降低了1 9 4 。 当P VA纤维掺量= 勖 了 1 3 2 倍 R 1 0 0 0 宝8 0 0 6 0 o 墅4 0 0 粪2 0 0 0 5 0 1 0 0 1 5 O 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 t mi n 图 2 P V A纤维掺量对混凝土凝缩值的影响 时， 凝缩值的减少量仅增加了7 左右， 由此可见， 当纤维掺量大于 0 9 k g m 时， P VA纤维对于改善凝缩的效果不再明显地增加。 图 3是掺聚丙烯单丝纤维和 P VA纤维对早期高强混凝土 初凝前凝缩值影响比较分析。 1 0 0 0 宝8 0 0 6 o 0 4 0 0 2 0 o 0 5 0 1 0 0 l 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 t rai n 图 3 不同纤维对 混凝土凝缩值的影响 由图 3 可见： 掺 P P纤维的混凝土在 3 6 0 mi n时凝缩值相对 于基准降低 了 6 5 ， 而掺 P V A纤维的混凝土凝缩值降低了 1 2 6 ， P V A纤维在减少混凝士凝缩方面效果比较明显， 约为掺 P P纤维的两倍。 这与 P V A纤维的亲水性有密切关系， 由于 P V A 纤维含有亲水性基团( 一 OH) ， 与水泥基体之间的黏结性能 良好 ， P VA纤维与水泥基体之间的牵扯作用有效抑制了集料的下沉 和浆体的上升； P V A纤维对水泥基体的增稠作用有效地抑制了 混凝土中的骨料下沉 。 3 掺 P v A纤维和 P P纤维的水泥净浆的形貌 观察 图4 、 5分别是对掺 P VA纤维和 P P纤维水泥净浆的形貌。 图 4 P V A纤维表面的水化产物 图 5 PP纤维表面无水化产物 ( SE M) 下转第 2 3页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 【 4 】 赵国藩， 金伟良， 贡金鑫 结构可靠度理论 M E 京 ： 中国建筑工业出 版社， 2 0 0 0 ： 1 - 1 0 【 5 】王黎怡 ， 林江 混凝土结构可靠性的模糊评价模型 M 福建工程学院 学报， 2 0 0 5 ， 3 ( 3 ) ： 2 5 5 2 7 1 6 唐业清 E 京： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 1 2 3 5 -3l 7 【 7 】 焦利军 ， 李军 基于未确知数学理论的混凝土结构可靠性分析 J J _ 河 北工程大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 1 0 ， 2 7 ( 2 ) ： 2 2 2 9 【 8 】 姚继涛 ， 马永欣 ， 董振平， 等 建筑物可靠性鉴定和加固基本原 理和方法 M 北京 ： 科学出版社 ， 2 0 0 3 ： 5 0 2 6 5 9 张宽权 自贡 1 0 1 厂房可靠性鉴定与加固【 J 】 四川建筑科学研究 ， 2 0 0 0。 2 6 ( 4 ) ： 1 6 1 8 上接第 8页 图4清楚地显示了P V A纤维表面和根部上积聚了大量的 水化产物， 断裂面上的 P VA纤维表面残留着大量的水化产物， 说明纤维与水化产物的黏结性良好 ， 足以证明在硬化后的水泥 基体中， 纤维与水泥基体之间可形成良好的黏结力 ， 使纤维与 基体形成整体， 对增强纤维混凝土的力学性能更有利。 图 5显示了P P纤维的表面几乎没有水泥的水化产物， 说 明其与水泥基体之间的黏结性能很弱 ， 同时发现纤维根部与水 泥浆体存在间隙， 说明二者之间有脱黏现象 ， 不利于增强混凝 土力学性能， 也影响到混凝土的耐久性能。 4 P vA纤维抑 制混凝土 凝缩 的机理 P V A纤维掺入后， 相对增加了混凝土稠度 ， 抑制了集料下 沉 。 P VA纤维可 以在混凝土 中可形成网状结构 ， 当集料颗粒下沉 时， 纤维形成的网状结构可以对其起到阻碍作用( 见图 6 ) 。 钢纤 维在混凝土基体中起到乱向支撑的作用， 抑制集料颗粒的下沉， 减少混凝土泌水 ； 而聚丙烯纤维是柔性的， 在一定程度上增加 了混凝土的稠度和黏性， 抑制了集料的下沉运动【 l2 】 。 P V A纤维 不同于钢纤维与聚丙烯纤维 ， 属于柔性合成纤维 ， 掺人后不仅 提高了 P V A纤维混凝土中基体的黏性与稠度， 阻碍集料的下沉， 且 由于它 良好的亲水性， 与胶凝材料的黏结力强 ， 当集料的下 沉引起浆体的流动时， 贯穿其中的无数 P VA纤维与浆体的互相 牵扯 ， 抑制了浆体的流动性， 限制了置于其中的集料的运动。 5结论 图 6 P VA纤维抑制混凝土凝缩模型 P VA纤维可显著减少混凝土的凝缩值 ， 纤维掺量增加到 0 9 k g m3 后再提高 P VA纤维掺量对凝缩的减少并不明显。 