调节混凝土内部相对湿度的释水因子技术及其应用.pdf

第 3卷第 2期 2 O 0 6年 4月 铁道科学与工程学报 J OURNA L OF RAI I WA Y S CI E NCE AND E NGI NE ER I NG Vo I 3 N o 2 A p r 2 0 0 6 调节混凝土内部相对湿度的释水因子技术及其应用 胡曙光 ， 何永佳 。 吕林女 ( 1 武汉理工大学 硅酸盐材料工程教育部重点实验室， 湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 ； 2 武汉理工大学 工程结构与力学系， 湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 ) 摘要： 提 出调节混凝土内部相对湿度的释水因子技术， 研究了释水 因子对密闭环境下高强微膨胀混凝土 内部相对湿度、 体积变形以反抗压强度的影响规律。研究结果表明， 研制的释水因子可以有效调节钢管高强微膨胀混凝土内部相时湿度， 改善其体积变形行为； 掺加较大量的释水因子对于高强微膨胀钢管混凝土抗压强度会产生一定影响。 关键词： 钢管高强膨胀混凝土； 体积变形； 释水因子； 相对湿度 中图分类号： T U 3 7 5 文献标识码： A 文章编号： 1 6 7 2 7 O 2 9 ( 2 0 0 6 ) o 2 0 0 1 1 0 4 Wa t e r r e l e a s i n g f a c t o r t e c h n o l o g y t o mo d i f y t h e i n t e ma l r e l a t i v e h u mi d i t y o f c o n c r e t e a n d i t s a p p l i c a t i o n H U S h u g u a n g 。 ， H E Y o n g - j i a 。 ， L U L i n n u ( 1 K e y L a b o r a t o r y f o r S i l i c a t e M a t e r i a l s S c ie n c e a n d E n g i n r i n g ， Wu h a n U n i v e r s it y o f T e c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 0 ， C h i n a ； 2 D e p a r t m e n t o f E n g i n e e r i n g S t r u c tu r e and T ech n o l o g y ，Wu h a n U n i v e rs i t y o f T echno l o g y ，Wu h an 4 3 0 0 7 0 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： Wa t e r r e l e a s i n g f a c t o r t e c h n o l o g y t o mo d i f y t h e i n t e mal r e l a t i v e h u mi d i t y o f c o n c r e t e i s p r o p o s e d E ff e c t s o f w a t e r r e l e a s i n g f a c t o r o n t h e i n t e r n a l r e l a t i v e h u mi d i t y ，v o l u me d e f o r ma t i o n ，a n d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f h i g h s t r e n g t h mi c r oe x p ans i v e c o n c r e t e i n t h e s e a l e d c u ri n g c o n d i t i o n w e r e i n v e s t i g a t e d R e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e w a t e r rel e asi n g f a c t o r p rep m e d c o u l d mo d i f y t h e i n t e mal r e l a t i v e h um i d i t y ，and i t W as b e n e f i c i al f o r r e d u c i n g t h e a u t o g e n o u s s h ri n k a g e a n d k e e p i n g t h e h y d r a t i o n o f e x p ans i v e age n t and u n h y d r a t e d c e me n t F u r t h e r mo r e ，h i g h v