大体积混凝土抗裂性能研究.pdf

第 3 6卷第2期 2 0 1 0年 4月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 23 7 大体积混凝土抗裂性能研究 叶成杰 ， 殷志祥 ， 高早亮 ( 1 辽宁工程技术大学土木建筑学院， 辽宁 阜新1 2 3 0 0 0 ； 2 黑龙江科技学院建筑工程学院， 黑龙江 哈尔滨1 5 0 0 2 7 ) 摘要： 为了解决大体积混凝土开裂 问题， 采用一级粉煤灰 ， 掺加高效缓凝保塑减水剂来配制混凝土， 在改变粉煤灰掺量 ( 0 ， 2 0 ， 3 0 ， 4 0 ， 5 0 ) 、 水泥和粉煤灰总用量的条件下进行试验研究。通过混凝土绝热升温试验、 掺粉煤灰水泥水化 热试验和混凝土干缩性能试验， 发现混凝土的抗裂性能随着粉煤灰掺量在一定范围内的上升而加强。如果将粉煤灰掺量控 制在一定范围内， 可以满足混凝土的抗裂性能， 对大体积混凝土的应用提供了质量保证， 防止了大体积混凝土的开裂产生。 关键词： 混凝土； 粉煤灰； 抗开裂性能 中图分 类号 ： T U 5 2 8 文 献标 识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 0) 0 2 2 3 70 3 S t ud y a n t i - c r a c k i n g pe r f o r ma n c e o f m a s s i v e c o n c r e t e Y E C h e n g j i e ， YI N Z h i x i a n g ， G A0 Z a o l i a n g ( 1 L i a o n i n g T e c h n o l o g y U n i v e r s i t y C o U e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d A r c h i t e c t u r e ， F u x i n 1 2 3 0 0 0 ， C h i n a ； 2 He i l o n g j i a n g I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y C o U e g e o f A r c h i t e c t u r e and C i v i l E n g i n e e ri n g ， H a r b i n 1 5 0 0 2 7 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n o r d e r t o s o l v e t h e p r o b l e m o f ma s s i v e c o n c r e t e c r a c k i n g，u s i n g a fl y a s h a n d c o n c r e t e wh i c h a d d i n g s l o w s e t t i n g - e ff i c i e n t p l a s t i c w a t e r r e d u c e r ， r e s e a r c h e x p e r i me n t s w i t h c h a n g e s i n fl y ash( 0 ， 2 0 ， 3 0 ， 4 0 ， 5 0 ) ， t h e t o t a l a mo u n t o f fl y a s h a n d c e me n t T h r o u g h i n s u l a t i o n a n d wa r mi n g o f fl y a s h c o n c r e t e t e s t ， h y d r a t i o n h e a t o f d o p e d fl y a s h c e me n t t e s