掺新型膨胀材料混凝土渡槽早期抗裂性研究.pdf

2 0 1 5 年 第 1期 (总 第 3 0 3期 ) Nu mb e r 1 i n 2 0 1 5 ( T o t a l No 3 0 3) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 M A TElRI AI ， AND AD 驷M CI E 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 1 0 2 1 掺新型膨胀材料混凝土渡槽早期抗裂性研究 陈泽昊 。 高培伟 。范传卫 。张书起 。 徐少云 。 鞠向伟。 ( 1 南京航空航天大学 土木工程系， 江苏 南京 2 1 0 0 1 6 ； 2 中国水电十三局， 山东 德州 2 2 4 0 0 0 ) 摘要： 大型混凝土渡槽易发生收缩开裂， 严重影响渡槽的耐久性 。 掺新型膨胀材料可补偿混凝土收缩 ， 降低和抑制混凝土渡槽 开裂。 采用平板法和圆环法对混凝土渡槽早期抗裂性能进行研究 ， 探讨新型膨胀材料对混凝土渡槽早期塑性开裂性能 的影 响。 研究结果表明 ： 掺 4 8 的膨胀材料可有效补偿和降低混凝土收缩 ， 降低和抑制裂缝的产生和扩展 ， 掺 8 的抗裂性能最佳。 关键词： 渡槽 ； 膨胀材料 ； 混凝土 ； 抗裂 ； 早期 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 1 - 0 0 8 3 0 3 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 a r g e c o n c r e t e a qu e d u c t wi t h mo v e l e x p a n s i v e a g e n t CHEN Ze h a o ， GAO Pe i we i ， F AN Chu a nwe i ， ZHANG Sh u q i。 ，XU S h a o y u n ， J U Xi a n g we i ( 1 D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， N a n j i n g U n i v e r s i ty o f A e r o n a u ti c s a n d A s t r o n a u ti c s ， N anj i n g 2 1 0 0 1 6 ， C h i n a ； 2 S i n o h y d r o B u r e a u 1 3 C o ， L t d ， D e z h o u 2 2 4 0 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a ct ： C r a c k s O C C ur e a s il y i n l a r g e c o n c r e te a q u e d u c t s ， whic h a ffe c t t h e d u r a b il i ty o f the a q u e d u c t s A n o v e l e x p ans i v e a g e n t wa s us e d t O c o mp e n s a t e t h e a u t o g e n o us d e f o r ma ti o n an d tO r e d u c e the a q u e d u c t c r a c ks c a u s e d b y c o n c r e t e s h r i n ka g e To s t u d y the i n flu e n c e o f the n e w e x p an s i v e ma ter i a l s on the e arl ya g e c r a c k i ng b e ha v i o r s o f c o n c rete a q u e d u c t ， the c r a c kin g be ha v i o r s o f c o nc r e t e a q u ed u c t wa s an a l y z e d u s i n g the mo d i fie d fla t typ e s pe c i me n an d rin g teS t Th e res u l ts s h o w that the o pti mal c o n t e n t o f e x p an s i v e ma terials i s 4 tO 8 o f c e me n tin g ma t e r i a1 Un d e r the c o n d i tio n s o f the o p