胶凝材料组合及细度配伍对混凝土抗裂性的影响.pdf

2 0 1 0年 第 1 期 (总 第 2 4 3 期 ) Nmn be r 1 in 2 01 0( To t a 1 No2 4 3) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATERl AI AND ADMI 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 0 0 1 0 1 7 胶凝材料组合及细度配伍对混凝土抗裂性的影响 钱文勋 ，张燕迟 ( 1 南京水利科学研究院，江苏 南京 2 1 0 0 2 9 ；2 水利部 水工新材料工程技术研究中心，江苏 南京 2 1 0 0 2 9 ) 摘要 ： 选用不 同胶凝材料组合及其不 同细度下 的组分配伍对设 计混凝土胶凝体 系 ， 采 用干缩试验 、 平板 试验和 A S T M C1 5 8 1圆环试 验对不 同胶凝体系的混凝土变形参数进行分析， 得到 了不同胶凝材料 的组合 、 细度配伍对与混凝土抗裂性能的相互关系。 关键词 ： 胶凝材料；组合 ；细度配伍对 ；抗裂 中图分类号 ： T U5 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 0 ) 0 1 0 0 5 3 0 2 I n f l uen c e o f c om b i n a t i on a nd f i ne ne s s c oor di na t i on of diffe r en t c e m e n t it i ous ma t er i a l s on c r a c k r e s i s t a nc e o f c onc r e t e Q We n - x u n ， Z HA NG Y a h c h i ( 1 N a n j i n g H y d r a u l i c Re s e a r c h I n s t i t u t e ， Na n j i n g 2 1 0 0 2 9 ， C h i n a ； 2 R e s e arc h C e n t e r o n Ne w Ma t e ri a l s i n H y dra u l i c S t r u c t u r e s ， Mi n i s t r y o f Wa t e r R e s o u r c e s ， Na n j i n g 2 1 0 0 2 9 ， C h i n a ) Ab s t r ac t ： Th e i n fl u e n c e o f t h e c o mb i na t i o n a n d fin e n e s s c o o r d i n a t i o n o f di ffe r e n t c e me n t i t i o u s ma t e ria l s o n c r a c k r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e we r e s tud i e d Wi t h me t h o d o f c o n c r e t e d r y i n g s h r i n k a g e t e s t 。 mo r t a r f l a t t e s t a n d s t e e l r i n g t e s t ( AS T M C1 5 8 1 ) ， t h e e ffe c t s o f c e me n t w i t h d i ff e r e n t f i n e h e s s ， d i ffe r e n t k i n d o f mi ne r a l a d m i x tur e a n d t h e i r c o mb i n a t i o n wi t h e a c h d i ffe r e n t fin e n e s s l e v e l s o n t h e c o n c r e t e d e f o r mati o n we re d i s c u s s e d An d t h e r e l a t i o n s b e t we e n t h e v a r i o u s influ e n c i n g f a c t o r an d c o n c r e c r a c k i n g we r e c a r r i e d o u t Ke y wor ds ： c e me n t i t i o us ma t e r i a l s； c o mb i n a t i o n； fi n e n e s s c o o r d i n a t i o n； c r a c k r e s i s t a n c e 0 引 言 影响混凝土抗裂性能的因素是多方面的， 无论是混凝土原材 料、 配合比还是施工工艺、 养护方式等， 任何环节的忽视均可能造 成混凝土开裂。 