掺合料大体积混凝土裂缝控制损伤研究.pdf

2 0 1 4年 第 8期 ( 总 第 2 9 8期 ) Nu mb e r 8 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No 2 9 8 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M AT ERI AL AND ADM I NI CLE 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 4 0 8 0 2 7 掺合料大体积混凝土裂缝控制损伤研究 欧阳煜 ，王瑞 ，张大力 ( 上海大学 土木工程系 ，上海 2 0 0 0 7 2 ) 摘要 ： 大体积混凝土早期裂缝问题已经是结构设计 中必须考虑问题， 在裂缝控制方面， 学者们已经进行了大量的实践研究， 总 结了诸多原因。 粉煤灰作为混凝土的第 四组分 ， 已经被工程界所接受。 在混凝土中掺加粉煤灰可以有效的降低混凝土早期水化热， 减 小温度应力 ， 防止结构早期开裂。 粉煤灰添加量对混凝土的裂缝影响不明确 ， 研究者虽进行了大量的试验， 但对结果量化者甚少。 通 过总结试验数据， 粉煤灰掺量对早期混凝土应力影响进行量化， 独立提出混凝土早期开裂损伤控制指标 ， 方便工程设计施工使用。 关键词： 粉煤灰 ；大体积混凝土；裂缝损伤控制指标 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 4 ) 0 8 0 0 9 8 0 3 I n v e s t i g a t i on o n c r a c k i n g d a m a g e o f m a s s c o n c r e t e a d m i x t u r e s OUYANG y u， WANGRu i ， ZHANG Da l i ( Ci v i l E n g i n e e r i n g De p a r t me n t ， S h a n g h a i Un i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 7 2， C h i n a ) A b s t r a c t ： T o c o n t r o l t h e c r a c k o f ma s s c o n c r e t e h a s a l w a y s b e e n a ll i mp o r t a n t s u b j e c t f o r s t r u c t u r e d e s i g n S c h o l a r s h a s b e e n p a i d a t t e n t i o n t o c r a c k c o n trol a n d ma n y a c hi e v e me n t h a ve b e e n ma d e Fly a s h a s t he f o rth c o mp o n e n t of c o n c r e t e ha v e b e e n a c c e pt M a n y r e s ul t s s h owe d t h a t fly a s h C an r e d u c e t h e h y d r a t i o n he a t o f c o n c r e t e a nd i mp r o v e the pr o p e r t y of c o nc r e t e a n t i c r a c ki n g Th e e f f e c t o f t he n u mb e r o ff l y a s h o n the p r o p e r t y of c o n c r e t e an t i c r a c k i n g a r c r e s e arc h e dFo r e a s y t o c o n s t r u c t ， t he c o n c r e t e a n t i c r a c k i ng c o e ffic i e n t i s d e fin e d Ke y w or ds： fl y a s h； ma s s c o n c r e t e； a nt i c r a c k i n g c o n t r o l f a c t o r 近年来 ， 民用建筑体量不断增大 ， 混凝土强度等级提高， 钢筋和水泥用量增大 。 