t a n d s h r i n k a g e o f c o n c r e t e t e s t ， i t f o u n d t h e a n t i c r a c k i n g p e rf o r ma n c e s o f c o n c r e t e s t r e n g t h e n as t h e fl y a s h l e v e l i n c r e a s e s I f t h e r a t i o i s l i mi t e d i n a c e r t a i n e x t e n t ， i t C an me e t t h e c o n c r e t e c r a c k r e s i s t an c e， f o r t h e ma s s i v e c o n c r e t e a p p l i c a t i o n o f q u a l i t y ass u r a n c e a n d p r e v e n t t h e ma s s i v e c o n c r e t e c r a c k s Ke y wo r d s ： c o n c r e t e ； fl y a s h； a n t i c r a c k i n g p e rf o rm a n c e 0 前言 大体积混凝土开裂防治问题一直影响着土木工 程施工 ， 就其解决办法 ， 学者提出了很多方法 ， 但 仍无法根治 ， 这对大体积混凝土施工 和使用 有很大 影响 。 大体积混凝土多用 于坝体混凝土和高层建筑的 基础底板 ， 大体积混凝土的深层和贯穿裂缝 ， 会使混 凝土制品刚度降低， 在外力作用下变形会加大， 并产 生不利 的附加应力。直通 的裂缝 ， 易成 为渗漏水通 道 ， 会给运行管理带来影响和不便 ， 甚至会危及混凝 土制品的安全 。裂缝会加速外界环境对混凝土的风 化和侵蚀。如碳酸气碳化、 干湿交替影响、 冻融剥蚀 和环境水溶蚀等， 无时无刻不经裂缝侵入到内部对 混凝土施加破坏 性作用 。水及有 害物质 沿裂缝渗 收稿 日期 ： 2 0 0 8 1 1 1 7 作者简介 ： 叶成杰 ( 1 9 7 4一) ， 男 ， 黑龙 江勃 利人 ， 副教 授 ， 硕士 ， 主要 从事土木工程教学与空间结构研究。 基金项 目： 黑 龙 江 省 教 育 厅 科 学 技 术 研 究 基 金 项 目 ( 1 1 5 1 3 0 9 4 ； 1 1 5 1 1 3 4 3 ) E m a l l ： q f e n g _x y 1 6 3 t o m 透、 扩散、 侵蚀 ， 加速 了 昆 凝土 的老化过程。毋庸置 疑 ， 裂缝对大体积混凝土 的安全和耐久性有着严重 的影响和不可轻视的危害 。 大体积混凝土开裂原 因主要是混凝土成型过程 中体积收缩、 温差变化和水泥安定性不合格等原 因 J 。目前 ， 对大体积混凝土抗裂研究 主要 以我 国 著名的裂缝控制专家王铁梦教授的研究成果为指 导 ， 运用综合研究方法 ， 结合设计、 施工 、 材料、 地基、 环境等条件 ， 提 出了“ 抗” 与 “ 放 ” 的设计原则 ， 统一 了留缝与不留缝 的两种设计 流派的技术观点 ， 并结 合实践提出伸缩缝及裂缝控制 的计算公式。再者 ， 中国建筑材料科学研究院吴 中伟院士所 提出的“ 混 凝土补偿收缩模式 ” ， 指导 了 U E A等混凝土膨胀剂 的研究， 为我国在大体积混凝土中采用 U E A混凝土 膨胀剂 ， 有效地解决混凝土 的干缩 和冷缩裂缝等问 题奠定 了很好的基础 。 本研究从节约资源 、 变废为宝的角度出发 ， 基于 大体积混凝土开裂的三种原因， 立足于解决大体积 混凝土开裂问题 ， 研究了掺粉煤灰解决混凝土开裂 方法， 在试验中采用一级粉煤灰， 同时掺加 U N F高 2 3 8 四川建筑科学研究 第3 6卷 效缓凝保塑减水剂配制大体积混凝土。