核电站大体积混凝土早龄期裂缝的影响因素.pdf

3 9 4 建 筑 技 术 Ar c h i t e c t u r e T e c h n o l o g y 第4 4 卷第 5 期 2 0 1 3 年 5月 Vo 1 4 4 No 5 Ma y 2 0 1 3 核电站大体积混凝土早龄期裂缝的影响因素 高会晓 ， 宁喜亮， 丁一宁 ( 大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室， 1 1 6 0 2 3 ， 辽宁大连) 摘要： 通过胶凝材料组分调整和水化热的测定分析， 骨料级配的优化以及混凝土的自由收缩试验， 对某核 电站常规岛基础大体积混凝土早龄期裂缝的影响因素进行了试验研究。试验结果表明： 优化胶凝材料的组分构 成可降低水化热， 减缓胶凝材料的水化速率； 优化后的新配合比在保证混凝土抗压强度的基础上， 加入聚丙烯 短纤维后 ， 混凝土的工作性仍能满足高坍落度泵送混凝土的要求； 掺入纤维减少了混凝土的自由收缩， 提高了 混凝土抵抗收缩能力。通过模拟大体积混凝土绝热温升试验， 结果表明优化后的新配合比可降低混凝土水化温 升的峰值温度 ， 进而可在一定程度上降低水化反应时大体积混凝土的温度应力， 降低温度裂缝出现的概率； 同 时纤维的掺入使混凝土早龄期可见收缩裂缝明显减少。 关键词： 大体积混凝土； 早龄期裂缝； 胶凝材料； 骨料级配； 聚丙烯短纤维 中图分类号 ： T U 7 5 5 9 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 7 2 6 ( 2 0 1 3 ) 0 5 0 3 9 4 0 5 FACTORS I NFLUENCI NG EARLY AGE CRACKS oN MASS I VE CoNCRETE oF NUCLEAR PoW ER S TATI oN GAO Hu i -x i a o，NI NG Xi -li an g，DI NG Yi n i n g ( S t a t e K e y L a b o r a t o i T o f C o a s t a l a n d O f f s h o r e E n g i n e e r i n g ，D ali a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，1 1 6 0 2 3 ， D a l i a n ，L i a o n i n g ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： F a c t o r s i n fl u e n c i n g e a r l y a g e c r a c k s o n ma s s i v e c o n c r e t e o f r o u t i n e i s l a n d f o u n d a t i o n o f a n u c l e a r p o w e r s t a t i o n a r e t e s t e d a n d r e s e arc h e d t h r o u g h a d j u s t me n t o f i n g r e d i e n t s o f c e me n t i n g ma t e ri a l ，h y d r a t i o n h e a t me a s u r e me n t a n d a n a l y s i s ，a g gre g a t e g r a d a t i o n o p t i mi z a t i o n a n d f r e e s h rin k a g e t e s t o f c o n c r e t e T h e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t o p t i mi z a t i o n o f i n gre di e n t s o f c e me n t i n g ma t e rial c o u l d r e d u c e h y d r a t i o n h e a t a n d s l o w d o wn c e me n t i n g ma t e rial h y d r a t i o n ；t h e o p t i mi z e d mi x p r o p o r t i o n o f c e me n t i n g ma t e ri a l c