掺碳酸盐掺合料混凝土力学性能研究.pdf

2 0 1 1 年 第 8期 (总 第 2 6 2 期 ) Nu mb e r 8i n2 0 1 1 ( T o t a l No 2 6 2 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RESE ARCH 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 8 0 2 0 掺碳酸盐掺合料混凝土力学性能研究 李化建 ，赵国堂 ，谢永江 ，魏 ( 1 中国铁道科学研究院，北京 1 0 0 0 8 1 ；2 强 ，谭盐宾 ，易忠来 ，杨鲁 京沪高速铁路股份有限公司，北京 1 0 0 0 3 8 ) 摘要： 研究了石灰石质碳酸盐掺合料对混凝土抗压强度与弹性模量的影响。 研究结果表明， 碳酸盐掺合料混凝土抗压强度、 弹性模量 与龄期 的 自然对数具有很好 的线性关系 ； 与矿渣 、 粉煤灰等掺合 料相 比， 碳酸盐掺合料能够提 高混凝 土早期的抗压强度和弹模模量 ， 当养 护 1 0 d之 后 ， 两种混凝土的抗压强度 与弹性模量基本相 当 ； 养护温度能够显著提 高掺碳 酸盐 掺合料混凝土的早期抗压强度 和弹性模量 ， 但提高养护温度对混凝土后期强度发展不利 ； 以不同龄期抗压强度为评价依据 ， 碳酸盐掺合料的掺量宜在 1 5 以内。 关键词： 碳酸盐掺合料；混凝土； 抗压强度 ；弹性模量 中圈分类号 ： T U5 2 8 叭 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 8 0 0 5 9 0 3 Re s e ar c h on t he m e c ha ni c al pr op er t y o f c onc r e t e wi t h c ar b ona t e m i ne r al a dmi x t ur e L I Hu a -j i a n ， Z H AOGu o t a n g 2 , XI EY o n g -j i a n g ， WE I Qi a n g ， T ANY a h b i n ， Y I Z h o n g - l a i ， Y A NGLu ( 1 C h i n aAc a d e my o f Ra i l w a yS c i e n c e s ， B e ij i n g1 0 0 0 8 1 ， C h i n a ； 2 B e ij i n g - S h a n g h a i Hi g h S p e e dR a i l wa yC o mp a n y， Be ij i n g1 0 0 0 8 3， Ch i n a ) Abs t r ac t ： Ef f c c t of l i me s t o n e b a s e d c a r b o n a t e a d mi x t u r e t o c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d e l a s t i c mo d u l us o f c o n c r e t e wa s s t u d i e d i n t h i s p a p e r Th e r e i s g o o dl i ne a rr e l a t i o nbe t we e nt h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d e l a s t i cmo d u l us wi th n a t u r a l l o g a r i t h m o f c u r i ngt i me Co mp a r e dwi t hfl ya s h a n d s l a g， c a r - b o n a t e a d mi x t u r e c an