矿物掺合料对C100混凝土早期收缩及干缩的影响.pdf

2 0 1 3年第 1 期 1 月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C ONC RET E AND C EME NT P RODUC 2 01 3 No 1 J a n u a r y 矿物掺合料对 C1 O O混凝土早期收缩及 干缩的影响 徐仁崇 ， 李晓斌 ， 桂 苗苗 江达 宣 ( 厦 门市建筑科学研究 院集 团股份有限公司 ， 3 6 1 0 0 4 ) ， 摘 要 ： 研 究了复掺 情况下 ， 矿 物掺 合料种类及掺 量对 C1 0 0高强混凝土早期收 缩及 干燥收缩的影响 。结果表 明 ， 混凝 土的早 期收缩和干燥收 缩随着粉 煤灰掺量的增加逐 渐减 少 ， 粉煤灰 对早 期收缩的抑制作 用优 于干燥 收缩 ； 随着矿 粉掺 量的增加 ， 混凝土的早期 收缩增大而干燥收 缩减 少 ； 硅灰 的掺入 增大 了混凝土 的早期 收缩与干燥 收缩 ， 且 随着硅灰掺量 的增加 ， 这种作用更加 明显 。 关键词 ： 矿 物掺 合料 ； C1 0 0混凝土 ； 早期 收缩； 干燥收缩 Ab s t r a c t ：Ef f e c t s o f c a t e g o r y a n d d o s a g e o f mi n e r a l a d mi x t u r e s o n t h e e a r l y a g e a n d d ryi n g s h rin k a g e o f C1 0 0 h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e w i t h mi x i n g c o n d i t i o n a r e i n v e s t i g a t e d T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e e a r l y a g e a n d d r y i n g s h ri n k a g e wi l l d e c r e a s e wi t h t h e i n c r e a s e d o s a g e o f f l y a s h ， a n d t h e e f f e c t o n r e d u c i n g e a r l y a g e s h ri n k a g e i s b e t t e r t h a n t h a t o f r e d u c i n g d ryi n g s h ri n k a g e T h e e a r l y a g e s h ri n k a g e wi l l i n c r e a s e a n d t h e d ryi n g s h ri n k a g e wi l l d e c r e a s e wh e n t h e d o s a g e o f g r o u n d g r a n u l a t e d b l a s t f u r n a c e s l a g i n e r e a s e s S i l i c a f u me c a n i n c r e a s e t h e e a r l y a g e a n d d ryi n g s h rin k a g e o f c o n c r e t e ， a n d t h e e f f e c t wi l l b e mo r e o b v i o u s w h e n t h e i n c r e a s i n g d o s a g e o f s i l i c a fume Ke y wo r d s ：Mi n e r a l a d mi x t u r e s ； C 1 0 0 c o n c r e t e ； Ea r l y s h ri n k a g e ； Dryi n g s h rin k a g e 中图分 类号 ： T U 5 2 8 3 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 3 ) 0 1 2 4 0 4 0前 言 建筑物的高层化 、 大跨化及重载化发展使高强 混凝土的应用 日益广泛 ，抗压强度为 C 1 0 0的超高 强混凝土 已经开始在实际工程中得以应用 】 - 2 。超高 强度混凝 土具有优异的耐久性能 ， 但是由于其水泥 用量大 、 水胶 比低 、 水化热大， 在实际推广应用过程 中遇到 了很大阻力 ， 超高强混凝 土的早期 开裂 问题 已经引起 了广泛关注。 