大风干旱地区预防混凝土结构开裂的试验研究.pdf

2 0 1 2年第 2期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne er i n g l 2 3 文章 编 号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 1 2 3 0 4 大风干旱地 区预 防混凝 土结构 开裂 的试 验研 究 朱长华 ， 李 享涛 ， 王保 江 ， 李化建 ， 谢永 江 ( 中国铁道科学研究 院 铁道 建筑研究所 ， 北京 1 0 0 0 8 1 ) 摘要 ： 针对西北大风 、 干旱的气候特征 ， 选取具有代表性区段浇筑墩、 道床板 混凝土 ， 从混凝土的 内养护 和外养护两方面出发 ， 研 究了内养护材料、 模板类型和新型外养护方式对混凝土结构抗裂性的影响。结 果表 明， 内养护材料能显著减 小混凝土的早期收缩 ， 降低 混凝土早期开裂程度 ， 同时不降低混凝土的强 度和耐久性 ； 透水模板布和保湿养护布不仅 可以显著改善混凝土结构的外观， 还能有效预防混凝土开裂 和 降低 混凝 土 结构表 面的渗 透性 。 关键词 ： 大风干旱 开裂 内养护材料 透水模板布 保湿养护布 中图分 类号 ： T U 5 2 8 0 6 文献标 识码 ： A 混凝土是一种非均质 的复合脆性材料 ， 其抗拉强 度较低 ， 在施工和服役过程 中易产生裂缝 。混凝土裂 缝不仅影 响结构外观， 还会成 为腐蚀性介质侵入 内部 的通 道 ， 影 响混凝 土 结 构 的耐 久 性 。混 凝 土 结 构 的 开 裂 已成 为 困扰混 凝 土工程 界 的普遍 问题 。 我 国西北 地 区 的气候 极端 干旱 ， 降 雨量 稀少 ， 蒸 发 量大 ( 如 图 1所示 ) ， 且 局 部 地 区经 历 风 速 1 7 2 m s 的天 数达 1 5 0 d以 上 。在 如 此 恶 劣 的环 境 条 件 下 ， 混 凝 土极 易产 生塑 性 、 干缩 裂缝 ， 这对 混 凝土 长期 耐久 性 提出了严峻挑战。 目前 ， 预防混凝土裂缝 的常用措施 有 ： 优选原材料 、 优化混凝土配合 比、 掺膨胀剂 、 控制人 模温度和加强养护等 。然 而， 该地 区混凝土原 材 料资源匮乏 ， 原材料选择空间受到限制 ； 膨胀剂的使用 效果 受环 境 条件 影 响较大 ， 在 干燥 环境 下水 化产 物 A f t 会失去结 晶水 ， 导致膨胀剂的后期补偿收缩作用失效 ， 有些 膨胀 剂 在 混 凝 土 仍 为 塑 性 状 态 时 膨 胀 消 耗 量 较 大 ， 而在混凝土硬化后有效膨胀作用很低 ； 另外 ， 传 统浇 水覆 盖养 护 在拆 模 后 才 能 进 行 ， 这 显 然 已远 滞 后 于混凝 土 开裂 的危 险期 ， 更何 况 由 于极 端 干 旱 、 缺 水 ， 难 以保证浇水养护。因此 ， 迫切需要研究适用于大风 干旱 环境 下 预防混 凝 土结 构裂 缝 的措施 。 混凝土 的内养护最早 由美国学者 P h i l l e o 提 出， 经 过 2 0多年 的发 展 ， 已成 为提 高混凝 土 抗裂 性 和长期 耐 久性 的一项 新技 术 。2 0世 纪 8 0年代 ， 日本 、 丹 麦 和 德 国等开 始 了对透 水 模 板 布 的 研 究 和应 用 ， 目前 透水 收稿 日期： 2 0 1 1 0 9 2 1 ； 修 回日期 ： 2 0 1 1 1 0 1 0 基金项 目： 铁道 部科技研 究开发计划项 目( 2 0 1 0 G 0 1 9 - A) 作者简 介： 朱长华 ( 1 9 7 6 一) ， 男 ， 湖北钟祥人 ， 助理研究员 ， 硕士。 4 0 00 3 0 00 画2 0 0 0 廿 1 0 00 0 兰州 西宁 张掖酒泉哈密鄯善 吐鲁番 达坂城 乌鲁木齐 图 1 西北主要城市年平均降水量与蒸发量 模 板布 已应 用 于 我 国水 工 、 海 工 等 大 型 工 程 。 