低热混凝土早期抗裂性能试验研究.pdf

2 0 1 5 年 第 4期 (总 第 3 0 6 期) N u mb e r 4 i n 2 0 1 5 ( T o t a l No 3 0 6 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEoRETI CAL RES EARCH 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 5 0 4 0 0 8 低热混凝 土早期抗裂性 能试验研 究 石云磊 。邬昆 ，胡昱 ， 李庆斌 ， 李仁江 ( 1 清华大学 水利水电工程系 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室 ， 北京 1 0 0 0 8 4 ； 2 中国长江三峡集 团公 司， 北 京 1 0 0 0 3 8 ) 摘要： 低热混凝土具有常规混凝土所不具备的早期低热 、 后期强度发展快等优点。 除了经济因素外 ， 目前制约着低热混凝土广 泛使用的主要因素是其早龄期的低强度， 但是低强度并不一定意味着低的抗裂性能。 水工大体积混凝土开裂 的主要原因是温度 应力 ， 其产生与温度梯度和混凝土的自身性质均有关。 温度断裂试验是一个可以综合考虑混凝土 自身性质和外界温度条件 的试 验手段 ， 笔者以该试验对比了低热混凝土和中热混凝土抵抗温度断裂的能力。 关键词： 低热混凝土 ； 受拉弹模 ； 极限拉伸应变； 温度断裂 中图分类号： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 4 0 0 2 9 0 3 T e s t i n g s t u d y o n e a r l y c r a c k i n g r e s i s t a n c e o f l o w h e a t c on c r e t e S HI Yu n l e i ， 1 Ku n 。 ，HU Yu ， LI Q i n g b i n ， L IR e n j i a n g ( 1 S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f Hy d r o s c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g， De p a r t me n t o f Hy d r a u l i c E n g i n e e ri n g， T s i n g h u a Un i v e r s i t y B e ij i n g 1 0 0 0 8 4， C h i n a ； 2 C h i n a T h r e e Go r g e s Co r p o r a ti o n ， Be i j i n g 1 0 0 0 3 8 ， C h i n a ) Abs t r ac t： Low h e a t c o n c r e t e h a s ma n y a d v a n t a g e s l i k e l o w t e mpe r a t u r e ris e i n t h e e a r l y a g e a n d f a s t s t r e n g t h d e v e l o p me n t i n t h e l a t e r a g e whi c h c on v e n ti o n a l c o n c r e do e s n ot ha v e At p r e s e nt ， e x c e p t f o r e c o n o mi c f a c t o r s， t h e ma i n f a c t o r r e s t r i c t i n g t h e wi d e s p r e a d u s e o f l o w h e a t c o n c r e i s i t s l o w s e n g th i n the e arl y a g e， bu t l o w s e ng th d o e s n o t n e c e s s a ril y me a n l o w c r a c k r e s i s t a n c e An