o u l d n o t o nl y g u a r a n t e e t h e p r e s s u r e s t r e n g t h o f c o n c r e t e ， b u t als o s a t i s f y t h e r e q u i r e me n t s o f h i g h-s l u mp p u mp e d c o n c r e t e a f t e r p o l y pr o p y l e n e fi b e r i s a d d e d ； t h e fib e r a d d e d c o u l d e f f e c t i v e l y r e d u c e t h e f r e e s h rin k a g e o f c o n c r e t e a n d i mp r o v e c o n c r e t e p e r f o r ma n c e a g a i n s t s h rin k a g e At l a s t ，a d i a b a t i c t e mp e r a t u r e r i s e t e s t o f ma s s i v e c o n c r e t e i s c a i e d o u t a n d t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e o p t i mi z e d p r o p o rti o n c o u l d r e d u c e t h e p e a k t e mp e r a t u r e o f c o n e r e t e h y d r a t i o n t e mp e r a t u r e r i s e ，a n d t h e n r e d u c e t h e t e mp e r a t u r e s t r e s s o f ma s s i v e c o n c r e t e d u r i n g h y d r a t i o n r e a c t i o n a n d t h e p r o b ab i l i t y o f c r a c k g e n e r a t i o n c a u s e d b y t e mp e r a t u r e v a ria t i o n ； me a n wh i l e ，t h e fi b e r a d d e d c o u l d o b v i o u s l y r e d u c e v i s i b l e e a r l y a g e s h rin k ag e c r a c k s Ke y wo r d s ：ma s s i v e c o n c r e t e ；e a r l y a g e c r a c k ；c e me n t i n g ma t e r i a l ；a g gre g a t e gra d a t i o n ；p o l y p r o p y l e n e fib e r 某核电站常规岛水泵房基础大体积混凝土在硬化 过程中出现多处裂缝，其中部分裂缝宽度超过0 2 m m ( 图1 ) ， 将损害核电站混凝土抗渗陛及耐久性。大体积 混凝土的早龄期裂缝可能由多种因素引起， 一般而言， 因收缩引起的裂缝在混凝土表面呈龟裂状，而现场观 测到的裂缝为沿某一方向扩展，可能由温度应力和混 凝土收缩共同引起。约束收缩在混凝土薄弱区域引起 微裂缝， 温度应力使微裂缝处应力进一步集中， 最终导 致宏观开裂。大体积混凝土收缩和温度变化在硬化过 程中无可避免， 但其开裂与否还受多种可控因素影响， 收稿日期： 2 0 1 3 1 1 3 基金项目： 国家自然科学基金资助项目( 5 1 0 7 8 0 5 8 ) 作者简介： 高会晓 ( 1 9 8 6 一 ) ，女，河北石家庄人， 硕士研究生，e m a i l ： h u i x i a o g a o 1 6 3 c o rn 如原材料选择、 配合比设计及施工工艺控制等， 若控制 不好， 将导致开裂概率增加并加剧其开裂程度。 本文在 原材料确定、 施工工艺严格控制的基础上， 分析胶凝材 料组成、骨料级配以及聚丙烯短纤维对大体积混凝土 早龄期裂缝的影响。 