混凝土早期减缩抗裂材料对比试验研究.pdf

1 8 低温建筑技术 2 0 1 3 年第 1 I 期( 总第 1 8 5 期) 混凝土早期减缩抗裂材料对 比试验研究 张佚伦 ， 詹树林 ， 钱晓倩 ( 1 华信邮电咨询设计研究院有限公司 杭州3 1 0 0 1 4 ； 2 浙江大学建筑T程学院。 杭州3 1 0 0 5 8 ) 【 摘要】 采用自行设计的试验装置， 研究了三种常用 的混凝土早期减缩抗裂材料对混凝土早期收缩的影 。响。试验结果表明： 在同水灰比试验条件下 ， 减缩剂、 膨胀剂、 聚丙烯纤维均能在一定范围内降低混凝土的早期收 缩， 这可能是三种材料能改善 昆 凝土早期收缩裂缝的重要原因； 双掺聚丙烯纤维和膨胀剂可以有效提高单掺这两 种材料的混凝土减缩率 ， 提高比率达 1 4 以上 ； 而双掺聚丙烯纤维和减缩剂则不具有这种效果。 【 关键词】 聚丙烯纤维混凝土； 减缩剂； 膨胀剂； 早期收缩 ； 水灰比 【 中图分类号】 T U 5 2 8 0 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 3 ) 1 1 0 0 1 8 0 3 随着泵送施工和高强高性能混凝土的应用与发展， ， 化 力学性能试验方法 进行的， 该试验方法对混凝土 3 d之内 学外加剂尤其是减水剂的普遍应用较大幅度地增加了混凝 的早期收缩无法反映。混凝土早期相关的试验研究多集中 土的收缩， 学术界对此有比较一致的认识 。混凝土的早 于抗裂试验 ， 对早期塑性收缩的研究也相对较少。文中通 期收缩增大， 随之而来的问题是裂缝出现的时间大大提前 ， 过对同水灰 比试验条件下三种常用材料对混凝土早期收缩 有的裂缝发生在拆模时 ， 有的甚至发生在混凝土浇注后 1 2 h 性能的影响进行对 比试验研究， 明确三种常用材料对混凝 之内。 土早期塑性收缩的影响， 以期为混凝土工程 中的实际应用 目前混凝土工程中常用的减缩抗裂材料包括膨胀剂补 提供参考。 偿收缩、 减缩剂减少收缩 以及聚丙烯纤维阻裂增韧。目前 1 原材料和试验方法 我国混凝土的收缩试验是根据 C B J 8 2 ( 混凝土耐久性和长期 1 1 原材料 oO O凸 凸 O o 。 o on o O o O o O O0 0 OO O 0 0 oO o o 0 O 6 0 O oo 0 0 00 0 o0 口 0 0 O oO 0 oo o o O O Oo o o O oo 0 0 o 0O o o O口 凸 0 o o 0 O o0 o 0 而言， 流动度最为次要的、 一般性的试验指标， 显著程度不及 强度， 可不考虑。 强度作为次要的， 一般性的试验指标 ， 但其 ，值远大于干缩率的 ，值， 综合考虑， I V C可折中取2水平 ； 就 I V RA C而言， 对主要的、 关键的指标干缩率影响不显 著 ， 不考虑， 强度和流动度都是次要的、 一般性的指标， W R A C对这两个指标的影响程度几乎一样， 但流动度的F值略 大于强度的 F值， 那么 I V RA C取 3水平。 所确定的最优水平组合不属于9组试验中， 所以需要按 已确定的水平组合做追加试验 ， 实践证实拌合物的流动性、 立方体 1 2 h 抗压强度和 3 d干缩率都是较优的。 表 5 影响各试验指标最佳时的各因素值 5结语 当因素数和水平数不大时， 利用正交设计安排试验具有 得天独厚的优势。试验点安排具有均衡性 ， 试验数据易于分 析。试验数据分析方法有直观分析法( 极差分析法) 和方差 分析法。方差分析法可以作为直观分析法的补充及验证， 可 以在误差的角度得出各因素对试验指标影响绝对大小关系， 进一步帮助我们认清事物的本质。 在选定原材料的基础上 ， 利用正交设计安排实验， 采用 方差分析法来处理及分析试验数据， 可以得到因素在设定的 水平范围内变化时试验指标总的变化趋势 ， 通过方差分析可 以方便得出各因素对试验指标的影响的绝对程度。在多试 验指标 、 区分主次要时 ， 利用方差分析结果、 遵循一定的合理 的原则， 可以确定一个较优 因素的水平组合。