多掺大体积混凝土抗裂分析.pdf

第 3 9卷第 6期 2 0 1 3年 1 2月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 23 9 多掺大体积混凝土抗裂分析 谭小蓉 ( 西安铁路职业技术学院， 陕西 西安7 1 0 6 0 0 ) 摘要： 随着高层建筑 、 大跨结构及大型设备基础的大量出现 ， 大体积混凝土越来越广泛的被应用到实际工程中。 大体积混凝土中的水泥在硬化过程中会释放大量的水化热， 由水化热所产生的温度应力容易导致混凝土开裂。本 文通过试验对掺加粉煤灰、 乳化沥青和聚丙烯纤维等改性材料混凝土的力学性能进行了研究， 对掺加改性材料的 混凝土自身抵抗温度应力的能力进行验证。 关键词： 大体积混凝土 ； 温度应力 ； 力学性能 中图分类号： T U 5 2 8 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 3 ) 0 6 2 3 9 0 3 Cr a c k r e s i s t a n c e a n a l y s i s o n t he mu l t i d o p e d m a s s c o n c r e t e TAN Xi a o r o n g ( X i a n R a i l w a y V o c a t i o n a l T e c h n i c a l I n s t i t u t e ， X i a n 7 1 0 6 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： As t h e ma s s a p p e a r a n c e s o f h i g h - r i s e b u i l d i n g s ， l a r g e s p a n s t r u c t u r e s a n d l a r g e e q u i p me n t f o u n d a t i o n s ， ma s s c o n c r e t e h a s b e e n u s e d mo r e a n d mo r e w i d e l y t o p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g T h e c e me n t f r o m t h e ma s s c o n c r e t e wi l l r e l e ase a l o t o f h y d r a t i o n h e a t i n t h e h a r d e n i n g p r o c e s s T h e t e mp e r a t u r e s t r e s s g e n e r a t e d b y h y d r a t i o n h e a t c a n l e a d t o c r a c k i n g o f c o n c r e t e Th i s a r t i c l e c o n d u c t s me c h a n i c a l p r o p e rt y s t u d y o n t h e c o n c r e t e s wh i c h a d d t h e mo d i fi e d ma t e ria l s s u c h a s fl y a s h ， mu l s i f i e d a s p h alt ， p o l y p r o p y l e n e fi b e r a n d S O o n a n d c o n f i r ms t h e a b i l i t y t o r e s i s t t e mp e r a t u r e s t r e s s o n t h e mo d i fi e d ma t e ri al c o n c r e t e s o wn Ke y wo r d s ： ma s s c o n c r e t e ； t h e r ma l s t r e s s ； me c h an i c al p r o p e r t y 0 引 言 随着经济建设的快速发展及高层建筑、 大跨结 构和大型设备基础 的大量 出现 ， 在实 际工程 中大体 积混凝土越来越广泛的被应用。由于大体积混凝土 截面尺寸较大 ， 水泥在水化 时会放 出大量 的水化热 量 ， 然而混凝土的导热性能差 ， 且具有较大的厚度 ， 水泥水化热不易散失 ， 造成混凝土 内部与表面产生 温差 ， 进而产生温度应力 ， 最终导致混凝土温度裂缝 的出现。国内对大体积混凝土施工的研究还比较欠 缺 ， 有时会给工程施 工带来很大 的人力 、 物力 、 财力 的浪费。 1 大体积混凝土结构变形裂缝机理 1 1 裂缝的基本概念 对于固体材料来说， 其介质产生一定的不连续 现象时就为裂缝 ， 这种现象归属于结构材料强度理 论范围。