掺不同级配轻集料混凝土的力学性能和长期性能.pdf

2 0 1 1年 第 9期 (总 第 2 6 3 期 ) Nu mb e r 9 i n 2 0 l l ( T o t a 1 N o 2 6 3 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 M ATERL L AND ADM I NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 9 0 2 7 掺不同级配轻集料混凝土的力学性能和长期性能 邹 定华 ( 河南理工大学 材料科学与工程学院，河南 焦作 4 5 4 0 0 0 ) 摘要： 研究了掺不同级配轻集料高强混凝土的抗压强度、 弹性模量、 密闭条件下的体积变形和徐变。 研究结果表明， 掺不同级配轻集料 高强混凝土的力学性能相差不大， 2 8 d 强度最大最小值之差为其强度的6 左右， 弹性模量最大最小值之差为其弹性模量的4 左右； 掺不同 级配轻集料的混凝土密闭条件下体积变形相差较大， 掺加粒径 2 3 6 4 7 5 m m和 4 7 5 9 5 mm轻集料的混凝土在整个龄期内是膨胀的， 掺 加 9 5 1 6 fi l m轻集料的混凝土在早期有微量膨胀 ， 但在 2 1 d 之后表现为收缩， 掺加 1 6 1 9 mm轻集料的混凝土在整个龄期内表现为收缩 随着轻集料粒径的减小； 混凝土徐变系数随轻集料粒径的减小而减小。 关键词： 混凝土；集料；徐变；内养护；体积变形 中图分类号 ： T U 5 2 8 2 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 9 0 0 8 7 0 3 Me c ha nica l pr ope r t i e s and l ong- t er m per f or manc e of c onc r e t e wi t h di ffe r en t g r ade l i gh t wei gh t a ggr e ga t e ZOU Di n g - h u a ( S c h o o l o f Ma t e r i a l S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， He n an P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y ， J i a o z u o 4 5 4 0 0 0 ， C h in a ) Abs t r a c t ： Co mpr e s s i o n s t r e n g t h， e l a s t i c mo d u l u s ， Vo l um e d e f o r ma t i o n i n s e a l c o n d i t i o n a n d c r e e p o fh 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 d i ffe r - e n t g r a d a t i o n l i g h twe i 曲t a g g r e g a t e( L WA)we r e e x p e ri me n t a l l y res e a r c h e d Re s u l t s s h o w t h a t ， me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e c h ang e d a l i t t l e w i t h the v a r y o f g r a d a i o n o f L WA Di ff e r e n c e b e t we e n h i 曲e s t and l o we s t c o mp r e s s i o n s g e n g t h i s a b o u t 6 o f t h e 2 8 d c o mp r e s s i o n s t r e n g t ho fc o nc r e t e a n dt h e c o r r e s p o n d i n gv a l u e o f2 8d e l a s t i cmo d u l usi s4 Vo l u med e f o r ma t i o nso fc o n c r e t econ tai n i ngd i ffe r e n tg r a d a - t i o n LW A v a r y a l o t Co nc r e t e s c o n t a i n i n g LW A o f pa r t i c l e s i z e o f 2 3 6 -4 7 5 m m a n d 4 7 5 9 5 mm e x pa n d e d i n a l l a g e s Co n c r e t e s c o n t a i n i n g LWA o fp a r t i c l e s i z e o f9 5 1 6 mm e x p