粉煤灰与化学外加剂对高性能混凝土开裂性能的影响.pdf

2 0 1 1 年第 4期 4月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEM ENT P R0DUCTS 2 01l No 4 Ap r i l 粉煤灰与化学外加剂对高性能混凝土 开裂性能的影响 崔东 霞 ， 费治华 ， 姚 海婷 。 ( 1 苏州中材建筑建材设计研究院有限公司 2 1 5 0 0 4 ； 2 杭州华浙预制构件有限公司 2 1 0 0 0 8 ； 3 杭州天元建筑设计院 2 1 l O O O ) 摘要 ： 收缩开裂是影响现代混凝土耐久性 的主要 因素 。本文通过平板 开裂试验 、 圆环 开裂试验评定粉煤灰掺 量与外加剂品种对混凝 土开裂的影响。结果表 明 ， 适 当掺入优质粉 煤灰 对 于早期 塑性 开裂具 有一定的抑制作用 塑性 收缩的开裂总 面积 下降 ， 混凝土的抗 裂性 提 高； 随粉 煤灰掺量增 大 ， 圆环试件 的开裂 时间和裂宽均 呈下降趋 势。试验结果还表 明： 与其 它几种 外加 剂相 比 ， 聚羧 酸高效减 水剂与 2 减缩剂复配后 对抑制混凝土早期塑性 开裂 和后期干燥开裂均具有显著效果 关键词 ： 塑性 开裂 ； 干燥 开裂； 粉 煤灰 ； 外加剂 ； 开裂 时间 ； 裂缝 宽度 ； 开裂面积 Ab s t r a c t ：S h rin k a g e a n d c r a c k i n g a r e t h e p ri ma ry c t o m i n f l u e n c i n g t h e d u r a b i l i t y o f mo d e m c o n c r e t e I n t h i s p a - p e r ， t h e e ff e c t s o f t h e d o s a g e o f fl y a s h a n d t h e k i n d s o f c h e mi c a l a d d i t i v e s o n t h e c o n c r e t e c r a c k i n g p r o p e r t i e s a r e t e s t e d b y the r i n g t e s t i n g me t h o d a n d s l a b t e s t i n g me t h o d T h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t fl y - a s h wi t h t h e p r o p e r d o s a g e c o u l d i n h i b i t t h e p l a s t i c c r a c k i n g of c o n c r e t e ， t h e t o t a l a r e a s o f p l a s t i c c r a c k i n g d e c r e a s e a n d t h e a n t i - c r a c k i n g g r a d e o f c o n c r e t e i s i mp r o v e d Wi t h t h e i n c r e a s e o f fl y - a s h p r o p o r t i o n，t h e c r a c k i n g t i me a n d c r a c k wi d t h o f r i n g s p e c i me n d e c r e a s e d ：F u rt h e r mo r e ，c o mp a r e d wi t h t h e o t h e r k i n d s o f a d d i t i v e s ，t h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t w h e n t h e p o l y c a r - b o x y l a t e s u p e r p l a s t i c i z e r w i t h 2 S R A y w e i g h t o f c e m e n t i t i o u s ma t e ri a l s ) i s a d d e d i n