磨细矿渣粉、膨胀剂、纤维对水泥混凝土抗裂性的影响研究.pdf

公路 交通技 术 2 0 1 0 年 2月 第 1 期T e c h n o l o g y o f H i g h w a y a n d T r a n s p o rt F e b 2 0 1 0 N o 1 磨细矿渣粉、 膨胀剂、 纤维对水泥 混凝土抗裂性的影响研究 刘 颖 ，薛 昕 ，郝增恒 ，张 毅 ( 1 招商局重庆交通科研设计院有限公 司，重庆4 0 0 0 6 7 ；2 重庆市智翔铺道技术_ r 程有限公 司萤庆4 0 1 3 3 6 ； 3 重庆交通大学 ， 重庆4 0 0 0 7 4 ) 摘要 ：通过 室内试验和微观试验分别研 究磨细矿渣粉 、膨胀剂和纤维对水泥混凝 土力学性能、收缩性能以及混凝 土内部结构产生的影响。研究结果表明 ，磨细矿渣粉与膨胀 剂能够提 高混凝土的致密性 ，防止混凝土早期开裂；纤 维分散在混凝土中形成三 维网络支撑体 系，可增加 混凝土的韧性 ，提 高其抗裂性 ；此 3种材料 的共 同使用对混凝 土 性能有互补作用： 关键词 ：混凝 土；抗裂性 ；磨细矿渣粉 ；膨胀剂 ；纤维 文章编号 ：1 0 0 9 6 4 7 7 ( 2 0 1 0 ) 0 1 0 0 2 7 0 4 中图分类号 ：U 4 1 4 文献标识码 ：A I n v e s t ig a t i o n f o r I n f l u e n c e o f Pu lv e r i z e d Sl a g ， E x p a n d i n g Ag e n t a n d F i b e r o n An t i c r a c k i n g Pe r f o r ma n c e o f Ce me n t Co n c r e t e L I U Yi n g ，XUE Xi n ，HAO Ze ng h e n g ，ZHANG Yi Abs t r a c t ： Thi s p a pe r i n v e s t i g a t e s t h e i n flu e n c e s o f p u l v e riz e d s l a g ， e x pa n d i n g a g e n t a n d fib e r o n me c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，s h rink ag e p r o p e r t i e s a n d i n t e r na l s t r u c t u r e o f c e me n t c o n c r e t e v i a i n d o o r t e s t a n d mi c r o s c o p i c t e s t ， r e s p e c t i v e l y Th e r e s u l t s o f i n v e s t i g a t i o n s h o w t h a t t h e p u l v e r i z e d s l a g a nd e x p a n di n g a g e nt c a n i mp r o v e t h e c o mp a c t n e s s o f c o n c r e t e a nd pr e v e n t e a r l y c r a c ki n g ；t h e fib e r di s p e r s e s i n c o n c r e t e a n d f o r ms a 3 - d i - me n s i o n a l n e t wo r k s u p po r t i n g s y s t e m S O a s t o i n c r e a s e the d u c t i l i t y a n d e n h a n c e c r a c k r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e ； a n d t h e c o n c u r r e n t u s e o f t h e s e t h r e e ma t e r i a l s p l a y s a c o mp l e me n t a r y a c t i o n for c o n c r e t e p e r f o rm a n c e Ke y wo r d s ： c o nc r e t e ； c r a c k r e s i s t a n c e ； p ul v e r i z e d s l ag ； e x p a n d i n g a g e n t ； fib e r 水泥混凝土是 目前土木建筑工程的主要材料 ， 其 主要成分包括水泥 、集料 、矿物掺合料 、外加 剂和水 ，其中任一种材料的有害性质都会使混凝 土损坏 ，同时 ，这些材料也可与环境 中化学或物 理 因素结合引起水泥混凝土损坏 ，从而导致混凝 土结构物使用寿命降低 。