o t h e r i mp o r t a nt i n d e x t O j u d g e wh e t h e r i t i s o f a b i l i t y t O wo r k o r f a i l s i s c r a c k i n g c h ara c t e ris ti c s T h e ma i n r e a s o n o f h y d r a u l i c ma s s c o n c r e t e c r a c k i n g i s t h e t e mp e r a t u r e s t r e s s ， a n d t h e t e m p e r a t u r e s tre s s d e pe n ds o n t h e t e mp e r a t u r e g r a d i e n t a n d the p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e i t s e l f Th e t e m p e r a t u re f r a c t u r e t e s t i s a c o mp r e h e n s i ve t e s t wh i c h c o ul d t a ke bo th c o n c r e t e p r o p e r t i e s a n d the o u t s i de t e mp e r a t u r e c o n d i tio n s i n t o c on s i d e r a t i o n， a n d t h e a utho r t o o k the t e s t t o s e a r c h t h e r e s i s t a n c e o f t e mp e r a t u r e f r a c t u r e c o mp a r i n g t he t wo k i n d o f c o n c r e t e Ke y wo r d s： l o w h e a t c o n c r e m； t e n s i l e mo d u l u s ； u l ti ma t e s t r a i n； t e mp e r a t u r e f r a c t u r e 0 引 言 低热水泥 的主要的矿物成分是硅酸二钙 ( C S ) ， 铝 酸三钙( C A) 含量很低。 因此 ， 低热 水泥 的早龄期水 化反 应 的速率相对来说较低 ， 放热量也相应减 少。 低 热混凝土 用低热水泥作为主要胶凝材料 ， 因而具有 常规混凝土所不 具有的早龄期低温升 、 后期 强度发展 速度快 、 水泥水 化产 物 ( c s H凝胶) 致 密 、 耐久性好 等优 点 ， 有广 阔的发 展前 景 。 早在 2 0世纪 3 0年代美 国胡佛大坝建设的过程 中， 低 热混凝土就已经开始大量地使用 J ， 至今性能良好， 体现 了优 良的耐久性能 。 我 国溪洛渡水 电站应用低热混凝土 进行了大量 的现场和试验室研究 ， 发现早龄期低热混凝 土 的抗压强度发展较缓慢 ， 之后强度发展 加快 ， 到 2 8 d龄 期低热混凝土的强度、 极限拉伸值和弹性模量与中热混凝 土基本相等 。 早龄期水工大体 积混凝土 的开裂 基本上是 由于混凝 土水化温升产生的温度拉应力所致 J 。 温度应力既与温度 梯度有关 ， 又与混凝土 自身性质有关 。 为 了评价 低热混凝 土早龄期抗裂性能 ， 笔者进行 了多个低热混凝土与 中热混 凝土的对 比试验 ： ( 1 ) 通过标准抗压试验测得混凝土的抗压强度 ； ( 2 ) 通过受拉弹模试验测得混凝土的抗拉强度和抗拉 弹性模量 ； ( 3 ) 通过抗折试 验测得 混凝土 的抗折强 度和极 限拉 伸值 ； ( 4 ) 通过 自行设计 的圆环温度 断裂 试验 ， 判 断低热 和 中热混凝土 的温度断裂韧性 。 