ti ma l c o nt e n t the e a r l y a g e c r a c kin g r e s i s t a nc e of c o n c r e t e i s h i g h e r t h an o t h e r c o n t e n t the c r a c k r e s i s t a n c e p e r f o r man c e i s be s t wh e n the c o nt e n t i s 8 K e y wo r d s： a q u e d u c t ； e x p a n s i v e ma teri al； c o n c r e t e ； e n tic r a c kin g； e arl y 0 引言 膨胀抗裂机理， 为工程应用提供理论依据。 南水北调工程是优化我国水资源配置的重大举措 ， 是解决我 国北方水资源严重短缺问题 的特大型基础设施 ， 是未来我 国可持续发展和整个 国土整治 的关键性工程。 南水北调工程中渡槽数 目众多 ， 而 u型渡槽薄壁大体积混 凝土收缩裂缝 控制至 今无有 效解决 。 u 型渡槽在 施工期 极易出现裂缝 ， 不 仅导致渡槽 的渗 漏与破 坏 ， 降低渡槽 的 使用寿命 ， 还严重影响人们的生产 、 生活 ， 造成 巨大的经济 损失 。 混凝土渡 槽 的开裂危 害很大 ， 至今仍 是工程 界 的难 题。 引起开裂的主要原因是浇筑初期水泥水化热和环境温 度变化产生的温度应力以及 自生体积收缩应力， 影响大体 积混凝土开裂的因素主要有： 结构设计、 混凝土配合比、 外 加剂、 施工环境和工艺等 J 。 在混凝土中加入膨胀剂， 通过 膨胀应力来补偿收缩并保证混凝土的浇筑 的连续性 。 由 于渡槽兼具水工混凝土和房建混凝土的特性， 要求膨胀剂 能够满足补偿不同混凝土收缩要求 ， 降低渡槽混凝土 的收缩开裂 。 研究通过平板 和圆环抗 裂性试验 ， 对新 型膨 胀材料的早期抗裂性能进行研究 ， 探讨了新型膨胀材料的 1 试验 原材料 与方法 1 1 试验原材料 采用邓州某水泥有 限公 司生产 的 P O 4 2 5级水 泥； 粉煤灰采用河南某公 司生产的 I 级 F类粉煤灰。 砂采用天 然河砂 ； 石子采用玄武岩碎 石 ， 粒径 5 - 2 0 m m。 减水剂 和 引气剂采用河北省某外加剂厂生产的 D H 3 G减水剂 ( 聚羧 酸类 ) 、 D H 9引气剂 ； 新 型膨胀剂是 经适 宜的煅烧 工艺制 备 而成的 ， 满足 G B 2 3 4 3 9 -2 0 0 9 ( 混凝土膨胀剂 要求 ， 混 凝 土配合 比见表 1 。 表 1 混凝土的配合比 ， m 水泥 砂 小石 中石粉煤灰 水 引气剂 减水剂 2 2 6 71 2 5 0 6 7 5 9 76 1 2 7 0O】 5 】 5 8 3 2 1 2试 验 方 法 平板法测早期收缩开裂模具参 考 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 普通混凝 土长期 性 能和耐 久性 能试 验方 法标 准中提 出抗裂性试验方法， 混凝土拌合物拌和后， 进行浇筑、 振 实、 抹平。 养护 2 h后， 将试件连同模具置于吹风条件下， 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 7 1 7 基金项目： 南水北调、 江苏省六大人才( j z一 0 1 0 ) ； 博士后基金( 1 3 0 1 0 5 7 B 、 2 0 1 4 M 5 5 1 5 8 8 ) ； 江苏省建设厅项 目( 2 0 1 3 Z D 1 2 ) 、 南航大学生基金 8 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 保持环境温度为( 2 01 ) ， 相对湿度 为( 6 0- I- 5 ) ， 风速 为 0 8 m s ， 测试混凝土试件 出现裂纹 的初 裂时间和裂缝 数量 、 长度 、 宽度等随时间的变化 ” 。 1 d内每 1 0 m i n测试 一 次 ， 1 d 后每 1 h 测试一次。 圆环试 验参照 A S T M 标准 C 1 5 8 1 - - - 0 4 ， 在 内、 外 同心 钢环模具和底模之 间浇筑试 件 ， 成型后拆除外模 ， 模 具尺 寸 见图 1 。 A 图 1 圆环 法示 意图 在温度( 2 0 2 ) 、 湿度( 6 05 ) 环境下养护 2 4 h 后拆 去外钢 环并将试 件上表 面涂蜡 密封 ， 采 用 H P 3 8 5 2 S 数据采集与控制仪开始记录各个钢圆环内壁在不同龄期 时的应变值 ， 数据采集频率为不大于 3 0次 m i n 。 混凝 土环形试 件在 收缩时受 到 内钢环 的约束 ， 环 内 部的受力情 况 如 图 2所 示。 