实践证实 ， 所 选定的水平组合形成的拌合物及浆体硬化的流动性、 强度和 干缩性性能较好吻合预期。 参考文献 1 李燕青， 向阳开， 熊潮波 水泥混凝土路面板底脱空灌浆材料 研究 J 重庆交通大学学报， 2 0 1 2 2 E 4 0 2 0 0 5 ， 公路工程水泥及水泥混凝土试验规程 S 3 J C J T T 0 2 0 0 9 ， 建筑砂浆基本性能试验方法标准 s 4 侯化国， 王玉 民正交试验法 M 吉林： 吉林人民出版社， 1 9 8 6： 14 7 5 周志坚 混凝土路面板底脱空压浆材料的试验分析 J 】 长春 ： 二 程学院学报( 自然科学版) ， 2 0 0 9 ， 1 0 ( 3 ) ： 1 7 - 2 1 【 收稿 日 期】 2 0 1 3 0 8 - 0 9 作者简介】 张银超( 1 9 8 6 一) ， 男， 河北邢台人， 硕士研究生， 研究方向： 路面结构及材料。 张佚伦等： 混凝土早期减缩抗裂材料对比试验研究 1 9 粗骨料 ： 碎石， 最大粒径 3 1 5 mm。 细骨料 ： 河砂 ， 细度模数为2 6 1 。 水泥 ： P O 4 2 5水泥( 浙江都水泥有限公司生产) 。 聚丙烯纤维： 聚丙烯拉丝异型纤维( 杭州华驰新型建筑 材料有限公司生产) 。 减水剂 ： 脂肪族高效减水剂 T A 2 0 1 ( 浙江大东吴建设新 材料有限公司生产) 。 减缩剂 ： 浙江大学建筑材料研究所开发研制的新型减 缩剂 Z D DA 。 膨胀剂： H L H E A高效混凝土膨胀剂( 浙江合力新型 建材有限公司生产) 。 1 2 试验方法 l 一 混凝土试件2 - 3 ra m 厚特富纶板 3 一 钢测头 4 一 位移传感器 5 一 传感器固定架 6 一 电阻应变片 l7 一 塑料薄膜8 一 紧固螺栓 图 1 混凝土早期收缩测量装置示意图 文中采用的混凝土早期收缩测量装置是浙江大学建筑 材料研究所 自行设计的， 详见图1 s J 。 本试验混凝土设计强度为 C 3 0 ， 混凝土水灰比为 0 4 6 ， 为了保持各配比混凝土 同坍落度， 用水量略有差异。为了 更客观地比较 ， 三种材料的掺量均采用生产厂家的推荐掺 量。即聚丙烯纤维掺量为 0 9 k g m ， 膨胀剂掺量为 8 ， 等 量取代水泥 ， 减缩剂掺量为 1 6 。混凝土配合 比见表 1 。 每种试验条件下有六组试件， 包括不掺任何外加材料的基 准试件、 三组单掺聚丙烯纤维、 减缩剂、 膨胀剂的试件、 一组 聚丙烯纤维和减缩剂双掺的试件， 一组聚丙烯纤维和膨胀 剂双掺的试件、 在相对湿度 6 05 、 温度 2 02 C的恒温、 恒湿养护室内敞开自然养护。凝土浇注后 5 h ( 初凝) 为混凝 土收缩的起测时间， 整个测量过程采用千分表人工读数。 2试验结果及分 析 2 1 同水灰比条件下聚丙烯纤维和膨胀剂对混凝土早期 收缩的影响对比 本试验混凝土设计强度为 C 3 0 ， 水灰 比为 0 4 6 ， 同水灰 比条件下混凝土的配合比及实测坍落度详见表 1 。 掺入聚丙烯纤维和膨胀剂的混凝土早期收缩曲线如图 2 所示。从表 I 和图 2中可以看出： 截至浇筑后 3 d ， 混凝土 的收缩曲线趋于平稳。与基准混凝土 比较 ， 掺加聚丙烯纤 维和膨胀剂的混凝土收缩值分别从 5 7 1 21 0 I n i l l 降低至 4 5 1 91 0 一mi l l 、 4 4 9 91 0m m， 减缩率分别为 2 0 8 9 和 2 1 2 4 。也就是说 ， 在本试验条件下 ， 尽管作用机理不同， 掺量为 0 9 k g m 的聚丙烯纤维和掺量为 8 的膨胀剂都具 有一定的减缩效果， 且减缩率极为接近。 表 1 混凝土配合比及试验测试结果 值得注意的是， 与基准混凝土相比， 聚丙烯纤维和膨胀 剂双掺的混凝土 3 d的收缩值从 5 7 1 2 1 0 m m降低至 3 6 9 4) ( 1 0 m m， 减缩率达到 3 5 3 3 ， 见图2 。这一数值将 单掺聚丙烯纤维和单掺膨胀剂的混凝土减缩率分别降低了 1 4 4 、 1 4 1 。