t o c o n c r e t e ， t h e r e i s o b v i o u s e ff e c t s o n the res i s t a n c e t o t h e p l a s t i c c r a c k i n g a t e a r l y a g e a n d d r y i n g c r a c k i n g a t l a t e r a g e o f c o n c r e t e Ke y wo r d s ：P l a s t i c c r a c k i n g ； Dryi n g c r a c k i n g ； F l y - a s h ； Ad d i t i v e s ； C r a c k i n g t i me ； C r a c k wi d t h ； C r a c k i n g a r e a 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 1 ) 0 4 0 6 0 4 0前 言 现代混凝土在向高强 、高性能方 向发展 的同 时 。收缩开裂也 已成为现代混凝 土劣化 的主要 因 素。粉煤灰作为混凝土矿物外加剂 。 可配置出高强 、 大流动度混凝土 ， 是高强 、 高性能混凝 土不 可缺少 的组分 ， 能提高混凝土的综合性能 ， 在混凝 土中的 作用也越来越广 。 因此 。 研究粉煤灰对混凝土开裂 性能的影响非常重要 。化学外加剂在水泥混凝土中 的应用 。 为建筑施工机械化和技术进步做 出了卓越 贡献 ， 在减水率 、 保塑性和适应性方面均有长足进 步 但也带来了严重的负面影 响 即非荷载裂缝越 来 越多 ， 混凝 土结构物 的劣化加剧 该 问题长期 困 扰着工程界【 - 2 。如何减小水泥混凝土的收缩 ， 特别 是干燥收缩 ，已成为控制裂缝和提高耐久性的关 键 。 这也是发达国家近年来着重研究的领域之一 。 随着 我 国混凝 土技 术水 平 的提高 ，粉煤 灰作 为 矿物掺合料与高效减水剂复合应用于高强混凝土 ， 使得混凝土性能得到明显改善 ， 特别体现在降低水 一 6 一 化热、 提高混凝土后期强度及改善混凝土耐久性方 面。另外 ， 优质灰与化学外加剂的复合掺人对改善 新拌混凝土 的工作性具有 良好 的作用 ， 本文就粉煤 灰 掺 量及 外 加 剂 品种 对 高 性 能 混凝 土开 裂 的影 响 进行 了研究 。采用板式 限制收缩开裂实验 、 圆环干 燥开裂试验综合评定粉煤灰掺量 、 化学外加剂种类 对混凝 土早 期塑性 开裂 和后 期干燥 开 裂 的影 响 。 1 试验 1 1 原材 料 水 泥 ： P 0 4 2 5级 ， 比表 面积 3 3 0 0 c m g 。 表 观密 度 3 0 8 g c m。 。 粉煤灰 ： I 级低钙灰 。 粗集料 ： 石灰岩碎石 ， 粒径 5 2 5 m m， 连续级配。 细集料 ： 河砂 ， 细度模数为 2 6的中砂 ， 级配 良 好 ， 密度 2 6 5 g c m 。 外加剂 ： 江苏产 F D N萘系高效减水剂 、 J M S R A 减缩剂 、 M A S氨基磺酸盐高效减水剂 、 J M P C A聚羧 酸高效减水剂 、 J M G Y Q( I ) 高性能混凝土引气剂。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 崔东霞 ， 费治华 ， 姚海婷 粉煤灰与化学外加剂对高性能混凝 土开裂性能的影响 1 2试 验方 法 早期塑性开裂试验方法参 照 混凝 土结构耐久 性设计与施 工指南 【 3 J 。试件尺 寸 6 0 0 mmx 6 O O m mx 6 3 m m， 模 具 边框 用 6 3 m mx 4 0 minx 6 3 ram 的槽 钢 制 作 ， 模具 四边 与底板通过螺 栓固定 在一起 ， 以提高 模具的刚度 。在模具 每个边上 同时焊接两排共 1 4 个 O l O x l O O m m螺栓伸 向锚具内侧 ，两排螺栓相互 交 错 ， 便 于 浇 筑 的 混凝 土 能 填 充 密 实 ， 当浇 筑 的混 凝土平板发生收缩时 ， 四周将受到螺栓的约束 。底 板采用不小于 2 0 m m的密度板 ，底板上铺聚氯乙烯 薄膜隔离层。试件成型 2 h后取下塑料薄膜 ， 用电风 扇吹 向试件表面 ， 风 向平行于试件表 面， 风速 2 m s ， 环境 温度 3 0 ， 相 对湿 度 6 0 。 