S h a h S 等 人 根 据 弹性 力 学 理论分 析 J ， 得 到混 凝 土 环在 完 全 约 束 状 态 下 应 力 结果 。 图 2混 凝 土 圆环 内部应 力图 箫 ( 1 ) 式中 ： r 。 、 混凝土环 的外径和 内径 ； p 混凝土收缩对内部钢环产生的压应力 ； s 、 E 、 v 混凝 土环 自由收缩 应变、 弹性 模量 和 自 松 比。 2试 验 结 果 2 1 平板 法试 验 结 果 平板 法试验 分别测试 混凝 土初裂 时间、 最 大裂缝 宽 度 、 裂缝条数、 裂缝总长 、 最终开裂面积来并评价混凝 土抗 裂等级 ， 试验结果见表 l2所示 。 由表 2可以看出 ， 随着膨胀材料掺 量的提高 ， 混凝 土 的初裂时间有所推迟。 膨胀材料掺量为 4 的混凝土初裂 时间较基准混凝土推迟 了 2 8 m i n ， 膨胀 材料掺量为 8 的 混凝土初裂时间较基准混凝土推迟 了3 8 mi n ； 当膨胀材料 8 4 表 2 不同混凝土的早期开裂性试验结果 掺量为8 时 ， 混凝土的开裂面积仅为基准混凝土的3 3 6 ， 但 当膨胀材料 的掺量为 4 时， 混凝 土的开裂面 积则 为基 准混凝土的 8 0 6 。 由此可见 ， 适宜增 大膨胀材料 掺量可 有效减小混凝土开裂。 另 由表 2可以看出 ， 随膨胀材料 掺 量提高， 混凝土的开裂最大裂缝宽度有所减小。 在龄期 3 d 时 ， 膨胀材料掺量 为 4 的混凝 土最大裂缝较基 准混凝 土 减少 了 3 2 6 ， 膨胀材料掺量为 8 的混凝土最大裂缝宽度 较基准混凝土减少了 3 9 1 。 图3为膨胀材料掺量不同时混凝土裂缝平均宽度发 展图。 由图可 以看出裂缝 生成 的主要 时间集 中在前 2 4 h 中。 2 4 h时， 不掺膨胀剂混凝 土裂缝平均宽度为 0 1 2 9 m l T l ， 掺 4 掺量混凝土裂缝平均宽度为 0 1 1 6 mm， 8 掺量混凝 土裂缝平均宽度 为 0 0 8 6 m m。 通过对裂缝 宽度 发展趋势 的拟合分析 ， 掺 4 和 8 的混凝土的两条发展曲线 的增长 系数 ， 分别 为 0 0 0 6 3和 0 0 0 5 ， 掺 8 膨胀材料混凝 土平均 裂缝 的增长趋势均小于 4 膨胀材料混凝土。 0 3 6 9 l 2 l 5 时间 ， d 图 3掺 膨 胀材料 混凝 土裂 缝发 展过 程 图 图 4为膨胀材料掺量不 同时混凝土开裂 面积 试验结 果 。 由图 4可以看出 ， 在 1 3 d龄期 内， 混凝 土开裂 面积 随 时间增长而增加 ， 在 3 d后 ， 各掺量试 件 中裂缝 的宽度及 长度均趋于稳定 ， 即混凝 土开裂 面积趋 于不变。 1 d时， 未 掺量混凝土开裂面积 5 2 9 4 5 n l n q ， 掺 4 和 8 混凝土开裂 面积分别为基准混凝土的 6 7 4 和 3 1 ； 2 d时， 未掺量混 凝 土 开裂 面 积6 4 3 2 5 a l i a ， 掺4 和8 混 凝土 开 裂 面积 7 0 0 6 0 0 5 0 0 o o 爨 3 0 0 2 0 0 l 0 0 0 O 4 掺量 ， 图4 掺膨胀材料混凝土裂缝面积 m ： O O O O O O 0 gu v 越 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 3 结 论 通过上述研究得到如下结论 ： ( I ) 抗拉强度与抗压强度之 间曲线呈 指数关系 ， 轴心 抗压度随着立方体抗压强度增大成指数递增； 随着 P V A 纤维的掺入， 强度提高的越多， 水泥基对纤维的锚固性能 越强 ， 内约束性能越好。 ( 2 ) P V A纤 维水 泥基 复合材料 边长 1 0 0 i r l l n立方体 抗压强 度和边 长 1 5 0 mlT l 立 方体抗 压强 度基本 相 同 ， 工 程中可将边 长 为 1 0 0 m l T l 的立 方 体试 块 强 度 作 为水 泥 基材料 的标 准评价 指标 。 边长 1 0 0 m m 立方 体试 块 强度 比边长 4 0 mm立 方体强度高 ， 分 析得出不 同尺寸 对材料 力学性能影响 的具 体数 值 ， 可 以得 出纤 维水 泥基 复合材 料的力学性能与其 几何 尺寸 密切 相关 ， 从 而 为 以后 改进 试验和预判 同等级 材 料 在不 同尺 寸 下 的强度 数 值 奠定 基础 。 ( 3 ) 立方体抗压强度与棱柱体抗压强度呈直线变化关 系 ， 立方体抗压强度 随着轴心抗 压强度的增大而增 大。 拟 合相关性较好， 其立方体强度和棱柱体强度要 比普通水泥 基复合材料高得多 ， 但是二者之间的关系基 本上和普通水 泥基复合材料一样 ， 服从理论 和实际工程 经验 ， 试 验结果 可为工程设计提供依据。 上述研究对水 泥基 复合材料在理论 研究 和实践应用 中具有一定参考价值 。 