。本 文针对西北大风 、 干旱的气候特征 ， 选取具有代表性区 段浇筑墩 、 道床板混凝土 ， 从混凝土的内养护和外养护 两 方面 出发 ， 研究 了内养护 材料 、 模板 类 型和新 型外养 护方式对混凝土结构抗裂性的影响， 为该地 区预防混 凝土开裂提供可资借鉴的技术措施。 1 原 材料、 试验方案和方法 1 1原 材料 与配 合 比 水泥为祁连山 P 0 4 2 5普通硅酸盐水泥 ， 矿物掺 合料为青岛海诺 级粉煤灰和 $ 9 5级矿渣粉 ， 骨料 为 瓜 州石 料厂 生产 的 5 03 1 5 m m两 级 配 碎石 和 细度 模数 2 8的细骨料 ， 减水剂为陕西高新聚羧酸减水剂 ， 内养护材料为 自制的高吸水聚合物 ， 外养护材料为杭 州银博生产的保湿养护布和透水模板布。试验用墩身 和道床板混凝土的基准配合比见表 1 。 1 2试 验方 案 1 ) 在优化基准混凝土配合 比的基础上 ， 在室内研 1 2 4 铁道建筑 表 1 C 3 5墩身与 C 4 0道床板混凝土的基准配合 比 表 2道床板和墩身 混凝土的试验方案 究 内养护材料对混凝土早期收缩 、 力学和耐久性 的影 响 ， 确 定 内养护材 料 的适宜 掺量 ； 并 在 现场有 代表性 的 区段浇筑道床板基准混凝 土和 内养护混凝土 ， 比较二 者 的开裂情 况 ； 2 ) 在现 场有代 表 性 的 区段 浇筑 墩 身混 凝 土 ， 通 过 裂缝观 测 和表面渗 透 等 试验 ， 研究 不 同养 护 方式 对 混 凝土 表面 质量 的影 响 。试验 方案 如表 2所示 ， 其 中 ， 编 号 3 - 1 、 3 2的试 验 墩截 面 为 1 5 m1 5 m， 高度 为 2 m， 其 他 编号 的试验 墩截 面为 2 m 6 m， 高度 为 4 m。 透水 模板 是将 透水模板 布 通过强 力胶 粘贴 于钢模 板表面从而使模板具有透水和透气 的功能 ， 拆模时透 道床板 墩身 编号 试验地点混凝土类型 编号 试验地点 模板类型 养护方式 1 1 玉门 基准 3 - 1 玉门 钢模板 浇水包裹 1 2 玉门 内养护 3 - 2 玉门 透水模板 浇水包裹 2 1 瓜州 基准 3 - 3 玉门 钢模板 保湿养护布 2 - 2 瓜州 内养护 4 1 柳 园 钢模板 浇水包裹 4 - 2 柳 园 钢模板 保湿养护布 5 - 1 吐鲁 番透水模板 浇水包裹 水模 板 布随模 板一起 脱离 混凝 土结构 ， 实 现多次 利用 。 与透水模板布不同， 保湿养护布的织物层较厚 ， 吸水能 力 强 ， 且使用 时通 过水溶 性胶粘 贴 于钢模 板表面 ； 浇 筑 混凝土后 ， 因保湿养护布吸水使水溶性胶失去黏结力 ， 拆模时其与钢模板脱离而紧贴混凝土结构表面， 同时， 所吸收的水分为混凝土结构提供了早期养护。现场粘 贴后 的透水 模板 布和保 湿养 护布 如图 2所 示 。 ( a ) ( b ) 图 2 墩身混凝土现场试验用外养护材料 1 3试 验方 法 混凝 土抗 压 强 度按 G B 5 0 0 8 l 一2 O 0 2 普 通 混 凝 土 力学性能试验方法标准 进行试验 ， 混凝土早期收缩、 电通量和抗冻性按 G B 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 进 行 试 验 ； 采 用 裂 缝 宽度读数显微镜和卷尺检测混凝土实体结构的裂缝宽 度和长度； 采用 p e r m i t 离子渗透仪检测混凝 土实体结 构 表 面的渗 透性 。 2 试 验结果与讨论 2 1 内 养 护 对 道 床 板 混 凝 土 早 期 收 缩 和 抗 裂 性 的 影 响 在基准混凝土配合 比的基础上 ， 掺加 内养护材料 并 额外 引入 一定 量 的水 配 制 内养 护 混 凝 土 ， 所 需 引入 额外水的量通过混凝土内养护用水经验模型和内养护 材料 自身吸水特性确定 。