不同强度等级混凝土的变形特性.pdf

中国科技核心期刊 钎 建巍 不同强度等级混凝土硇变形榜性 张守治 “ ， 田倩 ， 郭飞 ( 1 高性能土木 工程材料 国家重点实验 室， 江苏省建筑科 学研究 院有限公司， 江苏 南京2 1 0 0 0 8 2 江苏博特新材料有限公司， 江苏 南京2 1 0 0 0 8 ) 摘要 ： 以实际工程中常用的C 3 0 、 C 4 0 、 C 5 0 强度等级的混凝土为研究对象， 系统研究了不同强度等级混凝土在不同养护方式下 的变形特性。 结果表明： 不同强度等级的混凝土变形特性有较大的区别， 强度等级越高， 饱水养护条件下的膨胀变形越小： 密封养护 条件下的 自收缩变形越大 。采用 G B T 5 0 0 8 2 - 2 0 0 9中规定的试验方法测试 时， 不同强度等级混凝土 的干燥收缩值差异很小 ， 当扣 除 自 收缩的影响后， 强度等级越高的混凝土， 其干燥收缩值越小。 关键词： 混凝土： 强度等级： 膨胀； 自 收缩； 干燥收缩 中图分类号： T U 5 2 8 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 3 ) 0 7 0 0 0 8 0 3 De f o r ma t i o n b e h a v i o r i n d i ffe r e n t g r a d e c o n c r e t e o f c o mp r e s s i v e s t r e n g t h Z H AN C S h o u z h i ， T I A N Q 觎 ， GU O F e i ( 1 S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f Hi g h P e r f o r ma n c e C i v i l En g i n e e ri n g Ma t e ria l s ， J i a n g s u Ac a d e my o f B u i l d i n g S c i e n c e Co Lt d ， N a n j i n g 2 1 0 0 0 8 ， J i a n g s u ， C h i n a ： 2 J i a n g s u B o t e N e w Ma t e r i a l s C o L t d ， N a n j i n g 2 1 0 0 0 8 ， J i a n g s u ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h i s p a p e r fi r s t s t u d i e s m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h r e e s t r e n g t h g r a d e c o n c r e t e i n c l u d i n g C 3 0 ， C 4 0 a n d C 5 0 ， t h e n s y s t e ma t i c a l l y s t u d i e s t h e d e f o r ma t i o n b e h a v i o r o f dif f e r e n t s t r e n gth c o n c r e t e u n d e r d i f f e r e n t c u ri n g c o n d i t i o n s Ex p e rime n t a l r e s u l t s s h o we d t h a t t h e h Jis h e r t h e l e v e l o f c o n c r e t e s t r e n gth， t h e s ma l l e r e x p a n s i o n d e f o r ma t i o n o f c o n c r e t e c u r e d i n s a t u r a t e d c o n d i t i o n， t h e gre a t e r a ut o