提高管桩混凝土抗裂性的试验研究.pdf

全国中文核心期刊 杆 建蟓 粉 提高管桩混凝士抗裂牲的试验研究 张风臣 ， 艾玲玲 ， 朱克平 ， 汤永柳 z ， 朱加刚z ( 1 河海大学 力学与材料学院， 江 苏 南京2 1 0 0 9 8 ： 2 宿迁市固丰管桩有 限公司， 江 苏 宿迁2 2 3 8 0 0 ) 摘要 ： 为减少预应力混凝土管桩施工过程发生桩顶破碎、 桩身断裂现象， 从混凝土材料角度出发， 探讨了提高管桩混凝土抗裂 性的措施。结果表明， 单掺2 0 矿粉或2 0 粉煤灰， 脱模抗压强度能够满足 G B 1 3 4 7 6 -2 0 0 9 对预应力混凝土管桩钢筋放张时的强 度要求， 提高管桩混凝土的抗裂性， 改善其脆性， 且掺入矿粉的效果优于粉煤灰； 单掺2 0 矿粉或 2 0 粉煤灰后再复掺 3 一 8 的硅 灰， 混凝土 的抗压强度和劈裂抗拉强度都得到提高， 但其脆性大于单掺 2 0 矿粉 的混凝土。 关键词： 管桩混凝土； 矿粉； 粉煤灰； 硅灰； 抗裂性； 脆性 中图分类号： T U 5 2 8 5 7 l 文献标识码： B 文章编号： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 0 ) 1 1 - 0 0 1 8 0 4 Ex p e r i m e n t o f i mp r o v i n g c r a c k - r e s i s t a n c e o f p i l e c o n c r e t e Z H AN G F e n g c h e n 1 , A I L i n g l i n g a ， Z HU K e p i n g 2 ， T A N G Y o n i u ， Z HU J i a g s ( 1 C o l l e g e o f Me c h a n i c s a n d Ma t e ri a l s ， H o h a i U n i v e r s i t y ， N a mi n g 2 1 0 0 9 8 ， J i a n g s u ， C h i n a 2 G u n g C o n c r e t e P i l e C o L t d i n S u q i a n C i t y ， S u q i a n 2 2 3 8 0 0 ， J i a n g s u ， C h i n a ) Abs t r ac t ： I n o r d e r t o r e d u c e t h e p h e n o me n o n o f t o p c r a c k a n d b o d y r u p t u r e d u r i n g p r e s t r e s s e d c o n c r e t e p i l e c o n s t r u c t i o n， me a s u r e s f o r i mp r o v i n g c r a c k- r e s i s t a n c e o f p i l e c o n c r e t e a r e s t u d i e d f r o m t h e c o n c r e t e ma t e ri a 1 E x p e ri me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t i n c o r p o r a t i n g 2 0 b l a s t f u rna c e s l a g o r f l y a s h。 