掺纤维和膨胀剂混凝土渡槽裂缝特征研究.pdf

中国科技核心期刊 斩癯 建蟓 掺纤维和膨胀剂混凝土渡槽裂缝特征研究 高翔 - ， 陈泽昊 ， 刘宏伟 ， 徐少云 ， 高培伟 ( 1 东北大学 工业设计系 ， 辽宁 沈阳1 1 0 0 0 4 ； 2 南京航空航天大学 土木工程系， 江苏 南京2 1 0 0 1 6 ) 摘要 ： 大型薄壁混凝土渡槽收缩开裂严重地影响渡槽使用功能和寿命。掺纤维和新型膨胀材料可降低混凝土收缩值， 减少混 凝土渡槽 的收缩开裂。通过平板法和 圆环法进行混凝土渡槽 早期抗裂性能试验 ， 研究 了新型膨胀材料和纤维对混凝土渡槽早期塑 性 开裂性能 的影响 。试验结果表 明， 掺 6 8 的膨胀材料可有效补偿和减少混凝土收缩， 降低混凝土裂缝 的产 生和扩 展： 掺 8 膨 胀材料和 0 6 纤维的抗裂性能较好 。 关键词 ： 渡槽； 膨胀材料； 纤维； 混凝土； 抗裂 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 4 ) 1 0 0 0 1 8 0 4 Cr a c ki ng o f c o nc r e t e aq ue duc t wi t h e xpa ns i v e a g e nt a nd fibe r G A 0 Xi a n g ， C HE N Z e h a o ， L 1 U Ho n g w e i 2 , XU S h a o y u n ， G A 0 P e i w e i ( 1 De p a r t me n t o f I n d u s t ria l De s i g n， No r t h e a s t e r n Un i v e r s i t y， S h e n y a n g 1 1 0 0 0 4， Li a o n i n g ， C h i na ； 2 D e p a r t me n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， N a mi n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s ， N a n j i n g 2 1 0 0 1 6 ， J i a n g s u ， C h i n a ) Abs t r ac t ： Cr a c k s O c c u r e a s i l y i n l a r g e c o n c r e t e a q u e d u c t s ， wh i c h a f f e c t t h e u s e f u n c t i o n a n d l i t i me o f t h e a q u e d u c t s A n o v e l e x p a ns i v e a g e n t a n d fi b e r we r e u s e d t o c o mp e ns a t e t h e d e f o r ma t i o n， a n d t o r e d u c e t h e a q u e d u c t c r a c ks c a u s e d b y c o n c r e t e s h r i n k a g e I n o r d e r t o s t u d y t h e i n fl u e n c e o f t h e n e w e x p a n s i v e ma t e ri a l s a n d fib e r s o n t h e e a r l y a g e c r a c k i ng b e h a v i o r s o f c o n c r e t e a q u e d u c t ， t h e c r a c k i n g b e h a v i o r s o f c o n c r e t e a q u e d u c t wa s a n aly z e d u s i n g t h e mo d i fie d fla t a n d rin g t y p e s p e c i me n T h e r e s u i t s s h o w t h a t wi t h 6 t o 8 e x p a n s i v e ma t e ria l s ， t h e c o n c r e t e s h rin k a g e c a n b e e f f e c t i v e l y r e d u c e d a n d o c c u r r e n c e a nd d e