图 l 大体积混凝土裂缝 2 0 1 3 年 5 月 高会晓， 等： 核电站大体积混凝土早龄期裂缝的影响因素 3 9 5 1 影响因素 1 1 材料选择及水泥水化热 试验所用材料如下：水泥为P 4 2 5 级硅酸盐水 泥； 粉煤灰为珠海一级粉煤灰 ； 细骨料为中砂 ； 粗骨料 为碎石， 粒径为1 6 3 1 5 m m， 小碎石粒径为5 1 6 m m； 减 水剂为J M P C A( I ) 型 ； 阻锈剂为s b t Z x ( 1 1 ) 型 ； 纤维为聚 丙烯短纤维WK 一 2 0 0 8 ( 表1 ) ； 矿渣粉为$ 9 5 。 表 1 纤维性能参数 纤维 纤维 长度 直径 长径比 抗拉强度 弹陛模量 名称 种类 m m ， L L m MP a MP a WK一 2 0 o 8 聚丙烯短 纤维 1 8 9 2 9 2 6 4 7 5 7 1 2 3 9 l 9 降低混凝土水化热是解决大体积混凝土开裂 问题的有效途径之一。使用水化热较低的水泥或 使用掺合料取代部分水泥 ， 减少水泥用量 ， 不仅减 少水化热总量还可延缓胶凝材料水化速度 ，推迟 水化热峰值温度出现时间 ， 降低温度峰值 ； 同时还 可减少混凝土收缩 ，利于控制并减少大体积混凝 土早龄期温度裂缝与收缩裂缝 。在工程原有混凝 土配合比( 表2 ) 基础上 ， 通过研究分析水泥与掺合 料( 粉煤灰及矿粉等) 比例 ， 希望找到水化热较小 ， 同时又达到 工程所 需混凝土强度等级 ( C 4 5 ) 的材 料 组成 。 试验过程中对所用水泥以及将水泥、 粉煤灰、 矿粉 以不同比例掺配而成的胶凝材料进行了水化热测定 ( 表3 ) 。 由表3 可知， 以1 号纯水泥试件的水化热为基准， 2 6 号试件胶凝材料组成的3 d 和7 d 的水化热分别降低了 2 8 9 ， 3 1 8 ， 4 3 6 ， 5 0 4 ， 3 4 6 和 2 8 0 ， 3 1 7 ， 3 9 5 ， 4 1 2 ， 2 4 8 。6 号试件7 d 的水化热虽然比2 ， 3 号试件略有增加， 但其3 d 的水化热比2 ， 3 号试件低， 早 龄期水化热降低表明水化热集中释放得到了缓解。 有 利于控制并减少大体积混凝土早龄期因为温度应力所 引起的开裂 。 同时，发展胶砂强度可在很大程度上反映胶凝材 料的水化过程，测定不同组分比例胶凝材料的胶砂强 度随龄期的增长情况( 图2 ) 。由试验可知， 对比原配合 比组成( 2 ， 3 号) ， 新设计的胶凝材料组成( 4 6 号) 的抗 压强度和抗折强度有所降低。 但6 号胶凝体l 4 ，2 8 d 胶砂 强度并无明显降低。综合对表3 中胶凝材料水化热分 析， 可看出6 号胶凝体组成不仅可保证胶砂强度， 而且 水化过程较平缓 ， 避免了水化热集中释放， 对于控制大 体积混凝土由于温度应力而开裂十分有利。 1 2 骨料级配分析 关于骨料级配的理论有很多 ， 针对本工程的具 体情况， 在此对比三种用于计算连续级配的理论 ： 富勒 理论、 泰波公式及我国简化公式。 表 2 混凝土配合比 k g m ， 配合比编号 水 水泥 粉煤灰 矿粉 中砂 碎石 小碎石 减水剂 阻锈剂 纤维 OP 2 1 4 5 2 4 5 95 4 0 7 3 0 6 2 5 51 O 3 3 4 OP1 1 3 5 2 5 5 9 5 4 0 7 3 0 6 2 5 5 1 O 3I3 9 1 2 0F 2 1 4 0 2 5 5 9 5 4 0 7 3 0 6 2 5 5 1 0 3 7 8 1 2 O 9 0Fl 1 5 7 2 5 0 7 5 7 5 7 6 5 5 9 0 48 5 4 4 O 9 注： 配合比编号中 O 代表原有混凝土配合比， 与优化届的混凝土配合比相区别， “ P ” 代表未掺加纤维的素混凝土， “ F 代表纤维钢筋混凝土。 表 3 胶凝材料水化热测定结果 材料相对组成 水化热 ( k J k g ) 水化热降低 试件编号 B ： C 水泥 粉煤灰 矿粉 3 d 7 d 3 d 7 d 1 号 1 O O 2 7 7 2 3 l 2 8 0 2 号 6 1 2 3 8 1 1 9 7 2 2 5 2 2 8 9 2 8 0 O 5 5 3 号 3 3 1 1 1 8 9 1 2 1 3 7 3 1 8 3 1 7 O 6 4 号 2 1 1 1 5 6 4 1 8 9 1 4 3 6 3 9 5 1 5 号 1 l 1 1 3 7 4 1 8 3 8 5 0 4 4 1 2 2 6 号 2 7 1 1 1 8 1 4 2 3 5 3 3 4 6 2 4 8 0 7 4 注： B ：c 是掺合料( 粉煤灰+ 矿粉) 总量比水泥用量；1 号试件为纯水泥； 2 号和3 号试件分别对应工程现有O 1 2 和O F 1 两种配合比； 4 6 号试件是新 设计的胶凝材料组成。 