混凝土是一种人造石材 ， 由水泥石 、 粗细骨 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 5 - 0 3 作者简介 ： 谭小蓉 ( 1 9 8 0一) ， 女 ， 山西 朔州人 ， 讲 师 ， 主要从事 土木工 程教学工作。 E m a i l ： t x r l w2 0 0 0 4 y a h o o c o m c n 料及外加剂混合而成 ， 混凝土的优点是抗压强度高 、 材料的耐久性好。但是， 混凝土的缺点是材料的抗 拉强度很低 、 变形能力小 ， 在实际工程 中容易导致在 结构物中产生裂缝 。 1 2 裂缝产 生原因及特点 影响裂缝产生的荷载 主要有两种 ， 第一种是各 种外荷载， 第二种是变形荷载。对于结构物裂缝的 起 因， 大致可以分为三类 ： 1 ) 由外荷载( 动、 静荷载) 直接作用在结构物上 引起的裂缝 ， 即按照通常计算的主要应力所引起的 变形应力 ； 2 ) 由于外荷载作用在结构物上 ， 其次应力 引起 的裂缝 ； 3 ) 由变形 变化引起 的裂缝 ， 即主要 由温度 、 收 缩 、 不均匀沉降或膨胀 等变形变化产生应力而引起 的裂缝 。 温度变形是指混凝土随着温度的变化而发生膨 胀或收缩的情况。在施工 阶段 ， 结构 的初始裂缝 就 是由于温度变形引起的， 减少施工阶段温度变形的 研究是大体积混凝土裂缝控制研究中的一项重要课 题 。 大体积混凝土在施工阶段产生的温度裂缝主要 四川建筑科学研究 第 3 9卷 有两方面原因： 1 ) 由于混凝土结构 的内部 和外 部温差而产生 的应力和应变 ； 2 ) 当混凝土浇筑完成后 ， 由于 内、 外约束造成 结构物的裂缝。 如果混凝土的抗拉强度值小于混凝土的温度应 力值 ， 则在混凝土 中就会出现裂缝 。如果混凝土 自 身的抗拉强度及抗拉变形能力可以抵抗在施工阶段 产生的拉应力及受拉变形， 大体积混凝土在施工阶 段的裂缝问题就能够得到较好的控制。 2 多掺大体积混凝 土力学性能试 验 研 究 传统的大体积混凝土控制方法中， 是以最大限 度减少水泥用量为 出发点 ， 但水泥用量 的减少将会 显著的降低混凝土的抗拉性能。从温控防裂角度考 虑 ， 不一定有利于超大体积 混凝土 的裂缝控制。改 变角度看待问题， 可以加入适量粉煤灰， 使配制的混 凝土在一定程度上减少水泥的用量， 同时使用新材 料让混凝土具有一定的“ 韧性” 。目前对超大体积 混凝土裂缝的控制方法有 以下几种 ： 在保证混凝 土强度的前提下， 尽可能减少水泥用量； 加入粉煤 灰等其他胶凝材料， 降低混凝土中水泥的水化热， 从 而减少混凝土的绝热温升。 2 1 多掺大体积混凝土试验 2 1 1 原材料方案 1 )胶凝材料 因为 当地没有水泥水化热较低的矿渣水泥 、 火 山灰水泥， 为了降低混凝土的水化热， 试验室使用普 通硅酸盐混凝土掺人适量的粉煤灰。本次试验采用 陕西省铜川市耀 州区 P 0 3 2 5秦岭普通硅酸盐混 凝土 ， 陕西省渭河电厂生产的二级粉煤灰。 2 )粗细骨料 粗骨料选用泾阳县口镇石灰岩碎石， 其特点是 强度较高， 石子的粒径分别为 51 0 m m、 1 0 2 0 mm、 2 04 0 m m， 所 占的 比例 分 别 为 2 5 、 2 5 、 5 0 ， 级配良好， 所使用的石子均经清洗， 密度 2 6 5 0 k g IT i ， 含泥量 2 。细骨 料选 用西 安市 霸河 河 沙， 密度 2 5 8 0 k g m ， 含泥量2 。 3 ) 外加剂 在拌和混凝土时加入少量外加剂 ， 可 以很好的 改善混凝土性能。本次试验采用的外加剂为木质素 磺酸钙减水剂 ， 该减水剂 的掺量一般为水泥重量 的 0 5 一1 0 ， 使用该减水剂的混凝土可以减水 1 2 左右， 提高混凝土强度 3 0 左右， 同时也改善 了混凝土的导热性能和抗裂性 。 4 ) 新型混凝土掺料 聚丙烯纤维 为了提高混凝土的抗裂性， 在拌制混凝土时掺 人聚丙烯纤维材料 ， 掺量为 0 9 g m 。低掺量 聚丙 烯纤维能显著地改善混凝土早期塑性收缩开裂 ， 同 时聚丙烯纤维还有助于降低硬化混凝土的干缩 。 乳化沥青 乳化沥青混凝土可 以提高混凝土 的各种性能 ， 特别是抗拉弯强度及材料的韧性等参数明显高于普 通混凝土。采用了乳化沥清拌制的混凝土 ， 由于水 泥砂浆和乳化沥青相互渗透 ， 形成交错 凝胶 网络骨 架 ， 再与其混合物构成一种“ 柔 中带刚” 的新 结构 ， 最终形成一种高性能混凝土。 2 1 2试验 方案 1 ) 试验参数采集方案 大体积混凝土施工裂缝问题与多种原因有关 ， 其 中主要控制因素有混凝土的抗压强度 、 轴心抗拉 强度。 混凝土抗压强度 混凝土的抗压强度 ， 一般以标准养护 2 8 d龄期 为基准 ， 通过试验得 出混凝土的破坏荷载 ， 该荷载即 为混凝土的抗压 强度。本次试验按照标准 ， 制作 3 个 1 5 0 m m1 5 0 m m1 5 0 mm的标准混凝土抗压强 度试块 ， 并且按照标准条件养护 2 8 d 。 混凝土轴心抗拉强度 混凝土轴心抗拉强度较低， 一般是同龄期抗压 强度的 1 1 01 1 2 ， 轴心抗拉强度随着抗压强度 的 增长而增长。本次试验采用轴拉法对混凝土的轴心 抗拉强度进行试验 ， 试块尺寸如图 1 所示。 