混凝土胶凝材料的选择和配合比的设计是国内外 学者从材料学研究角度来研究的热点， 但是目前尚未建立一致认 同的试验规范或者较为完善的方案供参考， 现有的一些相关标准 也都有各自的限制条件。 粉煤灰和矿渣粉是混凝土中最常用的胶 凝材料， 本文就混凝土中胶凝材料的品种组合( 熟料、 矿渣粉与粉 煤灰 ) 以及水泥熟料与矿渣粉不同细度间的配伍对开展混凝土 干缩 、 平板试验以及圆环试验研究 ， 以评价其综合抗裂 陛能 。 1 原材料及测试方 法 1 1 原材料 海螺水泥熟料， 试验室粉磨成 3种细度( 比表面积分别为 2 5 0 、 3 5 0 、 4 0 0m3 k g ) ； 宝钢矿渣 ， 试验室粉磨成 3种细度( 比表 面积分别为 2 8 0 、 3 1 5 、 4 5 0 mV k g ) ； 宁波镇海电厂 I 级粉煤灰 ， 细度 4 2 6 ( 0 0 4 5 r n n l 筛余) ； 其物理化学性能见表 1 。其中调 整剂为硫酸盐类矿物。同时选择市售三狮 P I I 4 2 5 级水泥、 混 合水泥( 用于海洋工程的成品水泥) 用于平行对比试验。 1 2测 试 方 法 首先采用常规的混凝土干缩试验， 试验依据规范GB J 8 2 8 5 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法 进行。 表 1 原材料化学成分及物理性 能 塑性收缩试验采用美国圣约瑟( S o n J o s e ) 大学 K r a a i 】提 出的 平板法进行 。 试模尺寸为 6 1 0 mm4 0 r n r n x l 9 r n r n 。 由放置在周边 的L型钢丝网提供约束， 试模内底部铺设一层塑料薄膜以减少对 混凝土的约束。试件浇筑后， 保持6 0 的相对湿度， 开启风扇( 风 速I -5 m s ) 力 速试件表面蒸发； 成型 2 4 h 后记录裂缝的长度和宽度。 圆环试验法是各国研究混凝土材料开裂普遍采用的一种方 法 ， 为 R I L E M T C 1 1 9 推荐方法之一。 与平板试验相 比， 圆环给混 凝土提供了均匀的约束， 能较好地反映材料在约束条件下收缩 和应力松弛等变形的综合结果2 - 3 。 试验依据 AS T M C 1 5 8 l 0 4 方法进行。通过应变计采集圆环内模的应变及确定开裂时间来 评价不同试件开裂的风险。 2 试验设计与结果分析 2 1 试验 设计 设计不同胶凝材料质量百分比组合及其不同细度问的配 伍， 如下表 2 ； 括弧中的参数为材料的比表面积值。 混凝土强度设计等级为 C 4 5 ， 水胶 比0 3 5 ， 胶凝材料总量 4 3 5 k g m ， ； 砂浆平板试验和圆环试验选择水胶比0 4 5 ， 集灰比1 5 。 收稿 日期 ：2 0 0 9 - 0 9 1 0 基金项目： 国家自 然科学基金委员会、 二滩水电开发有限责任公司雅砻江水电开发联合研究基金项目( 5 0 5 3 9 0 4 0 ) ； 水利部公益性行业科研专项经费 项 目( 2 0 0 7 0 1 0 1 4) 53 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 2混凝土胶凝材料组合设计 2 2 试验 结果 分析 2 2 1 混凝土力学性 能 表 3为各配合比各龄期强度值， 2 8 d抗压强度值均能满足 设计要求 ； C1 C 5 组采用不同胶材细度组合后混凝土试件早期 3 d强度值较低， 仅为 C I O组值的 6 5 左右， 而 7 d后其强度发 展较快 ， 与 CI O组相当。 表 3 混凝土抗压 强度值 2 2 2 干缩试验 混凝土收缩试验结果参见表 4 。采用不同细度复合胶凝材 料( C1 , -,C 5 ) 后混凝土早期 ( 7 d 前 ) 干缩性能与常规混凝土( CI O 组) 相当， 但在 7 d 后干缩值均比CI O组小； 比较 c 3 、 c 5和 CI O 组 发现， 复合胶材 中粉煤灰 比例的提高有利 于减少混凝土在各 龄期的于缩， 这说明复合胶材中粉煤灰组分的提高对混凝土抗 裂性有利 ； 试验同时发现 ， 早中期力学性能较优的混合水泥( C 9 ) 组显示出较 大的干缩值。 表 4 混凝土收缩试验结果 2 2 3 平板试验 表 5为 C 2 、 C 5 、 C 9 和 CI O 组砂浆平 板试验结果。 平板试验 是在成型后 2 4 h内完成的 ； 通过与表 4中 1 d和 3 d的混凝土 干缩值比较 ， 可以发现在 l d和 3 d龄期时， 干缩值从大至小为 C 9 C 2 C1 0 C 5 ， 而平板 开裂 指数 同样 为 C 9 C 2 C1 0 C 5 ， 结 果是一致的， 这表明砂浆 2 4 h的有约束情况下的收缩与混凝土 3 d前的无约束干缩情况是一致的。 此外同样发现 C 5 组( 粉煤 灰掺人比例较高) 的开裂指数最小 ， 显示在塑性收缩阶段较好 的抗裂 性。 