海工高性能混凝土的早期开裂.pdf

2 0 1 2 年 第 2 期 (总 第 2 6 8 期 ) Nu mb e r 2 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No ．2 6 8 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE ORET【 CAL RES EARCH d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ~ ． i s s n ． 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ． 2 0 1 2 ． 0 2 ． 0 0 7 海工高性能混凝土的早期开裂 任慧韬，刘冬梅，郭磊 ( 大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室 ， 辽宁 大连 1 1 6 0 2 4 ) 摘要： 早期开裂是高性能混凝土应用中经常出现的问题， 这不仅影响混凝土的外观质量， 也给混凝土的耐久性带来不利影响。 针对这 一 问题， 利用平板法约束试验， 研究 自 然环境下不同水胶比， 大掺量粉煤灰以及聚丙烯纤维对海工高性能混凝土早期开裂的影响。 结果表 明： 一定范围内随着水胶比降低， 开裂明显加剧， 单掺粉煤灰和聚丙烯纤维均对早期开裂有抑制作用， 二者双掺效果更佳。 关键词： 高性能混凝土； 早期开裂；聚丙烯纤维；大掺量粉煤灰 中图分类号 ： T U5 2 8 ．0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 2 — 0 0 2 5 — 0 3 E ar l y -a ge cr ac k i n g of mar it i me hi gh pe r f or ma nc e c on c r e t e PEN Hu i - ta o， L I UDo n g - me i ， GUOLe i ( S t a t e Ke yL a b o r a t o r yo f C o a s t a l a n dOff s h o r eE n g in e e r i n g ， Da l i an Un i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ， Da l i a n1 1 6 0 2 4 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Ea r l y - a g e c r a c ki n gi s arec u r r e ~ p r o bl e m i nt h e a p p l i c a t i o n o fh i g hp e rfo r ma n c e c o n c r e t e， i t n o t o n l y a ffe ~st h e o u t wa r da p pe a r a n c e q u a l i ty o f c o n c r e t e b u t a l s o b r i n g s a d v e r s e e f f e c t o n d u r a b i l i ty o f c o n c r e t e ． Ai ming a t thi s p r o b l e m． T h e infl u e n c e s o f d i ff e r e n t wa t e r - b ind e r r a t i o ， l arg e v o l u me f l y a s h a n d p o l y p r o p y l e n e fi be r o n e arl y c r a c k ing o f ma r i t i me hi g h p e r f o r manc e c o n c r e t e b y u s i n g fiat— r