大掺量矿物掺合料混凝土的干燥收缩与数学模型.pdf
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1、第 2 5卷第 2期 2 0 0 8年 6月 华 中 科技大学学报( 城市科学版 ) J o f HUS T( Ur b a n S c i e n c e Ed i t i o n ) Vo 1 2 5 No 2 J u n 2 0 0 8 大掺 量矿 物掺 合料混凝 土 的干燥收缩与数学模 型 白 康, 余红发, 郝 娟, 曹文涛, 周 鹏, 韩丽娟 ( 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 : 本 文研究了矿物掺合料 和膨胀剂对混凝 土干燥 收缩的影响 。结果表 明 在低水胶 比等量取代 5 5 水泥 的情况下 , 单掺 矿渣 时混凝土 的干燥收
2、缩 值最小 , 双掺矿渣 和粉煤灰时 混凝 土干燥 收缩值略有 增加 , 复合 掺加 硅灰时将显著增大 混凝 土的干燥收缩 , 复合掺加膨胀 剂有 利于降低干燥收缩值 。此外 , 建立 了大掺量矿 物掺合 料混凝土干燥收缩 的复合指 数函数模型 , 该模型与实测值 非常吻合 。 关键词 : 混凝 土 ; 矿物掺合 料; 干燥 收缩 ; 数学模 型 中图分类号 : T U5 2 8 ; T U5 0 2 6 文献 标识码 : A 文章编号 : 1 6 7 2 7 0 3 7 ( 2 0 0 8 ) 0 2 0 0 3 9 0 3 混凝 土收 缩及 其 引起 的开裂 问题 一 直是 国内 外研究
3、的 重点 和难 点 。矿物 掺合 料 已经 成 为配 置 高性能混凝土的必要条件。但是大掺量矿物掺合 料 混凝 土 的干燥 收缩 变形 较 大 , 从 而 导致 混 凝 土 结 构开裂 , 严重 影 响工程 结构 的安全 性 和耐久 性L 1 。 “ 矿物掺合料” 一词在工程界已经替代原先 的“ 工业废渣” 而被广泛接受, 但大量研究工作仍 停 留在宏 观表 象层 面 , 未 能形 成 明确 的结论 , 从 而 制约了矿物掺合料在工程实践 中的进一步推广应 用 。研究 表 明 3 卅 : 矿渣 ( S l a g , S G) 水 泥混 凝 土 的 干燥收缩是普通水泥混凝土的 1 6 2 1
4、倍 ; 掺加 5 1 O 硅灰 ( S i l i c a f u me , S F) 或 3 O 粉煤 灰 ( F l y a s h , F A) 将 增 大 混凝 土 的干 燥 收 缩 ; 对 于 掺 加 1 O 1 5 的 S F的 混 凝 土 , 其 干燥 收缩 稳 定 期 比较 长 。本文 研究 了矿物 掺合 料 和膨 胀 剂的 复 掺技术对混凝 土干燥 收缩的影响规律, 并在现有 的 混凝 土 干燥 收缩 数 学 模 型 的 基 础 上 , 优 化 出 描 述 混凝 土 干燥 收缩 的新 模 型 , 该 模 型 与 大 掺 量 矿 物掺合料混凝土的干燥收缩实测值 吻合 良好 。
5、1 试验 1 1原材 料 ( 1 ) 胶凝 材 料 : 嘉 新京 阳水 泥 股份 有 限公 司生 产 的 P 5 2 5 R 硅 酸 盐 水 泥, 其 初 凝 时 间 为 l h 4 8 mi n , 终 凝 时 间 为 2 h 3 8 mi n , 3 d和 2 8 d抗 折 强度分别为 6 0和 9 2 MP a , 3 d和 2 8 d抗压强 度分别为 2 7 8和 5 5 7 MP a ; 镇 江产风选 I 级粉 煤灰 , 其细度 ( O 0 8 mm 筛余率) 为 6 8 , 需水量 比 9 3 ; 埃肯 国际 贸易 ( 上 海 ) 有 限公 司 提供 的埃 肯牌硅灰 , 平均粒径为
6、 0 2 b t m; 江苏江南粉磨公 司的 $ 9 5 级磨细矿渣, 比表面积 4 6 1 m。 k g ; 安徽 巢 湖 速 凝 剂 总厂 生产 的 铝酸 盐 混 凝 土膨 胀 剂 ( Al u mi n a t e E x p a n s i v e Ag e n t , AE A) , 是 以高 铝 水泥熟料与明矾石、 无水石膏共同粉磨而成 , 其膨 胀源为钙矾石 , 膨胀能高, 膨胀稳定 。原材料的化 学成分参见表 1 。 表 1 原料 的化学成分 ( w t) 收稿 日期 : 2 0 0 8 一 O 1 2 5 作者简介 :自康 ( 1 9 8 2 一 ) 男, 山东淄博人 , 硕