经试拌混凝土发现 ， 内养 护材料掺量较高易使混凝土拌合物状态变差， 其掺量 为胶凝材料 用量的 0 1 时适合现场施工。为此 ， 在 该掺量下进一步试验 ， 研究基准混凝土与内养护混凝 土 的早期 收缩 变形性 能 ， 如 图 3所 示 。 时间 h 0 1 0 2 O 3 O 4 0 5 O 呈 、 将 龄 图 3 内养护对混凝土早期收缩 的影响 从 图 3可看 出 ， 混 凝 土 的早 期 收 缩 可分 为 三 个 阶 段 ， 即 I： 塑性沉降阶段 ( 约 01 h ) ， ： 塑性收缩阶 段 ( 约 1 9 h ) 和： 硬化收缩阶段( 约 9 h后 ) 。在 I 阶段 ， 新拌混凝土的固体颗粒( 水泥和骨料) 之间完全 被水所充满 ， 成型后固体颗粒下沉， 水分上升 ， 导致混 凝土在水平长度方向略有膨胀 ， 膨胀率一般很小 ， 仅有 。 瑚 伽 咖 瑚 枷 咖 渤 2 0 1 2年第 2期 大风干旱地 区预防混凝土结构开裂 的试验研究 1 2 5 几十微应变 。在 阶段 ， 混凝土中水分因蒸发 、 水化反 应 而消耗 ， 颗 粒 之间 的水形 成 弯液 面 ， 随 曲率 半径 不 断 减小 ， 毛细管压力显著增大 ， 进而收缩也随之增 大， 该 阶段为混凝土早期收缩的主要 阶段 ， 收缩率大于 1 0 0 0 1 0。在 阶段 ， 一方 面 ， 随水 泥水 化 的不 断 进 行 ， 混凝土表面的水不能填充所有空隙而呈非连续状态 ， 毛 细 管压 力 随 之 迅 速 降 低 ； 另 一 方 面 ， 混 凝 土 开 始硬化 ， 逐渐 由黏塑性体转变为刚性结构体 ， 系统抵抗 变形 的能力 增大 ， 使 得 混凝 土 的收 缩 在 此 阶 段 小 幅平 稳发 展 。对 于 I、 阶段 ， 内养 护混 凝土 的收缩 与基 准 混凝土相差很小 ， 而对于 阶段 ， 内养护混凝土的收缩 显著 减小 ， 为基 准混凝 土 的 5 0 左 右 。 同时 ， 研究了内养护对硬化混凝土力学和耐久性 及现场道床板抗裂性的影 响， 如表 3所示 。从表 3可 以看 出 ， 内养护 昆 凝 土 与基 准 混 凝 土 的各 龄 期 抗 压强 度 接近 ， 2 8 d抗 冻性 和 5 6 d电通 量 相 当 ， 这 表 明内养 护 材料 的掺 人并 未 明显降低 混凝 土 的力学性 能 和耐久 性能。通过对现场道床板混凝 土观察 ， 内养护混凝土 在 塑性 和硬 化 阶段 的抗 裂 性 均 较 基 准 混 凝 土 显 著 提 高 。 内养 护 混凝 土抗 裂性 能 的提高是 由于 内养 护材料 预储 的水 能 够持续 补 偿 因水化 反应 、 蒸 发 导 致 混凝 土 内部 水分 的消耗 ， 减小 了毛 细孔溶 液 负压 ， 延 缓 了混凝 土内部相对湿度的降低速率 ， 从而减小 了因塑性收缩 和 干燥 收缩 开裂 的可 能性 。 表 3 内养护对硬化 混凝土力学和耐久性能及现场道床板抗裂性 的影 响 2 2 外 养护 对现 场混 凝土 结构 表面 质量 的影 响 在玉 门、 柳园和吐鲁 番等地点现场浇筑墩身混凝 土 ， 研 究 了不 同外养 护措 施 对 混 凝 土 结 构 表 面 质量 的 影响。试验墩外观如 图 4 ， 裂缝情况 和实体结构抗氯 离子 渗透 性见 表 4 。 ( a ) 钢模板和浇水包裹 ( b ) 透水模板 ( c ) 保湿养护布 图 4 采用不同模板及养护方式对混凝 土结 构外 观的影响 表 4外养护对试验墩表面质量 的影 响 注 ： 表 中氯离子扩散 系数 的龄期 为 5 6 d ， 裂缝观察至龄期 9 0 d 。 从图 4可看 出， 相比钢模板和浇水包裹养护 ， 透水 模板布或保湿养护布能明显改善混凝土的外观 ， 混凝 土结构表面均匀 ， 未出现气孔。