从中可以看出双掺膨胀剂和聚丙烯纤维对 于减小混凝土早期收缩具有一定的复合效果， 可以较为明 显地提高单掺这两种材料的减缩率。 敞开养护 J 一 - 上， 一 - 一 - - 斗 -I一 - 一 - - - 一 - 一 一 士 j = = 士一 十 r一 【 1 ； 。 I l I l ! i 一-一一 一一一 一一一一 l ! l ； ： ： l l 0 1 0 2 O 3 0 4 0 5 O 6 0 7 0 时间， l I 窝2 掺纤维和膨胀剂的混凝土3 d 收缩曲线 掺入膨胀剂的混凝土在凝结硬化过程中会经历“ 收缩 一 膨胀” 的过程 ， 膨胀会在一定程度上补偿混凝土的早期收 缩， 这一补偿收缩的过程可以从掺加膨胀剂的试件 J H、 J HP 的收缩曲线中明显地看出： 在6 2 4 h这一时间段内， 混凝土 收缩曲线有明显的回落， 这也是膨胀剂表现出明显效应的 时间段。聚丙烯纤维能够降低混凝土早期收缩的主要原因 可能是纤维在混凝土内部形成 了三维乱 向体系， 这一方面 有效抑制了混凝土中骨料的集 中和下沉 ， 提高了混凝土的 匀质性， 另一方面阻断了混凝土内部水分溢出的通道， 延缓 或减少了水分的散失， 进而降低 了混凝土早期由于水分散 失形成的收缩。 双掺聚丙烯纤维和减缩剂对降低混凝土早期收缩表现 出了良好的叠加效果。分析其原因， 是因为膨胀剂中的膨 胀组分发挥作用需要 良好的外部湿度条件， 而聚丙烯纤维 的掺人在一定程度上阻隔了水分散失通道， 一部分原本可 能散失的水分滞留在混凝土 内部 ； 这部分滞留的水分一方 O 0 O O O O O 0 砌 柏 砌 日 0 _【 x通 婚娶 低温建筑技术 2 0 1 3年第 l l 期( 总第 1 8 5 期 ) 面为膨胀剂中的膨胀组分发挥效应提供 了良好 的外部条 件， 另一方面又降低了混凝土因水分散失引起的收缩。 2 2 聚丙烯纤维和减缩剂对混凝土早期收缩的影响对比 掺人聚丙烯纤维和膨胀剂的混凝土早期收缩 曲线如图 3所示。从表 I和图 3中可以看出： 截至浇筑后 3 d ， 混凝土 的收缩曲线趋于平稳。与基准混凝土 比较 ， 掺加减缩剂的 混凝土收缩值从 5 7 1 2 1 0 i n l n 降低至 3 0 3 7 1 0 n l i n ， 减缩率达到 4 6 8 3 。而减缩剂 和聚丙烯纤维双掺的收缩 值 3 1 8 2 1 0 m m ， 较基准混凝土减缩率为 4 4 2 9 ， 这与 减缩剂单掺的减缩率极其接近。因此， 双掺纤维和减缩剂 对减缩剂的减缩效果并无明显提高。 减缩剂是通过水的物理过程起作用 ， 因此几乎不存在 水泥适应性的问题。减缩剂的主要作用机理是通过可以降 低混凝土孔隙水的表 面张力 ， 进而减小毛细孔失水时产生 的收缩应力。减缩剂能使混凝土孔隙水的粘度增加， 并增 强水分子在凝胶体中的吸附作用， 从而能进一步减小混凝 土的最终收缩值。从减缩剂的作用机理分析可以看出， 减 缩剂对外部条件尤其是水分条件的要求相对较低， 因此， 相 对膨胀剂相来说， 其减缩效应的发挥也更为稳定； 这也可能 是减缩剂与聚丙烯纤维双掺不具有叠加效果的原因所在。 ! 。敞 养 l - 一 I 一 幸 一 , - -i-I 一 l 1 i i ： ； - 一。 - 一一l一一 q - _ - ； ： 丽蕊姆 i 一 f I l r ： 时间， h 圈3 掺纤维和减缩剂的混凝土3 d 收缩 曲线 2 3 三种材料措施对混凝土早期收缩值产生 的影 响对比 分析 结合前期收缩试验结果， 我们 可以对这三种混凝土减 缩抗裂材料做一个全面的比较。 2 3 1 减缩性能 试验结果表明： 从聚丙烯纤维、 膨胀剂和减缩剂的减缩 率来看， 三种材料的排序如下： 减缩剂 一减缩剂 + 聚丙烯纤 维 膨胀剂 + 聚丙烯纤维 膨胀剂 聚丙烯纤维， 减缩剂 具有较为明显的优势。单从减少混凝土早期收缩的角度来 看 ， 而最有效的措施是单掺减缩剂， 其次是聚丙烯纤维和减 缩剂或膨胀剂复合使用， 而膨胀剂和聚丙烯纤维单掺的效 果相对较差。