a n d e d i n e a r l y a g e s and s h r u n k a fte r 21 d Co n c r e t e s c o n t a i n i n g LWA o fp a r t i c l e s i z e o f 1 6 1 9 mm s h r u n k i n a l l a g e s Cr e e p c o e ffi c i e n t s o f c o n c r e t e s r e d uc e d wi t h t h e d e c r e a s e o fp a r t i c l e s s i z e o f LWA Key wor ds： c o n c r e t e； a g g r e g a t e ； c r e e p； i n t e r n a l c u rin g； v o l um e d e f o r ma t i o n 0 引言 1 原材料与试验方法 在高强混凝土内加入预湿轻集料( L i g h t we i g h t a g g r e g a t e ， L WA) 可以大大改善其体积变形( V o l u me d e f o r ma t i o n ) 性能 ， 这 是由于轻集料所吸收的水分在水泥水化后期由于湿度差和混 凝土内毛细管“ 泵吸” 作用而释放出来， 在混凝土内部起到“ 内 养护” ( I n t e rna l c u r i n g o r s e l f - c u r i n g ) t 的作用。 然而， 轻集料释 放出的水在水泥浆体内的扩散距离有限 ， 因此在轻集料掺量 较小的情况下， 很难使所有的水泥浆体受到“ 内养护” 作用的影 响。 轻集料掺量相同， 颗粒级配不一样， 受到轻集料内养护作用 影响的水泥浆体在总水泥浆体中所占的比例不一样。 同时， 在高 强混凝土中， 轻集料的强度相对于普通集料及水泥浆体小得多， 成为结构中的缺陷。 在相同掺量下， 不同级配的轻集料在高强混 凝土中形成单个缺陷的强度及总的缺陷数量不一样。 因此， 掺不 同级配轻集料的高强混凝土其体积变形、 力学性能可能有较大 的差别。 此外， 轻集料的级配还可通过对混凝土体积变形性能和 力学性能的影响进而影响徐变性能。 因此， 明确轻集料级配对混 凝土力学性能、 体积变形性能和徐变的影响对于轻集料在高强 混凝土中的实际应用具有一定的指导意义。 收稿 日期 ：2 0 1 l _ o 3 3 0 基金项目：河南理工大学博士基金项目( B 2 0 1 0 9 7 ) 1 1 原材料 水泥： 湖北三峡水泥厂生产的三峡牌 P 0 5 2 5 级水泥； 轻集 料： 8 0 0 级黏土质轻集料， 堆积密度 7 4 1 k g m3 筒压强度 7 8 MP a ， 粒径 4 7 5 1 9 r n n l ， 各粒径颗粒吸水率见表 1 ， 其中粒径 2 3 6 4 7 5 mm的颗粒为连续级配颗粒破碎后筛分所得； 粉煤灰 ： 武汉 阳逻电厂 I I 级粉煤灰； 碎石： 粒径范围9 5 1 9 m m， 含泥量0 2 ， 表观密度 2 6 5 0 k g m 3 ； 细集料： 中粗河砂 ， 细度模数为 2 7 2 8 ， 含泥量小于 1 ； 减水剂： 多羧酸高效减水剂 ； 硅灰 ： 武钢硅钢厂 产， 密度 2 2 g c m3 ， 平均粒径为 0 1 8 m。 表 1 轻集料 2 4 h吸水率 粒径 m m 吸水率 2 0 6 2 0 6 1 9 9 2 1 9 1 2试验 方 法 混凝土中轻集料按粗集料体积的 2 0 取代碎石 ， 其配合比 8 7 一 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 见表 2 。 轻集料在试验前浸水 2 4 h后滤出并用湿棉布吸干表面 水分 ， 同时为了减小轻集料上浮对混凝土性能的影响， ? 昆凝土 中加入硅灰7 1 。 力学性能按 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 ( 普通混凝土力学 性能试验方法标准 有关规定进行 ， 每个配合比强度试验成型 试件 6 个 ， 弹性模量试验成型试件 3 个 ， 成型后 1 d 脱模， 在标 准条件下( 2 0， 相对温度 9 5 以上) 养护至测试龄期； 体积变 形和徐变试验按照 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 有关规定进行 ， 试件成型 1 d脱模 ， 脱模后 放置于 2 0的室内进行养护。 体积变形和徐变试验时均控制 室温为 2 0， 试件从成型到试验完毕均用塑料薄膜密封。 徐变 试验在混凝土 7 d龄期加载 ， 荷载大小按 7 d 轴心抗压强度的 4 0 确定。 表 2 试验混凝 土配合 比 k g m 2 试验 结果与讨论 2 1 混凝土力学性能 表 3 为混凝土抗压强度及弹性模量试验结果。 