掺加矿物掺合料是改善高强混凝土工作性能 、 延缓水化放热 、 减少混凝土收缩裂缝的有效措施 3 _ 。 国内外学者 在矿物掺合料 对混凝 土收缩 影响及其 作用机理方面做了大量的研究工作 ， 主要集 中在 水胶 比大于 0 3的情况 ，但是对于水胶比低于 0 2 5 的超高强混凝土很少涉及 。 本文采用 0 2 3的水胶 比 配制 C 1 0 0混凝土 ， 研究粉煤灰 ( 1 0 、 2 0 和 3 0 ) 、 矿粉 ( 6 、 1 2 和 1 8 ) 与硅灰 ( 0 、 5 和 1 0 ) 在 复掺情况下对 C 1 0 0高强混凝土早期收缩及干燥收 缩性能的影响 ，以期为 C 1 0 0高强混凝土的工程应 用提供技术参考 。 1 原 材 料与试 验 方法 基金项 目： 厦 门市科技计划 资助项 目( 3 5 0 2 Z 2 0 1 0 0 0 4 4 ) 。 2 4 1 1 原材料 水泥 ： 福建产 4 2 5级普通硅酸盐水泥 ， 其物理 性能指标见表 1 ； 粉煤灰 ： 漳州产 的 级粉煤灰 ， 细 度 1 4 6 ， 需水量 比 9 7 ， 烧失量 1 4 5 ； 矿粉 ： $ 9 5 级矿渣粉 ， 比表面积 4 1 0 m k g ， 流动度 比 1 0 0 ； 硅 灰 ：厦 门产 ，比表面积约为 1 8 0 0 0 m 2 k g ， S i O ： 含量 9 2 3 ； 碎石 ： 反击破花岗岩碎石 ， 粒径为 5 2 0 m m； 河砂 ： 厦 门产的中砂 ， 细度模数为 2 9 ； 减水剂 ： 福建 产 P o i n t S缓凝聚羧酸高效减水剂 ，固含量 2 1 8 ； 水 ： 自来水 。 表 1 水 泥的物理 力学性能 细度安定凝结时 间 rai n 抗折强度 MP a 抗压强度 MP a 性 初凝 终凝 3 d 2 8 d 3 d 2 8 d 1 0 合格 1 5 1 2 0 4 5 3 8 3 2 8 3 5 0 2 1 2 试 验方法 ( 1 ) 混凝土工作性能及力学性能测试 混凝土抗压强度测试按 照 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 进行 ， 成型试件尺 寸为 1 0 0 m mx 1 0 0 mmx 1 0 0 m m； 混凝土拌合物 的倒置 坍落度筒排空试验测试按照 J G J T 2 8 1 -2 0 1 2 ( 高强 混凝土应用技术规程 进行。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 徐仁崇 ， 李 晓斌 ， 桂苗苗 ， 等矿物掺合料对 C 1 0 0混凝土早期收缩及干缩的影响 ( 2 ) 混凝土早期收缩测试 混凝 土 的早 期 收 缩试 验 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 收缩试验方法的“ 非接触法 ” 进行 ， 使用 C A B R N E S型非接触式混凝土收缩变形测定仪 ； 混凝土试 件成型后直接放人温度 为 ( 2 O 2 ) c I = 、相对湿度为 ( 6 0 + 5 ) 的房间内进行测试 ， 每 1 5 m i n读数一次 ； 每 组配合 比成型 3个试件 ， 以 3 个 结果 的平均值作为 该组混凝土的早期收缩值 。 ( 3 ) 混凝土干燥收缩测试 混 凝 土 的干 燥 收缩 试 验 参 考 G B T 5 0 0 8 2 2 0 0 9收缩试验方法 中所提到的“ 接触法” 进行 。 混凝 土成型后 ， 立即放置于温度为( 2 0 2 ) 、 相对湿度为 ( 6 0 5 ) 的房间内养护 2 d后拆模 ， 并测试试件 的初 始长度 ； 然后在同一房间内使用立式 收缩仪对混凝 土 1 d 、 3 d 、 7 d 、 1 4 d 、 2 8 d 、 4 5 d 、 6 0 d和 9 0 d的收缩值进 行测试 。 2结果 与分 析 2 1 配合 比与试验结果 试验按照粉煤灰 ( F A) 掺量 1 0 、 2 0 、 3 0 ， 矿 粉 ( G S ) 掺量 6 、 1 2 、 1 8 ， 硅灰 ( S F ) 掺量 0 、 5 、 1 0 进行配合 比设计 ， 配合 比及试验结果见表 2 。 表 2 配合 比及试验结果 2 2粉煤灰对混凝土早期收缩与干燥收缩的影响 粉煤灰对 C1 0 0高强混凝土的早期收缩及干燥 收缩影响见图 1 。 从 图 1 ( a ) 中可以看 出， C 1 0 0高强混凝 土的早 期收缩可以划分为明显不同的两个阶段 ： 成型后至 1 2 h左右 ， 早期收缩迅速增长 ， 此期间混凝 土的收缩 可 以达到早期收缩测试结果 的 8 0 以上 ；随后 ， 混 凝土的收缩趋于平缓 ， 早期收缩发展 明显减慢。