d e mo u l d e d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h c a n s t r a t i f y t h e n a t i o n a l s t and a r d ( GB 1 3 4 76 _ 一 2 0 0 9 ) a b o u t p r e s t r e s s e d c o n c r e t e p i l e ， a n d i mp mv e c r a c k - r e s i s t a n c e a n d b r i t t l e n e s s o f p i l e c o n c r e t e F u r t h e r mo r e t h e e ffe c t o f s l ag p r e c e d e s t h a t o f f l y a s h Wh e n i n c o r p o r a t i n g 2 0 b l a s t f u r n a c e s l a g o r fl y a s h a n d a d d i n g 3 一 8 s i l i c a f u me ， &mo u l d e d c o m p r e s s i v e s t r e n gth a n d t e n s i l e - s p l i t t i n g s t r e n gt h a r e i n c r e a s e d ， b u t b r i t t l e n e s s a r e h i g h e r t h a n t h a t w i t h o n l y 2 0 b l a s t f u rna c e s l a g Ke y wo r d s ： p i l e c o n c r e t e ； b l a s t f u r n a c e s l a g ； fl y a s h ： s i l i c a f u m e c r a c k - r e s i s t a n c e b ri t t l e n e s s 预应力混凝土管桩由于其单桩承载力高， 穿透能力强， 施 工方便， 节省工程造价， 在我国得到越来越多的应用。 应用范 围从2 0 世纪9 0 年代初期的沿海及沿江流域迅速向中西部发 展， 早期主要应用于基础设施建设， 如公路、 桥梁、 码头， 随后 在民用建筑工程也得到大量应用。预应力混凝土管桩采用离 心成型工艺， 蒸汽养护或者二次蒸汽养护制备而成， 混凝土强 度等级在C 6 0以上。如此高强度等级的混凝土管桩， 其力学 性能并非如其强度等级那样高， 即使在正常沉桩过程中， 仍然 会发生桩顶破碎、 桩身断裂， 呈现典型的脆性断裂特征。提高 管桩混 凝土的 抗裂性能， 改善其 脆性， 能 有效避免 桩顶破碎 和 基金项 目： 江苏省 自然科学基金 ( B K 2 0 0 9 7 5 4 ) 收稿 日期： 2 0 1 0 0 6 2 2 作者简介： 张风 臣， 女， 1 9 7 1 年生， 河南郑 州人 ， 博士后。地址： 南京市 西康路 1号， 电话： 0 2 5 8 3 7 8 6 0 4 6 ， E - ma i h z h a r I g f c 6 7 1 6 3 c o m。 1 8 新型建筑材料 2 0 1 0 1 1 桩身脆断。 1 试验方案设计 1 1 设计思路 混凝土通过水泥石将集料胶结成整体，水泥石和集料间 存在极大的界面， 又称为界面过渡区， 其中水泥浆体在形貌、 组成和结构等方面与较远离此物理界面的 “ 本体 浆体有显著 不同【 1 。界面过渡区典型厚度为2 0 1 0 0 m ， 是普通混凝土中 最薄弱的区域， 无论是受力破坏还是遭受侵蚀， 往往起始于界 面过渡区， 界面性能直接影响到混凝土强度、 刚度和耐久性四 。 早在1 9 0 5 年， S a b i n 等就意识到了复合材料的界面问题 。 界 面的组成、结构及其对混凝土性能的影响愈来愈受到国内 外 学者的重视， 研究主要集中在中低强度等级常温养护混凝土 方面 ， 对中高强度等级高温蒸汽养护混凝土的研究很少。 矿物外加剂在建筑工程中的广泛应用是现代混凝土技术 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张风 臣， 等： 提 高管桩混凝土抗裂性的试验研究 进步的标志之一。