混凝土裂缝特别是早期 裂缝 问题 目前 已成 为众多业 内人 士研 究的重点 ， 也有资料从理论方面概括介绍 了原材料对混凝土 抗裂性 的影响【2 j。本文主要从混凝土室 内性 能测 试 ，以及微观试验方面重点研究磨细矿渣粉 、纤 维 、膨胀剂对混凝土抗裂性产生的影响。 1 室内试验 1 1 主要原材料 水 泥 ：地维 5 2 5水 泥 ，3 d抗 压 强 度 3 2 8 MP a ，2 8 d 抗压强度 5 3 4 M P a 。 收稿 日期 ：2 0 0 9 0 7 2 1 作者简介 ：刘颖 ( 1 9 6 6 一 ) ，女 重庆市人 ，本科 ，高工 集料：1 02 5 mm碎石 ；51 0 m m碎石。 纤维：美国杜拉纤维。 1 2 混凝土材料组成 见表 1 。 表 1 主要原材料组成 注 ：W 为 水；B为胶凝 材料 ；C为水泥 ；B F S为磨细矿渣粉 ； D L为杜拉纤维；G N A为膨胀剂 ；A为混凝土泵送剂 1 3 试验结果与分析 1 3 1 混凝土力学性能试验结果 参照试验规范成型试件 ，对混凝土弹性模量 、 不同龄期的抗压强度和劈裂强度进行测试 ，试 验 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 8 公路交通技术 2 0 1 0丘 结果见表 2 。 将混凝土 2 8 d力学试验结果绘制成图，见图 1 。 1 3 2 混凝土力学性能试验结果分析 在水泥 一磨细矿渣体系 中加入 G N A膨胀剂 ， 混凝土弹性模量和抗压强度 、劈裂强度略有提高 ， 其 中抗压强度提高幅度最大 ，为 2 0 ；弹性模量 和劈裂强度分别提高 了 2 和 6 左右 ；同时 ，拉 压 比有所降低 ，降低了 1 1 。 在水泥 一磨细矿渣体系中加入纤维 ，混凝土抗 压强度略有提高 ，为 4 ；劈裂强度提高较大 ，为 2 2 ，表明混凝土受压和劈裂破坏时的脆性因纤维 表 2力学 性 能试 验 结 果 2 8 d 弹性 3 d 2 8 d 编 号模 量 甄 面 西 面 1 0 MP a 度 MP a度 MP a 度 MP a度 MP a l 43 7 5 9 8 4 0 4 6 7 6 69 1 4 8 2 7 0 2 4 2 4 5 9 7 4 2 5 7 1 2 71 6 5 8 8 8 2 3 44 6 61 7 4 1 0 7 1 O 8 2 6 5 1 6 6 _ 2 4 42 5 5 7 0 4 2 0 7 3 7 7 5 7 59 9 7 9 苫 色 = 招 器 ( c) 劈裂强度对比 ( d)拉压 比对比 1 一 C+ BF S； 2 一 C+ BF S +DL； 3 - C+ BF S + GNA ；4 一C +B FS + GNA+ DL。 罔 1 水泥混凝 土 2 8 d力学试验结果 的加入而降低 ，纤维的加入对提高混凝土抗裂性 有益 ；纤维 的加入降低 了水泥 一磨细矿渣体系的 弹性模量 ，降低了 2 左右。 在水泥 一磨细矿渣体系中同时加入膨胀剂和 纤维 ，混凝 土的抗压 、劈裂强度都得到提高 ：抗 压强度提高 了 1 0 ，劈裂强度提高 了 2 4 ；但弹 性模量却有所降低，降低了 3 左右。 试验结果表 明，磨 细矿渣粉在水泥混凝土 中 起活性矿物细掺料的作用 ，一方面可 以满足耐久 性要求 ，另一方面也可延缓混凝土早期水化放热 速度 ，从而减少混凝土早期开裂 ；膨胀剂在水泥 凝结硬化过程 中，能够使混凝土 ( 包括砂浆 和水 泥净浆)产生可控制的膨胀 ，在水泥水化和硬化 阶段 ，膨胀剂既可 自身产生膨胀 ，也能与水泥混 凝土 中的其他成分反应发生膨胀 ，这样能够 防止 混凝土开裂翻 ；纤维在混凝土中以非连续的短纤维 或连续的长纤维作增强基材 ，众多乱 向分布的纤 维在混凝 土中形成三维支撑体系 ，可阻止骨料下 沉 ，提高混凝土均质性等 内在品质 ，改善混凝土 的抗裂性能 。 