2 2 4 圆环试验 图 1 、 2 为圆环试验结果 ， 对应的标记点即为圆环开裂的时间。 其 中 C 9 、 C1 和 CI O 均在 7 d时开裂， 根据标准关于开裂风险的评 估标准 ， 属于潜在开裂高风险级 ； 而 C 3 在 8 d时开裂 、 C 5在 1 3 d 时开裂 、 C 2在 1 4 d时开裂， 均属于潜在开裂中等风险等级。 表 5 平板试 验结果 注 ： 开裂指数 =宽裂缝x 3 +中等裂缝x 2 +细裂缝x l +微裂缝 O 5 。 2 、 趔 时I司 ， h 图 1圆环试验结果( 7 d前 开裂 ) 圆环结果显示， 除 c1 组合外， 其余复合胶凝材料组 C 2 、 C 3 和c 5组均比采用硅酸盐水泥组 CI O组抗裂性能优， 而 C 9组混 合水泥的抗裂性较差。 分析 c 1 组复合胶材， 可以发现采用的是 细熟料和粗矿渣粉的组合 ， 虽然 3 d 强度为复合胶材 C1 C 5组 中最高的， 但其抗裂性能较差 ， 相反采用粗熟料和细矿渣粉组 合后， 早期强度相当， 但抗裂性能较好； 同时比较 C 3和 C 5可以 发现 ， 虽然 C 5组中熟料组分较细 ， 对抗裂不利 ， 但 由于粉煤灰 在胶材中所 占比例的提高 ， 其抗 裂性能反而优于 C 3组 。 5 4 2 ：岜 时间 ， h 图 2圆环试验结果( 7 d后开裂 ) 3结 语 ( 1 ) 部分试验组 昆 凝土 3 d前 的干缩试验结果 与砂浆 平板 塑性开裂试验结果较为一致。在复合胶凝材料中， 粉煤灰掺入 比例越高， 其混凝土干缩值越小 、 砂浆平板开裂指数越小， 圆环 开裂时间越久， 显示较好的抗裂性能。 ( 2 ) 圆环试验结果显示， 采用不同细度的熟料与矿渣粉复 下转第 5 7页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 合成了2 5 、 3 5 、 4 5 、 5 5 、 6 5 代的超支化型聚羧酸减水剂 ， 按照 G B T 8 0 7 7 -2 0 0 0对该减水剂进行 了水泥净浆流 动度测定 ， 数 据如图 5 所示 。 P AM AM 代 数 图 5 P AMAM代数对减水剂流动度的影响 由图 5可以看 出水泥净 浆流动度并 不是随着接 枝代数 的 增加而一直增长， 在 4 5代处发生了转折。在 4 5 代以前， 流动 度随着代数的增加而增加【 ； 而在 4 5代以后， 流动度随着代数 的增加反而降低。出现该现象可能是因为在 4 5 代以前随着代 数的增加超支化的表面活性基团越多， 从而使流动度增加； 而在 4 5 代以后， 超支化的空间位阻过大， 影响了主链与水泥颗粒的 接触， 反而使流动度降低了。 2 4 AP E G的 分子量 对性 能的 影响 单体配合比不变 ， P AMAM代数为4 5 G， 引发剂偶氮二氰 基戊酸( Ac V A) 为 5 ， 合成了超支化型聚羧酸盐减水剂。通过 改变 AP E G的分子量来讨论 A P E G的链长对流动度的影响， 试 验分别采用 了分子量为 4 0 0 、 7 0 0 、 1 0 0 0 、 1 2 0 0的 A P E G单 体进 行减水剂 合成 ， 具体数据如图 6 所 示。 分 子量 图 6 A PE G分子量对减水剂流动度的影响 由图 6可以看出， 通过改变 A P E G的分子量来研究聚醚侧 链长度对减水剂的流动度的影响， 其分子量为 7 0 0时的流动度 上接第 5 4页 合的胶凝材料， 其抗裂陛差异显著。如 C 2组( 粗熟料 +细矿渣 粉组合) 、 c 5组( 粉煤灰比例较高的组合 ) ， 与硅酸盐水泥相比 较 ， 表现 出更优的抗裂性 能 ； 相反 ， cl 组( 细熟料 和粗 矿渣粉组 合) 和市售混合水泥抗裂性能较差。 参考文献 ： 1 1 P A UL P KA p r o p o s e d t e s t t o d e t e r mi n e t h e c r a c k i n g p o t e n t i a l d u e t o d r y i n g s h ri n k a g e o f c o n c r e t e J C o n c r e t eC o n s t r u c t i o n ， 1 9 8 5 ( 9 ) ： 7 7 5 - 7 7 8 【 2 】马丽媛， 姚燕， 田培 ， 等 国内外混凝士的收缩性能及抗裂性试验研 究方法评述f J 1 中国建材科技， 2 0 0 1 ( 1 ) ： 2 7 3 1 3 】J A E H M， J AS O N WE s t i m a t i n g r e s i d u a l s t r e s s i n t h e r e s t r a i n e d r i n g 最大。根据空间位阻理论， 当吸附有聚羧酸减水剂大分子的水 泥颗粒相互靠近时 ， 聚羧酸中聚醚侧链越长， 大分子吸附层越 厚， 空间位阻就越大， 体系越趋于稳定， 分散性也越好啊 。 