e s t r a i nt t e s t o n t he n a t u r a l e n v i r o n me n t we r e s t a d i e d ． Th e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t wi t h i n a c e r t a i n r a n g e the l o we r t h e wa t e r b i n d er rat i o i s ， the mo r e s h r i n k a g e a n d c rac ki n g i s f o u n d， flya s ho r po l y p r o p y l e n efi b e r C an r e s t r a i nthe e arl y - a g e c rac k i n g a l o n e， h a v i n gb o t ho f the m g e t s ab e t t e rr e s u l t s ． K e y wo r d s ： h i 曲 p e r f o rm a n c e c o n c r e t e ； c r a c k i n g a t e a r l y a g e ； p o l y p r o p y l e n e fi b e r ； h i g h v o l u me fl y a sh 0 引言 目前正是我国经济高速发展的时期， 由此也带来了我国海 洋基础建设的高峰。 许多耗资巨大处于海洋环境下的重要建筑 ( 构筑) 物 ， 如跨海大桥、 海底隧道 、 海上采油平台、 海岸和近海 岸工程已经建成或正在兴建。 这些重要的基础设施大部分是混 凝土结构且耗资巨大 ， 一般要求的使用期限是 1 0 0年以上。 日本 和欧美国家已提出5 0 0年服役寿命的要求和概念。 但 目前已建 工程因钢筋与混凝土材料受海洋环境的侵蚀作用而过早破坏 的现象非常严重， 因此这类混凝土的耐久性也是土木工程界关 注的焦点问题。 高性能混凝_~( Hi g h P e r f o r ma n c e C o n c r e t e ， HP C ) 是 2 0世纪 8 O年代末 9 0年代初， 一些发达国家基于混凝土结构 耐久性设计提出的一种全新概念的混凝土， 它以耐久性为首要 设计指标， 这种混凝土有可能为基础设施工程提供 1 0 0年以上 的使用寿命。 以高耐久性为主要 目标的高性能混凝土越来越受 到人们的重视， 理论上高性能混凝土密实度高， 抗渗性好， 具有 更高的耐久眭和使用寿命， 然而近几年来人们发现以低水胶比、 高胶凝材料和超细矿物掺合料、 大坍落度为基本特征的HP C也 存在易裂性 ， 而且早期裂缝出现的时间比传统的混凝土还要早[ 1 ] 。 早期裂缝的出现大大降低了混凝土的耐久性， 阻碍了高性能混 凝土的进一步推广使用， 因此研究如何控制和减少高性能混凝 土的早期开裂显得尤为重要。 影响海工高性能混凝土早期开裂的因素很多， 其中包括水胶 比、 水泥品种、 水泥用量、 矿物掺合料、 外加剂、 砂率、 骨料、 养护条件 收稿 日期 ：2 0 1 1 _ J 0 8 3 等。 本试验利用平板法约束试验， 研究自然环境下不同水胶比， 大掺 量粉煤灰以及聚丙烯纤维对海工高性能混凝土早期开裂的影响。 1 试验材料及 试验 方案 1 ． 1 试验 材料 水泥( C) ： 普通硅酸盐水泥 P O 4 2 ． 5 R级 ； 细集料( S ) ： 河 砂 ， 细度模数 2 ． 7 ； 粗集料( G) ： 碎石， 粒径 5 ~ 2 5 I n m， 连续级配 ； 粉煤灰( F A) ： 丹东某电厂产 I 级粉煤灰； 减水剂 ： 聚羧酸高效减 水剂 ； 聚丙烯纤维 ： 辽宁巨欣丝状纤维 1 、 2 号。 1 ． 2试验 方 案 1 ． 2 ． 1 配合比设计 配合比设计参考青岛海湾大桥配合比设计， 设计 C 4 0 高性能 混凝土， 根据坍落度要求调整减水剂用量， 坍落度范围( 1 8 2 ) c m。 