矿物外加剂的应用首先能够减少单方混凝 土水泥用量， 不仅降低混凝土原材料成本， 而且改善新拌混凝 土的工作性， 提高混凝土的耐久性。从能源战略角度出发， 减 少单方混凝土水泥用量，就是减少水泥工业的资源、能源消 耗， 减小水泥工业对环境的影响， 同时消纳电力、 冶金、 化工等 行业的大量废弃物。超细矿物外加剂的掺入可大幅度改善胶 凝材料颗粒的填充性， 提高水泥石的密实度、 抗渗性。超细矿 物外加剂的火山灰活性， 消耗部分C a ( O H ) ， 同时生成更多低 碱性的C S H凝胶， 并能够将高碱性的C S H( 1 I ) 或者C S H 凝胶转化为低碱性的C S H( I ) 或者 C S H( B ) ， 使凝胶的数量 增多、 品质提高， 从而提高其抗裂性能。 本文试验方案在满足管桩混凝土设计强度指标的基础 上，通过严格控制水胶比和利用超细矿物外加剂的滞水作用 和火山灰活性进行界面性能强化，测试高温蒸汽养护后的混 凝土脱模强度，用劈裂抗拉强度与抗压强度比值评价混凝土 的抗裂性能。 1 2 原材料与试验方法 山东山水水泥集团有限公司P 0 4 2 5 水泥； I 级粉煤灰， 需水量比9 5 ； $ 9 5 矿粉， 比表面积4 2 0 m 2 k g ； 硅灰， 比表面积 2 0 0 0 0 m Z k g ； 宿迁洛马湖砂， 细度模数2 8 ， 中砂， 含泥量0 9 ； 2 0 5 0目特细砂； 5 1 0 m m 、 1 0 2 5 m m碎石； 聚羧酸高效减水 剂， 固 含量2 1 8 ， 减水率2 6 。水泥和矿物外加剂的化学成 分见表 1 。 表 1 水泥和矿物外加剂的化学成分 项 目 S i O 2 C a O A1 2 0 3 F e 2 0 3 Mg O K 2 0 Na 2 0 S O3 f - C a O L O I 水泥1 8 3 1 6 2 0 3 5 7 3 3 3 2 0 9 7 0 4 3 0 3 5 1 9 9 1 2 1 3 2 9 粉煤灰 4 9 3 0 3 9 0 3 0 4 5 7 1 6 1 1 5 2 3 1 0 5 9 0 5 8 2 4 0 矿粉3 3 8 6 3 4 3 7 2 0 0 6 0 8 0 9 5 6 0 4 9 0 3 1 0 0 4 0 4 0 硅灰8 8 3 4 2 5 3 0 0 1 0 2 9 2 8 6 1 9 8 O 5 7 0 9 0 1 9 9 G B 1 3 4 7 6 -2 0 0 9 先张法预应力混凝土管桩 规定， 预应 力钢筋放张时，管桩混凝土的抗压强度不得低于4 5 M P a ， 而 矿粉和粉煤灰的掺入会降低混凝土的早期强度， 因此， 设计混 凝土配合比中，矿粉和粉煤灰最大掺量为胶凝材料的2 0 ； 硅灰的掺加会增大混凝土的收缩，因此，试验混凝土配合比 中， 硅灰掺量不高于胶凝材料的8 。 混凝土配合比中水胶比 为0 2 8 ，砂率0 3 ，细集料由2 0 的特细砂和8 0 的中砂组 成， 粗集料由5 5 的5 1 0 m m碎石和4 5 的1 0 2 5 m m碎石 组成， 混凝土坍落度控制在3 0 5 0 m m。 1 4 组混凝土的配合比 见表 2 。 使用强制式混凝土搅拌机搅拌，振动成型 1 5 0 m m x l 5 0 m m x l 5 0 m m的试件， 采用2 h 一 3 h - 6 h - 3 h 的养护制度， 即室 温( 2 0 2 ) o C 下静停2 h ， 随后以2 0 C h的升温速度升温 3 h ， 表 2 混凝土的配合 比 k g m ( 8 0 2 ) 下恒温6 h ， 最后以2 0 q C h 的降温速度将温度降至 室温， 蒸汽养护在蒸养池中与管桩生产同步进行。脱模后， 按 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 ( 普通混凝土力学性能试验方法 测试试件 的抗压强度和劈裂抗拉强度。