考虑到减缩剂已经具有较大的减缩率， 而加 入聚丙烯纤维对其减缩率并无明显提高， 从经济性考虑， 如 果仅做减缩措施 ， 减缩剂和聚丙烯纤维不宜双掺。 2 3 2 对 比结 果 从上述试验结果可以看出： 在本试验条件下， 减缩剂减 小混凝土早期收缩的效果最为明显， 减缩率可达 4 5 以上 ， 双掺聚丙烯纤维和膨胀剂也具有相当好 的减缩效果 ， 减缩 率达到3 5 以上 ， 相对而言， 单掺聚丙烯纤维和膨胀剂效果 不甚明显， 减缩率在 2 0 左右。从裂缝数量和裂缝宽度的 变化情况来看， 聚丙烯纤维可以有效抵抗裂缝的扩展， 具有 较好的阻裂效果。从提高混凝土早期减缩抗裂性能来看， 三种材料的优劣次序为： 减缩剂 一减缩剂 +聚丙烯纤维 聚丙烯纤维 +膨胀剂 聚丙烯纤维 膨胀剂。考虑到减缩 剂经济成本相对较高， 双掺聚丙烯纤维和膨胀剂也是提高 混凝土早期收缩抗裂性能的有效措施。 3结语 、 掺膨胀剂补偿收缩、 掺减缩剂减小收缩 、 掺纤维限制收 缩是 目前改善混凝土早期收缩抗裂性能的三种主要材料措 施， 文中通过早期收缩试验对这三种措施做了对 比分析， 总 结如下： ( 1 ) 在同水灰比条件下 ， 膨胀剂、 减缩剂和聚丙烯纤 维都能有效降低混凝土的早期收缩值。截至混凝土浇筑后 3 d ， 这 三种 材 料 的减 缩 率 分 别 为 2 0 9 0 和 2 1 2 4 、 4 4 2 9 ， 减缩剂的减缩率明显高出另两种材料。 ( 2 ) 双掺聚丙烯纤维和膨胀剂和聚丙烯纤维可以有 效提高单掺这两种材料的混凝土减缩率 ， 提高可达 1 4 以 上； 而双掺聚丙烯纤维和减缩剂则不具有这种效果。 ( 3 ) 聚丙烯纤维的掺入可 以有效抵抗混凝土内部裂 缝的扩展 ， 减少微细裂缝数量 ， 减小裂缝宽度和长度。综合 考虑减缩和抗裂两方面， 三种常用材料的对比效果优 劣顺 序为： 减缩剂一减缩剂 +聚丙烯纤维 聚丙烯纤维 +膨胀 剂 聚丙烯纤维 膨胀剂。 参考文献 1 L e p a g e s ， B a l b a k i M， D a ll a ir e E E a r l y s h r i n k a g e d e v e l o p m e n t i n t h e h i 曲 p e r f o r m anc e c o n c r e t e J 】 ； C e m e n t ， C o n c r e t e a n d A 阳 8 a r e s ， 1 9 9 9， ( 2 ) ： 3 1 3 5 2 中国国家建筑材料测试中心， 检测报告 ( 编号： 9 8 2 6 0 0 4 0) R 1 9 9 8 3 钱晓倩， 詹树林 ， 等 减水剂对混凝土收缩和裂缝的负影响 J 铁道科学与工程学报， 2 O O 4 ， ( 2 ) ： 1 9 - 2 5 4 W e n Z i y u n ， Y a n g Y I n fl u e n c e o f c h e m i c a l a n d m i n e r a l a d m i x l-a r c o f s h r i n k a g e a n d c r a c k i n go fmo t orGu i d e 0 1 1 c r a c k i n gc o n t r o l - l i n g o f re i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t rc M B e ij i n g ： C h e m i c a l I n d u s P r e s s ， 2 0 0 4： 13 8 5 张佚伦聚丙烯纤维混凝土早期收缩与抗裂性能试验研究 D 杭州： 浙江大学， 2 0 0 6 ： 3 收稿日期】 2 0 1 1 0 o 一 0 o 作者简介】 张佚伦( 1 9 8 0 一) ， 男， 安徽l l缶 泉人， 工程师， 硕士 一 级注册结构工程师， 从事混凝土结构的设计和 研究 。 彻鳓 姗栅 姗抛 啪o g b_【 x、 躲