1 3 3 混凝土收缩性能测试结果 理论分析 和试验结果表 明 ，磨细矿渣粉、膨 胀剂和纤维对混凝土抗裂性能的改善有利 ，而混 凝土 固有弱点就是脆性大 ，容易产生裂缝 ，收缩 又是引起混凝土开裂的一个重要因素5 1 ，为此 ，参 照试验规范成型试件 ，对混凝土收缩性能进行研 究 。此处的收缩包括混凝土干缩 、温缩 、自收缩 、 化学收缩等。 试件原材料组成 同表 1 ，试验结果见表 3和 图 2 。 从表 3 、图 2中可以看出： 1 )在水泥 一磨细矿渣体系中单独加入 G N A膨 胀剂时，自然养护条件下 G N A膨胀剂 的补偿收缩 效应稍欠显著 ，特别是早期收缩补偿效果不明显； 2 )在水泥 一磨 细矿渣体 系中单独加入纤维 时，其早期( 3 d前)收缩性能未能得到很好的改 善 ，后期 ( 4 5 d 后)收缩改善也不大 ； 表 3 自然条件下的收缩值 1 O 6 m m 编号 材料组合 1 d 3 d 7 d 1 4d 2 8 d 5 4 30 7 9 1 1 8 0 6 6 41 6 4 8 6 4 8 81 1 l 9 8 9 3 7 5 3 6 l 7 2 9 7 1 7 7 6 4 l 7 2 5 O 1 4 5 7 3 l 9 8 1 1 2 0 24 5 1 9 5 4l 1 6 5 1 l 2 3 3 2 2 2l 1 8 4 2l l - 2 O l 81 61 2 () ( ) 1 l 1 9 038 1 9 5 4 4 1 8 3 7 8 21 3 1 7 2 3 3 _ 2 8 2 3 7 6 8 2 3 0 4 5 2 6 44 9 2 7 6 1 9 2 5 05 5 2 4 76 7 3 8 0 6 0 4 3 2 4 2 4 3 6 8 O 帅 舳加 印 如 加 m 0 三 爵 曩 _f 厂 焉 帅 鲫 加 蚰 加 m 0 Hd 、 震 长 乏 一 l 2 3 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年 第 l 期 刘 颖，等 ：磨细矿渣粉、膨胀剂、纤维对水泥混凝土抗裂性的影响研究 2 9 龄期 d 图 2 材料组成与混凝土收缩 3 )在水泥 一磨细矿渣体系中同时加入 G N A膨 胀剂和纤维 ，对混凝土性能有互补作用。特别是膨 胀剂的补偿收缩与纤维的限制收缩性能发挥较好 ， 使得混凝土的收缩性能得到很大的改善 ，尤其是 4 5 d 前的收缩( 图 2 ) ，改善效果非常明显。 2 微观研究 2 1 素混凝土微观结构 硬化的混凝土由水泥浆体 、界面过渡区和集料 3个重要环节组成 ，界面过渡区又是影响混凝土性 能最为重要 的部分。图 3为素混凝土微观结构图， 图中显示素混凝土结构中主要是普通水泥石的水泥 水化产物，同时还存在集料与水泥浆体的结合面。 硬化素混凝土内部存在 c s H凝胶 、氢氧化钙 以及少量的钙矾石针状晶体 ，且有大量孔隙。 2 2 磨细矿渣粉、膨胀剂混凝土微观结构 图 4为掺有磨细矿渣粉和膨胀剂的水泥混凝土 微观结构。 比较图 3 、图 4可以看出，掺有磨细矿渣粉和 膨胀剂的水泥混凝土比素混凝土的孑 L 隙结构要密实 得多，其结构以 C S H凝胶为主。 将磨细矿渣粉与膨胀剂加入到混凝土中，磨细 矿渣粉的细微颗粒均匀分散到水泥浆体中时成为大 量水化物沉积的核心 ，随着水化龄期的进展 ，这些 细微颗粒以及其水化反应产物填充 了水泥石的孔 图 3 素混凝土微观结构 图 4 水泥 一磨细矿渣粉 一膨胀剂混凝土微观结构 隙，使得混凝土的孔隙结构得到很好的改善；膨胀 剂加入到混凝土中反应生成的钙钒石晶体 ，其具有 填充 、切断毛细孔缝的作用 ，能使大孔减小，总孑 L 隙降低 ，从而提高混凝土的致密性 ，得到自防渗混 凝土同 。 此外 ，基准混凝土 中的 C a ( O H ) 和海水中 的硫酸盐反应 ，生成膨胀性 的水化物 ，而含磨细 矿渣粉的混凝土由于 C a ( O H) 与磨细矿渣粉反 应 生成 C S H凝胶 ，可降低其 中水化 物的侵 蚀 ；同时 ，由于含磨绌矿渣粉 的混凝土抗渗性提 高，能抑制海水中劣化因子 向混凝土 中渗透 ，提 高混凝土结构的抗腐蚀耐久性 。 2 3 纤维 水泥混凝 土微观 结构 图 5为纤维水泥混凝土微观结构图。其 中图 ( a )显示了纤维在混凝土中的分布情况，即纤维在 混凝土中成三维网络结构 ，可起到支撑集料 、防 止集料下沉的作用 ；图 ( b ) 、 ( c )反映了纤维混 凝土破坏时的情况 ，即纤维水泥混凝土破坏时纤 维是被拉出而不是被折断的。 图 5结果说 明，纤维在混凝土 中作为增强基 材 ，与混凝土基材组成了水泥基复合材料 ，增加 了水泥混凝土的韧性。