混 凝土的早期收缩随着粉煤灰掺量的增加 明显减小 ； 2 4 h时 ，粉煤 灰掺量 1 0 的混凝 土早期 收缩值 为 1 4 0 5 x 1 0 ， 而掺入 2 0 和 3 0 粉煤灰的混凝土早期 j型 婿 收缩值分别为 1 1 8 0 x 1 0 和 9 4 5 x 1 0 ， 比掺 1 O 粉煤 灰的混凝土收缩值分别减少了 1 6 和 3 2 7 。 粉煤灰本身不具备胶凝特性 ， 在水胶 比相 同的 条件下 ， 增加粉煤灰的掺量相当于减少了早期参与 水化反应 的胶凝材料量。早期的混凝土正处于从塑 性状态 向硬化状态转变的过渡期 ， 粉煤灰替代部分 水泥后 ， 浆体 早期的水化程度降低 ， 水化产物对混 凝土内部结构的填充作用减弱 ， 此时水 泥石 的内部 结构变得疏 松 ， 粗 毛细孔含 量提高 、 细毛细孑 L 含量 降低 ， 且毛细孔的 自由水含量增多 、 临界半径增 大 ， 毛细管负压作用降低 ， 而混凝土的 自收缩主要取决 4 o o 3 5 0 3 00 螽2 5 o 篓2 0 0 1 50 1 00 5 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 龄期， I l 龄期 d ( a ) 阜期收 缩 ( b ) 干燥收缩 图 1 粉煤灰掺量对混凝 土早期 收缩及干燥收缩 的影响 一 2 5一 舢咖鲫枷瑚。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 1 期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 1 期 于毛细管负压 ， 因此 ， 混凝土的早期收缩减小。 从 图 1 ( b ) 中可以看 出， 粉煤灰掺量的增加能够 明显减少 C 1 0 0高强混凝土的干燥 收缩。相 比粉煤 灰掺量为 1 0 的混凝 土 ， 2 0 的粉煤灰掺入使混凝 土 2 8 d 、 9 0 d干燥收缩值分别降低 1 0 3 和 8 2 ， 掺 量为 3 0 时相应的降低 值分别 为 2 2 1 和 1 6 9 。 粉煤灰掺量高的混凝 土干燥 收缩较低 的原 因可以 理解为 ： 随着粉煤灰掺量 的增加 ， 混凝土 内部湿度 下降减慢嘲 ， 由此降低了毛细孔 的负压作用 ； 另一方 面，粉煤灰具有微集料效应及较高的弹性模量 ， 而 且粉煤灰与水泥水化产物 C a ( O H ) z 反应生成 C S H 凝胶 ， 填充 了水泥石的孔隙 ， 增加 了混凝土 的密实 性 ， 减少 了混凝土的干燥收缩。 2 - 3 矿粉对混凝土早期收缩与干燥收缩的影响 图 2给出了矿粉掺量对 C l 0 0混凝土早期收缩 及干燥收缩的影响测试结果。 由图 2 ( a ) 可知 ， 随着矿粉掺量 的增加 ， C 1 0 0混 凝土的早期 收缩逐渐增大 ； 当矿粉掺量为 6 时 ， 其 配制 的混凝土 2 4 h收缩值为 1 0 7 0 x 1 0 ， 而 当矿粉掺 量增加至 1 2 和 1 8 后 ， 混凝土的早期收缩值分别 为 1 1 8 2 1 0 和 1 3 6 5 1 0 ， 比矿粉掺量为 6 的混凝 1 60 HD 1 4o o 1 2 0 0 0 1 0 0 0 霎8 o 0 6 0 o 4 0 0 2 0 0 O 婿 一 2 6一 土干缩值增加 了 1 0 5 和 2 1 6 。但是对于后期干 燥收缩 ( 见图 2 b ) ， 矿粉掺量的增加却能够起到抑制 作用 ； 矿粉掺量为 1 8 时 ， 混凝 土 2 8 d和 9 0 d干燥 收缩值分别为 2 5 3 1 0 和 3 1 6 1 0 ， 比矿粉掺量 6 时分别减少 了 8 3 和 l 3 5 。 在混凝土水化早期 ， 混凝土 中矿粉的反应 随着 水泥水化产物 C a ( O H ) ： 的量增加而加快 ， 而矿粉 的 反应又促进水泥的进一步水化 ， 因此 ， 矿粉一 水泥复 合胶凝材料的水化反应持续进行 ， 反应程度逐渐增 大 ， 水化产物逐渐细化毛细孔 ， 毛细孔 的负压作用 也逐渐增强。因此 ， 随着矿粉掺量的增加 ， 在水化反 应加快 白干燥程度和毛细子 L 负压的双重作用下 ， 混 凝土的早期收缩率增大嘲 。 另一方 面 ， 随着水化反应 的持续进 行 ， 矿粉的 掺入使得混凝土的结构更加致密 、 孔隙连通程度下 降 ， 因此 ， 降低了干燥条件下水分 的迁移难度 ， 可有 效降低混凝土的干燥收缩 。 2 4 硅灰对混凝土早期收缩与干燥收缩的影响 图 3给 出了硅灰掺量 为 0 、 5 和 1 0 时 ， 对 C 1 0 0混凝土早期收缩及干燥收缩影响的测试结果。 