1 原料和试验 方法 1 1 原料 试验使用的原料均来 自溪洛渡施工现场， 其中中热水 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 9 2 5 基 金项 目： 国家 “ 九七三 ” 重点基础研究发展计划项 目( 2 0 1 3 C B 0 3 5 9 0 2 )； 国家 自然科学 基金 ( 5 1 2 7 9 0 8 7， 5 1 3 3 9 0 0 3 ) ； 清华大学水沙科学与水利水 电工 程国家重点实验室科研课题 ( 2 0 1 2一K Y一4 ) 29 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 泥为华新 P MH 4 2 5 级 ， 低热水泥为嘉华 P L H 4 2 5级 ， 低热水泥矿物组成见表 1 。 表 1 低热水泥矿物组成 试验使用溪洛渡工地 的砂 、 小石 、 粉煤灰 、 减水剂等材 料 ， 所有 试验采 用 相 同的配合 比， 将 原料 配制成 一级 配 C 4 0混凝土， 具体配合 比见表 2 。 表 2混凝土配合比 k g m 1 2受拉 弹模试验 试验使用 的试件尺寸为 1 0 0 r n l T l 1 0 0 m m 4 0 0 m m， 试验加载仪 器为徐变 仪 ， 应变测 量仪器 为 电阻数字应 变 仪。 试验装置示 意图见图 1 。 图 1 受拉弹模试验装置示意图 在试验龄期到来的前一天将试 件从养 护室 内取 出晾 干 ， 用建筑结构胶将试件的两端与徐变仪接头黏合。 建筑 结构胶黏接混凝土面和接头钢板 面 2 4 h以后即可达到所 需 的黏接强度 ， 可 以进行试验。 由于本次试 验没有 相应 的国家标准 ， 结 合 了有关 文 献 7 和国家标准以后 ， 决定在试验 中类 比国家标 准的测 试方法 ： 试验 中应首先 预加荷载 F 。 = 0 2 MP a ， 保持荷 载 6 0 S ， 随后 以0 0 5 MP a s 的加荷速度加至 1 MP a ， 保持荷载 6 0 S ； 随后 以相同 的卸荷速度 ， 将荷载 降低至 0 2 MP a ， 保 持荷载 6 0 S ， 随后继续 以相同的速度加载 ， 如此反复 3次 。 最后加载至试件破坏， 记录破坏强度， 计算抗拉强度； 取最 后一次加载过程破坏荷载二分之一强度处 的割线模量 ， 作 为受拉弹性模量 ， 按式( 1 ) 计算 ： E = ( 1 ) = ( ) 式 中： E 受拉弹性模量 ， G P a ； ， 破坏拉力的 1 2 ， k N； A试件截面积 ， 1 0 0 0 0 m m。 ； 8 最后一次加载的应变差 。 弹性模量 的计算结果精确到 0 1 G P a 。 1 3四点 弯曲抗折试验 试验使用 的试件尺寸为 1 0 0 mm X 1 0 0 m m 4 0 0 r n n q ， 3 0 试验加载仪器为万能液压试验机， 应变测量仪器为电阻数 字应变仪 。 试验装置示意图见图 2 。 图2 抗折试验装置示意图 按照国家标准， 混凝土强度在 C 3 0和 C O ? 之间的混凝土 试验 ， 进行抗折试验时， 加载速度应控制在 0 0 5 0 0 8 MP a s 。 本试验试件龄期较早 ， 抗折 强度较低 ， 故选择 最小 的加荷 速度 0 0 5 MP a s 。 抗折强度按式 ( 2 ) 计算 ： ： 景 0 8 5 ( 2 ) 一 易 。 式 中： 抗折强度 ， MP a ； F 破坏荷载 ， N； L 下支座跨距 ， mm； b= h= 1 0 0 m i l l ， 为试件截面的宽和高。 抗折强度的计算结果精确至 0 1 MP a 。 在试件破坏时， 用 电阻数字应变仪测量破坏应变作为 极限拉伸应变。 1 4 圆环温度断裂试验 本试验设计了圆环形混凝土试件 ， 通过直接在试件的 内外边界加温度荷载来提供温度场和温度应力 ， 观察两种 混凝土裂缝开展情况 ， 并计算相应 的应力强度 因子 ， 探 究低热混凝土的抵抗温度断裂的能力。 试验采用的 昆 凝土圆环试件内外直径分别 3 0 0 、 8 0 r n n l ， 圆环高度为 7 5 1T U n ， 并在 圆环外边 界预 留沿 径 向长度为 3 0 mm、 宽度为 1 mm 的纵向贯穿裂缝。 内边界加热 ： 在 内环放满 油 ， 用 电阻丝加热油 的方式 加热内边界 ， 内边界温度可保持在 8 0左右。 外边界制冷 ： 在外环设 置冷却水管 ， 外边 界温度可保 持在 4 0左右 。 沿径向距 圆心 5 、 8 、 1 1 、 1 4 c m 处布置 温度传感器 ， 保 证试验的温度过程可进行数字控制 。 试验示意图见图 3 。 