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日志

 
 

减缩剂、矿粉及粉煤灰对混凝土早期收缩的影响  

2010-06-24 14:51:51|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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摘要:设计制作了一套混凝土早期收缩测试装置,研究了在掺减水剂条件下,掺粉煤灰、矿粉混凝土的早期收缩,同时试验研究了减缩剂对掺粉煤灰和矿粉混凝土早期的影响。试验结果表明,粉煤灰和矿粉均能降低混凝土的早期收缩,矿粉的作用效果优于粉煤灰。减缩剂能进一步显著降低掺粉煤灰和矿粉混凝土的早期收缩,48h时的减缩率达45%以上,对于控制混凝土早期开裂具有显著的效果。

关键词:减缩剂;矿粉;粉煤灰;混凝土;收缩

   

1 引言

混凝土是当代建设工程用量最大的建筑材料,泵送施工、高强混凝土和外加剂的应用,为建设施工机械化和技术进步作出了卓越的贡献,同时也带来了新的严重的负面影响,即混凝土结构的非荷载裂缝越来越多,从而加剧了混凝土结构物的劣化,质量纠纷增多,长期困扰着建设工程界。特别是早期裂缝问题尤为突出,裂缝出现的时间有的发生在拆模时,甚至是在混凝土浇注后的6至12小时内。虽然对非荷载裂缝的成因已有较一致的认识,并提出了许多见解和方法,但至今并没有得到有效控制,且日趋严重。综合目前裂缝控制中的结构设计、施工控制和材料措施,可以认为,单凭设计或施工方法,要从根本上消除非荷载裂缝,尚有困难。而目前采用的材料措施又多为被动控制方法(如膨胀剂补偿法、掺纤维或聚合物混凝土等提高抗力法等),而不是从根本上减小混凝土的总收缩量。因此,如何减小混凝土的自身收缩已成为控制裂缝和提高耐久性的关键,这也是发达国家近年来着重发展的领域之一。

我国混凝土的干燥收缩试验根据《混凝土耐久性和长期力学性能试验方法》(GBJ82)进行,即在试件成型一天后拆模,再养护2d测试初始长度,然后测定其长度随龄期的变化,目前进行的大量收缩试验研究均采用这一方法。这一试验方法对混凝土3d之内的早期收缩无法反映。这对以往不掺外加剂的普通混凝土而言,影响并不太大,而对掺减水剂的混凝土而言,特别是对低水胶比的高强高性能混凝土来说,早期收缩对总收缩的影响非常显著,1d的自收缩值可高达200×10-6以上,不可忽略。

本研究正是基于这一点,设计制作了一套混凝土早期收缩测试装置,并研究了在掺减水剂的条件下,减缩剂、粉煤灰和矿粉对混凝土早期收缩的影响。

2 原材料和试验方法

1.    1原材料

水泥:  基准水泥

细集料:河砂,细度模数为2.6。

粗集料:碎石,最大粒径31.5mm。

减水剂:浙江大东吴建设新材料有限公司生产的脂肪族高效减水剂。

粉煤灰:杭州新宝水泥集团有限公司生产的级磨细粉煤灰,技术性能见表1。

表1  粉煤灰技术性能

比表面积(m2/kg)

烧失量(%)

SO3(%)

含水率(%)

需水量比(%)

547

6.61

0.14

0.67

101

 

表2  矿粉技术性能

比表面积(m2/kg)

烧失量(%)

SO3(%)

含水率(%)

需水量比(%)

545

0.98

0.14

0.55

96

 

减缩剂:课题组采用国产甲醚基聚合物与乙二醇系聚合物为主剂研制的新产品。

 

2.2试验方法

目前关于混凝土早期收缩的测量尚无统一的方法,不同的学者根据实际情况提出了不同的试验方法,其中最大的差异就是测试起点时间的不一致,或是在混凝土初凝后开始测量或是在混凝土成型后1天开始测量。A.Radocea 通过在混凝土试件两端分别埋入两个线性差动位移传感器监测混凝土早期体积的变形。这种方法虽然操作简单,受人为影响小,但在测量时,每个混凝土试件都得配备两个传感器,而且在测量过程中不能移动或窜用试件或传感器,造价高。Serge Lepage等人在混凝土中埋入线振仪,利用线振仪内的金属弦共振频率与它所受应力的函数关系,测量混凝土的体积变化。关键在于线振仪应有适当的刚度,特别是混凝土强度处于快速增加期,又存在早期混凝土与传感器的粘结问题,所以传感器的变形是否真实反映出混凝土的变形,还值得探讨。日本的Tazawa将混凝土的自收缩分成两个部分测定,即拆模前的收缩测定与拆模后的测定。混凝土终凝后拆模,并立即用薄铝胶带密封,并测定基准长度后转入塑料袋内养护,分别测定3d、7d、11d、28d的收缩。Tazawa的方法很好地解决了早期混凝土尚无足够强度时的收缩测定。但是拆模前和拆模后测头很难统一,因而会引起较大的误差。我国水工混凝土试验规程中建议埋入差动式应变计的方法测定收缩,虽然埋入应变计的方法精度较高(灵敏度5.8×10-6),但是早期混凝土尚无足够强度(弹性模量低) 时, 应变计无法与混凝土同步变形,而高强混凝土恰恰在这时产生很大的收缩。此外,清华大学和哈尔滨工业大学均研制了新的试验方法。