表中数据表 明， 不同级配轻集料配制的混凝土其 3 d抗压强度 、 2 8 d抗压强 度及 2 8 d弹性模量相差不大， 3 d抗压强度的最大差值( 最大值 和最小值之差) 为 1 7 M P a ， 2 8 d 强度最大差值为 4 5 M P a ， 为其 强度的 6 左右( 强度按 7 0 MP a 计 ) ， 2 8 d弹性模量最大差值 1 6 G P a ， 为其弹性模量的 4 左右， 因此可以认为在小掺量下 ， 轻集料级配对于混凝土的力学性能基本没有影响。 表 3 轻集料级配对混凝 土力学性能的影响 轻集料是一种多孔材料， 其强度较水泥石低得多嘲 ， 且轻集 料中的孔隙尺寸相对于混凝土的孔隙大， 因此成为高强混凝土 中微观缺陷的来源。 受压过程中裂纹很可能从轻集料颗粒中产 生后扩展， 且裂纹的扩展通常是穿过轻集料行进。 在轻集料掺量 较小且掺量一定的情况下， 粒径增大( 减小) ， 由于“ 尺寸效应” 的作用 ， 单个颗粒的缺陷作用越明显( 降低 ) ， 但同时缺陷的数 量少( 多) ， 两个作用相互抵消， 因此轻集料级配对混凝土力学 性能的影响不明显。 2 2混凝 土体积 变形 图 1 为各级配轻集料制备混凝土在密闭条件下 1 8 0 d 的体 积变形( V o l u me d e f o r ma t i o n ) 。 从图 1 可以看出， 掺不同级配轻 集料混凝土的体积变形有较大的差别。 掺加粒径 2 3 6 - 4 7 5 mm 和4 7 5 9 5 mm轻集料的混凝土在整个龄期内是膨胀的； 掺加 9 5 1 6 mm轻集料的混凝土在早期有微量膨胀 ， 但在 2 1 d之后 表现为收缩； 而掺加 1 6 1 9 m m轻集料的混凝土在整个龄期内 表现为收缩。 轻集料对高强 昆 凝土的内养护作用已被很多试验所证实， 它的作用主要体现在混凝土的白干燥作用， 相同龄期内掺加轻 集料的高强混凝土其内部湿度较不掺的对比试样高， 从而大大 降低了高强( 低水胶 比) 混凝土的自收缩9 IO l 。 但是大多数的研 8 8 4 0 0 3 0 0 宝2 0 0 龇1 o o 。 鬟 ： 一3 0 0 0 2 0 4 0 6 O 8 O 1 O 0 1 2 0 1 4 0 l 6 0 1 8 0 龄期 d 图 1 轻集料级配对高强膨胀混凝土体积变形的影响 究者忽略了轻集料所释放的水对水泥水化的促进作用。 研究证 明， 掺加轻集料后， 高强混凝土中未水化颗粒会进一步水化 1 1 ， 这对水泥体积变形会产生影响。 水泥水化时反应物( 包括水泥矿 物和水) 产生体积收缩， 但反应的固相( 水化产物相较于水泥矿 物) 体积增加旧， 如表 4 所示 。 轻集料“ 内养护” 作用的巧妙之处 在于其所释放的水在混凝土中是不占体积的( 它存在于轻集料 的孑 L 隙之中) 。 因此， 因内养护作用而继续水化的水泥颗粒将产 生绝对的体积膨胀， 一定量的水泥颗粒水化膨胀就可能在抵消 高强混凝土的自收缩后使其产生体积膨胀。 表 4 水泥矿物水化中的体积变化嘲 然而在轻集料掺量较小的情况下， 由于轻集料释水养护范 围的限制， 混凝土内的水泥浆体根据与轻集料颗粒的距离远近 其体积变形不一样。 处于“ 内养护” 作用范围内的水泥浆体产生 膨胀， 而作用范围之外的水泥浆体收缩。 级配不同时， 相同掺量 的轻集料所能养护的水泥浆体的数量是不一样的， 处于膨胀状 态和处于收缩状态的水泥浆体数量有较大差别 ， 因而混凝土在 总体上所表现出来的体积变形不一样。 设混凝土中轻集料的体 积掺量为 ， 在掺量小的情况下不考虑轻集料释水覆盖范围 重叠， 假设其释放水分在混凝土中的扩散距离为 0 0 0 1 m 6 ， 在 1 1 2 1 ， 混凝土中， 对于单一粒径轻集料其“ 内养护” 作用所能覆盖 的水泥浆体的体积 与其半径r L W A 的关系可用式( 1 ) 进行估计： V c= f 盯 ( r L w A + 0 O O 1 ) 3_ 4， 订 1 ： 4 ， 【j j J 了 IT F L W A a j R f + 三 + 1 ( 1 ) r L W A 如果设 R 。 为轻集料所能养护的水泥浆体占总水泥浆体的 体积百分数 ， 尺 为水泥浆体在混凝土中的体积百分数， 则存在 以下关系： R c= V J ( R 1 )= R L W # f f -3 X 1 0 -3 + 3 x ，l 0 + 1 0 0 ( 2 ) LF L WA r A J 对于试验中所用混凝土， R = 0 6 1 3 ( 碎石表观密度2 6 0 0 k g m3 ， 轻集料表观密度 l 4 0 0k g m ) ， R L W A = 0 0 3 9 ， 因此： 0 6 3 f + 3 x 1 O 4 - 1 1 0 0 ( 3 ) r L W A r g w A r _A 图2是根据式( 3 ) 所绘出的 尺 。 与轻集料粒径的关系图。 从 图中可见 ， 轻集料所能养护的水泥浆体体积百分数随着轻集 粒径的减小而增大。 对于较大粒径( 9 5 m m 以上) 的轻集料， 尺 在 1 0 以下， 且 R 随粒径的变化变化较小； 粒径 4 7 5 - 9 5 mm 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 围内， R 由 1 0 左右增大到 2 3 ， 轻集料所能养护的水泥浆体体 积增大一倍以上； 粒径小于 4 7 5 n l lT l 时， R 。 