o l u mer a t i o re p l a c e me n t o f w a t e r r e l e asi n g f t o r mi g h t h a v e n e g a t i v e e f f e c t o n t h e c o 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 ，S O i t s h o u l d b e r e s t ri c t e d i n a n a p p r o p ri a t e r a n g e Ke y w o r d s ： h i gh- s t r e n g th mic r o - e x p ans i v e c o n c r e t e f i l l e d s t e e l t u be；v o l u m e d e f o r m a t i o n：w a t e r r e l e a s i n g f a c t o r ； r e l a t i v e h u mi d i t y 钢管混凝土是一种将素混凝 土灌人钢管而制 成的组合材料， 具有承载力高、 塑性和韧性好、 施工 方便、 耐火性能和经济效益好等优点， 近年来在高 层和大跨度结构中迅速得到推广应用。组成钢管 混凝土的钢管及其核心混凝土问的协同互补作用 是钢管混凝土具有一系列突出优点的根本原因。 耍实现钢管及其核心混凝土间的协同互补作用 ， 必 须使核心混凝土与钢管壁紧密结合在一起。但钢 管核心混凝土中由于存在着塑性收缩 、 自收缩 、 温 度收缩和徐变收缩等问题_ 2 _ 3 J ， 使其与钢管壁之间 易脱粘而形成空腔， 钢管混凝土的弹性模量和承载 能力大幅度下降， 纵向和侧向变形加剧， 对工程造 成潜在的安全隐患。在工程结构 日 益朝着超高层、 超大跨度方向发展的趋势下， 钢管混凝土迅速向高 强度 、 大管径方向发展 ， 混凝土的 自收缩和温度收 缩明显增大， 这一问题将更加突出。造成钢管高强 膨胀混凝土结构出现脱粘而形成空腔问题 的原 因 是多方面的， 其中其主要原因有 ： 1 ) 钢管高强膨胀 收稿 日期： 2 0 0 6 0 22 8 基金项目： 国家自 然科学基金资助项 目( 5 0 5 0 8 0 3 4 ) ； 硅酸盐材料工程教育部重点实验室( 武汉理工大学) 开放基金资助项目( S Y S J J 2 0 0 5 1 1 ) 作者简介 ： 胡曙光 ( 1 9 5 7 一) 男 湖北武汝人 ， 教授 ， 博士生导 师， 从事水泥混凝土材料与工程研究 维普资讯 http:/ l 2 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 0 6年4月 混凝土的水胶比低， 所采用的水泥细度大、 早强矿 物含量较高、 水化速度快， 混凝土内部相对湿度下 降很快， 白干燥现象显著， 白收缩值明显高于普通 混凝土； 2 ) 钢管高强混凝土用水量少， 处于密闭环 境， 膨胀剂水化所需水分难以得到充分供给， 致使 膨胀剂的膨胀效果难 以有效发挥 ， 且当胶凝材料水 化到一定程度后将耗掉体系中所存在 的大部分 自 由水分 ， 而此时膨胀作用所设定 的后期补偿膨胀将 因没有后续反应所需的水分而趋于终止， 钢管混凝 土由于还存在徐变收缩以及水泥熟料继续水化产 生的化学收缩等， 将可能使其出现体积收缩形变。 在密闭的钢管混凝土体系中， 无论哪种原因， 都与 钢管高强膨胀混凝土内部的相对湿度直接相关。 因此， 若能调节混凝土内部相对湿度使其下降速度 减慢、 下降值减少， 以及若能补充水分供膨胀剂发 生膨胀 反应 ， 则 上述问题可望 得到有效解决 。为 此， 作者提出调节混凝土内部相对湿度的释水因子 技术， 并将其用于调节钢管混凝土的体积变形， 以 期为有效解决钢管 高强膨胀混凝 土结构 的脱粘问 题提供新的思路。 1 释水 因子技术 1 1 释水因子的设计原理 B e n t u r 等H 采用在混凝土中掺加预湿轻集 料的方法降低自收缩， 证实适量预湿轻集料的引入 可降低混凝土的自收缩。但存在的问题是作用效 果不显著 ， 离散性大 ， 应选择何种轻集料不明确 ， 没 有进行用于钢管混凝土的研究， 而且一般的轻质多 孑 L 集料未经特别设计和处理 ， 难以对其水分释放量 及水分释放过程进行控制 ， 往往释放速度过快或过 慢， 或者释放量不足， 无法有效调节混凝土内部相 对湿度。但是， 如果利用特殊工艺烧制并经过表而 处理 、 具有特定孔结构和颗粒特征的陶粒作为释水 因子， 使其预先储存一定的水分， 在混凝土内部相 对湿度急剧降低的情况下， 毛细管作用使这种材料 释放出水分， 一方面降低混凝土的 自收缩值 ， 另一 方面也可缓解膨胀剂 由于缺水 而难 以发生反应产 生膨胀的问题。通过对这种释水因子的颗粒特征 、 孑 L 结构 、 表面特性 进行有意设计 ， 使其水分释放行 为与混凝土内部相对湿度的变化规律协调发展 ， 避 免一般的轻质多孔集料水分释放量不足或水分释 放速度过快的缺点。这就是释水因子的设计原理 。 