参考文献： 1 MA A L E J M， L I V C， H A S H I D A T E f f e c t o f F i b e r R u p t u r e o n Te n s i l e Pr o pe r tie s o f Sh 0 r t Fi be r Co mp os i t e s AS CE J En g i n e e r i ng Me c h a n i c s， 1 99 5 2 A I T C I N P C C o n c r e t e t h e m o s t w i d e l y u s e d c o n s t r u c ti o n m a t e d 一 上接第 8 5页 I- 3 B U R R O WS R， K E P L E R W T h r e e s i m p l e t e s t s f o r s e l e c ti n g l o w c r a c k c e m e n t J C e m e n t a n d C o n c r e te C o m p o s i t e s ， 2 0 0 4 ， 2 6 ( 5 ) ： 5 0 9 5 1 9 1- 4 S P I N G E N S C H MI D R P r e v e n ti o n o f th e r ma l c r a c k i n g i n c o n c r e t e a t e a r l y a g e s - M L o n d o n ： E & F N S p o n ， 1 9 9 8 ： 1 5 I- 5 G A O P e i w e i L u X i a o l i n U s i n g a n e w c o mp o s i t e e x p a n s i v e ma t e r i al t o d e c r e a s e d e f o r ma ti o n a n d f r a c t u r e o f c o n c r e t e J Ma t e - ri a l s L e t t e r s ， 2 0 0 8 ， 6 2 ( 1 ) ： 1 0 6 1 0 8 6 骆菁菁， 高培伟， 张红波， 等 掺新型生态膨胀剂水泥浆体的膨 胀性能研究 J 硅酸盐通报， 2 0 1 1 ， 3 0 ( 4 ) ： 7 7 0 7 7 4 7 李丽 ， 孙伟 ， 刘志勇 用平板法研究高性能混凝土早期塑性收 缩开裂 J 混凝土， 2 0 0 3 ( 1 2 ) ： 3 3 3 6 8 S H A H S ， WE I S S W J ， Y A N G W S h r i n k a g e c r a c ki n g c a ll i t b e p r e v e n t e d - J C o n c r e t e I n te rna t i o n al， 1 9 9 8 ， 2 0 ( 4 ) ： 5 1 5 5 9 S H A H S ， O U Y A N G C， e t a 1 A m e tho d t o p r e d i c t s h r i n k a g e c r a c k - in g o f c o n c r e t e , J A C I Ma te ri a l s J o u r n a l ， 1 9 9 8 ， 9 5 ( 4 ) ： 3 3 9 3 4 6 - 1 0 闫亚楠 骨料品种对混凝土力学及变形性能的影ll r6 D 南京： 南京航空航天大学， 2 0 0 8 1 1 曹擎宇 ， 郝挺宇 ， 孙伟 纤维混凝土抗裂性能分析及在隧道工 a l s ACI S P， 1 9 9 5 3 B A Z A N T Z P ， T A B B A R A M R， K A Z E MI M T， e t a 1 R a n d o m pa r t i c l e mo d e l for f r a c t u r e o f a g g r e g a t e o f fib e r c omp o s i t e s J o u r na l o f En g i n e e ring 1 9 9 0 4 WA L R A V E N J C， R E I N H A R D T H W T h e o r y a n d e x p e ri m e n t s o n the me c h a n i c a l b e h a v i o r o f c r a c k s i n p l a i n and r e i n f or c e d c o n c r e t e s u b j e c te d t o s h e ar l o a d i n g H e r o n ， 1 9 