记 录开裂 时 间 、 裂 缝 数 量 、 裂缝 长 度 和宽 度 ， 从 浇筑 起 ， 记 录 至 2 4 h 。2 4 h 后 测量 裂缝 最 大宽 度及 开 裂面 积 。 后 期 干 燥 开 裂试 验 参 照 S u r e n d r a P S h a h研究 硅灰混凝土干燥收缩 的试 验方 法 4 1 ， 试模 内环直径 2 5 0 m m， 外环直径 3 0 0 mm， 高 1 5 0 m m。 混凝土在两环 中成型 ， 浇注完后立即用塑料薄膜遮盖养护 ， 4 8 h后 拆除外模 ， 并 在试 件顶部涂上一层沥青石蜡 ( 或硅 胶 ) 密 封 ， 以防止 混 凝 土环 上 表 面 的水 分 蒸 发 ， 同时 成型相应 的收缩试 件 ，试 件尺寸为 2 5 m mx 2 5 mmx 2 8 0 m m， 然 后 将 所 有 试 件 放 置 在 湿 度 为 5 0 、 温 度 为 2 0 的干燥条件下进行养护 ，从养护初始开始 ， 每隔 0 5 d定时观测裂缝出现的初始时间 t 。 开裂后 的试件测试裂缝宽度 ，采 用 1 0 0倍裂缝放大镜 观 测 ， 测试时沿高度均匀选取 l 0个点 ， 用x 2 5倍带刻 度显微镜测试裂缝的宽度 ，再取其平均值作为 W 。 t 和 W 可 以用 来 表征 不 同配 比混 凝 土 相对 抵 抗 收 缩开裂能力 的高低 ， 连续测量并记录到成型后 2 8 d 。 考 虑 到 开 裂 环 模 具 的 内 环 和 外 环 间 距 仅 有 5 0 m m 不宜进行混凝土的开裂实验 开裂环试验采用的是 无粗集料混凝土 ， 采用从混凝土相应单位用水量中 扣去粗集料饱和面干状态时的吸水量 。经过测定 ， 饱和面干状态时的石子吸水率为 0 9。其它配合 比参数 与 相应 的混 凝 土相 同 。 1 3配合 比 保持水胶 比不变 ，粉煤灰掺量分别为 0 、 1 5 、 3 0 ， 4 5 ， 研究粉煤灰掺量对混凝土开裂 的影响 ， 配合 比见表 1 。在研究外加剂品种对混凝土开裂 的 影响时， 保持水胶 比不变 ， 改变外加剂 品种与掺量 ， 配 合 比见 表 2 表 l 不同粉煤灰掺量混凝土配合 比 2试 验 结果 与讨 论 2 1 早期塑性开裂 ( 1 ) 粉煤灰掺量对混凝土早期塑性开裂的影响 由图 1可知 ， 当掺量从 0增加到 3 0 时 ， I 级粉 煤 灰 等 量 替代 水 泥 后 提 高 了混 凝 土 抵 抗 塑 性 开 裂 的能力 。 与空 白混 凝 土相 比， 1 5 和 3 0 粉 煤灰 的掺 入使最大裂缝宽度分别下降了 3 1 和 2 3 累积开 裂面积分别下降了 2 6 和 4 0 ： 而粉煤灰掺量增加 到 4 5 后 ， 最大裂缝宽度和累积开裂面积分别增加 了 6 2 和 6 1 。试验结果表明 ， 适 当掺入优质粉煤 灰 ， 对于早期 塑性 开裂具有一定 的抑制作用 ， 但是 对 于大掺量粉煤灰混凝 土 早期必须加强养护 以避 免塑性开裂 。这与杨 长辉5 1 等人 的试验结果部分吻 合 ， 表 明随着掺灰量增加 ， 粉煤灰 高强 混凝土塑性 裂缝总面积有减小趋势 ， 掺人粉煤灰具有抑制高强 混凝土塑性开裂 的作用 ， 且 随着掺灰量增加 这一 作用越来越显著 。而本试验中粉煤灰掺量为 4 5 对 混凝 土 塑性 开裂 有 不利 影 响 。 产 生 这 种 差 异 的原 因 可能 与粉 煤灰 的化学 组成 和 品质 有 关。 ( 2 ) 外加剂品种对混凝土早期塑性开裂的影响 一 7一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年第 4期 混凝土与水泥制品 总第 1 8 0期 O 1 5 3 O 粉煤 灰掺量， ( a ) 最 大裂宽 6 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 4 5 0 1 5 3 0 4 5 粉煤灰掺量 ( b ) 开 裂 面 积 图 1 粉煤灰掺量对早期塑性开裂的影响 减 水 剂 品 种对 于混 凝 土 早 期 开 裂 影 响 的初 步 试验结果如 图 2所示 。抗裂性的 比较 为 ： P C A+ 2 S R A P C A M A S F D N， 掺 加 F D N的开 裂 面 积 最大 裂缝 宽度也最大 ， 其次为氨基磺酸盐 、 聚羧酸减水 剂。