3 9 6 建筑技术 第 4 4 卷第 5 期 1 3 7 1 4 2 8 龄期 d 图2 不同组分比例的胶凝材料的胶砂强度随龄期的增长情况 ( 1 )富勒理论。富勒理论将骨料级配描述为标准 筛的筛孔尺寸与通过该筛孔骨料总量百分率的关系， 用公式表示为 ： P=1 0 0悸 式中 一与标准筛各级筛孔尺寸相对应的骨料公 称粒径 ra m) ； 骨料最大粒径 m m) ： P _通过与d 相对应的筛孔的骨料重量百分 率， 即粒径小于d 的骨料重量百分率。 ( 2 )泰波公式。泰波公式是考虑到实际骨料的级 配不能与富勒理论完全吻合， 而应有波动范围， 将理想 富勒曲线进行了修正后用公式表示为： P = I O O ( d D) ( 2 ) 式中P ， D， d 一意义与富勒理论公式中对应符号的 意义相同： n 试验指数， 根据试验验证， 取值在0 3 0 6 之间， 骨料具有较好的密实度。 ( 3 )我国简化公式。 我国提出的简化计算公式直 接以通过百分率的递减率i 为参数， 即 P = I O 0 ( i ) ( 3 ) 式中P 一第 级通过百分率 ： 级数 ， 最大粒径D 时 = 1 ， 直径按1 2 递减 ， 则D 2 H = 2 ， D 4 H x = 3 ， 依此类推 ； 通过百分率的递减率。 即骨料中最大粒径 为D 时， 其通过百分率为1 0 0 ； D 2 时其通 过百分率为1 0 0 ； D 4 其通过百分率 为1 0 0 i 2 ， 依此类推。 且此公式中的i 与泰波公式中的指数n 之间的关系 用公式表示为： i = ( 1 2 ) ( 4 ) 通过以上分析可知，各级配理论均以各级颗粒通 过百分率按比例递减的规律来描述骨料级配，只是在 不同的理论中采用的递减系数不同。以下依据泰波公 式对调整后的新配合比( 表4 ) 中骨料级配情况进行分 析 ， 结果列于表5 。 表 4 优化的混凝土配合 比 k g m 注： 配合比编号中“ N ” 代表优化后的新混凝土配合比 与原有混凝 土配合比相区别，“ F ” 代表纤维混凝土。 新配合比N F 中骨料的级配曲线基本位于应用泰 波公式计算得到的两条理论级配曲线所组成的级配范 围内， 且曲线光滑平缓， 故可认为所使用的骨料级配良 好。新配合比中， 对于公称粒径d = O 0 8 m m N ,2 骨料的通 过百分率， 其真实值小于理论计算值， 因为所使用的细 骨料中只含少量粒径小于0 0 8 m m 的灰尘和粘土。在 3 1 5 - 4 0 0 m m 的骨料粒径范围内，新配合比中骨料的 通过百分率大于理论计算值，因为理论计算中定义的 骨料最大粒径4 0 m m 明显大于所使用的粗骨料真实最 大粒径( 约3 1 5 m m) 。 1 3 不同配合比对混凝土工作性及抗压强度影响 图3 ， 4 分别对比了旧配合 比和新配合比的混凝土 坍落度和抗压强度情况。从图3 可看出， 对于实测新拌 混凝土坍落度， 在原配合比中只有O P 1( 未掺加纤维) 的坍落度满足泵送混凝土高坍落度的要求( 不小于1 8 0 m m ) ； 新配合比N F 在提高砂率、 掺加0 9 k g m s 纤维的 情况下坍落度略有损失，但仍能满足泵送混凝土高坍 落度的要求。 由此可见， 配合比本身合理与否是决定混 凝土工作性的关键因素， 若配合比合理， 掺； LJ o 9 k g m 3 的纤维虽然会使混凝土坍落度受到损失，但其工作性 并不会发生显著劣化。 由图4 可知 ， 虽然新配合比使得混凝土立方体试件 表 5 骨料真实级配与理论级配各级粒径通过百分率 筛孔 m m 3 7 5 3 1 5 2 6 5 1 9 1 6 9 5 4 7 5 2 3 6 1 1 8 0 6 O -3 0 1 5 0 0 7 5 公称粒径 ra m 4 0 0 3 1 5 2 5 2 O 1 6 1 O 5 2 5 1 2 5 O 6 3 0 3 1 5 O 1 6 O 0 8 泰波 n = 0 3 1 o o O 9 3 1 8 6 8 8 1 2 7 6 0 6 6 O 5 3 6 4 3 5 3 5 4 2 8 8 2 3 4 1 9 1 1 5 5 公 式 n = 0 5 1 0 0 0 8 8 7 7 9 1 7 0 7 6 3 - 2 5 0 0 3 5 4 2 5 O 1 7 7 1 2 5 8 9 6 3 4 5 骨料级配 1 0 0 0 9 8 8 9 1 5 7 4 4 6 9 ： 8 6 0 5 4 6 2 3 8 5 2 9 7 1 6 _ 3 7 8 5 1 O 6 注： 考虑到所使用的细骨料为人工砂 ， 故新配合比N F 在原有配合比的基础上适当提高砂率， 为4 5 。 加 O B d 斌出