i mp r o v e t h e e arl y s t r e n g t h a n de l a s t i c mo d u l u s o f c o n c r e t e and a ft e r 1 0 d ， the s t r e n gtha n de l a s t i c mo d u l u s o f twok i n d s c o n c r e t e i s b e c o mi n g p r o x i mit y C u r i n g t e mp e r a t ure c o u l d i n c r e a s e the e a r l y c o mp r e s s i v e s t r e n gth o f c o n c r e t e w i th c a r b o n a t e a d mi x tu r e ， h o we v e r h i g h t e mp e r a t u r ei sd i s a d v a n t a g et ot h e l o ng - p e rio dc o mp r e s s i v e s t r e n g t hTh ee l a s t i c m o d ul u s o f c o n c r e t ewi t hc a r b o n a t ea dmi x t u r eh a c r e a s e so b v i o us l ywi t ht he i n c r e a s i n gc u rin gt e mp e r a tur e Ba s e do nth ec o mp r e s s i v e s t r e n g t hof c o n c r e t e ， th e s u i t a b l ea dd i t i o nd o s a g e o f c arb o na t ea d m i x t u r e i s l e s s th a n 1 5 Ke y w or ds ：c arb o n a t e a d mi x t u r e； c o n c r e t e： c o mp r e s s i v e s t r e n g t h； e l a s t i c r a t i o 0 引言 以石灰石为主要成分的碳酸盐掺合料已经在国外工程中 应用 ， 如 日本明石海峡吊桥的桥墩、 缆索锚固结构体采用的高 流动性混凝土， 其混凝土配合 比中水泥的用量为 2 6 0 k g ， 石灰 石粉掺量为 1 5 0 k g ， 用水量为 1 4 5 k g ” 。法国的西瓦克斯核电站 I I 号反应堆每立方米混凝土中水泥用量 2 6 6 k g 、 石灰石粉 1 1 4 k g 、 硅灰 4 0 k g ， 水胶 比 0 3 8 ， 坍落度 1 8 2 3 c m， 2 8 d抗压强度为 6 7 MP a ， 绝热温升为 3 0翻 。 我国学者也对石灰石质碳酸盐掺 合料混凝土开展大量研究， 但很少在大型工程中进行应用。 关于石灰石质碳酸盐掺合料对混凝土力学性能的影响尚 未达到统一认识， 有些研究认为 ， 石灰石粉能发挥其“ 形貌效 应” 与“ 微集料效应” ， 从而改善胶凝材料的颗粒级配 ， 填充内部 孔隙， 使其结构更加致密， 从而提高水泥基材料的强度 。 也有 研究认为， 石灰石粉等量取代水泥时， 反而会降低混凝土的强 度5 _。 为了掌握碳酸盐掺合料对混凝土力学性能影响规律， 促进 碳酸盐掺合料在实际工程中的应用， 研究了龄期、 养护温度 、 掺 合料掺量对混凝土抗压强度与弹性模量的影响。 