P VA纤维对凝缩值的改善与其亲水性有密切关系， P V A纤 1 0 王风来 ， 唐岱新， 潘景龙 华安机械厂 2 1 1 2 厂房结构可靠性鉴定及 加固 J 哈尔滨建筑大学学报， 2 0 0 0 ， 3 3 ( 2 ) ： 1 2 5 1 2 8 【 1 1 】 董陇军， 李夕兵， 宫凤强膨胀土胀缩等级分类的未确知均值聚类方 法及应用 J 1 _ 中南大学学报： 自然科学版， 2 0 0 8 ， 3 9 ( 5 ) ： 1 0 7 5 1 0 8 0 1 2 】 董陇军， 赵国彦 未确知均值分级方法及在回采巷道围岩分类中的 应用f J 解放军理工大学学报， 2 0 0 9 ， 1 0 ( 6 ) ： 5 7 5 5 7 9 【 1 3 万正义 混凝土抗渗性能预测的未确知判别分析模型 混凝土， 2 0 1 1 ( 7 ) ： 3 9 4 0 。 5 2 作者简介： 吉龙华( 1 9 7 6 - ) ， 女， 讲师， 硕士研究生， 研究方向： 建筑构造。 联系地址： 太原市新建路山西工程职业技术学院建工系( 0 3 0 0 0 9 ) 联 系电话 ： 1 5 6 9 8 5 5 2 7 2 6 维中的亲水性基团( 一 OH) 与水泥基体之间的有良好黏结性能。 P V A纤维在混凝土中分散后形成网状结构， 增加了混凝土 的稠度， 抑制了胶凝材料中集料的下沉和浆体的上升 ， 减少了 混凝土 的凝缩 。 参考文献 ： 1 】邓宗才高性能合成纤维混凝土【 M _ 京： 科学出版社， 2 0 0 3 【 2 】2 吴中伟纤维增强一水泥基材料的未来【J 1 混凝土与水泥制品， 1 9 9 9 ( 1 ) ： 5 - 6 3 G A O P WE ff e c t s o f f l y a s h o n t h e p r o p e r t i e s of e n v i r o n me n t a l l y f r i e n d l y d a m c o n c r e t e J F u e l ， 2 0 0 7 ， 8 6 ( 7 8 ) ： 1 2 0 8 1 2 1 1 f 4 王海波聚乙烯醇纤维( 维纶) 增强砂浆性能的研究【 D 】 - E 京： 北京工 业大学， 2 0 0 3 【 5 】P AD R ON I ， Z OL L O F E f f e c t of s y n t h e t i c fi b e r s o n v o l u me s t a b i l i t y a n d c r a c k i n g of P o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e a n d mo rt a r J A C I Ma t e ri a l J o u r n a l ， 1 9 9 0 ， 8 5 ( 4 ) ： 3 2 7 3 3 2 6 】 王晓刚， 毛新奇， 赵铁军 聚乙烯醇纤维水泥基复合材料 J 青岛建筑 工程学院学报， 2 0 0 4 ， 2 5 ( 4 ) ： 2 8 3 1 【 7 】K I M J H， R OB E R T S O N R E S t r u c t u r e a n d p r o p e rt i e s O f p o l y( v i n y l a l e o h o 1 ) - mo d ifi e d m o r t ar and c o n c r e t e C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 9 ( 2 9 ) ： 4 0 7 4 1 5 【 8 S A L A H A A， D A V I D A L S h ri n k a g e a n d c r a c k i n g of 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 AC 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 9 9 高培伟 ， 唐明述 膨胀剂对混凝土变形性能的影响 J 南京航空航天 大学学报， 2 0 0 6 ， 3 8 ( 2 ) ： 2 5 1 【 1 0 S WA MY R N D e f o r ma t i o n a n d u l t i ma t e s t r e n g t h i n fl e x u r e o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a m s ma d e w i t h s t e e l fi b e r c o n c r e t e J A C I J o u ma l ， P r o - c e e d i n g s ， 1 9 8 1 ( 5 ) ： 7 8 【 1 1 高培伟 纤维增强混凝土的强度与韧性硼 材料科学与工程， 1 9 9 0 ( 1 ) ： 1 8 2 1 【 1 2 林晖掺 P V A纤维混凝土的力学及变形性能研究 D 】 南京： 南京航空 航天大学， 2 0 0 6 作者简介 ： 联 系地 址 ： 联 系电话 沈化荣( 1 9 6 5 一 ) ， 女 ， 副教授， 硕士， 研究方向： 建筑材料。 江苏省淮安市北京北路 8 9 号 淮阴工学院建筑工程学院 土木系( 2 2 3 0 0 1 ) 一 l 3 8 61 5 7 5 5 6 8 2 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m