聚醚的 分子量为 7 0 0时，其合成的减水剂的水泥净浆流动度最大， 而 分子量过大减水率反而降低。这一方面是由于分子量过大， 增 大了分子链在空间的缠绕几率， 分子链柔韧性降低， 导致分散 能力变小蹦 ； 另一方面聚醚聚合度过大 ， 聚醚本身的黏度太大， 不再适合作共聚反应的溶剂。由于聚醚链段在分子链中的相对 含量降低， 空问位阻效应变小， 造成分散性能降低。 3结论 ( 1 ) 用偶氮二氰基戊酸( A c V A) 作为引发剂， 单体摩尔比为 MAS ：T B MA： AP E G = I ： 4 ：O 5 ， 合成聚羧酸系减水剂主链 ， 再接枝 超支化聚酰胺一 胺 ， 最终得到了超支化型聚羧酸系减水剂。经红 外谱图表征， 其结构与预期的结构一致 ， 通过水泥净浆流动度 测试 ， 最高达到 了 3 1 5 m m。 ( 2 ) 在固定单体比例条件下 ， 得出引发剂 A C V A的用量为 5 ， A P E G分子量为 7 0 0时， 接枝 P A MAM 代数为 4 5 代时， 水 泥净浆流动度最好。 参考文献 ： 1 】 卞荣兵， 沈健聚羧酸混凝土高效减水剂的合成和研究现状 J 精细 化工 ， 2 0 0 6 ， 2 3 ( 2 ) ： 1 7 9 1 8 2 2 李崇智， 冯乃谦， 牛全林 聚羧酸系减水剂结构模型与高性能化分子 设计【 J 】 建筑材料学报， 2 0 0 4 ， 7 ( 2 ) ： 1 9 4 2 0 1 3 3 寿崇琦， 康杰分， 宋南京， 等含不饱和聚醚的新型聚羧酸类减水剂 的合成与应用f j 1 混凝土， 2 0 0 7 ( 1 ) ： 5 9 6 3 4 P o p o v a ， A l i a ， G e o f f r o y ， e t a 1 I n t e r a c t i o n s b e t w e e n p o l y me r i c d i s p e r s a n t s a n d c a l c i u mJ S i l i c a t e h y d r a t e s J o u r n a o f t h e A me ri c a n C e r a m i c S o c i - e t y ， 2 0 0 0 ， 8 3 ( 1 0 )： 2 5 5 6 5 张红柳， 张福强， 张志斌 ， 等 梳状聚羧酸系高效减水剂的制备及其 分散性能研究【 J 混凝土与水泥告 品， 2 o 0 6 ( 4 ) ： 1 7 2 1 6 】L A N G H F， MA Y R A， I V E R S E N B L， e t a 1 D e n d ri m e r - e n e a p s u l a t e d n a n o p a r t i c l e p r e c u r s o r s t o s u p p o r t e d p l a t i n u m c a t a l y s t s J J A mC h e m S 0 c 2 0 0 3 1 2 5 ( 4 8 ) ： 1 4 8 3 2 1 4 8 3 6 作者简介 单位地 址 联系电话 ： 寿崇琦( 1 9 6 3 一 ) ， 男， 教授， 博士后， 从事化学建材系列产品 新技术的研究与开发。 山东省济南市济微路 1 0 6号 济 南大学化学化工学院 ( 2 5 0 0 2 2 ) 05 3 l 一8 2 7 6 78 6 7 t e s t u n d e r c i r c u m f e r e n t i a l d r y i n g J C e m e n t a n d C o n c r e t e C o mp o s i t e s ， 2 0 0 6 ， 2 8 ( 5 ) ： 4 8 6 4 9 6 I 4 A S T M C 1 5 8 1 - - - 0 4 ， S t a n d a r d t e s t me t h o d f o r d e t e rmi n i n g a g e a t c r a c k i n g a n d i n d u c e d t e n s i l e s t r e s s c h a r a c t e ris t i c s o f mo r t a r a n d c o n c r e t e u n d e r r e s t r a i n e d s h ri n k a g e S A me r i c a n S o c i e t y for T e s t i n g a n d Ma t e ri - a l s 。 2 0 0 4 作者简介 ： 单位地址 ： 联系电话 钱文勋( 1 9 7 7 一 ) ， 男， 工程师， 研究方向： 水工新材料。 南京市鼓楼区虎踞关 3 4号 南京水利科学研究院材料结 构所( 2 1 0 0 2 4 ) l 3 9 5l 8 3 9 3 3 8 5 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m