1 原材料及混凝土 配合 比 1 1 原材料 水泥为北京琉璃河 P O 4 2 5级水泥；矿物掺合料选用 I 级 收稿 日期 ：2 0 1 1 - 0 2 一 l 4 基金项目：铁道部科技开发计划项 目( 2 0 1 0 G 0 2 9 一 B， 2 0 1 0 G 0 0 4 一 E ) 粉煤灰和 $ 9 5矿渣； 碳酸盐掺合料的粒度特征值如表 1 所示； 细 骨料为细度模数为 2 5 、 I I 区河砂， 粗骨料为 5 2 0 i l n l 连续级配 碎石； 减水剂为减水率为 2 9 的非引气型聚羧酸减水剂。 表 1 碳酸盐掺合料粒度特征值 1 2混凝 土配合 比及 工作 性 能 混凝土的配合比如表 2所示， 相应混凝土的工作性能如表 3 所示 。 表 2 混凝土的配合比 k g m 表 3混凝土工作性能 编号 初始坍落度 m m 初始扩展度 r n m 含气量 湿密度 ( k g m ) 2 试验 结果与讨论 2 1 龄期对掺碳酸盐掺合料混凝土力学性能的影响 图 1是碳酸盐掺合料混凝土抗压强度随龄期对数的发展 5 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 曲线 ， 由图 1 可知 ， 碳 酸盐掺合料 混凝土 的抗压强度 与龄期 的 对数呈很好 的线性关 系 ， 也就是说碳酸 盐掺 合料混凝土 的抗压 强度 与龄 期呈对数 函数关 系。 图 2是粉煤 灰一 矿渣 混凝土抗 压 强度与龄期对数关系图， 与碳酸盐掺合料混凝土一样 ， 抗压强 度与龄期呈对数函数关系。 对 比图 l 、 2拟合曲线可知 ，在 1 0 d 之前， 掺碳酸盐掺合料混凝土抗压强度高于掺粉煤灰一 矿渣的混 凝土， 1 0 d之后， 两者的抗压强度相当。 这与文献 3 4 试验结果 一 致 ， 其原凶是石灰石粉的晶核作用， 促进 c s水化所致。 在有 早强要求的T程， 可以采用碳酸盐作为掺合料。 8。 70 蠢 。 詈 s 。 40 龄 期 常 数 对 数 l n ( d ) 图 2粉煤灰 一 矿渣混凝土抗压强度与龄期的关 系 两种混凝土的弹性模量随龄期发展规律如图 3 、 4所示。 南 图 3 、 4可知， 与抗压强度相同， 弹性模量随龄期增长； 掺碳酸盐 掺合料 昆 凝土的早期弹模( 见图 3 ) 高于掺粉煤灰一 矿渣混凝土 的早期弹模( 见图4 ) ， 表现为掺碳酸盐掺合料混凝土曲线拟合 公式 的截距大于掺粉煤灰一 矿渣混凝 土， 但后期两者 的弹性模量 相 当 ； 另外 ， 弹性模 量在 1 0 d前增 长较 快 ， 1 0 d之后 ， 弹性模量 趋 于相对稳定 。 养护龄 期 ， d 图 3 掺碳酸盐掺合料混凝土弹性模量与龄期的关 系 养护 龄期 ， d 图 4 掺粉煤灰一 矿渣混凝土弹性模 量与龄期的关系 2 2 养护温度对混凝土力学性能的影响 不同养护温度下( 1 0 、 2 0 、 3 0) 掺碳酸盐掺合料 昆 凝土的 6 0 抗压强度如 图 5 所示 。 养护温度可 以显 著提 高掺碳 酸盐掺合料 的 7 d之前 的抗 压强度 ， 在 3 0养 护条件下 ， 混凝 土 1 d的抗 压强度能够达到 5 5 MP a 。 在 1 4 d之前 ， 混凝土 的抗压强度随养 护温度呈现正相关 l生， 即养护温度越高， 其抗压强度越高； 但 1 4d 之后 ， 2 0养护混凝土的抗压强度超过了3 0养护的混凝土， 1 0养护混凝土的抗压强度与 3 0养护混凝土抗压强度接近。 另外， 3 0养护条件下， 2 8 d之后的抗压强度略有降低， 因此， 不 宜采用提高养护温度来提高混凝土的抗压强度 。 龄 划 d 图 5 不同养护温度 下掺碳酸盐掺合料混凝土的抗压强度 不同养护温度下( 1 0 、 2 0 、 3 0) 掺碳酸盐掺合料混凝土的 弹性模量如图 6 所示。 随着养护温度的提高 ， 碳酸盐掺和料的弹 性模量增加。 3 种养护温度下， 掺碳酸盐掺和料混凝土的弹性模 量 均较高 ， 即使在 1 0下养护 的混凝 土 ， 其 3 d弹性模 量也接 近 4 0GP a 龄 期 d 图 6不同养护温度下掺碳酸 盐掺合料混凝土的弹性模量 2 3 碳酸盐掺量对混凝土力学性能的影响 碳酸盐掺合料掺量对混凝土抗压强度的影响如图 7所示。 