F 1 、 F 2 、 F 3 分别为粉煤灰取代水泥量 3 0 ％、 4 5 ％、 6 0 ％； P 1 、 P 2 、 P 3 聚丙烯纤维为辽宁巨欣丝状纤维 1 号 ， 掺量分别为 0 ． 6 、 0 ． 9 、 1 ． 2 k g ／ m3 , P 4为辽宁巨欣丝状纤维 2号， 掺量为 0 ． 9 k g ／ m ； F 1 P 4 、 F 2 P 4为双掺纤维和粉煤灰 ， 纤维均为 2号， 掺量为 0 ． 9 k g ／ m3 ， 粉煤灰取代水泥量分别为 3 0 ％、 4 5 ％。具体配合比见表 1 。 1 ． 2 ． 2 平板开裂试验 参照我国 C E C S 1 3 ： 2 0 0 9 ( 纤维混凝土试验方法标准》 [2 】 ， 试 验装置如图 1 所示， 图2为试验基准混凝土J 3 2 4h开裂效果图。 本试验所有试件均采用 自 然环境下养护， 环境温度( 2 0 ~ 5 ) ℃， 相对湿度不大于 6 0 ％， 试件成型后即开始暴露试验， 分别在 3 、 6 、 1 2 、 2 4 h时观测裂缝的数量、 长度和宽度。 2 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 配合比 编号 材料用量 ／ ( k e ／ m ) 减水剂 水胶比水水泥 粉煤灰聚丙烯纤维石子砂子 ／ ％ 注： 减水剂表示掺量占胶凝材料总量的百分比。 图 1 早期开裂试验模 板 图 2 J 3 2 4 h开裂效果图 2 试验 结果与分析 2 ． 1 抗压强度分析 各配合比混凝土不同龄期的抗压强度如图 3 。 4 编 号 图 3 各配合比不同龄期下抗压强度 从图 3中可以看出， 粉煤灰和聚丙烯纤维的掺人均在一定 程度降低混凝土的抗压强度， 在早期更为明显。 7 d 抗压强度 ， F 1 、 F 2 、 F 3较 J 3分别降低 3 6 ％、 4 9 ％、 6 4 ％。 2 8 d抗压强度， F 1 、 F 2 、 F 3较 J 3分别降低 1 0 ％、 2 5 ％、 4 1 ％， 而较 7 d抗压强度， 分别增 长 4 7 ％、 5 7 ％、 7 0 ％， 此时J 3较 7 d 抗压强度仅仅增长 6 ％。 由此 可见， 在没有任何激发措施时， 粉煤灰在早期仅仅充当细集料 26 作用 ， 几乎不参与水化反应， 对强度几乎没有贡献， 随着时间的 推移 ， 水泥水化产物为粉煤灰提供了良好的碱性环境， 此阶段 粉煤灰火山灰活性得以激发， 对混凝土强度做出很大贡献。 7 d 抗压强度， P 1 、 P 2 、 P 3 、 P 4较 J 3分别降低 2 6 ％、 2 3 ％、 2 5 ％、 2 1 ％， 2 8 d 抗压强度 ， P 1 、 P 2 、 P 3 、 P 4 较 J 3 分别降低 1 5 ％、 1 3 ％、 8 ％、 1 O ％， 而较 7 d抗压强度， 分别增长 2 2 ％、 2 0 ％、 3 0 ％、 2 2 ％。 由此 可见聚丙烯纤维的加入降低了混凝土的抗压强度， 由于聚丙烯 纤维细度高， 比表面积大， 即使掺量较低 ， 也能在混凝土中获得 很大的纤维一 基体界面。 由于聚丙烯纤维的不亲水性， 纤维一 基体 界面往往具有比基材更高的水灰比， 使聚丙烯纤维一 基体界面效 应呈弱界面效应 ， 导致混凝土的孔隙率增大 ， 对混凝土强度不 利[3 J 。 F 1 P 4 、 F 2 P 4对强度的影响和 F 1 、 F 2相似， 从双掺试验结果 分析， 对于掺人粉煤灰的混凝土， 纤维的加入对强度影响不大。 2 ． 2 开裂结果与分析 参照 C E C S 1 3 ： 2 0 0 9 ( 纤维混凝土结构技术规程》 中推荐的 混凝土( 砂浆) 早期抗裂性试验评价方法进行计算。 表 2 阻裂效能等级评定标准 抗裂性能等级 评定标准 对于无掺合料和聚丙烯纤维的混凝土， 3种水灰比裂缝出 现的规律是一致的， 最先在平板 中部出现一条， 随即发展成一 条上下贯通或是环形贯通主裂缝 ， 这条主裂缝可以很好的释放 收缩应力， 其后出现的裂缝大都顺着周边约束螺栓方向向着板 内延伸 ， 从表 3中可以看出 J 3主裂缝较宽， 释放掉较多应力 ， 表现为裂缝总条数有所减少。 