相 比未掺硅灰 的混凝 土 ，硅灰掺人量 为 5 、 、 。 宝 趔 婿 O 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 O 4 5 5 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 50 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 龄期 h 龄期， d ( a ) 早期收缩 ( b ) 干燥收缩 图 2 矿粉掺量对 混凝 土早 期收缩及 干燥 收缩 的影 响 龄期 b ( a ) 早期收缩 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 龄期， d ( b ) 干燥 收缩 图 3 硅灰掺量对混凝土早期收缩及干燥收缩的影响 如 如 4 3 3 2 2 1 1 O O O O O O 0 D 伽伽渤湖渤姗 如 0 _【 ， 姆 ， 啪枷栅瑚。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 徐仁崇 ， 李晓斌 ， 桂苗苗 ， 等矿物掺合料对 C1 0 0混凝土早期收缩及干缩的影响 1 0 时 ，混凝 土 2 4 h的早 期 收 缩 值 分 别 增 加 了 1 6 6 和 4 2 1 ， 2 8 d的 干 燥 收 缩 值 分 别 增 加 了 1 6 4 和 3 3 8 ， 9 0 d干燥 收缩值分别增加 了 1 5 7 和 2 8 6 。可见 ， 随着硅灰掺量的增加 ， C I O 0混凝土 的早期收缩及 干燥收缩 皆呈现增加趋势 ， 且早期收 缩的增加更为明显。 硅灰是一种超 细球状 活性矿物掺合料 ，活性 S i O 2 的含量达 9 0 以上 ， 平均粒径达 0 1 x m， 具有较 大的比表面积 ， 约为水泥 比表面积的 5 0倍 。当掺人 到混凝土 中时 ， 硅灰的细小颗粒能够填充于水泥等 颗粒之 间， 使水泥浆体 的大孔减小 、 小孔增多 ， 显著 增大毛细孔负压 ； 另一方面与粉煤灰 、 矿粉等矿物 掺合 料相 比， 硅灰具 有较强的火山灰活性 ， 其活性 S i O 2 能够与水泥水化产物 C a ( O H) ： 很快反应 ， 加速 胶凝材料体系的水化进程 ，细化 了混凝 土的孔隙 ， 加快 了内部水分的消耗 ， 从而增大混凝土的 自收缩 与干燥 收缩 。因此 ， 在使用较多胶凝材料配制高强 混凝土时 ， 从 收缩 角度考虑 ， 应 严格控制混凝土 中 硅灰的掺量， 避免因收缩引起的混凝土开裂问题。 3结 论 ( 1 ) 随着粉煤灰掺量 的增加 ， C 1 0 0混凝土的早 期 收缩和干燥收缩 明显减少 ；粉煤 灰对 C I O 0混凝 土 的早期收缩抑制作用明显优于干燥收缩 ， 粉煤 灰 掺量为 3 0 时 ， 2 4 h早期收缩和 9 0 d干燥 收缩分别 比粉煤灰掺量为 1 0 时减少了 3 2 7 和 1 6 9 。 ( 2 ) 随着矿粉掺量的增加 ， C 1 0 0混凝土 的早期 收缩增大而干燥收缩减少 ；相 比矿粉掺量为 6 的 C1 0 0混凝土 ， 矿粉掺量为 1 8 时混凝土的 2 4 h早期 收缩增大 2 1 6 而 9 0 d干燥收缩减少 l 3 5 。 ( 3 ) 硅灰 的掺入增 大了 C I O 0混凝土 的早 期收 ( 上接第 2 3页 ) 氯离子渗透性并无贡献 ， 不掺粉煤灰 的气渗性低于 掺粉煤灰的试样 ； 矿渣能提高砂浆的抗氯离子渗透 能力和抗气渗性能 ； 硅粉能大幅度提高混凝土的抗 氯离子渗透能力和抗气渗能力 ， 说 明掺合料的种类 和细度决定 了砂浆的抗渗性能。 ( 4 ) 应该完善抗渗性能指标 与耐久性指标 之间 的区别 与联系 ， 为用抗渗实验结果科学评价混凝土 耐久性提供依据。 参考文献 ： 【 1 】 王建强， 易郭程 N E L法与 A S T M+ C 1 2 0 2法氯 离子渗透性 对 比试验研究 J 混 凝土， 2 0 0 7 ( 3 ) ： 4 - 6 【 2 M C a s t e l l o t e ， C A C A O x y g e n a n d c h l o ri d e d i ff u s i o n i n c e me n t p a s t e s a s a v a l i d a t i o n o f c h l o ri d e d i ffu s i o n c o e ff i c i e n t s o b t m n e d b y s t e a d y s t a t e mi g r a t i o n t e s t s J 1 C e m e n t a n d 缩与干燥收缩 ， 且随着硅灰掺量 的增加这种趋势更 加 明显 ； 硅灰掺量为 1 0 时 ， 混凝土 的 2 4 h早期收 缩和 9 0 d干燥 收缩分别 比不 掺硅灰 的混凝土 增大 4 2 1 和 2 8 6 。