由图可知， 随着碳酸盐掺合料掺量的增加 ， 混凝土抗压强度逐 渐降低， 在掺量 1 5 以内， 混凝土抗压强度变化不大， 从 l 2 8 d 抗压强度可知 ， 在该试 验条件下 ， 混凝土最优 的掺 量为 1 5 。 文 献 5 采用 比表面积 为 3 7 5 7 c m： g的石 粉 ， 研究结 果表 明石 粉 对混凝土抗压强度 的影 响随混凝 土龄期 的不同而不同 ， 对混凝 土早期抗压强度的影响较 为明显 ， 当石粉外掺达 到 2 5 时 ， 混凝 土 3 、 7 、 2 8 d抗压强度均大幅度提高。 当石粉内掺 5 和 1 0 时， 混凝土 3 d抗压强度略有提高， 但后期强度则降低， 内掺 5 时， 混凝土抗压强度降低与基准混凝土相当， 掺量超过 l O H ,t ， 混凝土抗压强度降低幅度较大。 文献 3 研究了内掺 比表面积 2 0 0 0 、 6 0 0 0 、 1 2 0 0 0 、 2 1 0 0 0 c mZ g石灰粉对混凝土强度的影响 ， 研 究表明石灰石粉最佳掺量为 1 0 ， 且比表面积为2 0 0 0 c m g的石 灰石粉降低? 昆 凝土的强度， 比表面积 6 0 0 0 c mZ g 石灰石粉料掺量 对混凝 土抗压强度影响不大 ， 比表面积大于 1 2 0 0 0 c m g石灰石 粉能够提高混凝土的抗压强度。 碳酸盐掺和料掺量对混凝土抗 强度影响不仅与碳酸盐矿物掺合料细度有关， 还与混凝土中单位 立方米水泥用量有关， 因此， 其最佳掺量应该根据试验隋况而定。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 80 7O 6 0 5 0 想 4 0 30 20 1O 1 2 3 4 5 7 1 0 1 4 2 8 龄期 d 图7 碳酸盐掺合料的掺量对混凝土抗压强度影响 3结 论 与矿渣 、 粉煤灰等活性掺合料相比， 碳酸盐掺合料能够提 高混凝土的早期抗压强度和弹性模量， 但后期强度和弹性模量 接近； 养护温度对弹性模量的影响程度比抗压强度显著， 掺碳 酸盐掺合料混凝土的弹性模量随养护温度的提高而提高 ， 而养 护温度能够提高 l O d前混凝土的抗压强度。 对于 D 5 0 为 5 6 Ix m 的碳酸盐掺合料， 随着碳酸盐掺合料的增加， 混凝土抗压强度 上接第 5 6页 显影响， 3 0 mi n坍落度损失略有增加。 ( 2 ) 乙二醇会使混凝土初始坍落度略有增加， 随掺量增加， 混凝土 3 0 mi n坍落度损失减小。 ( 3 ) 相同水灰比条件下， 亚硝酸钠、 硝酸钙可明显提高混凝 土冻后强度， 但标准养护时， 对混凝土强度影响不明显。 ( 4 ) 乙二醇具有缓凝作用， 混凝土的抗压强度比R 2 8 、 R - 7 + 2 8 和 R 一 7 + 5 6均超过 1 0 0 。 参考文献 ： 1 吕宝玉， 单大力 ， 赵霄龙 有关防冻泵送剂的若干思考 J 1 混凝土 ， 2 0 0 2 ( 9 ) ： 1 4 1 6 【 2 】 冯浩 混凝土防冻剂的发展及其重分类探讨IJ J _ 1 氏 温建筑技术 ， 1 9 9 9 ( 3 ) ： 5 4 5 7 上接第 5 8页 2 试验数据分析 分析混凝土强化过程初期收缩应变数据 ， 有几个 明显 的规 律值得注意 ： ( 1 ) 素混凝土的收缩应变与水灰比成反比， 这与许多研究 人员的理论分析相符合1 _ 2】 。 ( 2 ) 实验室条件下 ， 初凝阶段和终凝之前的收缩与后期收 缩比较 ， 并非剧烈 ， 而是在整个强度上升初期以较均匀的速度 收缩， 这与人们的直观判断是不附的。 ( 3 ) 通 常认 为混凝 土的表面失水是造成早期裂纹 的主要 因 素， 因此， 表面收缩应大于内部收缩 ， 然而实验室条件下的数据 却显示内外收缩是一致的， 收缩的主因应是混凝土水化过程中 的体积缩小。 ( 4 ) 高强混凝土收缩小于低强混凝土， 这也与工程中钢筋 混凝土的实际情况形成明显差别， 由此可推测高强钢筋混凝土 的开裂应与钢筋分布有关 。 