g e n o us s h ri n k a g e d e f o r ma t i o n o f c o n c r e t e u n d e r s e ale d c u ri ng W h e n t h e t e s t i s c o n d u c t e d a s p e r t h e t e s t me t h o d s p e c i fi e d i n t h e n a t i o n a l s t a n d a r d GB T 5 0 08 2 - 2 0 0 9， s ma l l d i f f e r e n c e s o f d r y i n g s h rin k a g e o f d i f f e r e n t s t r e n gth gra d e c o n c r e t e， h o w e v e r ， a f t e r d e d u c t i n g t h e i mp a c t o f t h e a u t o g e n o u s s h r i n k a g e ， t h e h i g h e r t h e l e v e l o f c o n c r e t e s t r e n gth ， t h e s ma l l e r d r y i n g s h rin k a g e d e f o rm a t i o n o f c o n c r e t e Ke y wo r d s ： c o n c r e t e ； s t r e n g t h gr a d e ： e x p a n s i o n ： a u t g e n o u s s h r i n k a g e ； d ryi n g s h r i n k a g e 0 前言 在混凝土设计和质量控制过程中，强度通常是一个被限 定的性质口 1 。长期以来， 许多学者一直认为混凝土的强度与其 耐久性直接相关， 如抗渗性、 抗碳化性能、 徐变以及抵抗大气 中介质的作用等， 都被认为取决于强度2 - 5 1 。随着高效减水剂 的应用， 为采用更高的水泥用量和更低的水灰比， 从而为配制 高强及超高强混凝土提供了可行性。 然而， 强度的提高并没有 基金项 目： “ 十二五 ” 国家科技 支撑计划资助项 目( 2 0 1 1 B A E 2 7 B O 1 2 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 1 0 7 作者简介： 张守治， 男， 1 9 8 2 年生， 安徽阜阳人， 硕士， 工程师。地址： 南京市江宁区万安西路 5 9号 苏博特研发中心， 电话 ： 0 2 5 5 2 7 0 5 9 1 1 ， E ma i l ： z h a n g s h o u z h i c n j s j k c n 。 8 新型建筑材料 2 0 1 3 、 7 使混凝土的耐久性明显提升， 反而引起混凝土弹性模量增大、 徐变系数减少、 脆性增大， 导致高早强混凝土比中低强混凝土 更加容易产生收缩开裂。收缩开裂是混凝土结构中出现的一 个主要问题，混凝土材料自 身体积不稳定是引起混凝土开裂 的主要原因之一。 到目 前为止， 对混凝土体积稳定性的研究多 集中在相同强度等级的条件下，对不同混凝土强度等级的体 积稳定性缺乏系统的对比研究。 本文以我国当前常用的C 3 0 、 C 4 0 和C 5 0强度等级的混 凝土为研究对象，系统研究了不同强度等级混凝土在不同养 护环境下的变形性能。 1 试验 1 1 原材料 水泥： 江南小野田P I I 5 2 5 水泥， 标准稠度用水量2 8 6 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张守治， 等： 不同强度等级混凝土的变形特性 化学成分见表 1 。 粉煤灰： 南京电热厂 I 级粉煤灰， 需水量比9 0 9 ， 含水 量0 2 2 ， 比 表面积3 2 2 8 c m 2 g ， 其化学成分见表 1 。 矿粉： 江南粉磨公司生产， 密度 2 2 1 g c m 。 ， 比表面积3 2 1 5 c m 2 g ， 化学成分见表 1 。 细集料： 赣江中粗河沙， 细度模数2 6 。 粗集料： 镇江茅迪玄武岩碎石， 粒径5 2 5 m m连续级配。 外加剂： 江苏博特新材料有限公司生产的J M B萘系高效 减水剂。 表 1 水泥、 粉煤灰和矿粉的化学成分 项 目 C a O Mg O F e z O 3 A 1 2 O 3 S i O 2 L o s s 水泥 6 4 9 7 1 6 7 3 7 2 4 3 7 2 2 7 9 2 3 2 粉煤灰 3 1 6 0 9 1 4 4 2 2 9 9 0 5 7 8 2 6 4 矿粉 3 5 9 9 1 0 8 7 1 2 1 1 2 1 3 3 3 5 5 1 7 7 1 2 试验配合 比 试验 3 组混凝土的强度等级设计值分别为C 3 0 、 C 4 0和 C 5 0 ， 混凝土配合比见表 2 。 表 2 混凝土配合比 k g m 强度等级水泥 粉煤灰 矿粉 水 砂 碎石 减水剂 C3 0 1 7 1 7 6 1 3 3 1 7l 71 6 1 0 7 4 0 7 6 C4 0 21 O 8 4 1 2 6 1 6 8 71 4 1 0 71 1 2 6 C 5 0 2 5 3 92 1 1 5 1 61 7 0 8 1 0 6 2 2 _ 3 O 1 I 3 试验方法 混凝土抗压强度和劈拉强度试验按G B 厂 I 1 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 普通混凝土力学性能试验方法标准 进行， 采用 1 0 0 m m x l O 0 m m x l O 0 m m钢试模。 混凝土变形特性试验参照G B r r 5 o 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 成型棱 柱体试件， 试模为 1 0 0 m m x l O 0 m m x 5 1 5 m m钢试模， 标准养 护( 2 4 2 ) h 后脱模， 然后将试件分成 3 组， 并分别在不同环 境条件下进行养护，以测试强度等级对混凝土变形性能的影 响。 其中， 第 1 组水养条件： 试件放置在温度为( 2 0 1 ) 的水 中养护至规定龄期， 测试其膨胀率； 第2 组密封条件： 试件先 用石蜡涂覆试件表面，然后再用自 粘性铝箔包裹密封后， 放 置在温度为( 2 0 -+ 1 )q C 的环境条件下养护至规定龄期， 测试 其白 干燥收缩率； 第 3 组干燥条件： 试件脱模后直接放置在 温度为( 2 O 1 ) ， 相对湿度为( 6 0 5 ) 的干燥条件下养护至 规定龄期， 测试其干燥收缩率。 2 试验结果与分析 2 1 不同强度等级混凝土的力学性能 ( 见表3 ) 由表3 可以看出， 设计的C 3 0 、 C 4 0 和C 5 0 混凝土强度均 能达到设计要求， 并且有较大的富余。 表 3 不同强度等级混凝土的力学性能 2 2 水养条件下不同强度等级混凝土的膨胀性能 ( 见图 1 ) 1 5 O l 0 o 耋 羹5 0 0 0 7 1 4 21 28 龄期 d 图 1 水养条件 下不同强度等级混凝土的膨胀 曲线 从图1 可以看出： 3 种强度等级的混凝土在饱水养护的 条件下， 均表现出明显的膨胀变形， 但不同强度等级混凝土的 水养膨胀变形值有很大的区别。 混凝土强度等级越高， 其水养 膨胀变形值越小。C 3 0混凝土的2 8 d水养膨胀变形值达到 1 3 8 9 x l O ； C 4 0 混凝土的2 8 d 水养膨胀变形值为 8 2 3 x l O ， 与C 3 0 混凝土相比下降了4 0 7 ； C 5 0混凝土的2 8 d 水养膨 胀变形值为4 9 6 x l O ， 与C 3 0 混凝土相比下降了6 4 3 。 对于 混凝土产生水养膨胀变形的机理，笔者认为可以从以下2 个 方面解释6 1 ： 一方面是水泥水化产物与从外界环境中扩散渗入 的自由水反应， 产生吸水肿胀效应， 导致混凝土在宏观上表现 出明显的体积膨胀变形；另一方面是结晶型水化产物钙矾石 和氢氧化钙在生长发育的过程中产生结晶压，引起混凝土宏 观体积的膨胀。