功能组分对石灰石资源全利用混凝土干燥收缩的影响.pdf

2 0 1 5年第 1 期 -1月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA CONC RE T E AND C EME NT P RODUC T S 2 01 5 No 1 J a n u a r y 功能组分对石灰石资源全利用混凝土 干燥收缩的影响 刘 春 ， 何 智海 ， 刘运华 ， 万 林 。 ( 1 绍兴文理学 院土木工程学院， 3 1 2 0 0 0 ； 2 郴州市房产管理局 ， 4 2 3 0 0 0 ； 3 郴州市建设工程质量安全监督管理站 ， 4 2 3 0 0 0 ) 摘要 ： 为 降低石灰石 资源全利用混凝 土的开裂敏感性 ， 采 用 自制 的试验装置 ， 研究 了聚 乙烯 醇( P V A) 纤维、 减 缩 剂和 膨胀 剂对该混凝土干燥收缩 的影响规律 ， 以得到有效 降低干燥收缩 的技 术措施 ， 并 结合 内部相对 湿度和孔 隙 率分析 了相 应的影响机理 。结果表 明， 减缩剂和膨胀剂可以有效 降低石灰石资 源全 利用混凝土的 干燥 收缩 ， 其 中以 减缩 剂降低 效果更好 ， 而 P v A 纤维反 而增加 了其 干燥 收缩 ； 相 比于基 准混凝土相应砂 浆的孔 隙率 ， 掺加减缩荆砂 浆 的不 同孔径 的孔 隙率均最低 ， 掺加膨胀 剂砂浆的 次之 ， 而 P V A 纤维 明显 增加 了对 干燥收缩影 响较 大的 小于 l O O n m 的孔 隙率 ； 同步测试得到 的干燥 收缩与 内部相对湿度有较好的线性回 归关 系， 通过测试 内部相 对湿度可 以计 算出同 龄 期 的 干燥 收 缩 。 关键词 ： 功能组分 ； 石灰石 ； 混凝土 ； 干燥 收缩 ； 内部相对 湿度 ； 孔 隙率 Ab s t r a c t ：I n o r d e r t o d e c r e a s e t h e c r a c k i n g s e n s i t i v i t y o f c o n c r e t e wi t h t o t a l u t i l i z a t i o n o f l i me s t o n e r e s o u r c e s ， t h e i n fl u e n c e l a w o f p o l y v i n y l a l c o h o l ( P V A ) f i b e r ， s h ri n k a g e r e d u c i n g a d m i x t u r e a n d e x p a n s i v e a g e n t o n d r y i n g s h ri n k a g e o f t h e c o n c r e t e wa s s t u d i e d b y t h e s e rf- ma d e t e s t d e v i c e t o o b t a i n t h e e f f e q t i v e t e c h n o l o g y me a s u r e o f d e c rea s i n g d r y i n g s h r i n k a g e ，a n d t h e c o r r e s p o n d i n g i n fl u e n c e me c h a n i s m wa s a n a l y z e d b y t e s t i n g i n t e r n a l r e l a t i v e h u mi d i t y a n d p o r o s i t y T h e r e s u h s i n d i c a t e t h a t t h e s h rin k a g e r e d u c i n g a d mi x t u r e a n d e x p a n s i v e a g e n t c a n e f f e c t i v e l y d e c r e a s e d r y i n g s h ri n k a g e o f c o