采用 H I r A C H I 公司S - 3 4 0 0 N 型扫描电子显微镜观察强度测试后试件破坏面的微观形貌， 用5 0 倍放大镜， 在强度测试后的试件中挑选带有部分集料的 约7 m lT l 左右的小块作为S E M测试试样，浸泡在无水乙醇 中， 试验前 1 d 取出试样， 在6 0 烘箱中烘干后进行试验。 2 试验结果与讨论 2 1 矿物外加剂单掺对管桩混凝土力学性能的 影响( 见表3 ) 表 3 矿物外加剂单掺对管桩混凝土力学性能的影响 由表3 可以看出， 5 组配合比混凝土的脱模抗压强度均 高于4 5 M P a ，满足G B 1 3 4 7 6 -2 0 0 9 规定的预应力钢筋放张 时混凝土强度要求。 与不掺矿物外加剂的基准混凝土( 1 号配 比) 相比， 除掺加 1 0 矿粉的2 号配比的抗压强度与基准混 凝土相近外， 其余3 组的抗压强度均高于基准混凝土， 提高幅 度在8 0 一 9 8 。从矿物外加剂对管桩混凝土抗压强度的影 响分析， I 级粉煤灰和$ 9 5 矿粉掺量较低时， 通过适量增加胶 凝材料用量， 其抗压强度能够满足管桩标准要求。 N E W B UI L DI NG MAT E R I AL S 1 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张风臣， 等： 提高管桩混凝土抗裂性的试验研究 另外，掺加矿物外加剂的4 组混凝土劈裂抗拉强度均高 于基准混凝土，提高效果依次是2 0 矿粉 l O 矿粉 l 0 粉 煤灰 2 0 粉煤灰， 提高幅度在 1 1 5 3 4 6 。 以 劈裂抗拉强度与抗压强度的百分比评价矿物外加剂对 管桩混凝土脱模脆性的影响， 比值越高， 说明混凝土脆性改善 效果越好， 抗裂性越好。从表3 可以看出， 矿粉和粉煤灰掺量 为 1 0 时， 劈裂抗拉强度提高幅度高于抗压强度， 脆性改善 效果较好； 矿粉和粉煤灰掺量为2 0 时， 劈裂抗拉强度提高 幅度低于抗压强度，脆性改善效果稍差，但仍优于基准混凝 土；掺加$ 9 5 矿粉对管桩混凝土脆性的改善效果优于I 级粉 煤灰。 上述试验结果表明，在满足国家标准规定的预应力钢筋 放张时混凝土强度指标要求的前提下，掺加矿粉或者粉煤灰 能够提高管桩混凝土的抗裂性， 改善其脆性， 矿粉的效果优于 粉煤灰。 2 2 矿物外加剂复掺对管桩混凝土力学性能的影响 表4 分别是2 0 矿粉或 2 0 粉煤灰复掺硅灰时管桩混 凝土蒸养后的力学性能。 表 4 复掺矿物外加剂对管桩 混凝土力学性能的影响 由表4 可以看出， 随着硅灰掺量从3 、 5 到8 ， 混凝土 的抗压强度增长迅速。与单掺2 0 矿粉的管桩混凝土相比( 3 号配比) ， 2 0 矿粉与硅灰复掺的管桩混凝土抗压强度增幅在 2 8 7 4 0 3 ， 2 0 矿粉与3 硅灰复掺抗压强度即能满足 C 6 0 混凝土强度要求。 与单掺2 0 粉煤灰混凝土相比( 8 号配 比) ， 2 0 粉煤灰与硅灰复掺的混凝土抗压强度增幅在 1 4 2 2 0 6 。 单掺2 0 矿粉与单掺2 0 粉煤灰混凝土的抗压强度 相近， 但在相同硅灰掺量下， 2 0 矿粉与硅灰复掺对抗压强度 提高效果优于2 0 粉煤灰与硅灰复掺，提高幅度在8 2 一 2 0 5 。 与单掺 2 0 矿粉、 粉煤灰的管桩混凝土相比， 复掺硅灰 后， 管桩混凝土劈裂抗拉强度显著提高， 但是硅灰掺量在3 一 8 变化时， 劈裂抗拉强度变化较小； 2 0 矿粉与3 、 5 、 8 硅灰复掺，劈裂抗拉强度增幅分别为3 4 3 、 2 8 6 、 4 0 0 ； 2 0 新型建筑材料 2 0 1 0 ， I I 2 0 粉煤灰与硅灰复掺，劈裂抗拉强度增幅分别为4 1 4 、 3 4 5 、 4 1 4 。 硅灰取代水泥掺入混凝土中， 提高混凝土拌合 物浆集比， 采用离心工艺成型管桩时， 过高的硅灰掺量可能会 导致余浆倒不出、 挂浆及波峰现象。 从复掺硅灰增强混凝土抗 裂性能的效果、 离心工序的质量控制、 经济性原则出发， 复掺 硅灰时， 采用3 的掺量即可。 2 0 矿粉或2 0 粉煤灰复掺3 硅灰时， 管桩混凝土的脆 性改善效果最好； 2 0 矿粉复掺5 、 8 硅灰，其抗压强度增 幅高于劈裂抗拉强度，脆性改善效果降低，与未掺硅灰时接 近； 2 0 粉煤灰复掺5 、 8 硅灰， 脆性改善效果低于复掺 3 硅灰， 但仍显著优于未掺硅灰的混凝土。 