混凝土强度等级越高， 水密性越高、 孔隙率越 小， 水分越难以渗透进入混凝土内部， 其水养膨胀性能越小。 2 _ 3 密封养护条件下不同强度等级混凝土的 自收缩性能 ( 见图2 ) 0 7 1 4 2 1 2 8 龄期 d 图2 密封养护条件下不同强度等级混凝土的自收缩曲线 N E W BUI L DI NG M ATE RI AL S 9 O f 。 _【 姆 血 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张守治， 等： 不同强度等级混凝土的变形特性 从图2 可以看出： 在2 O 密封养护条件下， 3 种强度等级 的混凝土均表现出明显的自收缩变形， 混凝土强度等级越高， 其自收缩变形值越大。C 3 0混凝土的2 8 d自收缩变形值为 5 3 3 x 1 0 ； C 4 0 混凝土的2 8 d自 收缩变形值达到1 0 8 1 x l 0 ， 比 C 3 0 混凝土增大了 1 0 2 8 ； C 5 0 混凝土的2 8 d自收缩变形值 达到 1 4 6 O x l O ， 比C 3 0 混凝土增大了1 7 3 9 ， 比C 4 0 混凝 土增大了3 5 1 。 产生上述现象的原因， 笔者认为与不同强度 等级混凝土的水胶比 有关， 高强度等级混凝土的水胶比低， 自 由水量相对较少， 密封养护时随着水泥水化的进行， 混凝土内 部相对湿度下降较快， 白 干燥效应大； 低强度等级混凝土的水 胶比大，自由水量相对较多，密封养护时随着水泥水化的进 行， 混凝土内部相对湿度下降较慢， 白干燥效应小。 2 4 干燥养护条件下不同强度等级混凝土的 干燥收缩性能( 见图3 ) 3 篓 O 7 l 4 2 1 2 8 龄期 d 图3 干燥养护条件下不同强度等级混凝土的干燥收缩曲线 从图3可以看出， 3种强度等级的混凝土干燥收缩值差 别较小。 C 3 0 、 C 4 0 、 C 5 0 混凝土的2 8 d 干燥收缩变形值分别为 3 0 9 7 x 1 0 4 , 2 9 6 0 x l 0 - 6 , 2 9 3 4 x 1 0 。这与已有的研究结果区别 较大同 ， 笔者认为这是由于测试方法造成的。 参考G B T 5 0 0 8 2 2 0 0 9 成型 1 0 0 m m x l 0 0 m m x 5 1 5 m m混凝土试件进行干燥收 缩测试时， 虽然混凝土试件养护在相对湿度为6 0 的干燥条 件下， 但由于试件尺寸相对较大， 表面积与体积之比较小， 混 凝土被干燥的深度较浅， 干燥收缩仅发生在混凝土表层， 混凝 土内部湿度与外界交换较少， 内部仍然处于绝湿状态， 这时测 试的混凝土干燥收缩值实际为混凝土表层干燥收缩值与内部 白 干燥收缩值之和。 为了 进一步对比 不同 强度等级混凝土干燥收缩的差异， 将参照G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 试验方法测试得到的干燥收缩值 扣除其中白 干燥收缩的影响，得到由于混凝土内部自由水分 散失造成的干燥收缩。鉴于试验中测试自收缩的试件与测试 干燥收缩的试件尺寸相同， 因此， 可以将试验中测得的混凝土 自收缩值作为干缩试件中干燥自 收缩参考值，将测试得到的 干燥收缩值 减去自 收缩值，即 得到 混凝土试 件表层由 于失水 干燥引起的干燥收缩， 结果如图4 所示。 1 0 新型建筑材料 2 0 1 3 ：7 甲 呈 嫖 H - 2 8 0 0 7 1 4 2 1 2 8 龄期 d 图4 扣除内部自干燥收缩的影响后， 不同强度等级 混凝土的干燥收缩变形 由图4可以看出， 扣除白 干燥收缩影响后， 不同强度等级 混凝土的干燥收缩值也有较大的差别。 混凝土强度等级越高， 其干燥收缩变形值越小。 C 3 0 混凝土的2 8 d 干燥收缩值达到 2 5 6 4 x 1 0 ； C 4 0 混凝土2 8 d 干燥收缩值为 1 8 7 9 x 1 0 ， 比C 3 0 混凝土降低了 2 6 7 ； C 5 0混凝土的2 8 d干燥收缩值为 1 4 7 3 x 1 0 ， 比C 3 0 混凝土降低了4 2 6 。 