v e l o p - me n t o f c r a c k i n g c a n b e mi n i mi z e d T h e c r a c k r e s i s t a n c e p e r f o rm a n c e i s b e s t wh e n t h e c o n t e nt o f e x p a n s i v e ma t e r i als i s 8 a n d t h a t o f fi b e r i S 06 Ke y wor d s： a q u e d u c t ； e x p a n s i v e ma t e ria l ； fi b e r ； c o n c r e t e ； a n t i - c r a c k i n g 南水北调工程是未来我国可持续发展和整个国土整治的 关键性工程，是解决我国北方水资源严重短缺问题的特大型 基础设施【1 _ 。 南水北调工程中渡槽数目众多， 而U型渡槽薄壁 大体积混凝土开裂问题至今无有效解决办法，在施工期极易 出现裂缝， 这不仅导致渡槽的渗漏与破坏， 降低渡槽的使用功 能和寿命， 还严重影响人们的生产与生活嘲 。 引起混凝土渡槽开裂的主要原因是浇筑初期水泥水化 热、 自 身体积收缩应力和环境温度变化产生的温度应力等翻 。 采用纤维和膨胀剂复合，利用纤维的物理约束和膨胀剂的化 学补偿联合减少混凝土的收缩变形， 提高混凝土的抗裂性能。 基金项 目： 江苏省六大人才基 金项 目( J Z 一 0 1 0 ) ； 国家博士后基金项 目( 2 0 1 4 M5 5 1 5 8 8 ) ： 江苏省博士后基金项 目( 1 3 0 1 0 5 7 B ) ； 江苏省建设厅基金项 目( 2 0 1 3 Z D1 2 ) 收稿 日期： 2 0 1 4 0 4 2 2 ； 修 订 日期 ： 2 0 1 4 0 7 0 3 作者简 介： 高翔 ， 男， 1 9 9 4年生 ， 山东蓬莱 人。通讯作 者 ： 高 培伟 ， 地 址 ： 南京市御道街 2 9号， E m a i l ： g p w 1 9 6 3 1 6 3 c o m。 l 8 新型建筑材料 2 0 4 1 0 因渡槽结构的特殊性，要求膨胀剂能够满足补偿不同渡槽混 凝土收缩要求 ， 降低收缩开裂。通过平板和圆环抗裂性试验 研究了复掺新型膨胀材料和纤维的混凝土早期抗裂 I：X H v_ , 探 讨了抗裂机理， 为工程应用提供理论依据。 1 试验 1 1 原材料 水泥： 河南邓卅 I 某水泥有限公司生产的P 0 4 2 5 水泥； 粉 煤灰： 河南某公司生产的I 级 F 类粉煤灰； 砂： 天然河砂； 石 子： 玄武岩碎石， 粒径5 1 0 m m小石和 1 0 2 0 m m中石； 减水 剂和引气剂： 河北省某外加剂厂生产的D H 3 G聚羧酸类减水 剂和 D H 9 引气剂； 纤维： 聚丙烯纤维( P P F ) ； 新型膨胀剂： 采用 菱 镁石和白 云石复合经适宜的 煅烧工艺制备而成，主 要含有 氧化钙和氧化镁， 化学成分见表 1 ， 符合G B 2 3 4 3 9 -2 0 0 9 混 凝土膨胀剂 的要求。 表 1 新型膨胀材料的化学成分 Mg O C a O S i O 2 A 1 2 0 3 F e 2 0 3 L o s s 其 它 4 9O 9 4 00 6 6 3 4 O91 】2 4 】3 5 00 2 1 0 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 高翔， 等： 掺纤维和膨胀剂混凝土渡槽裂缝特征研究 1 2 混凝土配合比和试验方法 混凝土基准配合比见表2 。 表 2 混凝土 的基准配合 比 k g m 采用平板法和圆环法测试混凝土的早期开裂收缩。 ( 1 ) 平板法。 平板法测试混凝土早期收缩开裂参考G B T 5 0 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 进行。 混凝土拌合后， 进行浇注、 振实、 抹平。 标准养护2 h 后， 将试件连同模具置于温度为( 2 0 1 ) 、 相对湿度为( 6 O 5 ) 、 风速为0 8 m s 的环境中。 测试和记录混凝土试件出现裂纹时 间和裂缝数量、 长度、 宽度等随时间的变化圈 。1 d内每 1 0 m i n 测试 1 次， 1 d 后每1 h 测试 1 次。 ( 2 ) 圆环法。圆环试验参照A S T M C l 5 8 1 0 4 水泥砂浆 和混凝土环式限制收缩开裂测试标准方法 进行， 在内、 外同 心 钢环模具 和底模问 浇筑， 成型后 拆除 外模， 模具 尺寸见图l 。 