在未掺入纤维 的情况下 ， 水泥混凝土 自身会呈现出较大的脆性 ，因此水泥 混凝土受拉 、受压破坏时主要是脆性破坏 ，表现 为直接断裂；纤维掺入后水泥混凝土的脆性变小 ， 破坏时内部没有 明显的断裂现象 ，说 明水泥混凝 土韧性得到了提高 】 。 研究发现驯 ，含纤维的混凝土极限抗拉强度并 无明显提高 ，但 断裂时的拉应变确 实有所提 高。 因此 ，与素混凝土相比，纤维增强水泥混凝土的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 0 公路交通技术 2 0 1 0丘 一 ( a ) ( b) ( c ) 图 5 纤维混凝土微观结构 韧性要大得多 ，且更能抗受冲击 。 概括起来 ，纤维加人水泥基材中主要有以下 3 个作用： 1 )提高基材的抗拉强度 ； 2 )阻止基材中原有缺陷 ( 微裂缝)的扩展并 延缓新裂缝的出现； 3 )提高基材的变形能力 ，从 而改善其韧性与 抗冲击性 。 3 结 论 结合磨细矿渣粉、纤维和膨胀剂对混凝土性能 影响的试验结果和分析 ，得出以下结论 ： 1 )磨细矿渣粉是常用的活性矿物细掺料之一 ， 将其掺入到混凝土中，可以延缓混凝土早期水化放 热速度 ，从而减少混凝土的早期开裂。 2 )膨胀剂在水泥凝结硬化过程 中能使混凝土 产生可控制的膨胀以减少其收缩 。在水泥水化和硬 化阶段 ，膨胀剂既可 自身产生膨胀 ，也能与水泥混 凝土中的其他成分反应产生膨胀 ，对水泥混凝土能 够起到补偿收缩 、防止开裂等作用，能有效减少混 凝土的开裂。 3 )纤维在混凝土中形成一个三维网络支撑体 系 ，能够阻止骨料下沉 ，对水泥基体有增强作用 。 但是纤维本身对混凝土的抗压强度并无多大改善作 用，其主要贡献在于能够增加混凝土的韧性 ，明显 提高混凝土的抗裂性能。 4 )微观结构显示 ，磨细矿渣粉与膨胀剂细微 颗粒同时加入到混凝土中后，因其自 身及其水化物 的填充作用 ，致使水泥混凝土结构 自身大孔减小 、 总孔隙率降低 ，提高了水泥混凝土的致密性 ，改善 了水泥混凝土的防渗水效果 ，减小了水对混凝土内 部的侵蚀作用。 5 )磨细矿渣粉 、纤维和膨胀剂同时用于混凝 土中，可发挥其各 自的优点 ，取长补短，有一定的 互补作用，能够更有效提高混凝土的抗裂性。 水 泥 昆凝土的原材料特点及含量都对混凝 土 性能有直接影响 ，例如 ，当磨细矿渣粉的 比表面 积超过 4 0 0 0 c m 2 g 后 ，将其用 于水胶 比很低 的混 凝土中时 ，混凝土早期的 自收缩会随着磨 细矿渣 粉掺量 的增加而增大I 1 1 1 。因此 ，应根据混凝土的结 构需要 ，充分考虑各种原材料 自身 的特点 ，确定 材料 的最佳含量 ，以使混凝土结构物的性能达到 最佳状态。 参 考 文 献 【 1 姚佳良，张起森 原材料引起的水泥混凝土路面耐久性 问题分析 J 】 公路，2 0 0 6 ， 1 ( 1 ) ： 1 6 4 1 6 7 【 2 】 冯乃谦 商 性能混凝土【 M】 北京：中国建筑工业出版社， 1 9 96 3 吴中伟，廉慧珍，等高性能混凝土【 M 】 北京：中国铁 道出版社，1 9 9 9 4 1 徐至钧纤维混凝土技术及应用【 M】 北京：中国建筑工 业出版社，2 0 0 3 5 刘秉京 混凝土技术【 M 】 北京： 人 民交通出版社， 2 0 0 4 6 吴中伟， 张鸿直 膨胀混凝iE M 北京：中国铁道出版 社，1 9 9 0 【 7 】 S P S h a h F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e C y I- I a d b ook o f S t r uc t u r a l Co n c r e t e Ne w Yo r k：Mc Gr a w Hi l l Bo o k Co m p a n y ，1 98 4 8 李士恩纤维混凝土在国际上的发展及其在中国工程 上 的应用 C 国际纤维混凝 土学 术会议论文集广州： 广东科技 出版社，1 9 9 7 【 9 龚 益，沈荣喜，李清海杜拉纤维在土建 工程 中的应用 【 M 北京 ： 机械出版社， 2 0 0 2 【 1 0 陈舣亦，赵风杰，易志坚，等柔性纤维混凝 土特殊路 用性能研究f J 重庆交通学院学报， 2 0 0 5 ( 1 ) ： 3 0 3 2 【 1 1 】焦礼静矿渣微粉在水泥和混凝土中增强效应的研究 【 D 】 西安： 西安建筑科技大学，2 0 0 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m