等强度下混凝土组分对内部相对湿度和自收缩的影响.pdf
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1、助 曹 孝 斟 2 0 1 1 年第2 期( 4 2 ) 卷 等强度下混凝土组分对内部相对湿度和 自收缩的影响 何 智海 , 钱春香 , 钱桂枫 , 孟凡利 , 程 飞 , 高祥彪 , 庄 园 ( 1 东南大学 材料科学与工程学院, 江苏 南京 2 1 1 1 8 9 ; 2 沪杭客专股份有 限公司, 上海 2 0 0 0 0 0 ) 摘 要 : 采 用 自制 的试 验装 置, 研 究 了聚 乙烯 醇 ( P VA) 纤维、 双掺粉煤灰和矿渣以及减缩剂对 7 d等强 度 混凝 土早龄期 自收缩和 内部相 对 湿度 的影 响规律 和 机理 以及 两者之 间 的关 系。结果表 明 , 减 缩剂 、
2、 双掺 矿 物掺 合料 和 P VA 纤 维均 明显 降 低 了混凝 土 的 自收 缩 值 , 以掺 减缩 剂效果 最佳 , 自收缩 7 2 h ( 3 d ) 前 发展 速 度 很 快 , 可 达到 6 7 2 h ( 2 8 d ) 的 8 O 以上 , 但掺 减 缩剂 混凝 土 自收 缩发 展 速 度 相 对 较 慢 , 表 现 出一 定 的“ 滞 后 效 应” ; 各组 混凝 土试件 早龄 期 内部 相 对湿度 均 经历 了初 期 的水 汽饱和 期 和 随后 的逐 渐 减 少期 两 个 阶段 , 而掺 减 缩剂 混凝 土试件 表 现 出很 强 的保 湿能 力 ; 与 内部 相 对湿度相
3、对应 , 混凝土 自收缩也表现 出明显的两个阶 段 , 有很好 的 线性相 关性 , 水汽饱 和期 所测 自收缩 主要 为化 学减 缩 以及 由其 引发 的 少量凝 缩 , 取 决 于减 缩剂 、 P VA 纤 维和矿 物掺 合料 对混凝 土 的保 湿 能力 , 减 少期 自收缩主 要 为 自干 燥收 缩 , 由胶 凝材 料 的 水 化 程度 和 速 率所 决定 。 关键词 : 混凝土 ; 自收缩; 内部相对湿度 ; 减缩剂 ; 等 强 度 中图分类 号 : T U5 2 8 文 献标 识码 : A 文章编号 : 1 0 0 1 9 7 3 1 ( 2 0 1 1 ) 0 2 0 2 2 2
4、- 0 4 1 引 言 随着我国经济发展 , 高速铁路建设也 在大规模兴 起。高铁建设 一般具有 以下特点 : 投 资大 , 施 工工期 紧、 难度大, 列车时速高和桥梁跨度大等 , 因此要求混 凝土具有优良的体积稳定性和耐久性 。高铁混凝土强 度等级一般较高, 掺入了大量矿物掺合料和外加剂 , 因 此必须考虑混凝土 的 自收缩 , 特别是对于在短期 内要 求进行预应力张拉的预应力混凝土。自收缩是指在初 凝以后胶凝材料水化时产生 的表观体积减小 , 不包括 因自身物质增减 、 温度变化 、 外部荷载或约束而引起 的 体积变化 。混凝土内部相对湿度是评价混凝土性能 的重要指标之一 , 其变化不仅
5、会引起质量的改变, 甚至 导致体积的变形, 从而破坏混凝 土_ 2 。目前 自收缩 的 研究主要集中在 自收缩的测试方法和单 因素控制条件 下的矿物掺合料和外加剂等对 自收缩的影响规律和机 理等口 “ , 其中混凝土的强度是变化的, 而对 于既定的 混凝土工程 , 混凝土强度根据结构设计所确定 , 为固定 值 ; 混凝土内部相对湿度的研究较少 , 侧重于混凝土在 干燥条件下内部相对湿度的变化 5 ; 对于混凝土 自收 缩与内部相对湿度的关系研究 , 仅看 到了混凝 土长龄 期的关系报道 7 , 但是混凝土 由于 自收缩引发 的开裂 主要集中在早期 , 2 8 d以后 自收缩增幅很小 , 基本保