1 2 释水因子结构、 组成设计原理 依据功能需要 ， 研究释水冈子不同颗粒形状 、 尺寸 、 表面状态以及颗粒内部孑 L 径 、 孑 L 形状 、 孔的连 通状态等结构参数与反应特性 关系。在此基础上 进行释水因子组成设计 ， 根据混凝土膨胀量 、 持续 膨胀特性和施工要求确定释水因子的结构参数和 掺加量。根据混凝土的水化硬化和结构、 性能， 选 择与混凝土具有相似组成的硅酸盐材料， 其原料的 化学成分主要为 ： C a O， A 1 2 0 3 ， F RO 3 ， S i 0 2 ， Mg O以及 K 2 O ， N a 2 0 等。优 化 设 计 和 控制 释 水 因子 的 ，其中 R OF R O R O O 代表 m( ) +m( ) +m( R 1 ) 。 C a O ， M g O和 F e O ； R 2 O代表 K 2 O和N a 2 0 。 1 。 3 释水因子制备工艺过程 释水因子制备工艺过程如图 l 所示。 网 图 1 释水 子制 备工艺过程 F i g， 1 n p a r 日 t i 0 n p n ,e s s o f w a t e r ml e i n g f a c t o r 制备过程中需合理控制烧成温度、 保温时间、 冷却制度、 粉磨工艺 、 粉磨细度、 发泡剂掺量等参 数。对烧结形成 的块状材料按设 计尺寸进行颗粒 破碎 ， 并对颗粒表面进行特殊处理 。 2 释水因子用于配制钢管高强膨胀 混凝土的研究 2 1 原材料 水泥： 葛洲坝水泥厂三峡牌 5 2 5 硅酸盐水泥； 粉煤灰： 武汉阳逻电厂 I 级灰， 需水量体积分 数为 9 4 ； 膨胀剂 ： 武汉三源外加剂厂 U E A膨胀剂； 减水剂 ： 武 汉浩源外加剂 厂 F D N一9 0 0 o高效 减水剂 ； 砂 ： 巴河中砂 ， 细度模数 2 6 ； 石： 阳新 5 2 0 m m连续级配碎石； 释水凶子 ： 将特殊烧制的 8 0 0级页岩陶粒破碎 成粒径范围为 4 7 59 5 0 m m， 对颗粒表面进行一 定处理制备而成 ； 拌合水： 洁净自来水。 2 2 实验方法 将释水 因子 置于水 中饱 水， 测得其 吸水率 为 1 3 。将饱水的释水因子置于不 同的环境 湿度下 ( 用环境箱进行控制) ， 每隔一段时间称量其质量， 考察其在不同湿度条件下的释水情况。 将占单位体积混凝土 1 0 和 2 0 的释水因子 分别吸水至饱水状态后 ， 晾至饱和面干 ， 再取代同 体积比例的砂和石( 各 5 0 ) 用于配制钢管高强微 膨胀混凝土， 其具体配比如表 1 所示。 维普资讯 http:/ 第 2期 胡曙光， 等： 调节混凝土内部相对湿度的释水因子技术及其应用 l 3 表 1 混凝土配合 比 T a b l e 1 P r o p o r t i o m o f c o n c re t e m i x t u r e ( k g m s ) 滓 ： 释水岗子所引入的水 不计 入拌 合用水 上表中释水因子的重量 指未 吸水前 的质鼙 。 将上述配比的混凝土成型 1 5 0 in to1 5 0 ll ln 1 5 0 IB m ( 长 宽高) 的试块， 中间预留-d x L ， 用 于测量内部相对湿度的变化 6( 见图 2 ) 。脱模后 用塑料薄膜包裹试块， 再用石腊涂抹以保证密封。 测量内部相对湿度时采用杆式精密湿度计。 1 5 mm 密封 混凝 1 5 0mm I 2 混凝上 内部相对湿度测量方法 F i g 2 s t me th o d o f i n t e mt d r e l a t i v e h u mi d i t y o f c o n c r e t e 将上述配 比的混凝土成型 1 5 0 m m1 5 0 n m 1 1 5 0 m m以及尺寸为 1 0 0 l l l n 1 0 0 m n3 0 0 n m 】 的 试块 ， 绝湿养护 ， 分别用于抗压强度和限制线性变 形的测试。测试方法按国际标准进行。 2 3 释水因子的释水过程 图 3所示为饱水释水因子在相对湿度分别 为 6 o 和 8 5 环 境下 释放 出 内部 水分 的速 率。可 见， 随着环境相对湿度的降低， 释水因子的释水过 程呈现出加速的趋势。但随着时间的迁移 ， 在不同 相对湿度下释水因子的释水率差别不大， 接近于释 水因子的吸水率。按照表 1 中混凝土配合比， 第 3 组和第 4 组的 1 in 混凝土中可由饱水释水因子分 别释出水分近 1 7 k g和 3 4 水分 。当然 ， 在实际 钢管混凝土中， 释水因子的释水过程以及最终释水 量与在环境箱控制的相对湿度环境下测得的情况 会有一定的差别， 但也可以在一定程度上反映水泥 石内部相对湿度变化时释水因子的释水过程。 l 6 堡 2 爵8 * 簿4 0 2 0 4 0 6 0 8 0 l o 0 l 2 0 1 4 0 1 6 0 时间， d 相 对 湿 度 ： l 一8 5 ； 26 0 图 3 饱水释水 因子在相对湿度为 6 0 和 8 5 H ? 