n c r e t e w i t h t o t a l u t i l i z a t i o n o f l i me s t o n e r e s o u r c e s ，t h e b e t t e r d e c r e a s i n g wi t h s h rin k a g e red u c i n g a d mi x t u r e ， h o we v e r ，P V A fi b e r i n c r e a s e s d ryi n g s h rin k a g e Co mp a r e d wi t h t h e p o r o s i t y o f t h e c o n t r o l l e d c o n c r e t e c o r r e s p o n d i n g mo r t a r ，the d i ffe r e n t a p e r t u r e p o r o s i t i e s o f mo rta r wi t h S h rin k a g e r e d u c i n g a d mi x t u r e a r e mi n i mu m， a n d t h o s e o f mo rt ay wi t h e x p a n s i v e a g e n t a y e s e c o n d ， a n d n e v e r t h e l e s s ， P VA fi b e r i n c r e a s e s t h e p o r o s i t y w h i c h h a s a ll i mp o r t a n t e f f e c t o n d ryi n g s h r i n k a g e a n d w h o s e a p e rtu r e i s l e s s t h a n 1 0 0 n mT h e b e t t e r l i n e a r r e l a t i o n s h i p s b e t we e n t h e s y n c h r o n i z e d d r y i n g s h ri n k a g e a n d i n t e r n al r e l a - t i v e h u mi d i t y a r e o b t a i n e d ， a n d the s a me p e ri o d d ryi n g s h ri n k a g e c a n b e c a l c u l a t e d b y t e s t i n g i n t e r n al r e l a t i v e h u mi d i t y Ke y wo r d s ： F u n c t i o n c o n s t i t u e n t s ； L i me s t o n e ； C o n c r e t e ； Dr y i n g s h r i n k a g e ； I n t e rnal r e l a t i v e h u mi d i t y ； P o r o s i t y 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 5) 0 1 1 9 - 0 4 0前 言 石灰 石资源在混凝土行业 中的应 用一般是用 来 生产粗骨料碎石 ，其相关技术相对较为成熟 ， 但 随着细骨料天然河砂 的 日益匮乏 ， 也开始成规模的 用来生产细骨料机制砂 ， 并在混凝土中得到了较好 地推广使用 。然 而， 当前石灰石资源生产混凝土原 材料的工艺普遍较为简单 ， 大部分只能单一生产碎 石或机制砂 ， 且在生产过程 中产生了大量 的石灰石 资源粉末 ， 造成 了大量的资源浪费 ， 为此 ， 将其粉磨 成石灰石粉用于混凝土中。采用石灰石资源一条龙 生产 石灰石粉 、 机制砂和碎石 ， 并制备混凝土成功 应用于实际工程 中的相关技术 已见报道【 l - 2 ， 总结提 基金项 目： 湖南省科技计划发展项 目( 2 0 0 6 s k 4 0 1 7 ) 。 