虽然其体量相对于水工结构仍较小 ， 但是其早 期硬化阶段仍会产生水工结构所存 在的开裂 问 题 ， 且无法采用水工结构直冷降温方式处理 。 通常结构设 计 中普遍认为混凝土结构在浇筑过程中处于零应力状态 ， G B 5 0 0 1 O 一2 0 1 0 混凝土结构设计规范 中对于此也未予以 详细说明。 但研究发现混凝土结构在硬化阶段存在一种类似 于钢结构的“ 残余应力” ， 此应力直接导致混凝土早期裂缝。 王铁 梦教授根据多年现场经验 和研究提 出“ 跳仓法 ” 施工方法及“ 抗 与放” 原 理 ； 吴 中伟 院士在大体积混凝土 施工 中首创了“ 膨胀混 凝土后浇带” 方法回 ； 张平等人针对 不设缝大体积混凝土提出了“ 可呼吸” 体系3 ， 都是避免混 凝土早期开裂的有效方法。 添加掺合料也是有效解决混凝 土早期裂缝的方法 。 徐强专门研究过粉煤灰对大体积混凝 土温度应力及抗裂能力的影 响问题问 ； 黄波研究发现 ， 在水 胶 比相同的情况下 ， 粉煤灰掺量 与混凝土的凝结时间成正 比， 且粉煤灰掺量对抗折性 能有较大影 响阁 ； 张庆欢研究发 现 ， 混凝土强度 随掺量的增加而逐渐下降 6J 。 本研究对粉煤灰掺量从 2 0 7 0 范 围的混凝土进行 收稿 日期：2 0 1 4 0 2 0 4 98 试验研究 ， 将粉煤 灰掺量 与抗 裂性能的关系指标量化 ， 独 立提 出裂缝损伤控制指标概念 ， 方便工程设计使用。 1 粉 煤灰影响原理 1 1 粉煤灰成 分及影 响原理 粉煤灰是电厂燃烧煤炭排放出的一种污染物质， 对环境 有一定的危害。 通过一定技术手段将其应用于生产建设， 既节 能又环保。 粉煤灰的 8 5 以上的成分是 S i 、 A l 、 F e 、 C a 、 Mn 、 K、 Na 的氧化物 ， 主要是是 S i O 2 、 A 1 2 O 3 、 F e 2 O 3 和 C a O n 。 粉煤灰加 入到混凝土 中所起 的作用与粉煤灰的化学 、 物理性质有很大 关系 。 粉煤灰对混凝土早期开裂的影响无非两个方面 ， 一是 减小早期混凝土温度应力 ， 二是使混凝土早期强度较早发挥。 1 2混凝 土早 期强度 粉煤灰所含氧化物 中 ， C a O对早期 强度有重要影 响 ， C a O含量越多 ， 强度越能较早发挥 出来 。 在对粉 煤灰的分 级中 ， 并不是以 C a O含量 为依据 ， 而是以 S i O 、 A 1 2 0 、 F e 2 0 的含量为依据不 同， C级要求含量大于 5 0 ， F级要求大于 7 0 。 粉煤 灰 中的 S O 成分是阻碍早期 强度发展 的因素 ， A S T M 规范要求 S O 含量小于 5 ， 超过限值则会延缓凝结 时间及降低早期强度。 不 同化学成分对早期强度的影响百 分率如图 1 所示圈 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m O 1 O 2 0 4 0 粉煤灰掺量 图 1 粉 煤灰 成分 对早 期 强度影 响 粉煤灰 的细度是影 响早期水化反应 的物理因素之一 ， 通常 以留筛率或 比表面积来衡量 ， 细度高则 比表面积大， 留 筛率 小m 。 细度越低 ， 早期水化反应 越缓慢 ， 影响早期强度 的发展 。 不同细度对早期强度 的影响百分率如图 2 所示8 J 。 粉 煤 灰 掺 量 图 2 不同细度粉煤灰对早期强度影响 1 3 混凝 土早期 开裂 粉煤 灰 的氧化物 中 ， 对裂缝 问题有 影 响 的是 Mg O， A S T M规范限制 Mg O含量不得超过 5 。 但 Mg O对裂缝的 影响仅仅限于结晶质方镁石 。 粉煤灰加入到混凝土中， 能有 效缓解混凝土的碱骨料反应 ， 但当粉煤灰中的 Na 2 0和 K 2 O 含量超过限值时， 这一作用将大大减弱， 并且易使已硬化的 混凝土发生分裂性膨胀， 也是造成混凝土开裂的一种原因同 。 