2 5 不同强度等级混凝土自收缩与干燥收缩的关系 将测试得到的不同强度等级混凝土的自 收缩值除以测试 得到的不同强度等级混凝土的干燥收缩值( 包括混凝土表层 的干燥收缩和内部的白 干燥收缩) ， 即可得到不同强度等级混 凝土自 收缩在所测试的干缩中所占的比率， 结果如图5 所示。 1 0 0 8 O 60 槲 舞 4 0 2 0 0 O 7 l 4 2 1 2 8 龄期 d 图 5 不 同强度等级 混凝土 中自收缩 占干燥收缩 的比率 由图5 可以看出， 3 d 前不同强度等级混凝土自 收缩在干 缩中所占比率有一定的波动； 3 d 后不同强度等级混凝土自收 缩所占干缩中的比率均随养护龄期的延长逐渐增大， 但增大的 幅度较小。 强度等级越高， 相同龄期内混凝土自收缩所占干缩 的比率越大。 C 3 0混凝土的2 8 d自 收缩值仅占2 8 d 干缩值的 1 7 2 ， C 4 0 混凝土的2 8 d自 收缩值占2 8 d 干缩值的3 6 5 ， C 5 0 混凝土的2 8 d自 收缩值已 经占2 8 d 干缩值的4 9 8 。由 此表明， 低强度等级混凝土中发生自收缩的比率较小， 高强度 等级混凝土中发生自 收缩的比 率 较大。 为了 抑制混凝 土的 收 缩开裂， 低强度等级混凝土更应该关注干燥收缩的影响， 而高 强度等级混凝土更 应该关注自 收 缩的 影响。 ( 下转第 4 9页) 要 一 1 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 纪前仁， 等： 发泡水泥板废料制备免烧免蒸砖的试验研究 要高于热养护及标准养护2 0 d的。分析原因， 可能是因为热 养护是在标准养护7 d 的基础上进行的，此时水化过程还没 有进行完全，强度没有达到可能达到的有效值， 4 0 烘箱中 养护7 h 则蒸发了试件中的部分水分，导致水化过程由于缺 水而停止， 水化产物的生成数量减少， 进而强度降低。标准养 护2 8 d 强度较标准养护2 0 d 要高， 是因为粉煤灰激发获得强 度即使在有外加剂的情况下也是比较缓慢的。 3 结论 ( 1 ) 利用发泡水泥板废料， 无需蒸压、 焙烧可以制备出符 合J C 2 3 9 -2 0 0 1 标准要求的砖， 工艺简单， 成本低， 利废环 保。适合具有发泡水泥板废料生产线的企业或附近企业建厂 生产。 ( 2 ) 采用高强石膏时， 最适宜成型水用量为 1 3 ， 成型需 水量同时与环境温度和成型压力有关。 ( 3 ) 标养 2 0 d 或热养护即可达到J C 2 3 9 - - 2 0 0 1 对抗压强 度的要求。 ( 4 ) 需要指出的是， 本实验是在实验室条件下利用人工压 力成型取得， 且压力仅为4 M P a ， 如果采用机械压制成型且提 高成型压力，效果会更好。今后可投资建设小型免烧免蒸砖 线， 批量生产， 使其转化为生产力， 相信会取得更大的社会效 益和经济效益。 参考文献： 1 】 周 晓英 承 重粉 煤灰砖 配合 比及 力学性 能的研究 D 】 郑州 ： 郑 卅I 大学 ， 2 0 0 2 2 】 于鹏展 工 艺参 数对粉煤 灰砖性 能影响研究【 D 哈尔滨： 哈尔滨 工业大学， 2 0 1 0 3 】 R a u t S P ， R a l e g a o n k a r R V D e v e l o p m e n t o f s u s t a i n a b l e c o n s t r uc t i o n ma t e ria l us i n g i n d u s t ria l a nd a g r i c u l t u r a l s o l i d wa s t e ： A r e v i e w o f w a s t e c r e a t e b ri c k s f J 1 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 r i a l s ， 2 01 l ， 2 5： 4 0 3 7 4 0 4 2 4 郑社 军， 刘勇健 ， 贾清军 粉煤灰砖 的生产与设计 J 1 粉煤灰综合 利用， 2 0 0 4( 1 ) ： 5 3 5 5 5 吕梁 粉煤灰免烧 免蒸砖 生产技术【 J J 粉煤灰综合利用 ， 1 