随粒径减小而急剧 增大， 粒径为 2 3 6 B 1 T I 时， R。 已增大到 6 8 ， 大部分的水泥浆体受 到了内养护作用的影响。 图2的结果表明， 混凝土中掺人 9 5 mm 以上的轻集料时， 受到“ 内养护” 作用影响的水泥浆体很少 ， 大 部分的水泥浆体仍然收缩 ， 只有少量的水泥浆体膨胀， 因此混 凝土在总体上表现为收缩 ； 而当轻集料粒径小于 9 5 ml n时， 受“ 内养护” 作用影响的水泥浆体数量增大， 特别是在 4 7 5 mm附 近急剧增大， 混凝土中膨胀的水泥浆体急剧增多， 相应的收缩 浆体数量减少 ， 混凝土在总体上表现为膨胀。 半 径 ram 图 2 R 随轻集料粒径的变化 2 3徐 变 系数 图 3 是掺不同级配轻集料混凝土的徐变系数随龄期的变化 图。 图 3中结果表明， 混凝土 1 8 0 d的徐变系数随轻集料级配的 不同而变化， 轻集料粒径越小， 昆 凝土徐变系数越小。 掺 1 6 1 9 Bi n 轻集料的混凝土 1 8 0 d的徐变系数为 1 8 ， 而掺 2 3 6 4 7 5 mm轻 集料的混凝土 1 8 0 d徐变系数只有 1 4 左右。 2 0 1 5 鬟 1 o 0 5 O 5 0 1 0 O 1 5 O 2 0 0 龄 期 ， d 图3 轻集料级配对高强膨胀混凝土徐变系数的影响 从微观上来说， 徐变是由于硬化水泥浆体中相邻 C S H凝 胶之间的永久性相对微滑移引起的_ 1 3 。 因而任何影响 C S H凝 胶结构及其滑移的因素都对混凝土的徐变产生影响， 通常这些 因素分为两类 ， 一类被称为内部因素， 与混凝土所用的原材料 及配合比设计有关， 包括水泥种类、 骨料种类、 水胶 比、 浆体含 量、 外加剂及矿物掺合料等因素。 另一类与混凝土受荷情况及所 处环境有关， 包括荷载的应力水平、 持荷时间、 加荷龄期 、 温度 、 湿度 、 试件尺寸、 所处的介质等因素。 此外 ， 体积变形对混凝土 的徐变也有重要影n t l 3 j 。 收缩在混凝土内部产生收缩应力， 使混 凝土受到一个额外的压应力 ， 加剧了滑移 ； 而未水化水泥颗粒 在内养护作用下继续水化膨胀， 所生成的水化产物填充结构中 原有的孔隙， 使浆体结构更为致密， C S H凝胶的滑移受到限制。 因此 ， 在原材料、 配合比及试验条件完全相同， 且力学性能相当 的情况下， 轻集料颗粒越小 ， 受“ 内养护” 作用影响的水泥浆体 越多， 混凝土在宏观上的徐变越小。 3结论 ( 1 ) 在小掺量下 ， 轻集料的级配对混凝土的抗压强度及弹 性模量的影响不明显 ， 掺不同级配轻集料的高强混凝土最高与 最低 2 8 d抗压强度差值为其强度的 6 左右， 最高与最低 2 8 d 弹 性模量的差值为其弹性模量的4 左右。 ( 2 ) 轻集料级配对高强混凝土封闭条件下的体积变形有明 显的影响。 轻集料“ 内养护” 作用范围内的水泥浆体自收缩减小， 未水化颗粒继续水化产生膨胀 ， “ 内养护” 作用范围之外的水泥 浆体收缩。 轻集料粒径减小， 其所能养护的水泥浆体增多 ， 内养 护效果增强 ， 混凝土由收缩变为膨胀。 ( 3 ) 高强混凝土的徐变系数随轻集料的粒径减小而减小。 参 考文献 ： 1 1 C U S S O N D， L O UN I S Z ， D A I G L E L B e n e fi t s o f i n t e r n a l c u ri n g o n s e r v i c e l i f e a n d l i f e - c y c l e c o s t o f h i g h - p e r f o r ma n c e c o n c r e t e b rid g e d e c k s A c a s e s t u d y J C e m e n t a n d C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 2 0 1 0 ， 3 2 ( 5 ) ： 3 3 9 3 5 0 2 U S S O N D ， HO O G E V E E N T I n t e rna l c u ri n g o f h i g h - p e rf o rma n c e c o n c r e t e wi t h p r e - s o a k e d fin e l i g h t we i g h t a g g r e g a t e f o r p r e v e n t i o n o f a u t o g e n o u s s h ri n k a g e c r a c k i n g 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 8 ， 3 8 ( 6 ) ： 7 5 7 7 6 5 【 3 】E L- D I E B A S S e l f - c u ri n g c o n c r e t e ： Wa t e r r e t e n t i o n， h y d r a t i o n a n d m o i s t u r e t r a n s p o r