6、持 稳定 。基于以上认识 , 结合 自制的试验装置, 本文采用 7 d等强度达到 C 5 0的沪杭 高铁特大跨桥梁不同施工 部位 混凝 土 , 研究 了双掺 粉煤 灰 和矿渣 、 聚 乙烯 醇 ( P VA) 纤维和减缩剂对混凝 土早龄期 自收缩和 内部 相对湿度的影响规律 和机理以及两者之间的关系 , 为 后续的监测工作和工程建设提供技术指导 。 2 实 验 2 1 原 材料 水泥为海螺牌 P0 5 2 5水泥 ; 粉煤灰 为电厂干 排 的太 仓 华 能 I级 粉 煤 灰 , 细 度 ( 4 5 t m 筛 余 )为 6 5 5 , 表观密度为 2 2 6 g c m。 ; 矿渣为江西联达高
7、新 建材厂生产的 $ 9 5级粒化高炉矿渣超细粉 , 比表面积 为 4 0 0 m。 k g ; 纤维为上海博宁工程纤维材料有限公司 的 6 mm长 P VA纤 维, 抗拉弹性模 量为 4 0 G P a , 断裂 延伸率为 1 3 ; 减 水剂为 上海三瑞 聚羧酸 高效减水 剂 ; 减缩剂 为江苏 博特 新材 料有 限公 司研制 的 J M S R A减缩剂; 细骨料为河砂 , 细度模数 2 5 0 , 级配区间 2区, 表观密度 2 6 1 g c m。 ; 粗骨料为石灰石碎石, 粒径 5 2 5 mm, 表观密度 2 7 1 g c m。 ; 水为 自来水 。 2 2 实验方 案 沪杭高
8、铁特大跨桥梁浇筑 的混凝土要求在 5 7 d 强度达到 C 5 0强度 等级 , 弹性模量为 3 5 5 GP a以上 , 以有利于预应力 的张拉, 采用双掺 2: 1比例的粉煤灰 和矿渣技术; 部分容易开裂的腹板, 掺人 P VA纤维; 部 分施工难度大且铺板前期稳定期短的超长构件 , 掺入 减缩剂以控制其体积稳定性 。保持混凝土砂率和胶凝 材料 总量 不变 , 调 整 水胶 比 , 以保 证 混凝 土 的 7 d等 强 度要求 ; 调整外加剂掺量 , 以保证混凝土的工作性 , 并 配制了空白混凝土作对比, 其配合比和 7 d抗压强度见 表 1 。通过测试混凝土 的 自收缩和 内部相对湿度
9、, 研 究了双掺粉煤灰和矿渣、 P VA纤维和减缩剂对其影响 规律 , 采用 O R I GI N回归分析 了两者之间的内在关 系 和影 响机 理 。 * 基金项 目: 国家重点基 础研究发展计划 ( 9 7 3 计划) 资助项 目( 2 0 0 9 C B 6 2 3 2 0 0 ) ; 沪杭客运专线特 大跨桥梁 主梁 混凝土材料 收缩 徐变控制与耐久性提 升技术资助项 目( 2 0 1 0 g 0 0 4 一 h ) 收到初稿 日期 : 2 0 1 0 0 5 1 8 收到修改稿 日期 : 2 0 1 0 1 2 1 4 通讯作者 : 钱春香 作者简介 : 何智海( 1 9 8 1 一)
10、, 男 , 湖南郴州人 , 在读博士 , 师承钱 春香教授 , 从事高铁混凝 土体积稳定性研究 。 何智海 等 : 等强度下混凝土组分对 内部相对湿度和 白收缩的影响 表 1 混 凝土 配合 比和 7 d抗压 强度 Ta b l e 1 M i x t u r e p r o p o r t i o n s a n d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a f t e r c u r i n g 7 d o f c o n c r e t e 混 凝 土 配 合 比 ( k g ms ) 抗 压 强度 样 品 Ce me n t F l y a s h
11、S l a g S a n d S t o n e W a t e r P VA f i b e r S RA W a t e r r e d u c e r ( M Pa ) A 48 O 7 08 1 06 2 1 5 O 3 6 5 3 2 B 3 84 96 7 O 8 1 0 62 1 3 5 1 3 5 5 2 5 2 9 C 3 36 96 4 8 7 0 8 1 0 62 1 3 7 4 3 2 5 3 4 D 38 4 96 7 08 1 O6 2 1 3 5 9 6 3 8 4 5 2 8 2 3实验 方法 混凝土的 自收缩采用千分表测试。试件尺寸为 自 制的 D4 0 m