的释水率 F i g 3 Re l e a s i n g w a t e r p r o c e s s o f w a t e rrel e a s i n g f a e t o r a t r e l a t i v e h u mi d i t y i st u a l to 6 0 a n d 8 5 2 4 释水因子对高强微膨胀混凝内部相对湿度 的调节作用 图 4所示为表 1中所 列 4种配方的混凝 土内 部相对湿度随时问的变化趋势。可见 ， 未掺饱水释 水因子的第 1 组、 第 2 组混凝土内部相对湿度变化 趋势相近 ， 掺膨胀剂的第 2组混凝土早龄期内部相 对湿度 比第 1 组 的略低。而掺加饱水释水因子的 第 3 组、 第 4组混凝土内部相对湿度明显 比第 1 组 、 第 2 组的高。且随释水因子体积比例由 1 0 上升到 2 0 时， 内部相对湿度亦增加。可见， 加入 释水因子后 ， 的确 比较有效地调节 了混凝土内部相 对湿度， 使其下降速度和下降的幅度明显降低。当 然， 其调节的效果与释水因子自身的颗粒特征、 孔 结构特征以及水泥石的毛细管分布特征密切相关 ， 释水因子设计的越合理其效果将越显著。 1 0 0 9 5 蠢。 。 蜊8 5 娶8 0 7 5 0 2 0 4 0 6 0 8 0 l 0 0 时问 d 1 一配方 1 ； 2一配方 2 ； 3一配方 3 ； 4一配方 4 图4 混凝土内部相对湿度与龄期相关性 F i g 4 Re l a t i o n s h i p b e t w e e n i n te ma l r e l a t i v e h u mi d i t y an d a g e s of r n nr T t P 2 5 释水因子对高强微膨胀混凝体积变形性能 的影响 图 5所示为表 1中 4种配方混凝土 的限制膨 胀率， 第 1 组混凝土从一开始即表现出收缩变形的 趋势 ， 至 3 5 d龄期 时收缩变形率达 21 0 ， 而其 余 3 组混凝土均表现出膨胀变形的趋势。掺加饱 水释水因子， 同时掺加膨胀剂的第 3 、 第 4 组混凝 土限制膨胀率 比仅掺加膨胀剂的第 2组混凝土大； 维普资讯 http:/ l 一配方 1 ； 2一配方 2 ； 3 一配 方 3 ； 4一配方 4 图5 混凝土限制膨胀率 Fi g 5 Re s t r a i n e d e x p 曲s V e r a Ie a f 2 6 旱 ： 星 黑譬 季 否 苫 墨 ： 鬟 丧 淼 嚣 袭 量 莱 圭 嚣 妻 釜 子 之 后 ，高强混凝土承受J 土l刀刚” 氏忤 8 O 6 0 再 室 4 0 b 20 0 龄 期 l 一配方 1 ； 2 一配方 2 ； 3 配 方 3 ； 4一配方 4 图 6 混凝土抗压强度 F i g 6 Co mp r e 4V e s t r e n g t h n f 哪 e t 2 0 0 1 ， e d a r 呲 s M h L i a 。C o n c r e t e fi l l d s t e e l t u b u l s t r u t ： n 。 g 惜 ：S 钢 c i e 管 nc 意 e P 虽 r e 微 s s膨 , 2 胀 0 0 低 1 热混凝士的组成、 结构与性 q e 螂 ,1 9 9 恤 9 绢 ： p r o p e r t i s t r u c t u r e anu e s o r lJ 蛐 0 n m m d T u b e 呦n o ， 1 1 U, , N 吼n s t ： r e n g t h e x p a n s i 0 v f cohe r e UmV e r s H S y t ee u l E n g i n e e r i n g W u h a n 1 9 99 曩 翳23 (3 ) ：32 自- 3 6 结 u l a r it y o fRe s e a r c h o n t h e r e g a u a r n y v wAN e ， 呦 曲 一 l e d t t ogenous shrinkage of 耄 conc删rete 111 ：32 - 3 6 J o u rna l o f B u i l d l o g 一 ； u s i s嘣 i： “ c 硼 一 w e t 1 i e i a g 岫 c e 眦“ 删 “ s e ， ，3 l - 一 。 。 Be n t z D P,S n y d e r K e x t p a s t e v o l u me 盼 e x t e n s i o n t o i n t e r n a l 。 8 6 3 g r e g a t e J C e m e n t “ d 叫似 ” 撼 ， R ,20 03,3凝1(_ -8)自： u - 变 悄 碱 一 。 t id y o n I A N G Z h e n-w u 小 , S p i n g ,Wa n g F e i - m a n ga t u uy u y c h a n g e i n h i g h p e d o r ma n e e c o n - v e 船 C c r 疵s o c i 帆砌I 3 1 J c r e 【 e 【 j o u r n a l o f t h e c | li n e s e e I a n ”。 维普资讯 http:/