从表 4可知， 对 比结构 尺 寸较 大 的试 验墩 ( 编号 4 1 ， 4 2和 5 - 1 ) ， 使 用透水 模 板布 或保 湿养 护布 不仅 能推 迟 开 裂 时 间 ， 还 能显 著 减 小裂缝 的数量 和最 大宽度 ， 当试验墩 ( 编 号 4 - 1 ， 4 2和 5 1 ) 的结构尺寸较小时 ， 使用透水模板布或保湿养护 布可 避免 混凝 土开 裂 。透水模 板 布的抗 裂作 用在 于其 能有效降低混凝土表面的水胶 比， 提高表面强度 ， 以抵 抗裂缝 的产生 ， 同时在拆模前 也能在一定程度上减小 混凝土 内部水分散失 ， 起到养 护作用 ； 相 比而言， 保湿 养护布不但能起到一定表面增强作 用， 而且在拆模 后 能附着在混凝土结构表 面， 利用其吸收的水分提供及 时养 护 ( 如 图 5所 示 ) ， 养 护效 果更佳 。 1 2 6 铁道建筑 F e b r u a r y ， 2 0 1 2 图 5 保湿 养护 布 同时， 现场还采用了 P e r mi t 离子渗透仪进行表面 渗透性试验 ( 如图 6所示) ， 比较了不 同养护措施对试 验墩 的养 护效果 。从 表 4可 看 出 ， 相 比钢 模 板 和 浇水 包裹 养护 ， 使用 透水 模 板 布可 使 混 凝 土结 构 的氯 离 子 扩散 系数降低约 8 5 ， 而使用保湿养 护布可 降低 约 9 0 。可见， 透水模板布和保湿养护布不仅可显著改 善混 凝 土结构 的外 观 ， 还 可 以有 效 预 防 混凝 土 开 裂 和 降低 混凝 土结 构表 面 的渗透性 。 3 结论 图 6 实体结构表面渗透性 检测 内养护材 料 能显著 减小 大风 干旱地 区混凝 土 的早 期 收缩 ， 降低 混凝 土 的开裂程 度 ， 同时并 不 降低混凝 土 的强度 和耐 久性 。透水 模板 布和保 湿养 护布 不仅 可 明 中国铁 道学会 工程分会 换届大会 在 北 京 举行 日前 ， 中国铁道学会工程分会换届大会 暨第六届委员 会在 北京中国科技会堂召开。 铁道部原 副部长 、 中国工程 院院士 、 中国铁道 学会理事 长 孙永福到会并讲话 。孙永福 对工程分 会第五届 委员会 ca 2 0 0 2 年 3月成 立以来所做 的工作 给予充 分肯定 和高 度评 价。他指 出 ， 近些年来 ， 铁道工 程分会 以不 断提高 整个学 科领 域的学 术 水平 为己任 ， 围绕高原 、 高速 、 客专 、 重 载铁路技术 ， 城市轨 道交 通技术 以及地震灾害 、 工程地质等制约铁路 建设的重 大热 点难 显 改善 混凝 土结构 的外 观 ， 还 可 以有 效 地 预 防混 凝 土 开 裂和 降低混 凝 土结 构表 面 的渗 透性 ， 具 有较 强 的应 用 价值 。 参 考 文 献 1 阎培渝 ， 廉慧珍 整体论方法分析混凝土的早期开裂及 其对 策 J 建筑技术 ， 2 0 0 3 ， 5 ( 1 ) ： 1 5 1 8 2 仲新华 ， 雷俊卿 铁路箱梁低收缩徐变高性能混凝土 的研 究 J 铁道建筑 ， 2 0 0 8 ( 1 O ) ： 2 8 3 O 3 游 宝坤 ， 李乃珍 膨胀剂及其补偿收缩混凝土 M 北京 ： 中 国建材工业出版社 ， 2 0 0 6 4 P H I L L E O R C o n c r e t e s c i e n c e a n d r e a l i t y G I n ： S K A L N Y J P， MI NDE S S S ( Ed s )， Ma t e r i a l s S c i e n c e o f C o n c r e t e l I Ame r i c a n Ce r a mi c So c i e t y， 1 991 5 田正宏 ， 郑小伟 ， 宋健 大， 等 透水模板改善混凝土性能试 