12、m1 6 0 mm 的圆柱有机玻璃试模 。混凝土 与模具之间有 1层很薄 的聚 四氟 乙烯薄膜 , 并涂抹凡 士林以减小摩擦 , 混凝土初凝后抽掉薄膜, 采用柔性密 封聚丙烯薄膜对试件进行多层密封 , 并在其表面涂覆 1 层 石蜡 , 以保证 试 件收缩 不受 限制 , 同时 避免 水 分 的损 失 。 混凝土的内部相对湿度采用电容式温湿度数字传 感器( 湿度测试范围 0 H1 0 0 , 误差3 9 6 ) 测试。采用 与 自收缩测试一样的成型密封方式, 所不 同的是, 混凝 土试件成 型 时, 在其 内部插 入 略大 于传感 器探 头 的 P V C管 , 并预先插入不锈钢棒 , 以防止振
13、捣成型过程中 混凝土浆体渗入 P VC管, 混凝土终凝后 , 拔出钢棒 , 用 海绵吸出残 留在 P VC管底部 的浆体 , 将传感 器放入 P VC管 , 并用高分子液体密封胶密封传感器和 P VC管 之间的间隙。为避免混凝土内部相对湿度沿试件高度 形成湿度梯度 , 将 04 0 mm1 6 0 mm试件横放, 测试其 中间部位。混凝土自收缩和内部相对湿度测试简图见 图 l 。 ( a )自收缩测试简图 l b )内部相对湿度测试简图 图 l 自收缩和内部相对湿度测试简图 Fi g 1 The t e s t d i a g r a m o f a u t o ge no us s hr i
14、 n ka g e a n d i nt e r i o r r e l a t i v e hu mi d i t y 3 结果与讨 论 3 1 混凝 土 的 自收缩 图 2为高铁混凝土 自收缩随龄期 的变化关系 图。 从 自收缩发展速度来看 , 空 白混凝土试件 A 自收缩发 展速度最快 , 2 4 、 7 2和 1 6 8 h分别达到了 6 7 2 h自收缩值 2 4 6 1 0 的 5 7 、 8 6 和 9 5 , 自收缩发展速度依 次为双掺试件 C、 掺 P VA纤维试件 B和掺减缩剂试件 D递减 , 而掺减缩剂试件 D1 6 8 h自收缩值仅为 6 7 2 h自 收缩值 1 5
15、7 1 O 的 7 6 , 由此可 以看 出, 混凝土 自 收缩 7 2 h前发展 速度很快, 基本达 到 6 7 2 h的 8 0 以 上 , 7 2 h后发 展减 慢 , 到 1 6 8 h基本 达 到 6 7 2 h的 9 0 以 上, 1 6 8 h后发展极其缓慢 , 但掺减缩剂试件 D 自收缩 发展速度相对较慢 , 表现出一定的“ 滞后效应” ; 从 自收 缩早龄期 6 7 2 h终值来看, 相 比于空白混凝土试件 A 自 收缩值 2 4 6 1 O 而言, 掺 P VA纤维试件 B 、 双掺试 件 C和掺减缩剂试件 D分别下降了 1 7 5 、 3 O 1 和 3 6 2 , 可以
16、看出, 掺 P VA纤维 、 双掺矿物掺合料和减 缩剂均明显降低了混凝 土的 自收缩值, 以掺减缩剂效 果最佳 , 双掺和掺 P VA纤维试件按顺序次之。 F i g 2 Th e r e l a t i o n s h i p b e t we e n a u t o g e n o u s s h r i n k a g e a nd a g e o f c o nc r e t e P VA纤维是一种高强高模纤维 , 在混凝土中的三 维乱 向均匀分布 , 可 以有效钝化混凝 土的收缩应力集 中, 使 自收缩分散、 细化和均匀 , 从而降低掺 P VA纤维 混凝土试件 B的自收缩 ; 粉煤