t J C o n s t r u c t i o n and B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 0 7 ， 2 1 ( 6 ) ： 1 2 8 2 1 28 7 【 4 】B E N T Z D P I n fl u e n c e o f i n t e rna l c u ri n g u s i n g l i g h t w e i g h t a g g r e g a t e s o n i n t e r f a c i a l t r a n s i t i o n z o n e p e r c o l a t i o n a n d c h l o ri d e i n g r e s s i n mo r t a r s 明 C e m e n t a n d C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 2 0 0 9 ， 3 1 ( 5 ) ： 2 8 5 2 8 9 5 S A HMA R AN M， L AC H E MI M， HO S S A I N M A， e t a 1 I n t e r n a l c u ri n g o f e n g i n e e r e d c e me n t i t i o u s c o mp o s i t e s for p r e v e n t i o n o f e a r l y a g e a u t o g e n o u s s h ri n k a g e c r a c k i n g J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h J 2 0 0 9 ， 3 9 ( 1 O ) ： 8 9 3 9 0 1 6 】L U RA PAu g t o g e n o u s d e f o rma t i o n a n d i n t e rna l c u ri n g D D e l f t ： De l f t u n i v e rsi t y o f t e c h n o l o g y， 2 0 0 3 7 丁庆军， 邹定华， 王发洲， 等次轻混凝土匀质性影响因素研究 J 混 凝土 ， 2 0 0 5 ( 8 ) ： 5 7 6 1 【 8 】王发洲 高性能轻集料混凝土研究与应用 D J 武汉 ： 武汉理工大学 ， 2 0 0 3 9 】E L - D I E B A S S e l f - c u r i n g c o n c r e t e ： w a t e r r e t e n t i o n ， h y d r a t i o n a n d mo i s t u r e t r a n s p o r t J J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 0 7 ， 2 1 ( 6 ) ： 1 2 8 21 2 8 1 0 胡曙光， 周宇飞， 王发洲， 等 高吸水性树脂颗粒对混凝土自收缩与 强度的影l i E J 华中科技大学学报 ： 城市科学片， 2 0 0 8 ， 2 5 ( 1 ) ， 2 0 0 8 ： 1 4 【 1 l l WE B E R s ， R E I N H AR D T H W A n e w g e n e r a t i o n o f h i g h p e rf o r ma n c e c o n c r e t e ： c o n c r e t e w i t h i n t e rna l c u ri n g J A d v n C e m B a s Ma t ， 1 9 9 7 ( 6 ) ： 5 9 6 8 1 2 沈威， 黄文熙 ， 闵盘荣 水泥工艺学【 M 】 武汉 ： 武汉工业大学出版社 ， 1 9 9 1： 1 5 6 【 1 3 I F AMT S I A B T ， B E AU D OI N J J B a s i c c r e e p o f h a r d e n e d c e me n t p a s t e a r e - e x a mi n a t i o n o f t h e r o l e o f w a t e r J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e arc h ， 2 0 0 0 ， 3 0 ( 9 ) ： 1 4 6 5 1 4 7 5 1 4 惠荣炎， 黄国兴， 易冰若 混凝土的徐变【 M E 京： 中国铁道出版社 ， 】 9 8 8 作者简介 联系地址 联系电话 邹定华( 1 9 7 6 _ ) ， 男， 博士， 讲师， 研究方向： 商l生 能建筑材 。 河南省焦作市世纪大道 2 0 0 1 号 河南理工大学材料科学 与工程学院( 4 5 4 0 0 0 ) 0 3 91 3 9 8 6 93 5 8 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m