炼 出石灰石资源全利用混凝土概念 ， 即为混凝土所 用 的粗 、 细骨料和矿物掺合料都来 自于石灰石资源 生产 的碎石 、 机制 砂和石灰石粉 ， 以摆脱制备性 能 优异 的混凝土对天然河砂和传统矿物掺合料如 粉 煤灰和矿粉等原材料的过度依赖 ， 实现石灰石资源 在混凝土中的全利用 ， 从 而有效推动石灰石资源生 产混凝土原材料工艺的升级换代和相关技术改进。 石灰石资源 全利用混凝 土的骨料和矿物掺合 料是经过石灰石资源破碎 、 过筛和粉磨等工序得 到 的 ， 相关工艺环节可 以根据混凝土性能要求进行调 整 ， 因此 ， 从原材料角度保证了混凝土质量 ， 实现 了 其 质量可控性 ， 相关 技术效应 、 经济 和社会效益显 著 。然而 ， 研究表明， 掺加石灰石粉或机制砂 明显增 加 了混凝土 的干燥收缩 ， 同时掺用势必导致该混凝 一 1 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 1 期 混凝土与水泥制品 总第 2 2 5期 土更易开裂 ， 此为石灰石资源全利用混凝土未能有 效解决的主要技术难题之一 。 因此 ， 为更好地推广使用石灰石资源全利用混 凝土 ， 有必要研究降低该混凝土干燥收缩 的相关技 术措施 。一般认为， 纤维增强、 混凝土膨胀剂补偿收 缩 和减缩剂减缩是预 防混凝土收缩开裂 的最 主要 技术措施 5 - 7 。基于此 ， 本文研究了纤维 、 膨胀剂和减 缩剂三种不 同功能组分对石灰石资源全利用混凝 土干燥 收缩的影响 ， 以得出降低该混凝土干燥收缩 最 为有 效 的功能 组分 。 1 试 验 1 1 原材料 水泥为 P I 5 2 5级水泥 ，比表面积 3 7 0 m k g ； 碎石 、机制砂和石灰石粉取 自于同一石灰石资源 ， C a C O 3 含量在 8 5 以上 ， 碎石粒径为 5 2 5 ra m， 表观 密度 2 6 8 g c m 3 ， 机制砂细度模数为 2 8 ， 级配区间为 2区 ，其石粉 含量 为 8 ，石灰石 粉 比表面 积 为 5 5 0 mV k g ， 其 扫描 电镜 ( S E M) 照片见 图 1 ， 采用 B T 一 9 3 0 0型激光粒度仪分析得到 的水泥和石灰石粉粒 度分布和颗粒级配 ， 见图 2 。从图 1可以看出 ， 石灰 石粉基本为无规则的多棱角状 ， 不似粉煤灰的光滑 球状 ； 而 图 2表明 ， 石灰石粉的 D 5 0 m 和 D 9 5 p , m 都小于水泥 ，这说明石灰石粉 的颗粒度小于水泥 ， 等量取代水泥可以起到较好 的密实填充作用。 纤维为聚 乙烯醇 ( P V A) 纤维 ， 长度 为 6 ra m， 抗 拉弹性模量 为 4 0 G P a ， 断裂延伸率为 1 3 ； 减缩剂 为 J M S R A减缩剂 ；膨胀剂为硫铝酸钙膨胀剂 ； 减 图 1 石灰石粉 S E M照 片 水剂为 J Z B - P C 3高效减水剂 ； 水为 自来水 。 1 o o 8 0 塞 6 0 耋4 o 2 O 0 O 1 1 O 1 0 o 粒 径 Ir m 冰 梧 图 2 水 泥和石灰 石粉的粒 度分布和颗粒级配 1 2 试验方案 固定水胶 比和砂率不变 ，通过调整减 水剂用 量 ， 以保证石灰石资源全利用混凝土工作性达到泵 送要求 ， 通过掺加三种不 同功能组分 以研究其对该 混凝土干燥收缩的影响 ， 同时成型 了不掺功能组分 的基准石灰石资源全利用混凝土以做对 比， 膨胀剂 的掺量为等质量取代胶凝材料 1 0 ， 减缩剂掺量为 胶凝材料的 2 ， P V A纤维掺量为 1 2 k g m3 ，混凝土 配合 比和 2 8 d抗压强度如表 l 所示 。从表 1可以看 出 ， 三种功能组分不同程度地降低 了混凝土 2 8 d抗 压强度 ， 其 中以 P V A纤维降低幅度最大。 1 3试验 方法 石灰石资源全利用混凝土干燥收缩采 用振弦 式应变计进行测试 ，为揭示其相应 的影响机理 ， 通 过电容式温湿度数字传感器 同步测试 了混凝 土 中 心 位 置 的 内部 相 对 湿 度 。 