7、士研究生 研究方 向为混凝 土耐 久性, b a i k a n g O 1 1 1 6 3 c o m。 基金项 目:国家 自然科 学基 金 ( 5 0 1 7 8 0 4 4 ) ; 江苏省 自然科学基金前期预研项 目( B K2 0 0 5 2 1 6 ) 维普资讯 。4 O 华中科技大学学报 ( 城市科学版 ) ( 2 ) 骨料: 南京六合产玄武岩碎石 , 最大粒径 1 0 mm, 表 观 密 度 2 8 2 0 k g m。 , 堆 积 密 度 1 4 3 5 k g m。 , 含 泥 量 0 3 , 针 片状 颗 粒 含 量 1 1 4 oA , 压 碎指 标 6 , 基 本 属
8、于 5 1 0 mm 连续 级 配 ; 南 京产黄砂 , 表观密度 2 5 0 0 k g m。 , 堆积密度1 6 1 5 k g m。 , 含泥量 1 0 , 细度模数 2 7 2 , 属 于 区 级配 , 中砂 。 ( 3 ) 高效外加剂 : 上 海华登外加剂厂生产 的 HP 4 O O R 型聚羧酸缓凝高效减水剂, 该外 加剂为 液体, 减水率 3 O 以上, 无氯离子 , 碱含量小于减 水剂干重的 1 ; 江苏省建筑科学研究院生产 的 液体 J M一 2 0 0 0 c高效 引气剂 , 推 荐掺量 为万分之 0 5 1 0。 ( 4 ) 水直接采用饮用水 。 1 2试验 表 2是 矿
9、 物 掺 合 料 掺 量 达 到 5 5 的 系列 混 凝土的配合 比和力学性能。 其中, D1为三掺 ( 2 5 F A+2 5 S G+5 S F ) 的矿物掺合料混凝土 ( 掺 量 采用 质量 比 , 下 同 ) , D2为双 掺 ( 2 5 F A+3 O S G) 的矿物掺合料混凝土 , D3和 D4分别为单掺 5 5 F A和 5 5 S G的矿物掺合料混凝土 , D5是 在 D1的基础上复合掺加 1 O AE A。每组混凝土 均掺加高效减 水剂和高效 引气剂 , 其掺量分别 占 胶凝材料总量的 1 oA和万分之 0 8 。 保持混凝土的 坍落 度在 1 0 0 2 O O mm,
10、 水胶 比控制在 0 2 5 0 2 8 之 间 。 表 2混 凝 土 配 合 比 混 凝 土 丽 蔫 D1 2 7 0 1 5 O 1 5 O 3 0 0 6 7 6 1 1 0 4 0 2 5 7 0 6 D2 2 7 0 1 5 O 1 8 0 0 0 6 7 6 1 1 0 4 0 2 7 6 1 2 D3 27 0 33 0 0 0 0 6 7 6 11 0 4 0 2 8 5 1 3 D4 27 0 0 3 3 0 0 0 6 7 6 11 0 4 0 2 5 8 4 5 D5 21 0 1 5 O 1 5 O 3 O 6 0 6 7 6 1 1 0 4 0 2 7 7 6 4 注
11、: HP 4 O O R 的掺量为 1 , J M一 2 O O O c的掺量为万分之 o 8 。 按照 表 2的 配 比 , 将 水泥 、 砂 、 石 、 外加 剂和 矿 物 掺合 料 在 搅 拌 机 中干 拌 1 rai n , 再 加 水 湿 拌 3 mi n 。出料后测定混凝土混合料的坍落度和含气 量 , 之 后 浇 注 、 振 动 成 型 为 带 不 锈 钢 侧 头 的 4 O mm4 0 mm1 6 0 mm棱柱体试件 。 试件的横截 面 尺 寸 与 粗 集 料 最 大 粒 径 之 比 大 于 3 , 符合 GB J s z 一 1 9 8 5 普通 混 凝 土 长 期 性 能 和
12、 耐久 性 试 验 方 法 标 准对 测定 混 凝 土干 燥 收缩 的试 件要求 。 成 型 后 的试件 表 面 用 塑 料 薄 膜 覆 盖 , 采 用 保 湿养 护 , 1 d后 拆模 、 编号 , 标 准养护 2 d后 , 测定试件 的初 始 长度 , 移人 恒 温 恒湿 室 ( 温 度 2 0 C2 , 湿 度 6 O 5 ) 观 测试 件 在 1 d, 3 d , 5 d , 7 d , 1 4 d , 2 1 d, 2 8 d, 3 5 d, 4 2 d, 6 0 d, 9 0 d, 1 2 0 d, 1 5 0 d和 1 8 0 d等干燥收缩值。测试方法遵照 G B J s e 一