冷 图3圆环试验装置示意图 当达到一 定温度梯 度时 ， ? 昆凝土便会 在外 边界 预留 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 此后龄期的混凝土 ， 水泥水化速率逐渐 降低 。 由于 C s H凝胶 在水 泥颗 粒之 间充 分搭 接 ( 如 图 7( e ) 、 ( f ) ) ， 毛细孔连通路径 被水 化产物 阻隔 ， 水 化离子 在溶液 中 的 迁移需要更 多依赖 于凝 胶体 中的凝胶 孔 ， 从 而造成 水化 产物生成的速率 减慢。比较不 同龄期 的水 泥石微结 构特 征发现 ， 早 龄期 混凝 土水 泥水 化 反应 迅 速 ， 微 结 构急 剧 变化， 孔隙率快速降低。 从 图 7 ( g ) ( h ) 则可 以看出 ， 1 4 2 8 d龄期 的混凝土 ， 内部孔结构趋 于稳定 ， 水 泥石 中的孔 隙率较低 ， 只有部分毛细孔和凝胶孔可以为水分传输提供 路径 ， 未水化完全的水泥颗粒被密实 的水化产 物包裹 ， 进 一 步水化反应困难 ， 但只要养护条件 良好 ， 仍然会 有少量 水化产物进一步填充水泥石的孔隙 ， 使混凝 土强度进一步 提高 3 结 论 ( 1 ) 相 同水胶 比条件下 ， 掺加矿粉或粉煤灰能够显著 影响混凝土搅拌初期电阻率的变化。 影响程度取决 于该两 种矿物掺合料取代水泥 的质量百 分 比， 取代 量越多 ， 混凝 土整体成熟度发展越慢。 ( 2 ) 在大约 1 d龄期 内， 混凝 土中水 泥的水化反应最 剧烈 ， 混凝土的电阻率变化率 曲线存在多处 波动 ， 即水泥 水化包括多次加速和减速过程 ； 1 7 d 龄期 ， 矿物掺合料掺 量少的混凝土( C O和 C F ) ， 水化速率 降低 明显 ， 而水泥含 量少的混凝土( C S ) ， 水化速率平稳 。 ( 3 ) 混凝土电阻率的变化是水泥颗粒 中的离子溶于孔 溶液导致孔溶液电阻率降低 ， 以及水化产物不断搭接和混 凝土孔隙率降低导致混凝土电阻率增大的综合反 映 ， 能够 解释不同龄期混凝土的宏观特性 。 E S E M 分析可以直观地 上接第 3 1页 3 结 论 低热混凝土早龄期的拉 、 压强度 和受拉弹模均 明显低 于中热混凝土 ， 二者 比值在 0 8 0 9之间 ； 低热混凝土抗折 强度远低于 中热混凝土 ， 二者比值低于 O 7 ； 两种混凝土 的 极限拉伸值则十分相近 ， 5 、 7 d 龄期的比值均为 0 9 3 ， 体现 了低热混凝土较好 的变形性能。 通过圆环温度断裂试验发 现低热混凝土的应 力强度因子略高于 中热混凝 土， 二者分 别为 1 8 6 4 MP a i n “ 和 1 8 2 0 MP a 1 T I ； 低热混凝土 的裂 缝开展宽度远窄于中热混凝土 ， 可 以推测在温度梯度不断 扩大的过程 中， 中热混凝土 比低热混凝 土更早 开裂。 本研 究的试验可 以说明低热混凝土在早龄期 强度和弹模均较 低的情况下 ， 仍然具有较强的抗裂性能。 参考文 献 ： 1 李金玉 ， 彭小平， 曹建国， 等 高贝利特水泥低热高抗裂大坝混 凝土性能的研究 J 硅酸盐学报 ， 2 0 0 4 ( 3 ) ： 3 6 4 3 7 1 2 WI L T S H I R E R L， e t a 1 H o o v e r d a m 7 5 t h a n n i v e r s a r y h i s t o r y s y mp os i u m ： p r o c e e d i n g s o f t h e h o o v e r dam 7 5t h a n n i v e r s a r y h i s t o r y s y m p o s i u m- Z O c t o b e r 2 1 2 2 ， 2 0 1 0 ， L a s V e g a s ， N e v a d a 3 6 观测水泥颗粒水化程度和混凝土的微 结构特征 ， 与传统背 散射分析技术相 比， 具有显著的优越性 。 