高性能混凝土的抗压强度与收缩性能随龄期变化规律试验研究.pdf
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1、第 5卷第 1 期 2 0 0 8年 2月 铁道科学与工程学报 J OU RNAL OF RAI I WA Y s cI E NCE AND E NGI NE ERI NG Vo I 5 N O 1 F e b 高性能混凝土的抗压强度与收缩性能 随龄期变化规律试 验研 究 田明革 - 一 , 易伟建 ( 1 湖南大学 土木工程 学院, 湖南 长沙 4 1 0 0 8 2 ; 2 湖南省建设工程质量安全监督管理总站 , 湖南 长沙 4 1 0 0 1 1 ) 摘要 : 以粉 煤灰作为掺合料 、 低 水灰质量 比 水胶质量 比的高性 能混凝 土为试验 对 象, 对 不 同水灰 质量 比 水胶 专量
2、 比和 不同掺入 量, 从成型到 1 8 0 d龄期 内的抗压 强度 、 弹性 模量 以及收缩( 自收缩、 单 面干燥条件 下的总收缩) 的混凝 土时效性 能 进行试验研究。研究成果可为工程施工提供参考。 关键 词: 混凝 土; 粉煤灰 ; 抗压强度 ; 弹性模 量 ; 收缩 中图分类号 : 3 I_ 5 2 8 文献标识码 : A 文章编号 : 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 0 8 ) 0 1 0 0 2 1 0 7 E x p e r ime n t a l in v e s t ig a t io n o n t ime e ff e c t s c a p a b i l
3、it y o f h ig h c a p a b i lity c o n c r e t e T I A N M i n g g e 一 , Y I We i j i a n ( 1 C o ll e g e o f C i x i l E n g i n e e r i n g H ml a n U n i v e r s i t y , C h a n g s h a 4 1 0 0 8 2 C h i n a ; 2 H u n a n P r o v i n c e C o n s t r u c t i o n E n g i n e e ri n g O u a l i t y
4、 S a f e t y S u p e r v i s i o n Ma n a g e m e n t I e a d S t a t i o n , C h ang s h a 4 1 0 0 1 1 C h in a ) Abs t r a c t : E x p e rime n t s we r e c a r rie d o u t ,wh i c h we r e f o c u s e d o n s t u d y i n g t h e e f f e c t s o f fl y a s h r e p l a c e me n t c o n t e n t a n
5、d wa t e r t oc e me n t i t i o u s ma s s r a t i o o n t h e t i me d e p e n d e n t c o mpr e s s i v e s t r e n g t h,e l ast i c mo d u l u s an d s h rin k a g e s o f c o n c r e t e s c u r e d f o r a p e rio d f r o m c u rin g t o 1 8 0 d a f t e r c u rin gRe l i a bi l i t y a n d v
6、a l i d i t y o f t h e d e s i g n Was p rov e d b y a s e rie s o f t r a i l t o o k a c t i o n i n l ocal , Ke y wo r d s : c o n c r e t e ;fl y ash ;c o mp r e s s i v e s t r e n gth ;e l ast i c m o d u l u s ;s h ri n k a g e 高性能混凝土 ( H P C ) 是在高强度混凝土 的基 础上发展而形成的一种新型混凝土 , 具有高强度 、 高流动性和高耐久性