   综合各种测试方法的优缺点,本研究设计制作了一种新的位移传感器自动测试装置(图1)。由三个部分组成:混凝土密封试模、位移传感器和记录系统、温度测定仪。为减少试模对混凝土收缩的约束作用,在试模内底衬一块3mm特富纶板,并用润滑剂粘贴一层塑料薄膜,四周的特富仑板在初凝时刻拔出,使混凝土试件与模壁脱离。混凝土浇注后立即密封试模, 带模测定收缩。

    混凝土分两次装入试模,装至50mm 厚时,用振捣器进行振捣,并埋入测温原件。再加入第二层并振捣抹平,用塑料薄膜密封防止水分蒸发。混凝土试件放在恒温室内(20±2)℃养护,待混凝土接近初凝时,拔出侧板,并在固定表架上固定好位移传感器,重新密封试模至混凝土初凝,同时将位移传感器和测温原件接入计算机。测温原件主要用以修正混凝土内部温度与环境温度引起的温度变形。通过软件对测得的收缩值进行修正。

图1 混凝土早期收缩测试装置示意图

 

3试验结果与分析讨论

3.1粉煤灰对混凝土早期收缩的影响

   掺粉煤灰混凝土的配合比、初凝时间和坍落度见表3,早期收缩试验结果见图2。

表3    粉煤灰对混凝土早期收缩影响试验配合比

编号

1m3混凝土各材料用量(Kg)

实测坍

落度(mm)

水泥

石子

外加剂

粉煤灰

初凝

时间

J0

420

192

688

1032

7.56

0

11:50

215

F1

378

192

688

1032

7.56

42

12:12

235

F3

294

192

688

1032

7.56

126

12:35

245

F5

210

192

688

1032

7.56

210

12:56

 170

图2 粉煤灰对混凝土早期收缩的影响

试验结果表明,掺粉煤灰混凝土的早期收缩规律与不掺粉煤灰的基准混凝土相同,大量的收缩主要产生于初凝至24h之间。24h后,收缩速率明显减缓。

在这一试验条件下,粉煤灰的掺入能适当降低混凝土的早期收缩,且随着粉煤灰取代率提高,混凝土的早期收缩减小。以48h为例,粉煤灰取代率为10%、30%和50%,混凝土的早期收缩分别比基准混凝土下降5.5%、11.7%和15.7%。因此粉煤灰具有一定的降低混凝土早期收缩作用。这也与目前研究结果相一致。

 

3.2矿粉对混凝土早期收缩的影响

矿粉对混凝土早期收缩影响的配合比见表4,试验结果见图3。

 

表4    矿粉对混凝土早期收缩影响试验配合比

 

编号

12升混凝土各材料用量(Kg)

实测坍落度(mm)

水泥

石子

外加剂

矿粉

初凝时间

J0

420

192

688

1032

7.56

0

11:50

225

KF1

378

192

688

1032

7.56

42

11:30

215

KF3

294

192

688

1032

7.56

126

11:05

225

KF5

210

192

688

1032

7.56

210

10:45

220

                    图3 矿粉对混凝土早期自收缩影响曲线

试验结果表明,掺矿粉混凝土的早期收缩规律与基准混凝土相似,也与掺粉煤灰混凝土相似。

在这一试验条件下,矿粉的掺入能有效降低混凝土的早期收缩,且随着矿粉取代率提高,混凝土的早期收缩减小。48h时,矿粉取代率为10%、30%和50%的早期收缩分别比基准混凝土下降8.2%、16.8%和27.2%。与掺粉煤灰混凝土相比,在相同取代率时,矿粉降低混凝土早期收缩的作用效果略优。

本研究设计的试验方法,与测定混凝土自收缩相比,尚有一定差距,因为由于试样的四个侧面抽去特富纶板后,留下3mm的空隙,混凝土中的部分水向外蒸发,事实上,钢模内也结有少量水珠,使测得的混凝土早期收缩大于处自收缩值。但作为早期收缩的理论解释,仍引可用混凝土自收缩理论。

目前在分析混凝土自收缩机理时普遍接受的是毛细孔负压学说,认为自收缩的直接原因是混凝土内部毛细孔负压形成拉引力而引起的。然而许多资料均把混凝土的自收缩归因于水泥水化引起的化学减缩,或与化学减缩等同,这种观点却不够全面和具体。因为按照这种观点混凝土的自收缩率应该随着混凝土中水化程度和水化产物量增加而增大。但事实上并非如此,根据Powers和Brownyard的早期研究结果认为,混凝土的最大水化程度αmax由水胶比决定,水胶比越小,αmax就越小。也就是说,在相同水泥用量下,水胶比降低将导致混凝土的水化程度和水化产物量降低,即混凝土的自收缩应该降低,但实际的结果正好相反。另外,这个观点也很难解释硅灰对自收缩的影响。因此,引起混凝土自收缩有其它内在原因。