探讨改变水 泥和粉煤灰的总用量、 粉煤灰掺量等试验参数 ， 寻求 解决混凝土开裂的最佳配合 比， 以解决大体积混凝 土抗开裂 的难题 ， 实现充分利用粉煤灰的经济效果。 1 原材料及试验 1 1 试验原材料 ( 1 ) 水泥和外加剂 水泥： 采用 4 2 5普通硅酸盐水泥。其主要指标 见表 1 。 表 1 试验 用水 泥的技术指标 Ta b l e 1 S p e c i fi c a t i o n s o f t e s t c e me n t 塑 3 d 塑 2 8 d 塑 3 d 塑 2 8 d 安定性 一 一 4 2 5普通硅酸盐水 泥4 8 6 8 2 1 3 5 0 8 1 8合格 外加剂 ： 采用 U N F高效缓凝保塑减水剂 。 表 3 试件混凝土配合 比 Ta bl e 3 Exa mi n at i on of c o n c r e t e mi xt u r e r at i o ( 2 ) 粉煤灰 ： 采用 I 级粉煤灰 ， 细度 5 5 ， 烧失 量 3 9 ， 三氧化硫含量 1 8 ， 需水 比 9 8 ， 其化 学成分见表 2 。 表 2 粉煤灰 的化 学成 分 Ta bl e 2 Che mi c a l c o mpos i t i o n o f fly a s h 成分 S i O 2 A i 2 0 3 F e 2 0 3 S O 3 C a O烧失量 ( 3 ) 砂子 ： 采用中砂 ， M =2 7 ， 含泥量 2 ， 泥 块含量 l 。 ( 4 ) 石子 ： 采用 53 1 5 m m的碎石， 连续级配， 含泥量 1 0 ， 泥块含量 0 5 。 1 2 试验方法 ( 1 ) 配合比设计 粉煤灰等量取代水泥， 掺量有0 ， 2 0 ， 3 0 ， 4 0 ， 5 0 五种 ， 水胶 比在 0 4 0 5之间， 具体 的混 凝土配合 比见表 3 。 编号 ( k M c m 3 肘 ， k m3 M c E m M g m 、 粉煤 代率W ( C+， ) ， 呵 。 一 l 5 2 1 71 1 9 O 1 6 O 4 1 8 O 5 2 0 0 5 1 6 4 8 1 8 5 4 2 0 6 1 6 6 8 1 8 7 7 2 0 8 5 1 6 9 6 1 9 0 8 2 1 2 0 4 O 0 0 45 0 O 5 o o 0 40 0 0 4 5 0 0 5 0 o 0 4 O 0 0 4 5 0 O 5 o 0 O 4 o o 0 4 5 0 O 5 0 0 0 4 0 0 0 4 5 0 O 5 o o ( 2 ) 试验方法 试件成型、 养护及试验按水工混凝土试验规程 ( S L 3 5 2 2 0 0 6 ) 执行 。 2 试验结果分析 混凝土内部温度应力发展分三个阶段 ： 早期， 由 于胶凝材料水化释放大量水化热 ， 温度场急剧变化 ， 混凝土弹性模量亦急剧变化。温度应力由压应力 向 拉应力转化。在这一阶段， 混凝土弹性模量较小 ， 徐 变较大 ， 对温度应力有较大的松弛。中期 ， 混凝土进 入降温阶段 ， 混凝土弹性模量变化幅度减小。温度 应力的产生主要由混凝土自身冷却和外界温度变化 引起 ， 应力松驰相应减小。晚期 ， 混凝土内部温度已 经平衡 ， 温度应 力主要 由外界气温突变而产生。由 试验结果数据 ， 从 图 1可以看 出， 当水胶 比一定时， 随着粉煤灰的掺量增加， 混凝土的绝热升温值降低， 说明混凝土水化放热随粉煤灰掺量的增加而降低。 由图 2数据可知 ， 粉煤灰掺量对水泥水化热的降低 有积极影响， 说明混凝 土成型过程中如果加入粉煤 图 1 粉煤灰 混凝土绝 热升 温试验结果 F i g 1 I n s u l a t i o n a n d wa r mi n g o f fly a s h c o n c r e t e re s u l t s O O O 加 加 加 如 如 如 如 一 5 5 5 8 8 8 O O O O O O 0 O O 0 0 0 1 l 1 1 1 1 2 2 2 如 如 如 如 如 卯 n n n n n n n n n n n s， 2 2 2 2 2 2 5 5 5 8 B B ) m 跏螂 O O O 9 9 9 8 8 8 2 2 2 Z 2 Z 姗 姗 撇 m m H心 粥 钙 叶成杰， 等 ： 大体积混凝土抗裂性能研究 2 3 9 灰， 会使水化过程 升温值降低 ， 且粉 煤灰 的掺 量增 加 ， 升温有下降趋势 ， 粉煤灰取代 率在 3 0 4 0 时， 绝热升温试验结果最理 想。