7、。在普通混凝土原材料 ( 水 、 水泥 、 砂和石) 的基础上 , 掺加高效减水剂和适量 的 活性胶凝材料( 粉煤灰 、 矿粉等) , 实现既 可节能利 废 、 减少水化热 又可增大混凝土的密实性 、 减小渗 透性 、 增加施工时的和易性 , 经济技术效益显著 , 已 在土木工程中得到广泛应用 。早龄期高性能混凝 土性能对混凝土工程结构的安全可靠性和耐久性 等同样将产生显著的影 响。在混凝土工程结构建 设过程中, 对混凝土材料的早龄期性能进行评价 , 并 以其作为设计 、 施 工与原材料选用的依据 , 以有 效地保证结构物在不 同服务环境 中满足规定 的使 用寿命要求 , 已成为当前混凝土材料
8、界和工程界研 究领域 的热点问题。粉煤灰 作为一种混凝土矿物 掺合料 , 因其具有形态效应 、 微集料填充效应和活 性作用 , 将改善混凝 土的内部结构 , 使得混凝土更 加致密 , 孔隙结 构及分 布更趋于合理, 从而有效地 提高混凝土的强度和弹性模量等物理力学指标 , 对 混凝土的收缩影响也十分明显。混凝土的收缩对 处于不同约束状态的结构或者构件往往 会导致混 凝土的开裂 1。混凝土的自收缩发展速度很快 , 当 收稿 日期 : 2 0 0 71 00 6 基金项 目: 国家 自然科学基 金资助项 目( 5 0 6 7 8 0 6 4 ) ; 湖南省建设厅重点资助项 目( 2 0 0 4 0
9、 3 1 6 ) 作者简介 : 田明革( 1 9 6 8一) , 男 , 湖南浏阳人 , 博士研究 生, 教授级 高工 , 总工程师 , 从事建设工程质量安全研 究 与管理 工作 维普资讯 http:/ 2 2 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 0 8年2月 混凝土处于塑性状态时 , 自收缩不会对混凝土产生 危害。但对于水灰 比 水胶比低的高性能( 高强 ) 混 凝土 , 水泥用量一般 较多 , 早期水化产生 的温度也 较高 , 现代水泥较 细且硫酸盐和碱的含量较 高, 因 而混凝土凝结硬化后仍将产生相当数量的 自收缩 , 在内约束 的作用 下将导致混凝 土内部产生大量的 微裂纹 ,
10、 这些裂纹在后续拉应力作用下将演化为显 见裂纹, 往往最终形成贯穿裂缝 , 降低混凝 土的抗 渗性, 从而对结构长期耐久性和安全可靠性产生显 著影响。普通混凝土和高强混凝土的物理力学性 能, 国内外已开展 了大量研究 , 但对掺人粉煤灰高 性能混凝土抗压强度与收缩性能时变规律的研究 却不多。本文对不 同龄期、 不同粉煤灰掺人量和不 同水灰比 水胶 比的高强混凝土的弹性模 量、 单轴 受压性能以及收缩特性进行了试验研究。 1 试验 1 1 试验原材料 试验所用的水泥为水 泥标号为 P 0 4 2 5号普 通硅酸盐水泥, 掺合料使用电收尘气流分选工艺收 集的粉煤灰。硅酸盐水泥、 粉煤灰和硅粉的化学
11、成 分如表 1 所示。试验用水为生活用 自来水 ; 细砂为 河砂 , 细度模数为 2 8 2 , 属中砂 、 区级配; 粗骨料 采用最大粒径为 D 。 =2 0 I n l T l 的鹅卵石, 含泥量 1 0, 试验用料骨料均为干料 。 减水剂采用萘 系高效减水剂 MI O 0 , 减水率为 2 5 3 5。 1 2 配合比设计 试验 中水 灰 比 水 胶 比分 别设 计 为 0 2 7 , 0 3 2 , 0 3 7 和 0 4 2 ; 以每种水灰比 水胶 比为一试 验组 , 每组采用粉煤灰掺 人料 等质量取代部分水 泥, 掺人量分别为 0 , 3 0 和 5 0 。 混凝土通过减水 剂(