密封石蜡 图 1 圆环 法测试模具尺 寸示意 在温度( 2 0 2 ) 、 湿度( 6 0 5 ) 环境下养护 2 4 h 后拆去 外钢环并将试件上表面涂蜡密封， 采用H P 3 8 5 2 S 数据采集与 控制仪开始记录各个钢圆环内壁在不同龄期时的应变值， 数 据采集频率不大于3 0 m i n 次。 混凝土环形试件在收缩时受到内钢环的约束，环内部的 受力情况如图2 所示。S h a h S 等 根据弹性力学理论分析， 得到混凝土环在完全约束状态下的应力， 结果见式( 1 ) 。 图 2 混凝土圆环内部应力示意 了下_ 一 ( 1 ) ( + r ( 一 r 2 ) + v 式中： 混凝土环的外径， m m ； 广混凝土环的内径， m m ； 混凝土收缩对内部钢环产生的压应力， M P a ； 混凝土环的自由收缩应变， x 1 0 ； 卜混凝土环的弹性模量， G P a ； 混凝土环的泊松比。 2 试验结果 2 1 平板法测试结果 平板法试验分别测试混凝土的初裂时间、 最大裂缝宽度、 裂缝条数、 平均开裂面积、 最终开裂面积来评价混凝土抗裂等 级，表3 为膨胀材料与纤维掺量对渡槽混凝土开裂性能的影 响试验结果。 由表3 可见， 随膨胀材料掺量提高， 混凝土的初裂时间有 所延迟。D 6 6 混凝土初裂时间较基准混凝土推迟了2 3 5 h ， D 6 8 混凝土初裂时间较基准混凝土推迟了2 5 5 h ， D 8 6混凝 土初裂时间较基准混凝土推迟了2 6 5 h 。D 6 6 、 D 6 8 、 D 8 6 混凝 表 3 膨胀材料与纤维掺量对渡槽混凝土开裂性能的影响 N E W BU J L DI NG MATE RI AL S 1 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 高翔 ， 等： 掺纤维和膨胀剂混凝土渡槽裂缝特征研究 土的最终开裂面积仅分别为基准混凝士的3 9 、 2 5 、 0 9 。 由此可见， 掺纤维和膨胀剂可显著减少渡槽混凝上开裂。 由表3 还可以看 ， 随膨胀材料掺镀提高， 混凝上的圾人 裂缝宽度有所减小。 3 d 龄期， D 6 6 、 D 6 8 、 D 8 6 混凝t的最人 裂缝宽度较基准混凝土分别减少了8 4 ， 8 、 8 7 ， 0 、 9 3 5 。 新犁膨胀材料掺罨 同时渡槽混凝l_ L 裂缝平均宽度随龄 期的变化见图3 。 O1 4 0 l 2 l O l O 0 08 06 0 O4 0 - 0 2 0 O 2 4 6 8 1 0 1 2 l 4 1 6 龄期 d 图 3 掺膨胀材料渡槽混凝土裂缝发展过程 由图3町以看出， 渡槽混凝土裂缝生成的主要时问集中 在前2 4 h 。2 4 h 时， D 6 6 、 D 6 8 、 D 8 6 混凝 l ： 的裂缝宽度分别为 0 0 3 6 、 0 0 3 0 、 0 0 2 6 m m， 相当于基准混凝 f ： 的3 1 0 、 2 5 8 、 2 2 8 。 新型膨胀材料掺量小同时渡槽混凝上裂缝总面积在小川 龄期的试验结果见图4 。 3 O 差 2 0 菩 0 1 ) 6 6 D 6 8 I) 8 6 图 4 掺膨胀材料混凝土的裂缝总面积 由图4 可见， 在 1 3 d 龄期内， 混凝 开裂面积随时问延 长而增加。养护 l d ， 朱掺膨胀材料混凝 的开裂而积5 2 9 5 fi l m ， D 6 6 、 D 6 8 、 D 8 6混凝土开裂面积分别为基准混凝上的 3 4 、 2 1 l J 0 8 ； 养护2 d ， 未掺膨胀材料混凝上的开裂 积为 6 4 3 _ 3 m m 。 ， D 6 6 、 D 6 8 、 D 8 6混凝土开裂面积分别为基准 混凝 的2 9 、 2 1 和0 7 ； 养护 3 d ， 未掺膨胀材料混凝上 的开裂面积6 6 3 9 m m z ， D 6 6 、 D 6 8 、 D 8 6 混凝- L J F 裂面积分别为 基准混凝土的3 8 、 2 5 和0 9 。 说明新犁膨胀材料z日 bE , 刊 - 效 地减少混凝土的收缩裂缝， 控制裂缝发胰。 从图3 、 图4 可以看出， 复掺新型膨胀材料和纤维埘于混 凝土早 期塑性收缩具有很强的抑制作用，混凝土中加入新 膨胀材料和纤维后，裂缝总面积与基准溉凝上相比均仃 ! 人 2 0 新型建筑材料 2 0 1 4 1 O 的减少。 2 2圆环法测试结果 圆环试验术考虑纤维复掺情况。 单掺膨胀材料砂浆圆环 收缩开裂试验结果见 5 ， 环拆模后收缩应变随龄期的变 化见图6 。 图 5 单掺膨胀材料砂 浆圆环收缩开裂试验结果 2 型 姆 龄,t0 l h 0 20 40 6 0 80 1 O0 l 2 O 1 4 0 1 60 图 6 不同膨胀材料掺量混凝土圆环 收缩应变随龄期的变化 由图6 可见， 圆环应变发生突变， 表面混凝土发生初裂。 