大体积混凝土的成 型过程 ， 水化热温度随结构厚度增加而加大 ， 这样 ， 混凝土内外形成一定 的温度梯度。无论升温阶段或 降温阶段， 混凝土中心温度总是高于混凝土表面温 度_ 2 J 。因此 ， 粉煤灰 的加人 ， 显著地 改善 了环境 温 度对粉煤灰混凝土成型的影响。 期龄 d 图 2 掺粉煤灰水泥水化热试验结 果 Fi g 2 Hy dr a t i o n he a t o f do pe d fly a s h c e me nt r e s u l t s 随着水 泥水 化反应 的结束及 混凝土 的不 断散 热 ， 大体积混凝土由升温阶段过渡到降温阶段 ， 温度 降低混凝土体积收缩 。降温收缩产生的拉应力易在 混凝土中心部位形成较高拉应力 区， 若 此时的混凝 土拉应力大于混凝土此龄期的抗拉强度， 则大体积 混凝土产生收缩裂缝 J 。由图 3可 以看 出， 掺入粉 煤灰的混凝土的干缩性能降低 ， 并 随着 粉煤 灰掺量 的增加 ， 呈降低趋 势， 粉煤灰取代 率在 4 0 的时候 干缩率最低 ， 5 0 的时候有突变可 以舍去。所以， 掺 人粉煤灰可以改善混凝 土的干缩性能 ， 粉煤灰取代 率在 4 0 时 ， 抗干缩性能最好 。从干缩性能和绝热 升温的相关性分析， 相关度达 0 9以上 ， 说 明掺粉煤 灰可以改善混凝土的收缩 变形 ， 从 混凝 土的内部温 度应 力的发展上看 ， 结合试验结果 ， 掺人粉煤灰特别 是粉煤灰取代率在 3 0 4 0 时 ， 大体积混凝土抗 裂性能最佳。 图 3 混凝土千缩试验结果 Fi g 3 Shr i nkag e o f c onc r e t e r e s ul t s 3 结 语 上述试验研究可以得 出以下结论 ： ( 1 ) 掺粉煤灰可以改善大体积混凝土的抗裂性 能 ， 粉 煤灰 取 代水 泥 率 为 3 0 4 0 ， 水胶 比在 0 4 5一 O 5之间， 粉煤灰混凝土绝热升温值最理想， 内部温度应力最小 ， 对抗裂性能效果最好； ( 2 ) 施工应用过程 中， 严格控制粉 煤灰取 代率 和水胶 比， 粉煤灰取代 率在 4 0 以下 ， 混凝土抗裂 性能最佳 ， 利于保证混凝土质量 。 参 考 文 献 ： 1 周 志勇 大体 积混凝 土裂缝产生 的原 因及 预防措施 J 科学 之友 ， 2 0 0 8 ， 1 7 ( 6 ) ： 3 2 - 3 3 2 高友良 大体积混凝土的裂缝形成原因及防治措施 J 科技 创 新导报 ， 2 0 0 8 ， 2 2 ： 7 4 - 7 6 3 夏锦红 大体积 混凝土 温度裂缝 的防控措 施 J 河南 大学学 报 (自然科学版 )， 2 0 0 8 ， 3 8 ( 4 ) ： 4 3 7 - 4 3 9 4 邢林生， 聂广明 混凝土坝坝体溶蚀病害及治理 J 水力发 电 ， 2 0 0 3 ， ( 1 1 ) ： 6 0 - 6 3 5 杨 和礼 原材料对基础大体 积混凝土裂缝 的影响与控 制 D 武汉 ： 武汉大学 ， 2 0 0 4： 1 - 4 6 邢世 海 粉煤灰混凝 土技术 M 哈尔滨 ： 哈尔滨 地图 出版社 ， 2 0 0 0 7 李 亚杰 建筑材 料 M 北京 ： 中国水利 水 电出版社 ， 2 0 0 1 5 9 7 0 8 陆继超 筏板基 础大体 积混凝土 温度裂缝 及其控制 J 西南 林 学院学报 。 2 0 0 8 。 ( 6 )： 7 1 - 7 5 如 加 0 姗 忸竖逝赣 *鲁赠繁 鑫