9 9 5 ( 2 ) ： 3 8 41 6 】 金卓仁 免烧 免蒸粉煤灰砖 的研究I J 】 环境工程 ， 1 9 9 5 ( 2 ) ： 5 7 5 9 7 岑如军 免烧免蒸粉煤灰砖 J J 上海建材 ， 1 9 9 7 ( 1 ) ： 3 0 【 8 焦 占忠， 刑国 ， 王化 民 利用工业 废渣赤泥和 粉煤灰研 制免蒸免 烧砖 J 1 轻金属， 1 9 9 6( 6 ) ： 1 6 1 9 9 J u n z h o u ， H u i g a o U t i l i z a t i o n of w a s t e p h o s p h o g y p s u m t o p r e p a r e n o n r e d b r i e k s b y a n o v e l h y d r a t i o n - r e c r y s t all i z a t i o n p r o c e s s J Co n s t ru c t i o n a n d Bu i l d i n g Ma t e ria l s ， 2 01 2， 3 4 ： 1 1 5 -1 1 8 【 1 0 】 陈 皇忠 纤维 增强 莫来石 轻质 耐火材 料 的制备 J 佛 山陶 瓷 ， 2 01 1( 6 )： 1 0 1 2 1 1 刘涛 ， 张一敏， 陈铁军 ， 等 赤铁矿尾矿 免烧 免蒸砖 的制 备研究 f J 现代矿业， 2 0 1 0( 2 ) ： 6 7 6 9 1 2 】 刘家弟粉煤灰免蒸免烧砖 的研制 J J 新型建筑材料 ， 2 0 0 2 ( 1 1 ) ： 4 5 【 l 3 张海涛 ， 杨久 俊， 张磊 ， 等 免烧结免 蒸压粉煤灰 砖的力学 性能 及水化机理【 J 】 粉煤灰， 2 0 0 6 ( 2 ) ： 2 0 2 3 A ( 上接第 l 0页) 3 结语 ( 1 ) 混凝土强度等级越高， 饱水养护条件下的膨胀变形值 越小， 密封绝湿养护条件下的白 收缩变形值越大。 ( 2 ) 参照G B ff5 0 0 8 2 -2 0 0 9 规定的试验方法测试时， 不同 强度等级混凝土干燥收缩值的差异很小，当扣除自 收缩的影 响后， 强度等级越高的混凝土， 其干燥收缩值越小。 ( 3 ) 不同强度等级混凝土自收缩在干燥收缩中所占的比率 随养护龄期的延长而逐渐增大， 混凝土强度等级越高， 自 收缩 在干燥收缩中所占的比 率越高。 参考文献： 7 I P K u m a r Me h t a ， P a u l o J M Mo n t e i r o C o n c r e t e mi c r o s t ruc t u r e p r o p e r t i e s a n d m a t e ri a l s M T h i r d E d i t i o n ， 2 0 0 5 ： 4 9 - 5 0 李伟文 ， 冷发光 ， 邢 峰 不 同强度 等级混凝土 氯离子渗透 性研究 J 混凝土， 2 0 0 3 ( 5 ) ： 2 9 3 0 刘数华 ， 顾庆 ， 刘 昌清 基于结构徐变 的混凝 土配合 比设计 阴 混 凝土 ， 2 0 1 0( 9 ) ： 2 6 2 7 陈立军 混凝土强度概念 的细化及其与耐久性 的关系 J 1 混凝土 与水泥制 品， 2 0 1 1 ( 2 ) ： 2 2 2 4 胡骏 ， 江映 ， 陈金友 ， 等 地下 工程防水抗渗要求与混凝土抗渗 问 题研究与探讨 J 】 中国建筑防水 ， 2 0 1 2 ( 1 6 ) ： 4 - 1 0 刘加平 ， 张守治 ， 田倩 ， 等 氧化镁复合膨胀剂对 高性能混凝土变 形特 性的影 响叨 东南大 学学报 ： 自然科 学版 ， 2 0 1 0 ， 4 0 ( 增 I I ) ： 1 5 0 -1 5 4 吴华 君 ， 方鹏 飞 高性能 混凝 土干燥 收缩 规律研 究 J 】 混 凝土 ， 2 0 0 9 ( 8 ) ： 3 3 3 5 A N E W BUl L Dl NG MAT ER I AL S 49 p 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m