2 3 矿物外加剂三掺对管桩混凝土力学性能的影响 表5 是矿物外加剂单掺、复掺和三掺时管桩混凝土蒸养 后的力学性能。 表 5 矿物外加剂单掺 、 复掺和三掺时 管桩混凝土的力学性能 从表5 可以看出： ( 1 ) 矿物外加剂掺量均为2 0 的3 、 8 、 1 2号配合比混凝 土， 单掺矿粉、 粉煤灰， 复掺矿粉、 粉煤灰， 管桩混凝土的抗压 强度相近。与复掺矿粉、 粉煤灰的管桩混凝土强度相比， 再掺 加5 、 8 的硅灰，管桩混凝土的脱模抗压强度大幅度提高， 并且掺加5 硅灰混凝土强度高于掺加8 硅灰的，提高幅度 分别为4 1 0 和3 3 1 。 ( 2 ) 比较3 、 8 、 1 2 号配合比， 复掺矿粉、 粉煤灰的管桩混凝 土劈裂抗拉强度高于单掺矿粉、粉煤灰，提高幅度分别为 I I 4 、 3 4 5 ， 表明在管桩蒸养制度下， 矿物外加剂的超叠加 效应对提高混凝土的抗裂性比提高混凝土的抗压强度更为有 效。比较 1 2 、 1 3 、 1 4 配合比， 矿粉与粉煤灰复掺后， 再掺加硅 灰， 管桩混凝土劈裂抗拉强度明显提高， 并且掺加5 硅灰混 凝土劈裂抗拉强度高于掺加8 硅灰， 提高幅度分别为2 O 5 和 1 2 8 。 ( 3 ) 比较3 、 8 、 l 2号配合E k ， 管桩混凝土蒸养后脱模劈裂 抗拉强度与抗压强度的百分比， 复掺矿粉、 粉煤灰的脆性改善 效果优于单掺矿粉、 粉煤灰， 提高幅度分别为1 0 6 、 3 2 7 ， 说明在管桩蒸养制度下，矿物外加剂的超叠加效应更有利于 改善管桩混凝土的脆性。对于l 2 、 l 3 、 1 4 配合比， 矿粉与粉煤 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张风 臣， 等： 提 高管桩混凝土抗裂性的试验研究 灰复掺后， 再掺加硅灰， 尽管管桩混凝土的抗压强度与劈裂抗 拉强度均明显提高， 但是脆性并没有得到显著改善。 矿物外加 剂对管桩混凝土脆性的改善效果依次是( 1 0 矿粉+ 1 0 粉煤 灰) 2 0 矿粉 ( 1 0 矿粉+ 1 0 粉煤灰+ 5 硅灰) ( 1 0 矿粉+ 1 0 粉煤灰+ 8 硅灰) 2 0 粉煤灰。 2 4 蒸养后管桩混凝土的微观形貌 图1 是3 号配合比， 即掺2 0 矿粉管桩混凝土试件强度 测试后的S E M微观形貌。 ( a ) ( b ) ( C ) 图 1 3号配合 比管桩混凝土的 S E M微观形貌 图 1 ( a ) 中在水泥石与集料约7 5 m界面过渡区内水化 物均匀，未出现普通混凝土界面过渡区内水化产物疏松， C H 富集、 定向分布现象。图1 ( b ) 有2 条明显的裂纹以近似垂直 于集料方向由水泥石向集料表面扩展， 集料被劈开。图 1 ( c ) 不仅可以看到集料周围均匀的水化物相，还可以看到混凝土 试件强度测试中， 不仅是水泥石被破坏， 集料也被破坏， 图1 中左上角部分集料被压裂，而压裂的部分集料与水泥石界面 依然完好。 混凝土采用低水胶比， 同时掺加了2 0 的矿粉， 使 得浆集料界面过渡区水化物相均匀，强化了界面过渡区结构 和性能， 强度试验中 集料被压碎、 劈裂， 而界面完好。因此， 掺 加2 0 矿粉提高了管桩混凝土的抗压强度、 劈裂抗拉强度及 劈裂抗拉强度与抗压强度比， 显著改善其脆性。 3 结论 ( 1 ) 单掺2 0 矿粉或2 0 粉煤灰， 按照管桩生产工艺养 护的混凝土，脱模强度能够满足G B 1 3 4 7 6 -2 0 0 9 对预应力 管桩钢筋放张时的强度要求， 并能提高管桩混凝土的抗裂性， 改善其脆性， 矿粉的改善效果优于粉煤灰。 ( 2 ) 单掺 2 0 矿粉或2 0 粉煤灰后再复掺 3 8 的硅 灰， 管桩混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度都得到提高， 掺加 5 、 8 硅灰与掺加3 硅灰的效果相近； 从复掺硅灰增强混 凝土抗裂性的效果、 离心工序的质量控制及经济性原则出发， 复掺硅灰时， 采用3 的掺量即可。 ( 3 ) 1 0 矿物与 1 0 粉煤灰复掺后再掺加5 、 8 的硅灰， 管桩混凝土的脱模抗压强度和劈裂抗拉强度都明显提高， 就 其提高效果分析， 掺加5 硅灰优于掺加 8 硅灰； 矿物外加 剂对管桩混凝土脆性的改善效果依次是( 1 0 矿粉+ 1 0 粉煤 灰) 2 0 矿粉 ( 1 0 矿粉+ l 0 粉煤灰+ 5 硅灰) ( 1 0 矿粉+ 1 0 粉煤灰+ 8 硅灰) 2 0 粉煤灰。 参考文献： 1 】 S i d n e y Mi n d e s s ， J F r a n c i s Y o u n g ， D a v i d D a r w i n 混凝土f M】 吴科 如 ， 张雄 ， 姚武， 等译 北京 ： 化学工业出版社 ， 2 0 0 5 2 2 Me h t a P K 混凝土 的结构 、 性能和材料【 M】 上海： 同济大学 出版 社 ， 1 9 9 1 3 S C R I V E N E R K AR E N L ， C R UMB I E， A S O N K， e t a 1 T h e 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( I T Z) b e t we e n c e me n t p a s t e a n d a g g r e g a t e i n c o n c r e t e J I n t e rf a c e S c i e n c e ， 2 0 0 4 ， 1 2 ( 4 ) ： 4 1 1 - 4 2 1 4 P R O K OP S K I G， H AL B I N I A K J I n t e r r a c i a l t r a n s i t i o n z o n e i n c e me n t i t i o u s m a t e r i a l s 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 0 ， 3 0 ( 4 )： 5 7 9 5 8 3 5 王嘉 水泥石一 石 灰石集料界面过渡层 结构和性 能的研究 J 硅 酸 盐学报， 1 9 8 7( 4 ) ： 1 1 4 1 2 1 6 胡明德 ， 余其 俊， 王旭 ， 等 集料 与硅酸 盐水泥石 界面 区的若干研 究 J 1 武汉工业大学学报 ， 1 9 9 2 ( 6 ) ： 1 1 -1 8 7 E L S H AR I E F A MI R， C O H E N ME N A S H I D， O L E K J AN I n fl u e n c e o f a g gre g a t e s i z e， wa t e r c e me n t r a t i o a n d a g e o n t h e mi c r o s t r u c - t u r e o f t h e i n t e r f a c i al t r a n s i t i o n z o n e J 1 C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h ，2 0 0 3， 3 3( 1 1 )： 1 8 3 7 1 8 4 9 8 郑克仁 ， 孙伟 ， 林玮， 等矿渣对界面过渡 区微力学性质的影响l J 】 南京航空航天大学学报， 2 0 0 6( 6 ) ： 4 0 7 4 1 1 9 陈惠苏， 孙伟 ， S t r o e v e n P i e 水泥基复合材 料界面对材 料宏观性 能的影响l J 】 建筑材料学报 ， 2 0 0 5 ， 8 ( 1 ) ： 5 1 6 2 A N E W B UI L DI NG M ATE R I AL S 21 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m