当聚羧酸与减缩剂复配后 。 相对单掺聚羧酸减 水剂 而 言 ， 混凝 土裂 缝 宽 度 减 小 一 半 ， 开 裂 面 积 也 1 2 1 O l 0 8 禧 0 6 O 4 0-2 O F DN MAS P CA PCA+ 2 SRA F DN MAS P CA P CA+2 S RA 外加剂 品种 外加剂品种 ( a ) 开裂面积 ( b )最大裂宽 图 2 减水剂 品种对混凝土早期塑性开裂 的影响 下降了 3 9 左右 ， 因此 ， 选择合适 的外加剂种类对 抑 制混 凝土早 期 塑性开 裂有较 好 的作 用 2 2圆环 干燥开 裂 ( 1 ) 粉煤灰掺量对砂浆干燥开裂的影响 粉煤灰 的加入一方面使胶材 的絮凝结构情况 改善 ， 从而提高砂浆整体的均匀性 ； 另一方面， 由于 粉煤灰活性低 加入后会使砂浆的薄弱环节增加 从 而增 加微 裂纹 的数量 。同 时 ， 掺 加 粉煤 灰使 得 抗 拉强度下降从而减弱了砂浆抵抗开裂的能力 ， 而砂 浆抗压 强度 的下降又意味着有较低 的弹性模量和 较高的徐变 ， 这又使砂浆产生开裂的能力下降。这 一 8 一 几种作用共 同决定了掺粉煤灰砂浆的开裂能力。从 图 3中可以看 出 ， 当粉煤灰掺量较小时 ， 开裂 时间 和裂缝宽度 与不掺粉煤灰时相差不 大 ， 此时 ， 掺加 粉煤灰砂浆抗拉强度和抗压强度均有所下降， 但对 砂浆整体作用均不明显 ，两方面相互作用的结果 ， 使其开裂时间和裂缝宽度有少许下降。当粉煤灰掺 量继续增大 ， 此时粉煤灰较低的强度意味着较高的 徐变发生 ， 徐变使一部分应力释放 ； 另一方面 ， 随粉 煤灰 掺 量 的增 大 ， 砂 浆 中 的薄 弱 环 节 增 加 ， 产 生 很 多的微裂纹 以释放应力 ， 因此 ， 随粉煤灰掺量 的增 大 开裂时间和裂缝宽度均呈下降趋势。在圆环试 l 2 1 O 善s 6 4 2 0 O 1 0 2 0 3 O 4 O 5 0 6 0 7 O C C+1 5F A C+ 3 0 F A C+ 4 5 F A C+ 6 0F A 龄期， d 粉煤灰掺量 ( ft ) 裂 缝 宽 度 ( b ) 开 裂 时 间 图 3 粉煤灰掺量对 圆环开裂的影 响 铆 I 瑚 I 姗 I 5 _ I 一 I r ，Lr r。 L L 2 O 8 6 4 2 o 目 、 斌 ：蠹K 瓣 0 9 8 7 6 5 4 3 2 l u ， 瞎 A A A A F F F F 5 O 5 O l 3 4 6 + + + + 4 2 O 8 6 4 2 M 加 。 目、 撼 嚼 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 崔东霞 ， 费治华 ， 姚海婷 粉煤灰与化学外加剂对高性能混凝土开裂性能的影响 验 中 。 混 凝 土环 的 收缩 会 引 发 拉应 力 ， 收缩 越 大 ， 引 发 的 拉 应 力 也 越 大 ，对 混 凝 土环 的 开 裂 有 促 进 作 用 。从 粉煤 灰掺 量 对胶 砂 试 件 的收缩 图 ( 图 4 ) 中可 以看 出， 随着粉煤灰掺量的增大 ， 干缩逐渐降低 ， 从 而降 低 了开裂 程度 ， 延 长 了开裂 时 间 。 O -2 0 0 X 一 4 0 0 姆 一6 0 0 - 8 0 0 -1 0 0 0 图 4粉 煤 灰 掺 量 对 圆环 胶 砂 收 缩 的 影 响 ( 2 ) 外加剂品种对砂浆干燥开裂的影响 外加剂 品种对 圆环开裂 的初 步实验结果见 图 5 、 图 6 。由图 5可知 ， 在相同配合 比下 ， 掺加聚羧酸 复 配减 缩 剂 的试 件 经 过 1 8 d才 开裂 ， 且 裂 纹 扩展 的 速度很 慢 ， 最 终裂 纹 宽度 只有 0 5 mm。而 掺 加萘 系 、 乏 厘 苗 黻 0 一2 0 0 槲 x 一 4 0 0 萋一 6 0 0 8 o o 一1 0 0 0 O 2 0 4 0 6 O 8 0 龄 期 ， d ( a ) 裂缝宽度 ： _2 5 _ 2 0 一 2 5 。 MAS F DN PC A P CA+2 S RA 外加剂 品种 ( b) 开 裂 时 间 图 5 外加剂 品种对 圆环开裂 的影响 图 6 外 加 剂 品 种 对 圆 环 胶 砂 收 缩 的影 响 引气剂 2 SRA 氨基磺酸盐 、聚羧酸复配引气剂的试件在 2 3 d内 就 出 现 裂 纹 而 且 裂 纹 扩 展 很 快 ， 最 终 裂 纹 宽 度 为 o 9 1 2 mm 由图 6可见 ， 四种外加剂改善圆环胶砂 试件 的收缩顺序为 ：聚羧酸复配减缩剂 聚羧酸复 配引 气剂 氨 基磺 酸 盐 萘 系 ， 较 低 的 收缩 在混 凝 土 环 内部所 引发 的拉 引力 也 较 低 。 