2 试验 简述 2 1 试验 目的 本试 验采 用 F级粉 煤灰 ， S i O 、 A 1 2 0 、 F e 2 0 含量 大于 7 0 ， C a O含量为 2 2 。 粉煤灰混凝土配合比设计方法采用 等量取代 法 ， 水灰 比固定 ， 研究粉煤灰对混凝土早期水化 热 、 温度应力及抗拉强度的影 响， 从 而说明早期开裂性能 。 对试块早期应力发展及 2 8 d 抗拉强度进行试验 ， 获得 应力发展 曲线及抗拉强度值 ， 获得应力松弛 比及强度下降 率 ， 以此来定义粉煤灰掺量对混凝土抗裂性能的影响程度 。 2 2试 验 分 组 试验试块共分 7 组 ， 粉煤灰掺量从 2 0 7 0 ， 大范 围 测试粉 煤灰掺量对 混凝土早期性 能 的影 响。 试块 尺寸为 O 5 mx 0 5 mx 0 5 m。 粉煤灰采用等量替代法5 1 ， 试验每组粉煤 灰混凝土配合 比列表 1 。 对每组试验材料准备两组 1 5 0 m mx 1 5 0 mmx l 5 0 mm的试块 ， 进行后期抗压强度试验。 3 试验 结果分析 对粉煤灰混凝 土早期 1 、 3 、 7 d的水 化热温 度进行测 量 ， 结果如图 3 所示 。 从图 3中可 以看 出 ， 粉煤灰对 混凝土 表 1 试验粉煤灰混凝土配合比 ( k 水 g m3 ( k 石 g m3 ( k 编号 水泥用量 粉煤灰用量 ) ) m ) 4 O 3 5 3 0 25 赠 20 1 5 1 0 1 j 7 时间 ， d 图 3 粉煤灰混凝土早期水化温度 早期水化热下 降明显 ， 在 1 d 时掺量 2 0 的粉煤灰混凝土 与对 比混凝土相 比， 温度下降 5作用 ， 掺量为 7 0 时 ， 下 降约 1 2。 混凝土早期应力试验 曲线如 图 4 所示 。 从 图 4中可以 看 出掺人粉煤灰后 ， 混凝土早期温度应力下降明显 ， 3 d时 掺量 2 0 的粉煤灰混凝土较对 比混凝土应力下降约 1 5 ， 掺量 7 0 的粉煤灰混凝土则有约 5 5 的下降幅度 ， 可见粉 煤灰对混凝土早期应力松弛作用 明显。 目1 0 5 O 1 2 2 4 3 6 4 8 7 2 时 间 ， h 图 4 粉煤灰混凝土早期应力发展 粉煤灰对降低混凝土早期水化热温度及松 弛早期 温 度应力 效果 明显 ， 对结 构正常使用是 否有影 响 ， 则 要对粉 煤灰混凝土 2 8 d强度进行试验 ， 确定强度下降情况 ， 从而 确定掺量的适用范围。 对 7 组试块分别进行立方体抗压强度试验 ， 所得结果 如图 5 所示。 掺量为 5 0 时 ， 2 8 d 强度下降约 1 8 ， 对强度 影响非常明显 ， 掺量为 7 0 时 ， 强度下降约 3 0 。 4 抗裂损伤量化 4 1 应 力松 弛 粉煤灰掺人后 ， 对混凝土早期水化温度下降明显 ， 对应 力松弛效应显著 。 从 2 8 d粉煤灰混凝 土抗压强度结果看 ， 9 9 2 0 8 6 4 l l 0 0 O 丑 旦 嘿 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 45 室4 0 嚣 萎 3 5 30 2 0 4 0 6 0 8 O 掺量 ， 图 5粉煤灰混凝土 2 8 d 抗压强度值 粉煤灰掺量大于 5 0 后 ， 对混凝土强度影响较大 ， 不利 于 结构 ， 因此建议粉煤灰掺量范 围为 2 0 5 0 ， 利用粉煤灰 作用 ， 防止大体积混凝土早期温度效应 。 强度下 降百分 比 如图 6所示。 世 一 慧 粉 煤 灰 掺 量 ， 图 6 粉煤灰混凝土强度下降百分率 将掺入粉煤灰 的混凝土与未掺加粉煤灰 的混凝 土应 力发展 曲线进行 比较研究 ， 得 出粉煤灰对混凝土早期应力 松 弛比， 将粉煤灰影响作用量化 ， 结果如图 7 所 示。 从 图中 可以看 出， 随着龄期的增长 ， 粉煤灰作用效应下降 ， 随着掺 量的增加 ， 粉煤灰作用效应增强 。 