9 1 5 V I C T O R Z A MO R A A N G E L L O r t i z F e rna n d o G u i b e r t e a u ， Ma t s Nyg r e n Sp arkp l a s ma s i n t e r i ng o f Zr B 2 u l t r ah i g ht e mp e r a t u r e c e r a mi c s a t l o we r t e mpe r a t u r e v i a n a n o s c a l e c r ys t a l r e fin e me n t , J J o u rna l o f the E u r o p e a n C e r a mi c S o c i e t y ， 2 0 1 2( 1 0 ) r 6 田砾 ， 朱桂红 ， 郭平功 ， 等 P V A纤维增强应变硬化水泥基材料 韧性性能研究 J 建筑科学， 2 0 0 6 ( 5 ) 7 薛会青， 邓宗才， 李建辉 P V A纤维水泥基复合材料的抗拉性 能及韧性研究 J 郑州大学学报( 工学版) ， 2 0 0 9 ( 1 ) 8 陈婷 高强高弹P V A纤维增强水泥基材料的研制与性能 D 合肥 ： 合肥工业大学， 2 0 0 4 9 孙伟 纤维增强水泥基的复合效应和细观机理 c 纤维水泥 与纤维混凝土全国第四届学术会议论文集( 一) 1 9 9 2 1 0 陈婷， 詹炳根 设计P V A纤维水泥基复合材料的研究进展 J 混凝土 ， 2 0 0 3 ( 1 1 ) 1 1 王永波， 罗晖 P V A纤维在水泥基材料中作用的研究 J 重庆 建筑 ， 2 0 0 5 ( 7 ) 1 2 - 李响 P V A纤维混凝土的研究进展I- J 河南建材， 2 0 1 1 ( 2 ) 1 3 曹露春， 刘飞 钢纤维高强与超高强混凝土的性能与工程应用 J 徐州工程学院学报， 2 0 0 6 6 6 ( 6 ) ： 5 4 5 7 作者简介 联 系地址 ： 联 系电话 贺亮( 1 9 8 9一 ) ， 男， 在读研究生， 主要从事新型建筑材 料和建筑节能技术的研究。 淮南市田家庵区舜耕中路 1 6 8号 安徽理工大学土木 建筑学院( 2 3 2 0 0 1 ) 1 31 5 5 4 68 76 2 程中的应用 J 混凝土， 2 0 1 2 ( 1 2 ) ： 1 0 21 0 8 i 2 童柏辉。 混凝土组分对其收缩和抗开裂性能的影响 D 长沙： 湖南大学 ， 2 0 1 2 1 3 G A O P e i w e i ， G E N G F e i ， L U X i a o l i n H y d r a t i o n and e x p a n s i o n p r o per t i e s o f n o v e l c o n c r e t e e x p a n s i v e a g e n t J K e y E n g i n e e ri n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 9 ( 4 0 5 4 0 6 ) ： 2 6 7 2 7 1 1 4 G A O P e i w e i 。 L U X i a o l i n Mi c r o s t r u c t u r e and p o r e s t r u c tu r e o f c o n c r e t e mi x e d wi t h s u p e r fin e p h o s p h o r o us s l a g and s u pe r p l a s t i c i z e r J C o n s t r u c ti o n a n d B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 0 8 ( 2 2 ) ： 8 3 7 8 4 0 1 5 刘加平， 王育江， 田倩， 等 轻烧氧化镁膨胀剂膨胀性能的温度 敏感性及其机理分析 J 东南大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 1 1 ， 4 1 ( 2 )： 3 5 93 6 4 1 6 李洋， 王述银， 陈霞 Mg O膨胀剂的特性及在水工混凝土中的 研究进展r J 混凝土 ， 2 0 1 2 ( 3 ) ： 8 4 8 7 作者简介： 联 系地址： 联 系电话 陈泽昊( 1 9 8 9一 ) ， 男， 硕士研究生。 南京市御道街2 9号 南京航空航天大学航空宇航学院 土木系( 2 1 0 0 1 6 ) 1 5 9 9 6 4 6 7 9 3 4 8 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m