随着水灰比减少 ， 裂缝总面积明显 变大， 且裂缝宽度也变大。 这是因为随着水灰比降低， 胶凝材料 用量增大， 水化后胶体间距离减小， 从微观角度看， 胶体颗粒间 作用力更强 ， 水化产物容易相互搭接形成空间网络结构 ， 低水 灰比混凝土早期弹性模量以及强度发展较快， 而此时当混凝土 表面水分蒸发速率大于混凝土内部泌水速率， 混凝土表面出现 塑性裂缝 ， 弹性模量越大 ， 收缩应力越大， 开裂越明显， 且水灰 比越低， 裂缝出现的时间越早。 对于掺入粉煤灰的混凝土 无论是裂缝总面积还是裂缝最 大宽度都有所降低， 但 3 0 ％ 粉煤灰取代水泥混凝土减裂效果不 理想。 3 种掺量粉煤灰混凝土裂缝均未贯通 ， 平板中部裂缝分布 规律性不强， 四周裂缝大都顺着约束螺栓向内部发展。 掺入粉煤 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 灰后 ， 一方面水泥用量相应降低， 早期水化热降低， 减少了混凝 土表面水分蒸发速率； 另一方面粉煤灰的火山灰活性主要表现 在后期 ， 早期几乎仅仅起微细集料填充作用， 大掺量粉煤灰早 期弹性模量和强度增长较慢， 弹性模量较低的粉煤灰混凝土在 一 定收缩量下收缩应力小， 开裂程度也减小。 从表 3中可以看出， 抑制开裂的效果和粉煤灰掺量不成正比。 由聚丙烯短纤维本身的物理特性可知， 即使很少 的掺量 ( O ． 9 k g ／ m3 ) ， 每立方米也将含有高达数亿根聚丙烯纤维 ， 这些均 匀分散的纤维互相搭接形成空间网状撑托系统， 可以有效减少 骨料下沉， 封锁泌水通道 ， 提高黏聚性和保水性， 从而减少裂缝 的产生。 从平板开裂试验可以看出， 掺入聚丙烯纤维后， 四周约 束产生的顺螺栓方向的裂缝大大减少。 笔者认为乱向分布的聚 丙烯纤维起着微细配筋的作用 ， 可以减少螺栓处约束应力集中， 消耗掉开裂产生的能量。 1 号聚丙烯纤维抗裂效果不理想 ， 掺量 为 1 ． 2 k g ／ m， 才达到二级抗裂， 2号聚丙烯纤维阻裂效果较好 。 为此追加两组双掺试验， 取得不错的效果。 3结 论 ( 1 ) 一定范围内， 随着水灰比降低， 裂缝明显加剧。 ( 2 ) 大掺量粉煤灰可以很好的抑制裂缝， 但抑制开裂效果 与掺量不成正比。 ( 3 ) 聚丙烯纤维在混凝土中呈三维乱向分布 ， 有效减少骨 料下沉 ， 封锁泌水通道， 其在减少钢筋约束产生的裂缝方面效 果显著。 ( 4 ) 聚丙烯纤维和粉煤灰双掺减裂效果较好 ， 具有叠加减 裂作用。 参考文献： 【 1 ]AL T O UB A T S A， C R E E P D A L ． S h r i n k a g e a n d c r a c k i n g o f r e s t r a i n e d c o n c r e t e a t e a r l y a g e [ J ] ． A C I Ma t e ri a l s J o u rna l ， 2 0 0 1 ， 9 8 ( 4 ) ： 3 2 3 — 3 3 1 ． 【 2 】 C E C S 1 3 ： 2 0 0 9 ， 纤维混凝土试验方法标准【 s 】 ． [ 3 ] 张云莲， 周宏凯， 等． 高性能掺合料改善聚丙烯纤维海工混凝土性能 的研究【 J 】 ． 水利水电技术， 2 0 0 5 ， 3 6 ( I 1 ) ： 9 0 — 9 2 ． 作者简 介： 联 系地址 联 系电话 任慧g ~ ( 1 9 7 3 一 ) ， 男， 副教授 ， 硕士生导师， 主要研究方向 高性能混凝土的早期开裂。 大连理工大学建设工程学部四号楼3 0 3 室( 1 1 6 0 2 4 ) 1 3 9 9 8 5 6 3 45 0 c 国圆 全球 工程机械行业的重, L q m速向中国转移 随着全球工程机械行业的重心加速向中国转移， 海外并购已成为中国企业国际化的最重要手段。 