粉 煤 灰 掺 量 ， 图 7 粉煤灰混凝土早期应力松弛比 4 2 抗裂损伤控制指标 上述应力松 弛 比仅 仅说 明了粉煤 灰对混凝土早期应 力的影响效果 ， 为了更方便 的应用于工程设计及施工 ， 对试 验数据进行研究拟合 ， 综合粉煤灰对应力及开裂的影响 ， 采 用正交试验研究方法 ， 笔者独立提 出裂缝损伤控制指标 的 概念。 该指标与龄期及粉煤灰掺量有关 ， 通过计算式( 1 ) 计 算得 出的值 ， 可 以判 断粉煤灰混凝 土早 期应力 大小 ， 采 取 相应措施避免混凝 土早期开裂。 裂缝损伤控制指标的范围 在 0 1 之 间， 最佳应用范 围为 0 5 0 7 5 ， 落在范围内时可 以 采取标 准养 护措施 防止开裂 ， 如果超出范围 ， 可对粉煤灰 掺量进行调整 ， 或采取其他措施防止早期裂缝。 k = 0 0 1一 等 ( 1 ) 1 0 0 式中 ： c 粉煤灰掺量 ， 1 0 0 ， 建议取值范 围为 0 2 0 5 ； 混凝土龄期 ， d ， 建议取值范围 1 - 7 d 。 本计算式计算值在一定 范围内有效 ， 并非全适用计 算 式 ， 当粉煤灰掺量 为 0或者超过 5 0 时 ， 计算值失去意义 ， 本 系数带有一定局 限性 ， 扩展使用还需后期试 验支持。 粉 煤灰掺量适用范 围超过规范要求 ， 大 型重要结构不建议使 用 ， 需做现场试验来决定掺加量 。 5 总结与结论 5 1 总结 粉煤灰作为混凝土的一种外掺料 ， 已经普遍被工程界接 受 ， 以将其作为混凝土的第 四组分来对待。 粉煤灰加多少 ， 对 混凝土又有多少作用效应， 本试验的研究对此做了相应解释。 本试验通过对不同掺量 的粉煤灰混凝土进行试验 ， 总 结整理 出不 同掺量 的粉煤灰对混凝土早期应力松弛 的效 果及 粉煤灰对混凝 土早期抗拉强度影响 ， 并将各掺量的数 据结果量化 ， 提 出裂缝损伤控制指标 的概念 ， 为设计施 1 应用提供方便。 5 2结 论 ( 1 ) 粉煤灰加入混凝土 中 ， 对 混凝土早期应 力松弛效 果明显 ， 掺量大于 5 0 时 ， 混凝土强度下降较大 ， 影 响后期 结构正常使用 ， 建议粉煤灰掺量范 围在 2 0 5 0 之间。 ( 2 ) 在定掺量情况下 ， 应 力松弛 比的变化趋 势服从指 数 函数形式 ， 在早期增长明显 ， 后期逐渐趋于稳定值 。 ( 3 ) 通过正交试验研究方法 ， 笔者独立提 出粉煤灰混 凝土裂缝损伤控制指标的概念 ，将粉煤灰掺量与龄期相关 联 ， 并提出最佳应用范围 ， 方便设计施工直接使用。 参考文献 ： 1 】王铁梦 工程结构裂缝控NN 北京： 中国建筑工业出版社， 1 9 9 7 【 2 吴中伟 膨胀混凝土及其发展前景 C 中国混凝土科学一代宗 师吴中伟院士纪念文集 ， 2 0 0 4 ： 3 8 8 3 9 2 【 3 】张平 ， 翁恩豪 ， 鲁晓俊 ， 高博青 ， 肖志斌 可呼吸方法解决大体积 混凝土的温度应力I J 1 结构工程师 ， 2 0 0 6 ， 2 2 ( 1 ) ： 1 4 1 7 【 4 徐强 大掺量粉煤灰混凝土温度应力及抗裂能力的分析【 J 1 粉煤 灰 ， 2 0 0 3 ( 2 ) ： 3 - 6 【 5 1黄波， 大掺量粉煤灰混凝土物理力学性能试验研究【 D 1 河南： 郑 州大学 ， 2 0 1 2 【 6 】张庆欢 粉煤灰在复合胶凝材料水化过程中的作用机理【 D E 京 ： 清华大学 ， 2 0 0 6 【 7 】黄兆龙 ， 湛渊源 粉煤灰的物理和化学性质l J 1 粉煤灰综合利用， 2 0 0 3 ( 4 ) ： 3 - 8 8 水 娟 粉煤灰性质对混凝土流动度及强度的影响【 J f 工业建筑 1 9 9 1 ( 5 ) ： 2 - 6 9 】 艾红梅 大掺量粉煤灰混凝土配合比设计与性能研 究【 D 1 大连 ： 大连理工大学土木工程学院 ， 2 0 0 5 作 者简 介 联 系地 址 联系电话 欧阳煜( 1 9 7 5 一 ) ， 男 ， 博 士 ， 副 教授 ， 国家一级注册结 构工程师 、 国家注册监理工程师 ， 主要研究方向 ： 混 凝土研究。 上海市闸北区延长路 1 4 9号 ( 2 0 0 0 7 2 ) 1 8 81 73 5 0 5 49 圜 一 t 一 - _ 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m