混 凝 土 试 件 尺 寸 为 1 0 0 m inx 1 0 0 mm x 4 0 0 m m， 成型混凝土时， 在其中心位 置水平方向预埋振 弦式应变计 ， 在其 中心位置竖 向 方向预埋两端开 口的 P V C管 ， 振弦式应变计导线通 过 P V C管透出到混凝土体外 ， 为防止混凝土成 型振 捣密实过程 中其浆体渗入 到 P V C管 ，在 P V C管 中 预先插入直径 略小 、 长度略长 的不锈钢筋 ， 待混凝 土终凝后 ， 轻微摇动拔 出钢筋 ， 并立 即将 电容式温 湿度数字传感器插入 P V C管 中， 并用塑料薄膜密封 应变计和温湿度数字传感器导线与 P VC管之 间的 间隙， 1 d后拆模 ，为使混凝土 6个面都进行干燥收 表 1 混凝土配合 比和 2 8 d抗压强度 一 2 0一 8 6 4 2 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 刘 春 ， 何智海 ， 刘运华 ， 等 功能组分对石灰石资源全利用混凝土干燥收缩 的影响 缩 ，将混凝土水平放置于离两端距离为 5 0 mm的钢 筋上 ， 恒温恒湿环境温度控制在( 2 0 2 ) c I = ， 相对湿度 控制在 ( 6 0 5 ) ， 通过透 出混凝 土体外 的应变计和 温湿度数字传感器导线 同步测试不 同龄期 石灰石 资源全利用混凝土的干燥收缩和内部相对湿度 ， 示 意 图如 图3所示 。 钢 图 3混凝 土 干 燥 收 缩 和 内邵 相 对 湿 度 试 验 不 恿 图 采用美 国 QU AN T A C H R OM E公 司研制 的全 自 动压汞仪 P o r e m a s t e r G T 一 6 0 ，测试石灰石资源全利 用混凝土相应砂浆 9 0 d的孔结构 ( Me r c u r y i n t r u s i o n p o r o s i me t r y ， 简写为 MI P ) 。 2结果 与 讨论 2 1 干 燥 收缩 图 4为 P V A纤维 、 减缩剂和膨胀剂三种功能组 分对石灰石资源全利用混凝土干燥收缩 的影响。从 发展速度来看 ， 该混凝土干燥收缩发展较快 ， 9 0 d干 燥收缩达到 3 0 0 d稳定值 的 9 0 以上 ， 趋于稳定 ； 从 3 0 0 d干燥收缩稳定值来看 ， 相 比于基准石灰石资源 全利用混凝土稳定值 5 3 7 1 0 ，掺加减缩剂和膨胀 剂 明显降低了其稳定值 ，降低幅度分别为 3 4 6 和 1 9 0 ， 而掺加 P V A纤维反而增加了其稳定值 ， 增加 幅度较小 ， 为 6 0 。 由此可见 ， 减缩剂和膨胀剂都可 以有效降低石灰石资源全利用混凝土干燥 收缩 ， 其 中以减缩剂降低效果更好 ， 而 P V A纤维反而增加 了 其干燥收缩。 2 2内部相对湿度 一 般认为 ， 混凝土体积稳定性与其内部水分 的 反应 、 迁移变化有关嘲 。为揭示不 同功能组分对干燥 收缩的影响机理 ， 在不同龄期 同步测试得到了石灰 石资源全利用混凝土 内部相对湿度 ， 如图 5所示 。 从 图 5可 以看 出 ， 随着龄期 的延 长 ， 石 灰石资 源全利用混凝土 内部相对湿度逐渐降低 ， 9 0 d左右 慢慢趋于稳定 ， 其 3 0 0 d值仍在 8 0 以上 ； 而不 同功 能组分改变 了其变化历程 ， 相 比于基准石灰石资源 婚 嘣 按 靶 蔚 龄期， d 图 4 功能组分对 干燥 收缩 的影响 龄 期 d 图 5 功能组分对 内部相对湿度的影响 全利用混凝土内部相对湿度 3 0 0 d稳定值 8 2 1 ， 掺 加减缩剂和膨胀剂有效延缓 了其 内部相对湿度 的 变化 ，其稳定值依然保持较高值 ，分别为 8 7 8 和 8 5 2 ，而掺加 P V A纤维反而加快了内部相对湿度 的变化 ， 其稳定值较低 ， 为 8 0 1 。 结合图 4和 图 5可 以看 出， 对于石灰石资源全 利用混凝土 ， 较高的内部相对湿度对应着较低的干 燥 收 缩 ， 有 研 究 表 明 ， 水 泥基 材 料 的 自收 缩 和徐 变 与其 内部相对湿度变化有着较好的线性关系 1 ， 在 此 把 同步 测 试 得 到 的 干燥 收缩 和 内部 相 对 湿 度 进 行拟 合 分析 ， 得 到 的两者 之 间的 回归关 系见 图 6 。 