掺4 和 8 膨胀材料混凝上圆环开裂时问要明显晚于未掺 膨胀材料混凝 圆环开裂时间， 分别为 1 4 4 h 、 1 4 8 h 和 1 0 4 h ， 说明掺膨胀材料混凝十的抗裂性 - Z日 E , 要优于不掺膨胀材料的混 凝 ： ； 同时从应力曲线可以看出， 掺膨胀材料混凝上在初期产 乍一定膨胀， 由 ： 混凝土干缩， 试件很快开裂。 根据式( 1 ) 计算出 膨胀材料掺节为0 、 4 、 8 的混凝_十在 第 1 0 0 h的钏内环所受混凝十压应力P分别为0 6 9 、 0 2 8 、 O 1 4 M P a 。 这表 ， 不掺膨胀材料混凝土应力发展最快， 掺8 膨胀材料混凝 ： 内环压应力发展最慢，内环压应力发展速率 和膨胀材料掺 成反比。第 1 0 0 h 未掺膨胀材料的混凝土内 环压应力比掺4 和8 膨胀材料混凝土内环压应力分别高 1 4 6 和3 9 3 ，说叫掺新型膨胀材料引起的膨胀应力能有效 补偿混凝 j ： 收缩变形， 提高混凝土抗裂能力。 2 3 试验结果讨论 研究农I纠，纤维和膨胀材料复掺埘减少混凝土的变形和 抑制裂缝发展表现出了良好的叠加效果 。膨胀材料中的不 同组分在水分充足条件下可发挥作用，而纤维的掺入在一定 程度上阻隔了水分散失通道，一部分原本可能散失的水分滞 留存混凝一 i 内部，这部分滞 的水分一方面降低了混凝上因 0 舳 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 高翔， 等： 掺纤维和膨胀剂混凝土渡槽裂缝特征研究 水分散失引起的收缩，另一方面为膨胀材料中不同组分发挥 效应提供了良 好的外部条件。且该膨胀组分在早期的水化易 填充其周围浆体孔隙， 一定程度上降低裂缝的发生， 能够提高 混凝土的早期抗裂性能 “ 】 。 掺新型膨胀材料， 混凝土抗裂性能明显提升， 随新型膨胀 材料掺量增加， 混凝土内环压应力发展逐渐缓慢， 内环压应力 发展速率和膨胀材料掺量成反比。这是因为膨胀材料掺量增 加， 含量较高的氧化钙水化生成的氢氧化钙能与粉煤灰发生反 应使混凝土基体强度更高， 能够抑制混凝土的早期塑性收缩旧 。 3 结语 掺适量的新型膨胀材料和纤维能提高混凝土早期抗裂性 能。掺0 8 新型膨胀材料和0 6 0 8 纤维， 随膨胀材料掺 量增加， 混凝土的初裂时间延长， 裂缝的最大宽度、 最终条数 和最终开裂面积均呈现下降的趋势。新型膨胀材料掺量为 8 、 纤维掺量为0 6 的混凝土 D 8 6 养护2 4 h ， D 8 6 混凝土裂 缝平均宽度分别为D O 、 D 6 6 和D 6 8的6 8 、 7 5 N 5 0 ， 对 混凝土的早期塑性开裂起到了明显的抑制作用。 新型膨胀材料发生水化反应的产物均具有膨胀性，且水 化生成的氢氧化钙能与粉煤灰发生反应使混凝土基体强度更 高， 能够降低混凝土的早期塑性收缩， 且 A组分在早期的水 化也较为容易填充其周围浆体孔隙，一定程度上降低裂缝的 发生， 能提高掺新型膨胀材料混凝土的早期抗裂性能。 膨胀材料与纤维复合使用的效果明显， 掺入纤维不仅可 有效提高膨胀材料补偿收缩的效果， 而且可以抵抗微裂缝的 扩展。 参考文献： 1 杨恒 阳 锂渣、 粉煤灰高性能混凝土早期抗 裂机 理研究 J 1 粉煤 灰 综合利用 ， 2 0 1 3 ( 4 ) ： 3 - 1 3 2 钱红 萍 纤维素纤维及 纤维混杂混 凝土抗裂抗 渗性 能的试验研 究及工程应用【 J J _ 新型建筑材料， 2 0 1 2 ( 3 ) ： 4 0 5 0 3 】 B u r r o w s R， K e p l e r WT h r e e s i mp l e t e s t s f o r s e l e c t i n g l o w c r a c k c e m e n C e me 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 4 ， 2 6 ( 5 ) ： 5 0 9 - 5 1 9 4 4 Ga o P e i w e i ， L u Xi a o l i n P r o d u c t i o n o f Mg O t y p e e x p a n s i v e a g e n t i n d a m c o n c r e t e b y u s e o f i n d u s t ri a l b y - p r o d u c t s J 】 B u i l d i n g a n d En v i r o n me n t ， 2 0 08， 4 3( 4) ： 