12、标准型, 低坍落度损失, 减水率 1 8 ) 用量使 新拌混凝土坍落度控制在 1 8 0 4 - 2 0 m n l 范围内。 为 比较不 同水灰比 水胶 比和不 同粉煤灰掺入量的 混凝土的弹性模量 、 抗压强度以及收缩特性随龄期 变化的趋势 , 每组 的硅粉掺入量设计取值相 同。 试 验总共设计 了 1 2个不同配合比的混凝土 , 具体配 合 比及相对应的坍落度如表 2 所示。 1 3 试 验 方案 1 3 1 混 凝 土抗 压 强度和 弹性模 量 试验 方案 本次试验采用钢模按照表 2所列 的 1 2种配合 比制备混凝土立方体和棱柱体试件 , 分别进行在不 同龄期下混凝土立方体抗压强度试验
13、和棱柱体弹 性模量试验。 试件的制作和养护严格按照中华人民 共和国国家标准 普通混凝土力学性能试验方法 标准 ( G B T 5 0 0 8 12 0 0 2 )中“ 第 5 节 : 试件的制作 和养护”的要求执行 。 表 1 水泥 、 粉煤灰 和硅粉 的化 学成分 Ta bl e l Ch e mi c a l c o mp o s i t i o n o f c e me n t i t i o u s ma t e r i a l s l ) 表 2 混凝土配合 比及坍 落度 T a b l e 2 Mi x t u r e p r o p o r t i o n i n g o f c
14、 o n c r e t e p e r c u b i c me t e r a n d s l u mp 维普资讯 http:/ 第 1 期 田明革, 等: 高性能混凝土的抗压强度 与收缩性能随龄期变化规律试验研究 2 3 混凝土立方 体抗压强 度试 件 ( 1 0 0 m i l l 1 0 0 F il m1 0 0 m m) 共计 61 2 组 , 每小组 3个试件; 分 别对龄期为 1 , 3 , 7 , 2 8 , 9 0和 1 8 0 d的立方体试件进 行混凝土抗压强度试验。 为了准确测定不同龄期混 凝土立方体试件的抗压强度 , 试验按照 普通混凝 土力学性能试验方法标准中“
15、第 6 节 : 抗压强度试 验” 所规定的方法严格执行。 混凝土棱柱体试验样本( 1 0 0 mm1 0 0 mF l l 3 0 0 m m) 共计 61 2 组 , 每小组 3 个试件 ; 分别对龄 期为 I , 3 , 7 , 2 8 , 9 0和 1 8 0 d的混凝土棱柱体试 件进 行混凝土静力受压 弹性模量试验。 为了准确测定不 同龄期混凝土弹性模量 , 试验按照 普通 混凝土力 学性能试验方法标准中“ 轴心抗压强 度试验”和 “ 静力受压弹性模量试验”方法严格执行 。 1 3 2混凝 土 收缩试 验 方案 对于混凝土早期收缩的测量 , 目前还没有统一 标准可依 。 本文采用在混凝
16、土试 件两端分别埋入 2 个线性位移传感器监测混凝土早期体积的变形l 6 J , 如图 1 所示 。 测量的初始龄期选为混凝土浇注成型 l d ( 相当于初凝时间) , 这是由于低水灰比 水胶 比 的混凝土在初凝时便开始产生 自收缩 , 而在此之前 混凝土因收缩而产生 的裂缝可通过 2次抹面等措 施消除。 每种配合比的混凝土同时成型 8 个 1 0 0 m m 1 0 0 m m 4 0 0 m m的试 件 : ( 1 ) 3 个试件采用塑料薄膜包裹密封室温( 2 0 0 5 ) , 假定与外界无湿度交换 , 测量 自收缩 ; ( 2 ) 3 个试件成 型面暴露 于干燥 环境 中, 即室 温(
17、 2 00 5 )o C和相对湿度为 5 0 5 , 测量单 面干燥条件下的总收缩 ; ( 3 ) 另外 2个分别用来测量混凝土在密封 、 干 燥环境下的内部平均温度变化情况 , 同时还测量了 混凝土在密封及单面干燥条件下的质量变化情况 。 假设混凝土温度膨胀系数为 1 01 0 。 。 。q C, 结合以上几个测量值 即可换算出恒温条件下混凝 土的早期 自生收缩和总收缩值r 。 5 0mm 3 0 0 mm 5 0 mm D A一被测 1 0 0 n l H l 1 0 0mn l 4 0 O n l l li 混凝土试件; B拉 线式 位移传感器 ; C一塑料覆盖膜; D一钢模 ; E一热