从 图 6可 以看出 ， 石灰石资源全利用混凝土干 燥收缩与 内部相对湿度变化有着较好 的线性 回归 关系 ，可用 D S = a + b x l R H表达 ，其 中 D S为干燥收 缩 ， 为 内部相对湿 度 ， a为 回归线 性方程 的截 距 ， 其含义为 I R H= O时的干燥收缩 ， 然而 内部相对 湿度不可能会降低至 0 ， b为 回归线性方程的斜率 ， 其绝对值 大小表示干燥 收缩 随内部相对湿度减 小 而变化 的相对快慢 ， 从 中可 以看 出， 石灰石资源全 利用混凝土 内部相对湿度下降相同幅度时 ， 掺加减 缩剂和膨胀剂混凝土 的干燥 收缩变化更为敏感 ， 换 言之 ，掺加减缩剂 和膨胀剂混凝土 的干燥 收缩较 一 2】一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 1 期 昆 凝土与水泥制品 总第 2 2 5期 6 0 o 5 0 0 4 00 好 基3 0 0 2 0 o 1 0 0 0 7 6 8 0 8 4 8 8 9 2 9 6 1 o o 内部相对湿度， 图 6干燥 收缩 与 内郡 相 对 湿 度 回 归关 系 小 ， 正好验证了减缩剂和膨胀剂有效延缓 了内部相 对湿度的变化 ， 从而明显降低 了干燥收缩 。由此可 见 ， 通过测试石灰石资源全利 用混凝土内部相对湿 度可以计算 出同龄期 的干燥收缩。 2 3 孔结构 孔结构是影响水泥基材料体积稳定 性最重要 的参数之一 ，其可反映水泥基材料的密实程度 ， 从 而影响内部相对湿度变化。通常 ， 大于 1 0 0 n m的毛 细孔失水 主要是 引起水 泥基材料质量 的减小 而不 会引起 明显的变形 ， 而 1 0 0 n m 以下的毛细孑 L 失水将 产生较大的变形应力 ，其中 5 0 n m以下 的毛细孔失 水影响更大。在此以 MI P法测试得到的石灰石资 源全利用混凝土相应砂浆 9 o d的孔 隙分布见表 2 。 表 2 9 0 d砂浆 的孔 隙分 布 m ug 从表 2可知 ， 石灰石资源全利用混凝土相应砂 浆 总孔 隙率 主要 由对 干燥 收缩影 响很 小 的大 于 1 0 0 n m 的孔隙率组成 ，其所 占比例在 6 0 以上 ； 相 比于基准混凝土相应砂浆孔 隙率 ， 掺加减缩剂砂浆 的不同孔径的孔隙率均最低 ， 掺加膨胀剂的砂浆次 之 ， 而 P V A纤维降低了砂浆总孔隙率和对干燥收缩 影响很小的大于 1 0 0 n m的孔 隙率 ， 但明显增加了对 干燥收缩影响较大 的小于 1 0 0 n m的孔隙率 ， 特别是 增加了对干燥收缩有着重要影 响的 5 0 n m以下的孔 隙率 ， 从而表现为增加了相应混凝土的干燥收缩。 3结论 ( 1 ) 减缩剂和膨胀剂 明显降低了石灰石资源全 一 2 2一 利用混凝土的干燥收缩 ， 其 中以减缩剂降低效果更 好 ， 而 P V A纤维反而增加 了其干燥 收缩。 ( 2 ) 对 于石灰石 资源全利 用混凝土 ， 较高 的内 部相对湿度对应着较低 的干燥收缩 ， 同步测试得 到 的干燥收缩与 内部相对湿度变化有着较好 的线性 回归关系 ， 通过测试 内部相对湿 度可 以计算 出同龄 期的干燥收缩 。 ( 3 ) 相 比于基准石灰石资源全利用混凝土相应 砂浆孔 隙率 ， 掺加减缩剂砂浆的不同孔径的孔隙率 均最低 ， 掺加膨胀剂的砂浆次之 ， 而 P V A纤 维降低 了砂浆 总孔 隙 率和 对干燥 收缩影 响 很小 的大 于 1 0 0 n m的孔隙率 ，但明显增加了对干燥收缩影响较 大的小于 1 0 0 n l T l 的孔隙率。 