17、灰和矿渣 的活性效应不 一 样 , 其二次水化反应有互补和协 同效应 , 水化产物 以 凝胶相为主, 避免 了大量 C a ( OH) z晶体定 向排列 , 提 高了混凝土的弹性模量并改善 了界面结构, 在早龄期 未反应的粉煤灰和矿渣发挥的微集料效应 , 也 起到 了抑制双掺混凝土试件 C 自收缩的作用; 减缩剂可以 降低混凝土中毛细孔溶液的表面张力 , 延缓其 内部的 2 2 4 助 锨 材 料 2 0 1 1 年 第2 期( 4 2 ) 卷 湿度变化 g , 增强其表面的保水性口 , 从而显著降低 掺减缩剂混凝土试件 D 自收缩 , 但减缩剂也会延缓胶 凝材料早期的水化速率 1 , 细化其
18、孔隙结构 , 提高混凝 土密实度 , 故而降低了 自收缩发展速度 。 3 2 混 凝土 的 内部相对 湿度 图 3为高铁混凝土内部相对湿度随龄期的变化关 系图。各组混凝土试件内部相对湿度均经历了初期的 水汽饱和期( 内部相对湿度为 1 0 0 ) 和随后 的逐渐减 少期两个阶段 。空 白混凝土试件 A和双掺混凝土试件 c的水汽饱和期为 7 2 h ( 3 d ) , 掺 P VA纤维混凝土试件 B为 9 6 h ( 4 d ) , 掺减 缩剂混凝 土试 件 D最长 为 1 2 0 h ( 5 d ) ; 对于随后的减少期 , 空 白混凝 土试件 内部相对湿 度 6 7 2 h ( 2 8 d
19、) 下降至最低 为 9 1 2 , 其它各组混凝土 试件 中, 掺 P VA纤 维混凝土试 件 B降 幅最大 , 6 7 2 h ( 2 8 d ) 降为 9 2 3 , 而掺减缩剂混凝 土试件 D 内部相 对湿度 6 7 2 h ( 2 8 d ) 仍有 9 6 1 , 表现出很强 的保湿能 力 , 双掺混凝土试件 C次之。 图 3 混凝土内部相对湿度与龄期关系 Fi g 3 Th e r e l a t i o n s h i p b e t we e n i n t e r i o r r e l a t i v e h u m i di t y a n d a ge o f c o n
20、c r e t e 双掺混凝土试件 C中粉煤灰和矿渣互补协 同的二 水水化反应 , 使得其水汽饱和期与空 白混凝土试件 A 同步, 但两者活性低于水泥 , 因此早龄期 6 7 2 h ( 2 8 d ) 内 部相对湿度显著低于试件 A; P VA纤维可以传递钝化 应力以降低 自收缩 , 同时其对毛细孔的压挤和阻塞 】 , 以及其乱 向三维分布对骨料 的支撑和分散作用, 降低 了掺 P VA纤维混凝土试件 B的泌水现象和水分迁移 速度, 表现为延长了内部相对湿度 的水汽饱和期 , 但掺 人 P V A 纤维 增加 并弱化 了混凝 土 的界 面结 构 , 降低 了 混凝土的密实度, 增加了水分迁移
21、的通道和面积 , 从而 在减少期大幅度降低 了内部相对湿度 ; 减缩剂通过其 化学保塑组分 , 阻滞 了掺减缩剂混凝土试件 D内部相 对湿度的变化 , 具体表现为延长了其水汽饱和期以及 明显降低了减少期的减少值 。 3 3 混凝土的自收缩与内部相对湿度的相关性 图 4为 OR I GI N对高铁混凝土相同龄期的 自收缩 和相应的内部相对湿度数据 的回归关系图。由图 4可 知, 等 7 d强度的混凝 土的 自收缩和 内部相对湿度关 系, 可 以按其 内部相对湿度 的水汽饱和期和减少期分 为两个 阶段, 均具 有很好 的线性相 关性 , 可用下式表 示 : 一 h一 1 O 0 ( 水汽饱 和期
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- 强度 混凝土 组分 内部 相对湿度 收缩 影响
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