从 C 2 0混凝土 7 d的收缩应变数 值可以料想 ， 高达 2 0 0 8的应变 ， 如果混凝 土的收缩受到钢筋 约束， 混凝土中将产生较大的拉应力 ， 此时的混凝土强度是难 降低， 但在 1 5 范围内， 混凝土抗压强度降低的程度较小， 该试 验条件下碳酸盐掺合料最佳掺量宜在 1 5 以内。 参考文献 ： 1 】ME HT A P K A d v a n c e me n t s i n c o n c r e t e t e c h n o l o g y J C o n c r e t e I n t e ma - t i o n a l ， 1 9 9 9 ( 1 ) ： 1 2 吴中伟 ， 廉 慧珍 高 性能 混凝土 M】 北 京 ： 中 国铁道 出版 社 ， 1 9 9 9： 3 7 6 - 3 78 3 3 崔洪涛 超磨细石灰石粉掺合料混凝土性能的研究 D 】 重庆： 重庆大学 4 l 陈剑雄， 李鸿芳， 陈寒斌石灰石粉超高强高性能混凝土性能研究f J 1 施工技术， 2 0 0 5 ， 3 4 ( 4 ) ： 2 7 【 5 】李晶 石灰石粉掺量对混凝土性能影响的试验研究【 D 1 _ 大连： 大连理 工大学， 2 0 0 7 6 何智海， 刘运华， 刘江红 石灰石粉对水泥基材料性能的影D NJ 粉煤 灰 ， 2 0 0 8 ( 2 ) ： 2 6 2 8 作者简介 联 系地址 联系电话 李化建( 1 9 7 6 一 ) ， 男， 博士， 副研究员。 北京市海淀区大柳树路 2 号 中国铁道科学研究院铁建所 ( 1 0 0 0 8 1 ) 01 0 5 1 8 7 4l 8 3 【 3 何廷树 混凝土外加剂 M 西安： 陕西科学技术出版社， 2 0 0 4 ： 1 7 7 1 7 9 【 4 J K Y 3 B MH H E R 结冰对掺防冻剂混凝土强度的影响 J 1 _ 史同德 ， 译 低温建筑技术 ， 1 9 8 0 ( 1 ) ： 6 1 6 4 5 】 刘光启， 马连湘， 刘杰 f 匕 学化工物性数据手册 M 北京： 化学工业出 版社， 2 0 0 2 ： 5 4 2 6 4 1 【 6 】 唐明， 邱睛， 王博 现代混凝土外加剂及掺合料【 M J 沈阳： 东北大学出 版社 ， 1 9 9 9 ： 7 7 8 4 作者简介 联 系地址 联 系电话 宋东升 ( 1 9 7 2 一 ) ， 男 ， 高级工程师 ， 硕士 ， 主要从 事预拌混凝 土 的研究 及应用 。 沈阳市 D 平区三好街8 7 号五里河城 S O H O 楼 2 2 层( 1 1 0 0 0 2 ) 0 2 4 23 7 8 5 6 8 2 以抵抗的， 产生裂纹释放应力是符合物理本质的 5 1 。 总之， 准确掌握混凝土的收缩规律以及量值， 在实际工程 中抓 住主要矛盾 ， 根据实 际情 况采取合理措 施 ， 混凝土 的早 期 裂纹控制才能真正得以实现。 参考文献 ： 【 1 黄土元混凝土早期裂纹成因及防治【 J j -混凝土， 2 0 0 0 ( 7 ) ： 3 5 2 】马丽媛 高强混凝土收缩开裂研究【 D 】 北京 ： 中国建筑材料科学研究 院 ， 2 0 0 1 【 3 康贵春 预拌混凝土水平结构施工早期裂纹控制初探 J 1 工程质量， 2 0 0 2： 4 9 51 【 4 罗奖园 冈 筋混凝土结构的裂纹控制思想与结构设计新方法 M 2 0 0 2 5 】陈金湖， 李金炎码头现浇混凝土面层裂纹控制方法与实践【 J J 水道 港口， 2 0 0 7 ( 1 0 ) ： 3 7 8 3 8 0 作者简介 联 系地址 联系电话 蔡传国( 1 9 5 4 一 ) ， 男， 高级工程师， 硕士， 主要从事施工及试 验研究。 南京光华 1 - 3 9b 海福巷 1 号 应用力学教研室( 2 1 0 0 0 7 ) 1 3 9 1 39 5 02 9 8 61 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m