45 3 4 5 7 【 5 】 孙道胜 ， 黄 小明， 邓敏， 等 聚丙烯纤维增强膨胀混凝土试 验研 究 J 1 新型建筑材料， 2 0 0 4( 2 ) ： 1 - 4 6 S h a h S ， We i s s W J ， Y ang W S h ri 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 J 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 ， 2 0 ( 4 ) ： 5 1 5 5 7 S h a h S ， O u y a n g C ， Ma r i k u n t e S ， e t a 1 A me t h o d t o p r e d i c t s h ri n k - a g e c r a c k i n g o f c o n c r e t e【 J 1 A C I Ma t e ri a l s J o u rna 1 1 9 9 8 ， 9 5( 4 ) ： 3 3 9 3 4 6 【 8 】 曹擎宇 ， 郝挺 宇 ， 孙伟 纤 维混凝土抗 裂性能 分析及在隧 道工程 中的应用 混凝土 ， 2 0 1 2 ( 1 2 ) ： 1 0 2 1 0 8 【 9 张佚 伦 聚丙烯纤维混凝土早期收缩 与抗裂性 能试验研究 D 杭 州： 浙江大学， 2 0 0 6 【 1 0 P e i - w e i G a o ， S h a o - y u n X u R e s e a r c h o n a u t o g e n o u s v o l u m e d e - f o r ma t i o n o f c o n c r e t e w i t h Mg O J 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 3( 4 O )： 9 9 8 1 0 01 【 1 1 刘加平， 王育江， 田倩， 等轻烧氧化镁膨胀剂膨胀性能的温度 敏感性 及其机 理分析阴 东南大 学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 1 1 ， 4 1 ( 2 ) ： 3 5 9 3 6 4 1 2 1 沈化 荣， 高培伟 ， 李杰 ， 等 碳 系导 电材料 对水泥净 浆导 电性 能 及微观机理的影响 J 新型建筑材料 ， 2 0 1 3 ( 9 ) ： 1 2 1 8 A ( 上接第 6页) 【 2 】 王春伟 ， 张雪芹 ， 郑 树军， 等 水性节 能隔热 混凝 土彩瓦涂料 的研 制叨 新型建筑材料， 2 0 0 4( 1 】 ) ： 2 7 2 9 3 张雪芹 ， 曲生华 ， 苏蓉芳， 等 建筑反射 隔热涂料隔热性能影响 因 素及应用技术要点叨新 型建筑材料 ， 2 O 1 2( 1 1 ) ： l 6 2 8 4 厦晶 复合无机颜料 J 1 涂料技术与文献 ， 2 0 1 1 ( 9 ) ： 4 0 4 4 5 曹延鑫 ， 王 晓燕 ， 冯 酤 热反射颜 料对彩 色反射 隔热涂料 的影响 J 涂料工业 ， 2 0 1 4 ， 4 4( 4 ) ： 1 1 - 1 6 【 6 孙顺杰 ， 杨文颐 ， 冯晓杰 ， 等 彩色热反射隔热涂料 的研 制与性能 研究 J 中国涂料 ， 2 0 1 3 ， 4 3 ( 4 ) ： 1 7 2 2 7 】 刘成楼， 隗功祥 彩色太阳热反射隔热外墙涂料的研G 0 J 现代涂 料与涂装 ， 2 0 1 1 ， 1 4 ( 1 2 ) ： 1 5 2 0 【 8 张雪 芹， 张伟平 建筑反射隔热涂料制 备技 术及研 究进展f J 新 型 建筑材料 ， 2 0 1 2 ( 2 ) ： 4 6 4 9 9 张雪芹 ， 韩国 民， 周根全 建筑保 温隔热涂 料及其 复合技术研 究 们 新型建筑材料 ， 2 0 0 8 ( 1 0 ) ； 4 6 4 9 f 1 O 石玉梅， 杨文颐， 乔亚玲 建筑反射隔热涂料的应用现状及存在 问题分析 J 中国涂料 ， 2 0 1 4( 1 ) ： 8 - 1 0 1 1 】 邱童 建筑用隔热涂料热工性能评价方法分析【 J 1 建筑节能， 2 01 2( 1 0 )： 4 2 4 5 1 2 关 有俊 ， 熊永 强 隔热涂 料在夏 热冬暖地 区的应用 及节 能分 析 J I 涂料工业， 2 0 1 3 ， 4 3 ( 7 ) ： 4 3 4 6 A N E W BUl L DI NG MAT E Rl AL S 21 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m