参 考文献 ： 1 F U C h u a n q i n g ， MA Q i n y o n g ， J I N X i a n y u ， e t a 1 F r a c t u r e p r o p e r t y o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e a t e a r l y a g e l, J C o m p u t e r s a n d C o n c r e t e ， 2 0 1 4 ， 1 3 ( 1 ) ： 3 1 4 7 2 付传清， 金贤玉， 金南国， 等 自密实混凝土性能及其在核电工 程中的应用I- J 混凝土， 2 0 1 4 ( 8 ) ： 1 4 8 1 5 2 3 胡曙光 ， 吕林女 ， 何永佳， 等 1 氏 水胶比下粉煤灰对水泥早期水 化的影响 J 武汉理工大学学报， 2 0 0 4 ， 2 6 ( 7 ) ： 1 41 6 4 魏小胜， 肖莲珍 ， 李宗津 采用电阻率法研究水泥水化过程 J 硅酸盐学报， 2 0 0 4 ， 3 2 ( 1 ) ： 3 4 3 8 5 肖莲珍 ， 李宗津 ， 魏小胜 用电阻率法研究新拌混凝土的早期 凝结和硬化 J 硅酸盐学报 ， 2 0 0 6 ， 3 3 ( 1 0 ) ： 1 2 7 1 1 2 7 5 6 陈衍， 何真， 王磊， 等 内养护对水泥浆水化及微观结构的影B E J 混凝土 ， 2 0 1 0 ( 1 2 ) ： 4 0 4 2 7 左敏， 芦令超 ， 常钧 ， 等 环境扫描电镜用于阿利特 一硫铝酸钡 钙水泥早期水化的研究 J 济南大学学报： 自然科学版， 2 0 0 7 ， 2 1 ( 1 ) ： 5 7 8 李林香， i 9 j 永江， 冯仲伟， 等 水泥水化机理及其研究方法 J 混凝土 ， 2 0 1 1 ( 6 ) ： 7 6 8 0 9 L I Z ， X I A O L ， WE I X D e te r m i n a ti o n o f c o n c r e t e s e t ti n g t i me u s i n g e l e c t ri c a l r e s i s ti v i t y m e a s u r e m e n t J J o u r n a l o f Ma t e ri a l s i n C i v i l E n g i n e e r i n g A S C E， 2 0 0 7 ， 1 9 ( 5 ) ： 4 2 3 4 2 7 作 者简 介 ： 联 系地址 ： 联系电话 ： 付传清( 1 9 8 2一) ， 男， 博士 ， 研究方向： 主要从事混凝 土及混凝土结构性能研究。 浙江大学建筑工程学院( 3 1 0 0 5 8 ) 1 5 0 8 86 8 26 9 4 3 3 B A R T O J A Y K， J O Y W L o n gt e r m p r o p e r t i e s o f h o o v e r d a m ma s s c o n c ret e Z H o o v e r D a m， 2 0 1 0 ： 7 4 8 4 4 李金玉 ， 彭， j qz ， 隋同波 ， 等 H B C低热高抗裂大坝混凝土的开 发研究 J 水力发电， 2 0 0 3 ( 3 ) ： 5 8 6 2 5 朱伯芳 大体积混凝土温度应力与温度控制 M 北京 ： 中国电 力出版社， 1 9 9 9 6 刘光廷 ， 薛慧 ， 陈凤歧 ， 等 混凝土、 砂浆早期温度断裂韧性试 验研究 J 清华大学学报 ： 自然科学版 ， 1 9 9 6 ( 1 ) ： 9 5 1 0 1 7 陈萌 ， 毕苏萍 ， 刘立新， 等 商品混凝土轴心抗拉强度与受拉弹 性模量的试验研究 J 四川建筑科学研究， 2 0 0 8 ( 2 ) ： 1 8 6 1 8 9 8 周士琼， 李霞， 沈志林 普通混凝土受拉性能的试验研究 J 中 国公路学报 ， 1 9 9 4 ( 2 ) ： 1 5 1 9 9 王可良， 隋同波 ， 许 尚杰 ， 等 高贝利特水泥混凝土的断裂韧 性 J 硅酸盐学报， 2 0 1 2 ， 4 0 ( 8 ) ： 1 1 3 91 1 4 2 1 0 中国航空研究院 ， 主编 应力强度 因子手册 M 北京 ： 科学出 版社 ， 1 9 9 3 作者简介： 联系地址 ： 联 系电话 ： 石云磊( 1 9 9 2 一) ， 男， 硕士研究生， 主要从事混凝土材 料研究。 清华大学水利水电工程系( 1 0 0 0 8 4 ) 1 52 0 1 5 2 2 7 9 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m