验 J 建筑材料学报 ， 2 0 0 8 ， 1 1 ( 2 ) ： 1 7 3 1 7 8 6 傅立容 透水模板在盐 田港 区三期工程 中 的应用研究 J 水运工程 ， 2 0 0 4 ( 1 O ) ： 3 6 3 9 7 付才香 F o r m t e x 一 透水模板 布在墩身施工 中的应用 J 铁道 标准设计 ， 2 0 0 6 ( 4 ) ： 3 5 3 7 8 B A S H E E R P A M， A N D R E WS R J ， R O B I N S O N D J ， e t a 1 PERMI T i o n mi g r a t i o n t es t f o r me a s ur i n g t h e ch l o r i d e i o n t r a n s p o r t o f c o n c r e t e o n s i t e J N D T E I n t e r n a t i o n a l ， 2 0 0 5 ， 3 8 ( 3 ) ： 2 1 9 2 2 9 9 阎培渝 ， 杨进波 ， 吴 志刚 混 凝土保 护层抗氯离 子渗 透性 的 现场测试方法研究 J 混凝土 ， 2 0 0 8 ( 8 ) ： 6 - 9 f 1 0 J E N S E N O M， H A N S E N P F Wa t e r e n t r a i n e d c e me n t b a s e d ma t e r i a l s I Ex p e r i me n t a l o b s e r v a t i o n s J C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h， 2 0 0 2 ( 3 2 )： 9 7 3 9 7 8 1 1 WI T T MA N F H 0 n t h e a c t i o n o f c a p i l l a r y p r e s s u r e i n fl e s h c o n c r e t e 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 ， 1 9 7 6 ( 6 ) ： 4 9 5 6 1 2 S C O T T M L ， L A N E D S P r e l i mi n a ry i n v e s t i g a t i o n o f t h e r e l a t i o n s h i p be t we e n c a p i l l a ry p o r e p r e s s u r e a n d e a r l y s h r i n k a g e c r a c k i n g o f c o n c r e t e J V T R C 9 7 一 R 1 2 ， 1 9 9 7 ( 2 ) ： 1 0 1 2 ( 责任 审编孟庆伶) 点 问题 ， 积极开展学术活 动和 国际间学 术交 流 ， 促 进 了铁路科 学 发展 。孙永福对工程分会今后的工作提出 了希望和要求 。 中国中铁股份有 限公 司总裁 白中仁 当选工 程分会 第六 届 委员会 主任 委员 。他 表示 ， 工程 分会 要适应 企业 调整结 构 、 转 变发展方式 的需要 ， 在今后的工作 中， 立 足铁 路市 场 ， 拓展综 合 轨道交通市场 ； 立足 国 内市 场 ， 进军 国际市场 ； 实 现技 术交 流 、 人才培养 、 科学普及 并重 。要 积极搭 建好 不 同形 式 、 不 同层 次 的学术交流平台 ， 积极 推动铁 路工 程科技 工作者 之 间的交 流 ， 促 进 自主创新 ， 推动产学研结合 ， 推进科技 知识传播 和应用 ， 努 力发挥 好工程分会 的桥梁 和纽带作用 。 据 “ 人 民 铁 道 ”