13、 1 9 8 5标 准的规定 , 测试仪器采用 S P 一 1 7 5型立式收缩仪 , 测量精 度 0 0 0 1 mm。 2结果与讨论 2 1 矿 物掺 合料 和 膨 胀 剂对 混 凝 土 干 燥 收缩 的 影 响 图 1是矿 物掺合 料 和膨胀 剂对 混 凝 土干燥 收 缩的影响。结果表明, 在低水胶比的条件下, 大掺 量矿 物掺 合料混 凝 土干燥 收 缩随 时 间的发 展趋 势 基 本 相 同 , 在 7 d内 的干 燥 收 缩 发 展 非 常 迅 速 , 7 6 0 d之 间 的干燥 收 缩增 加 速 度 放缓 , 6 0 d之 后 趋 于 稳定 。 单掺 5 5 oAF A 的 D
14、3的 1 8 0 d干燥 收缩 值 为 6 9 4 9 1 0 一, 单 掺 5 5 s G 的 D4的 1 8 0 d 干 燥 收 缩 值 为 4 4 6 5 1 O 一 , 后 者 比前 者 减 小 了 3 5 7 , 这 说 明 S G 对 混 凝 土 干 燥 收 缩 的降 低 效 果 比 F A 显 著 。对 于 双掺 ( 2 5 oAF A+ 3 0 S G) 的 D2 , 其 1 8 0 d干燥收缩值 为 5 1 7 1 71 O 一, 介 于 D3和 D4之 间 , 但是 D2在 2 4 O d的早期 干 燥 收 缩值 低 于 D4 , 在 4 0 d以后 干 燥 收缩 值 略有
15、 增 加 , 因而其 1 8 0 d的干燥 收缩值 比 D4高出 1 5 8 , 这说 明 F A对降低混凝 土干燥 收缩 的作 用不如 S G。对 于 三 掺 ( 2 5 F A + 2 5 oAS G+ 5 oAS F) 的 D1 , 与 D 2相比, 混凝土组成 中仅用 5 S F取代 了 5 S G, 其 1 8 0 d干燥收缩值 比 D2增加 了 1 1 0 8 , 高 达 1 0 9 0 1 0 一, 可见 硅 灰 显 著 地增 大 了混 凝 土的 干燥 收缩 。为 了 降低 三掺 ( 2 5 oAF A+2 5 S G+5 S F) 混凝土的干燥收缩 , 同时进行了复掺 ( 2
16、5 oAF A +2 5 S G+ 5 S F+ 1 0 oAAE A) 的 D5 干燥 收缩实验 , 发现掺加 1 O AE A 以后 , 其 1 8 0 d干 燥 收 缩 值 降 低 到 9 1 3 1 3 1 0 一, 比 D1减 小 了 1 6 2 , 可见膨胀剂对补偿混凝土的干燥收缩 有一定 的效果 , 与文献 - 8 3 有 相 同的结论。根据 1 8 0 d干 燥 收缩 的测定 结 果 , 可 以发 现 , 单 掺 5 5 S G 的 D4和 双 掺 ( 2 5 oAF A+3 0 oAS G) D2的 混 凝 2 臻 H _ D l D2 D3 D 4 D 5 图 1 矿物掺合
17、料和膨胀剂对 混凝土 干燥 收缩 的影 响 O O O O O O O 0 瑚 咖 啪 啪 伽 瑚 。 瑚 维普资讯 第 2 期 白 康等 : 大掺量矿物掺 合料混凝土 的干燥 收缩与数学模型 4 1 土, 具有较小的收缩值 。 2 2 矿物 掺合 料混 凝土 的干 燥收 缩模 型 混 凝 土的 干燥 收缩模 型是 根据试 验 室测定 的 干燥收缩与龄期的数据 , 通过 回归分析得到的数 学表达式 , 据此可 以预测混凝土在不 同龄期 的收 缩值。黄国兴等 归纳了普通混凝土干燥收缩 的 3种 表达式 , 分 别是 : 双 曲线 函数 e ( f ) 一 ( 1 ) 对数 函数 e ( f )
18、一n +6 l n ( t +1 ) ( 2 ) 指数 函数 e ( t ) 一 o 。 ( 1 一日 ) ( 3 ) 式 中 , e ( t ) 为 任 意 时间 t 时刻 的收缩 变 形 ; 。 。 为 拟 合 收缩终 值 ; a和 b为试 验 常数 。现 有研 究 表 明 , 式 ( 1 ) 适 用 于普 通混 凝 土 和轻 骨 料 混凝 土 , 式 ( 2 ) 和式 ( 3 ) 分 别适 用 于粉煤 灰混 凝 土和 高强混 凝 土 。 对 于本文测定 的大掺量矿物掺合料混凝 土的 收缩 曲线 , 按 照 复合 指 数 函数 1 叼 的关 系进 行 回归 拟合 , 得到其函数表达式如下
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