图 1 混凝土抗拉试块 尺寸 F i g 1 T h e s i z e o f t h e c o n c r e t e t e n s i l e s a mp l e 2 ) 试验室及试验设备准备 本次试验需要测试的两种数据包括混凝土的抗 压强度、 混凝土轴心抗拉强度， 所采用的试验设备见 表 1 。 2 0 1 3 N o 6 谭小蓉： 多掺大体积混凝土抗裂分析 2 4l 表 1 试验设备 T a b l e 1 Te s t e q u i p me n t 试 验类 型 试验设备 昆凝土抗压强度 2 0 0 0 k N压力试验机 混凝土轴心抗拉强度 5 0 0 k N万能试验机 2 2 多掺大体积混凝土力学性能试验 2 2 1 混凝 土 配合 比 昆 凝土的配合 比见表 2 。 表 2 混凝土配合 比 Ta b l e 2 Co n c r e t e mi x 2 2 2混 凝 土抗压 强度 本次试验制作的立方体抗压强度试块均在标准 条件下进行养护， 每组配合比制作 3个标准立方体 试块 。试验设备采用 2 0 0 0 k N压力试 验机 ， 所采用 压力试验机的精确度为 1 ， 试件破坏荷载大于全 量程的 2 0 且小于全量程的 8 0 。试验结果见表 3 。 表 3 试验结果 Ta bl e 3 Te s t r e s ul t s 2 2 3混凝 土轴 心抗拉 强度 本次试验制作的轴心抗拉强度试块均在标准条 件下进行养护， 每组配合比制作 3个抗拉试块。试 验设备采用 5 0 0 k N万能试验机 ， 所采用的万能试验 机的精确度为 0 5 。本次轴心抗拉强度试验采用 轴拉法， 在试验中构件破坏的理想断面在抗拉试块 的中部 1 0 0 mm x 1 0 0 m m 截 面 处 ， 总 长 度 为 4 0 0 m m。试验结果见表 4 。 2 3 试验结果分析 通过对多掺料混凝土的力学性能试验研究可以 得出以下结论。 1 ) 普通混凝土抗压强度值为5 1 4 M P a 。 只掺 表4 试验结果 Ta bl e 4 Te s t r e s ul ts 加乳化沥青 的混凝 土抗压强度最小值为 5 1 6 MP a ( 试块二) ， 与未掺加外加材料的 昆 凝土相比强度有 所提高。只掺加乳化沥青的混凝土立方体抗压强度 比掺加乳化沥青和聚丙烯纤维的 昆 凝土立方体抗压 强度高 ， 昆 凝土强度随着乳化沥青添加 比例的增加 呈降低趋势。 2 ) 普通混凝土的抗拉强度值为 2 1 6 M P a ， 掺加 外加材料的? 昆 凝土抗拉强度值均高于普通混凝土。 只掺D H - L 化沥青的混凝土抗拉强度大于掺加乳化沥 青和聚丙烯纤维的混凝土抗拉强度， 同时抗拉强度 随着乳化沥青的掺量增加呈降低趋势。 3 结 语 对于传统大体积混凝土的研究主要从控制温度 的角度来解决温度裂缝 的产生 ， 在施工时可采用管 冷 、 跳仓法等方法来解决大体积混凝 土施工 时的裂 缝问题 。本文改变角度思考 ， 从配置混 凝土的原材 料方面着手， 使配置的新型多掺高性能混凝土具有 一 定的自 适应能力， 以达到大体积混凝土在施工时 可 自身抵抗 由于水化热作用产生 的温度应力 ， 阻止 温度裂缝的产生。本文通过对新型多掺大体积混凝 土进行 了基本力学性能的试验研究 ， 由试验结果可 知 ， 掺J； I1 - L 化沥青的混凝土基本力学性 能要优于 同 配合 比的普通混凝土， 有一定的抗裂性能 ， 新型多掺 大体积混凝土具有一定的可应用性。 参 考 文 献 ： 1 朱伯芳 大体积混凝土的温度应力和温度控制 M 北京： 中 国电力出版社 ， 1 9 9 8 2 Y u n u s B a l l i m A n u m e ri c al m o d e l a n d a s s o c i a t e d c a l o r i me t e r f o r p r e d i c t i n g t e m p e r a t u r e p r o fi l e s i n m a s s c o n c r e t e J C e m e n t a n d C o n c r e t e C o m p o s it e s ， V o 1 2 6 ， I s s u e 6， 2 0 0 4 ( 8 ) ： 6 9 5 - 7 0 3 3 Ma j o r a n a C E， Z a v a r i s e G， B o r s e t t o M， e t a 1 G i u s e p p e t t i No n l i n e a r a n a l y s i s o f t h e r m a l s t r e s s e s i n m a s s c o n c r e t e c a s t i n g s J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， V o 1 2 0， I s s u e 4， 1 9 9 0 ( 7 ) ： 5 5 9 - 5 7 8 4 叶琳昌， 沈义 混凝土工程裂缝分析与控制 M 北京： 中国 铁道出版社 ， 2 0 0 2 5 王铁梦 工程结构裂缝控制 M 北京： 中国建筑工业出版社， 1 9 9 7