自收缩作用机理可以通过混凝土的自干燥现象得到较好的解释,混凝土内部相对湿度的降低是混凝土自收缩的导因。随着水泥水化的进行,在硬化的水泥石中形成大量的微孔,这些微孔的状态对混凝土自干燥有重要的影响。硬化水泥浆体中包括两种类型的孔:凝胶孔和毛细孔,凝胶孔是水化产物的固有部分,而毛细孔是未水化水泥浆固体部分所填充的空间。在水泥水化过程中被凝胶孔所固定的那部分水在正常条件下是不能流动的,也就是说,即使毛细孔水被消耗掉,它们也不能提供给水化反应之用,此时水化反应将停止,自干燥效应也将随之停止。也就是说,在水泥石中有部分内部水对混凝土内部相对湿度是没有贡献的。这点可以从理论计算反映出,从理论计算看, 为了保证试管在20 ℃下相对湿度从65%提高到100%,所需的可蒸发水W至少为:

W = (1- 0.65)×14.8 (g·m-3)×50×10-6m-3=2.59×10-4g ,式中:14.8 (g·cm- 3)为20℃时饱和水蒸汽的密度,即此时的相对湿度为100%。实际上,用于测定温度试样的最小可蒸发水量为0.264g,远高于实际所需水量,因此理论上不存在因水分不够而导致混凝土内部湿度降低。从该结果也可以间接推出混凝土中的可蒸发水量不能全部自由蒸发,肯定有其它因素约束混凝土内部水分的蒸发。

另外,根据Raoult定律,当水中含有可溶物质或离子时,水的蒸汽压将随着水溶液物质的浓度提高而降低。因此,水溶液浓度越高,相对湿度就越小,具体到混凝土内部相对湿度,可以用可溶离子浓度(M)来评价,可溶离子浓度通过下式计算:M=A(可溶离子量)/We(可蒸发水量)。通过此种方式的计算和实际内部相对湿度的测定可以发现混凝土内部可溶离子浓度与相对湿度具有较好的线性关系(如图4)。

图4 可溶离子摩尔浓度与内部相对湿度的关系

从上述混凝土自收缩机理分析可知,自收缩在于混凝土内部相对湿度下降,导致混凝土内部毛细孔负压引起,而混凝土内部湿度的降低是由于混凝土内可溶离子浓度和凝胶孔水、吸附水、层间水量比例的增大。自收缩的大小可用其内部相对湿度参数来反应。自收缩形成的必要条件在于无外界水源而内部水不足以补充内部相对湿度降低所消耗的水分或水泥水化速率大于外部水的迁移速率或内部供水速率。

根据这一理论,可以较好地解释低水胶比混凝土自收缩较大的原因。首先,水胶比的降低,一方面在相同水泥用量的条件下,表明可蒸发水量降低,因而可溶离子浓度增大,导致混凝土内部相对湿度降低,最终使得自收缩增大。另一方面水胶比的降低也意味着水泥用量的增加,这就使得混凝土中可溶离子量也增大最终增大自收缩。其次,在混凝土中掺入掺合料后,一方面因为水化过程的改变使得水化产物和孔结构发生变化,从而改变了凝胶孔水,吸附水、层间水量比例,最终影响自收缩。另一方面,由于掺合料的二次水化会消耗混凝土内部可溶离子量,使得可溶离子浓度降低,从而自收缩减小。对混凝土早期收缩来说,矿粉和粉煤灰的掺入延缓了水化进程,所以也有利于降低收缩。

3.3 减缩剂对掺粉煤灰和矿粉混凝土早期收缩的影响

由于减水剂的应用,使得混凝土早期收缩大增加,因此通过减缩剂技术来降低混凝土的早期收缩,在技术上是切实可行的,并被认为是混凝土裂缝控制的最有效措施之一。为此,设计了一组掺减缩剂混凝土早期收缩的对比试验,配合比见表5。早期收缩试验结果见图5。

表5   减缩剂对混凝土早期收缩的影响

编号

1m3混凝土各材料用量(Kg)

凝结时间

坍落度(mm)

水泥

石子

减水剂

减缩剂

粉煤灰

矿粉

FJ

372

190

716

1074

7.65

0

48

0

11:40

225

AF

372

190

716

1074

7.65

7.65

48

0

11:00

220

KJ

372

190

716

1074

7.65

0

0

48

10:50

207

AK

372

190

716

1074

7.65

7.65

0

48

11:00

205

图5 减缩剂对掺粉煤灰和矿粉混凝土的自收缩影响

试验结果表明,减缩剂能显著降低掺粉煤灰和矿粉混凝土的早期收缩。48h时的减缩率分别达47.0%和46.3%。对控制混凝土早期收缩裂缝十分有利。

4.结论

根据有限的试验结果,可以认为,在掺减水剂条件下,粉煤灰和矿粉取代部分水泥,能降低混凝土的早期收缩,对减少混凝土的早期收缩裂缝是有利的。减缩剂具有显著的减缩效果,早期48h的减缩率可达45%以上,对控制混凝土早期收缩裂缝十分有利。

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pp.7-12.

来源:上海华预加气混凝土设备

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