因此 能 够有 效 降 低 裂 缝 宽度 ， 推迟 开 裂 时间 。 3结论 ( 1 ) 粉煤灰等量替代水泥后提高了混凝土抵抗 塑性开裂 的能力。适 当掺人优质粉煤灰 ， 对于早期 塑性开裂具有一定 的抑制作用 ， 但是对于大掺量粉 煤灰 混凝 土 。 早期 必 须加 强养 护 以避 免 塑性 开裂 。 ( 2 ) 随着粉煤灰掺量 的增大 ， 砂浆 中的薄 弱环 节增加 ， 产生很多的微裂纹来释放应力 ， 因此 ， 随粉 煤灰掺量的增大 ，开裂时间和裂宽均呈下降趋势。 同时 随粉煤灰掺量的增大 干缩逐渐降低 ， 从 而降 低 了开裂 程度 ， 延 长 了开 裂时 间 。 ( 3 ) 外 加剂 品种 对 于早 期 混 凝 土 抗 裂性 的影 响 为 ： P C A+ 2 S R A P C A MA S F D N，掺 加 F D N 的开 裂 面积最大 ， 裂缝宽度也最大 ， 其次为氨基磺酸盐 、 聚羧酸减水剂 ， 当聚羧 酸与减缩剂复配后 ， 抗裂效 果最好 因此 选择合适 的外 加剂种类对 抑制混凝 土早 期 塑性 开裂 有 较好 的作 用 。 ( 4 ) 外 加 剂 品种 对 干 燥 开裂 的初 步 试 验 结果 表 明 ， 与 其 它 几 种 外 加 剂 相 比 ， 聚 羧 酸 高效 减 水 剂 与 2 减 缩 剂 复 配后 对 抑制 混 凝 土 后 期 的 干燥 开 裂具 有显 著效 果 。 参考文献 ： 1 】T A Z A WA E， S HI N G O M i y a z a w a I n fl u e n c e o f C e m e n t a n d A d m i x t u r e o n A u t o g e n o u s S h ri n k a g e o f C e m e n t P a s t e【 J C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h， 1 9 9 5， 2 5 ( 2 ) ： 2 8 1 - 2 8 7 【 2 】L E P AG E S ， B A L B A K I M ， D A L L A I R E E E a r l y S h ri n k a g e D e v e l o p m e n t i n t h e H i g h P e rf o r ma n c e C o n c r e t e J C e m e n t ， C o n c r e t e a n d A g g r e g a t e s ， 1 9 9 9 ， ( 2 ) ： 3 1 - 3 5 3 】 中国工程 院土 木水利与建筑 学部工程结构 安全性与耐久 性研究 咨询项 目组 混凝 土结构 耐久性设计 与施工指 南 北 京： 中国建筑 工业 出版社 ， 2 0 0 4 【 4 S h a n S u r e n d r a P ，We i s s WJ a s o n ，We i Y a n g S h r i n k a g e C r a c k i n g C a n i t b e P r e v e n t e d C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l ， 1 9 9 8 f 4 ) ： 5 2- 56 【 5 】 王海 阳， 杨长辉 粉煤灰 掺量和细度对 高强砼塑性开裂 的 影响 粉煤灰综合利用， 2 0 0 5 ( 2 ) ： 2 0 2 3 收 稿 日期 ： 2 01 1 一 O 2 2 6 作者简介 ： 崔东霞 ( 1 9 8 5 一 ) ， 女 ， 硕士研究生 。 通讯地址 ： 苏 州市三香路 7 1 8号 联 系 电话 ： 1 5 2 0 6 20 1 8 3 9 E -ma i l ： d o n g e r l 9 8 41 2 1 6y a h o o c a 一 9 4 2 O 8 6 4 2 雌 o m 加 H m 8 6 4 2 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m