参考文献 ： 【 1 刘 江红， 刘运 华， 何智 海 石灰石 资源在混凝 土 中的应 用 研究 j J 混凝 土， 2 0 1 1 ( 1 ) ： 1 0 3 1 0 5 2 J 李北星， 周明凯， 田建平， 等 石粉与粉煤灰对 C 6 0机制砂高 性能混凝土性能的影响忉 建筑材料学报， 2 0 0 6 ， 9 ( 4 ) ： 3 8 1 - 3 8 7 【 3 】 郭育霞， 贡金鑫， 李 晶 石粉 掺量对混凝 土力 学性 能及 耐 久性的影响【 J 建筑材料学报， 2 0 0 9 ， 1 2 ( 3 ) ： 2 6 6 2 7 1 4 郑怡， 张耀庭 石 灰岩质机 制砂 混凝土收缩徐变性 能的试 验研究【 J 1 土木 工程 学报， 2 0 1 3 ， 4 6 ( 1 2 ) ： 5 9 - 6 5 f 5 】 高礼雄， 孔丽娟 减缩剂对机制砂混 凝土干燥 收缩 的影 响 J 功能材料， 2 0 1 3 ， 4 4 ( 1 0 ) ： 1 - 5 6 】 何智 海， 钱 春香， 钱 桂枫 ， 等 等 强度下混凝土组分 对内部 相对湿度 和自收缩的影响l J J 功能材料， 2 0 1 1 ， 4 2 ( 2 ) ： 2 2 2 2 2 5 7 陈志城， 阎培渝 补偿 收缩 混凝 土的 自收缩特性 J 1 硅酸 盐学报， 2 0 1 0 ， 3 8 ( 4 ) ： 5 6 8 - 5 7 3 8 1 K e n n e t h C L T h e i n fl u e n c e o f w a t e r o n t h e p e r f o r ma n c e o f c o n c r e t e J , C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s , 2 0 1 l ， 2 5 ： 3 0 0 3 - - 3 0 1 3 9 J J i a n g Z S u n Z P ， Wa n g P M A u t o g e n o u s r e l a t i v e h u mi d i t y c h a ng e a n d a ut og e no u s s hrin ka g e o f hi g h- pe r f o r ma n c e c e me nt p a s t e 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 5 ， 3 5 ： 1 5 3 9 - 1 5 4 5 1 0 】 H u S G ， Wu J ， Y a n g W， e t a 1 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n a u t o g e n o u s d e f o r ma t i o n a n d i n t e r n a l r e l a t i v e h u mi d i t y o f h i g h s t r e n g t h e x p a n s i v e c o n c r e t e 【 J 】 J o u r n a l o f Wu h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y - Ma t e r i a l s S c i e n c e ， 2 0 1 0 ， 2 5 ( 3 ) ： 5 0 4 - 5 0 8 1 1 】 H e Z H ， Q i a n C X I n t e r n a l r e l a t i v e h u m i d i t y a n d e r e e p o f c o n c r e t e w i t h mo d i fi e d a d m i x t u r e s f J 1 P r o g r e s s i n N a t u r e S c i - e n c e ： Ma t e ri a l s i n t e rn a t i o n a l ， 2 0 1 1 ， 21 ： 4 2 6 4 3 2 【 l 2 钱觉 时， 乔墩， 石亮， 等 减缩 剂外涂对 混凝土性 能的影 口 廊 及作用机 理 J 硅酸盐学报， 2 0 0 9 ， 3 7 ( 1 2 ) ： 2 0 9 0 2 0 9 6 收稿 日期 ： 2 0 1 4 - 1 1 - 2 0 作者简介 ： 刘春 ( 1 9 7 2 一 ) ， 男 ， 博士 、 副教 授。 联 系 电话 ： 1 8 3 麟2 6 3 3 9 E- ma i l ： 9 3 4 5 8 06 9 4q q c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m