为避免因收缩引起的工程裂缝 ， 应 严格控制 C 1 0 0混凝土 中硅灰的掺量。 参考 文献 ： 1 顾 国荣 广州西塔工程 C 1 0 0及 C 1 0 0自密实混凝土配制 、 生产及其超高泵送技术 J 混凝土世界， 2 0 0 9 ( 0 7 ) ： 3 1 _ 4 1 【 2 路来军 国家大 剧院 C 1 0 0高性能混凝 土施工技术 J 施 工技术 2 0 o 3 ， 3 2 f o 9 ) ： 4 8 5 0 3 】 刘建 忠， 孙 伟， 缪 昌文， 等 矿物 掺合 料对 低水胶 比混凝 土干缩和自收缩的影响 J 东南大学学报：自然科学版， 2 0 0 9 ( 5 ) ： 5 8 0 - 5 8 5 【 4 】 Y A N G Y， R Y O I C H I S ， K E N J I K A u t o g e n o u s s h ri n k a g e o f h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e c o n t a i n i n g s i l i c a f u me u n d e r d r y i n g a t e a r l y a g 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 ( 3 ) ： 4 4 9 4 5 6 5 田倩 低水胶比大掺量矿物掺合料水泥基材料的收缩及 机理研究 D 南京： 东 南大学， 2 0 0 6 6 陈波， 张亚梅， 郭 丽萍 大掺量粉煤灰 混凝土干 燥收缩性 能 J 】 东南大学学报： 自然科学版， 2 0 0 7 ， 3 7 ( 2 ) ： 3 3 4 3 3 8 7 J a i n e R G ，G a l i t A L E v a l u a t i o n o f s h ri n k a g e p r e d i c t i o n m o d e l s f o r s e rf - c o n s o l i d a t i n g c o n c r e t e J A C I Ma t e ri a l J o u r n a l ， 2 0 0 7 1 0 4 ( 5 ) ： 4 6 4 4 7 3 8 】 阎培渝， 陈志城 含不同矿物掺合料 的高强混凝土 的 自收 缩 特性 f J 】 工业建筑， 2 0 1 l ( 6 ) ： 1 2 4 1 2 7 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 1 1 2 9 作者简介 ： 徐 仁崇 ( 1 9 8 2 一 ) ， 男 ， 硕 士、 工程师。 通讯地址 ： 厦 门市 同安 区新 民镇 风岭路 7 6 0号 联系电话 ： 1 5 0 6 0 7 5 5 8 0 9 E ma i l ： z x 2 9 3 11 6 3 c o m C o n c r e t e Re s e a r c h ， 2 0 0 1 2 1 ( 4 ) ： 5 8 1 - 5 8 8 3 】 王 中平 ， 王振 混凝土导 电量与气体渗 透系数的相关性 J J 建筑材料学报， 2 0 1 0 ， 1 3 ( 1 ) ： 8 0 - 8 4 4 1 王 中平 ， 吴科 如 ， 张青 云 ， 等 混凝土气体渗 透系数测试方 法的研究 J 1 建筑材料 学报， 2 0 0 1 ， 4 ( 4 ) ： 3 1 7 3 2 1 【 5 】 刘数华 ， 方坤 河 ， 曾力 ， 等 粉煤灰对混凝 土抗渗性能 的影 响 J 粉煤灰综合利用， 2 0 0 4 ( 5 ) ： 3 0 - 3 1 【 6 冷发光 ， 李伟 文 ， 邢 锋 ， 等 混凝土氯离子 渗透性 的测试 方法研究f J 】 H P C 2 0 0 2第 四届全 国高性 能混凝 土学术 研讨会 论文集， 2 0 0 2 收 稿 日期 ： 2 0 1 2 1 2 一 O 3 。 通讯作者 ： 王中平 ( 1 9 6 0 一 ) ， 男 ， 博士 、 副教授 。 通讯地 址 ： 上海市曹安公路 4 8 0 0号 联 系电话 ： 1 3 4 7 2 8 9 1 4 1 3 E - ma i l ： wa n g z p k t o n g j i e d u o l3 2 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m