18、 电偶 图 l 混凝土收缩测量设施示意 图 Fi g 1 Ex p e r i me n t a l s e t up f o r me a s u r i n g c ha n g e i n t h e l e n g t h o f c o n c r e t e b e f o r e mo l d i n g 2 试验结果分析 2 1 不 同龄期的混凝土抗压强度和弹性模量 由于不同龄期 ( 特别是低龄期)的混凝土力学 性能受到多种因素的影响, 包括混凝土搅拌水平 、 养护条件 、 混凝土龄期 以及混凝土本身材料构碱 的 复杂性和随机性 , 试验数据表现出一定 的离散性。 本文对不同龄
19、期混凝土的弹性模量和抗压强度试 验数据按照同批次试 件的试验结果取平均法结合 数据合理性 筛选 的方法进 行数据处理 , 不 同配合 比、 各龄期的混凝土抗压强度试验平均值如表 3所 示 ; 混凝土弹性模量试验数据如图 2所示。 为使得 试验数据表达清晰 , 混凝土龄期时间轴采用对数坐 标 。 表 3 各龄期 混凝土抗压强度试验平均值 Ta bl e 3 Co mp r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e a t s p e c i fie d a g e s PMPa 维普资讯 http:/ 2 4 铁 道 科 学 与 工 程 学
20、报 2 0 0 8年2月 从表 3可知 , 随着水灰 比 水胶 比的不 同, 粉 煤灰掺人量的不同, 混凝土的抗压强度的变化规律 如下 : ( 1 )对于不同粉煤灰掺入量 的混凝土 , 都随着 水灰 比水胶比减小 , 各龄期 的混凝土抗压强度增 加 , 并且强度发展速率增加。 ( 2 )水灰 比 水胶比为0 4 2时, 龄期为 2 8 d 和 1 8 0 d 、 掺人 粉煤灰 的混凝土抗压强度 比普通混凝 土的低 ; 而随着水灰 比 水胶 比的减小, 掺人粉煤 灰的混凝土抗压强度( 2 8 和 1 8 0 d ) 则高于对 比普通 混凝土 , 水灰比 水胶比越小越 明显 ; 分界水灰比 水胶
21、比介于 0 3 70 4 2之间。 ( 3 )维持 固定的水灰比 水胶比不变, 随着粉 煤灰掺人量的提高, 混凝土的抗压强度在早期下降 较多。 对于粉煤灰掺人量为 3 0 ( 5 0 ) 的混凝土, 当水灰 比水胶 比为 0 4 2时 , 龄期为 1 d的混凝土 的抗 压 强 度 达 到 龄 期 为 2 8 d的 抗 压 强 度 的 1 3 1 ( 4 6 ) ,而 同 龄 期 对 比普 通 混 凝 土 为 3 6 1 , 3 d的抗 压强 度为 2 8 d抗 压强 度 的 4 4 9 ( 3 3 6 ) , 同龄期对 比普通混凝土为 6 3 5 ; 而 水灰 比水胶 比为 0 2 7时, 龄
22、期为 1 d的混凝土抗 压强度达到 2 8 d 抗压强度的 1 8 1 ( 1 4 7 ) , 同龄 期对比普通混凝土为 4 4 2 , 3 d的抗压强度为 2 8 d抗压强度的 7 2 3 ( 6 0 8 ) , 同龄期对 比普通混 凝土为7 6 2 。 由此说明, 提高粉煤灰掺人量混凝 土的早期抗压强度较低 , 但是, 抗压强度发展速率 较快 ; 水灰 比水胶 比的降低 , 有利于粉煤灰混凝 土早期强度和强度提高。 ( 4 )维持固定的水灰比 水胶比不变 , 随着粉 煤灰掺人量的提高, 粉煤灰的火山灰效应在混凝土 后期强度提高速率上表现明显。 对于粉煤灰掺人量 为 3 0 ( 5 0 )
23、的混凝土 , 当水灰 比 水胶比为0 4 2 时, 龄期为 7 d的混凝土的抗压强度达到 2 8 d 抗压 强度的 6 7 3 ( 6 0 9 ) , 而同龄期对 比普通混凝土 为 7 8 6 ; 而水灰 比 水胶比为 0 2 7 时, 龄期为 1 d 的混 凝 土 的抗 压 强 度 达 到 2 8 d抗 压 强 度 的 9 7 5 ( 9 1 9 ) ,同 龄 期 对 比 普 通 混 凝 土 为 8 9 3 。由此说明, 提高粉煤灰掺人量混凝土的后 期抗压强度提高速率较快, 略低于早期强度提高速 率; 水灰比 水胶比的降低, 有利于粉煤灰混凝土 强度的提高, 但其后期强度发展速率却出现小幅度
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