2 0 0 5 年， 全球工程机械行业前 1 0 名中没有中国企业， 前 5 0 名中有 3 家中国企业； 2 0 1 1 年， 前 1 0名中有 3 家中国企业， 前 5 0名中 有 1 1 家中国企业。 从 2 0 0 5年到 2 0 1 1 年， 全球工程机械行业 5 0强排名的一个重要趋势是 ， 除卡特彼勒、 沃尔沃、 利勃海尔等少数老牌强手外， 欧 美企业排名普遍下降， 而中国企业的发展却呈井喷态势。在这一过程中， 海外并购正越来越多地为中国工程机械公司所使用。 就在 1 月 3 1日三一重工收购普茨迈斯特发布会的当天， 国内另一行业巨头柳工( 0 0 0 5 2 8 ． s z) 发布公告 ， 宣布以 3 ． 3 5 亿元人民 币并购波兰 HS W 公司工程机械业务单元。 与此同时， 徐工机械正在和德国施维英( s c Hw G) 洽谈并购事宜。 ． 算上 2 0 0 8 年中联重科并购意大利 C I F A， 国内工程机械四强无一例外地启动了海外并购。 在工程机械的分支混凝土机械领域， 普茨迈斯特是公认的第一品牌， 紧随其后的则是施维英和 C I F A． 如果徐工机械收购施维英 成功， 那么该领域的前三强就悉数归于中国企业。 这轮“ 改变全球工程机械行业竞争格局” 的并购大潮发端于 2 0 0 8 年金融危机之前， 加速于金融危机之后 ， 站在潮头的是中资企 业， 大潮背后 ， 是全球工程机械行业的重心加速向中国转移。 金融危机发生后， 普茨迈斯特等传统巨头的收入和利润逐年下滑 ， 颓势难止。反观中资企业， 由于政府实施了若干拉动行业发 展的政策， 直接刺激了国内工程机械行业的快速发展。此消彼长之间， 中资企业在国际市场强势崛起。 2 0 0 8 年之前， 对大多数国内机械企业而言， 去做海外并购这种事想都不敢想。 转折发生于 2 0 0 8 年全球金融危机之后。 这为三一 等本土企业去海外“ 抄底” 提供了难得的机会， “ 学生” 与“ 老师” 之间的地位出现了颠覆性变化。 以普茨迈斯特为例， 该公司 2 0 0 7 年营业收入为 1 O 亿欧元， 此后逐年下降， 2 0 1 0 年已跌至 5 ． 5 亿欧元 净利润约为 1 5 0 万欧元。 与之相反， 三一重工 2 0 0 7年营收为 8 3 ．6亿元人民币， 2 0 1 0年为 3 3 9 ． 5 亿元人民币， 净利润 6 0 亿元。类似此消彼长的变化也发生于 施维英与徐工机械、 C I F A与中联重科、 HS W 与柳工之间。 一 面是深受金融危机重创的欧美公司， 一面是在 4万亿元投资刺激下飞速发展的中国公司， 全球工程机械行业原有的市场格 局被打破。2 0 0 6 年， 普茨迈斯特在全球混凝土机械的市场份额排名第一 ， 约为 2 1 ． 5 ％， 施维英排名第二， 约为 1 5 ％； 当时中国混凝土 机械市场规模还不值一提 三一重工混凝土机械约占全球市场份额 8 ％， 中联重科占5 ％． 到 2 0 0 9年， 三一重工已超越普茨迈斯特成 为全球混凝土机械市场年销售额的冠军， 2 0 1 0年三一重工蝉联冠军， 中联重科则追上了普茨迈斯特， 施维英掉到了第四。 2 0 1 1 年， 中国工程机械业的营业收入同比增长 1 7 ％， 达 5 0 0 0 亿元左右， 出口额更是突破 1 5 0 亿美元 ， 创历史最高水平。 但 目前 国内工程机械企业的国际化程度并不高。2 0 1 1 年上半年， 徐工机械海外收入占总销售额的 1 3 ．9 ％， 柳工为9 ％， 中联重科为 4 ． 2 ％， 三 一 重工为 3 ．8 9 ％。 自 普茨迈斯特出售的消息在业内传出后， 三一重工、 中联重科、 徐工机械等国内巨头均有意竞购， 但大家都清楚 ， 这种“ 买回来 就能改变行业格局” 的机会并不多。 目前国内工程机械巨头无不将“ 海外扩张” 视为核心战略。从备受瞩目的中联重科收购 C I F A， 到三一重工收购普茨迈斯特； 从 徐工另辟蹊径加速收购海外研发机构， 到柳工“ 安营扎寨” 8 0国， 无不显示出本土企业与国际品牌同台竞技的决心。 27 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m