（农业工程专业论文）高性能混凝土耐久性的试验研究.pdf

中围农业大学硕十学位论文 摘要 摘要 混凝土是现代工程结构的重要组成部分，是一种由砂石骨料、水泥、水及其它外加材料混合 而形成的非均质脆性材料。我国每年混凝士用量约1 0 亿立方米，规模之大，居世界前列。由于 混凝土施工和本身变形，约束等一系列问题，硬化成型的混凝士中存在着众多的微孔隙、气穴和 微裂缝，正是由于这些初始缺陷的存在，造成普通混凝士并不总是耐久的，在正常使用条件下， 其使用期限约为5 0 年，而在严酷条件下经过2 0 年、1 0 年甚至更短的时间就遭到了本质的破坏， 需要修理、加固，甚至修要重建，造成极大的人力、物力、财力浪费。因此，从混凝土配合比角 度出发，找出抑制混凝土收缩变形的措施，尽可能的减少混凝土的裂缝，提高混凝土的抗冻、抗 渗性能，提高建筑的耐久性，保证工程长期安全运行，充分发挥工程的社会效益、经济效益是非 常必要的。本试验通过在混凝土中加入引气剂、减水剂、膨胀剂、耪煤灰等物质，比对不同配合 比混凝士的收缩应变情况、试验抗渗、抗冻性能，达到提高混凝土耐久性的目的。混凝士收缩变 形的测定，采用特殊加工的试验装置进行，前3 天的收缩( 膨胀) 变形采用千分表测试，后期收 缩( 膨胀) 变形采用埋入差动式电阻应变计法测试，弥补了以往试验装置的钡4 试缺陷，取得了较 合理的试验数据，保证试验的科学完整性。 关键词：混凝土，耐久性，试验装置 a b s t r a c t t h ec o n c r e t ei sa ni m p o r t a n tp a no f t h em o d e me n g i n e e r i n gs t r u c t u r e i ti sah o m o g e n e o u sb r i t t l e m a t e r i a l ，w h i c hi sc o n s t i t u t e db ys a n d - a g g r e g a t e , c e m e n t , w a t e ra n do t h e r si n t r u s i o na g e n le v e r yy e a r , t h ec o n c r e t ec o n s u m p t i o ni sa b o u t1 , 0 0 0 0 0 0 0 0 0 m i no u rc o u n w y t h e r e f o r e , t h es c a l ei sv e r yb i g a n di ti st l l ef o r e f r o n ti nt h ew u r l dh o w e v e r , b e c a u s eo fi t sb e g i n n i n gb l e m i s h s u c ha sc o n c r c t e c o n s t r u c t i o na n ds e l f - a c t i n gt r a n s f o r m ，s t i p u l a t i o n ，e t e ，as e r i e so fp r o b l e m sa n dn u i n e i o u st i n yh o l e , s p i r i tg a v ea n dt i n yc r a c ki nt h eh a r d e n i n gm o d e lo f c o n c r e t ea l w a y so u mt h ec , o m l n o i lc o n c r e t ei sn o t d u r a b l e u n d e rt h en o r m a ln s a g cc o n d i t i o n , i t sl i f e - s p a ni s5 0y e a r s ，b u ti ti so n l y2 0y e a r s ，e v e n1 0 y e a r ss o m e t i m eu n d e rt h eh a r s hc o n d i t i o n s ，b e f o r ei t e n c o u n t e r se s s e n t i a lb r e a k a g e ，t h e n ，n e e d r e p a r a t i o n r e i n f o r c e m e n t , e v e nr e c o n s t r u c t i o n n er e s u l ti saw a s t eo f t r e m e n d o u sm a n p o w e r , m a t e r i a l r e s o 麟，m o n e y t h e r e f o r e , w i t ht h ec o n c r e t er a t i o ，i ti sv e r yn e c e s s a r yt of i n do u tt h em e a s u r e $ u l x 嚣t o r e d u c ec o n c r e t es h r i n k a g et r a n s f o r ma n dt h ep o s s i b l yc r a c ko fc o n c r e t e , r a i s et h ef i o s tr e s i s t a n c ea n d i m p e r m c a b i l i t yo ft h ec o n c r e t ea n dd u r a b i l i t yo fb u i l d i n g s ，p r o m i s ee n g i n e e r i n gal o n g - t e r ms a f e t y m o v e m e n t , b r i n gm o r es o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t s t h ep u r p o s eo ft h i st e s ti st or a i s ed u r a b i l i t yo f c o n c r e t et h r o u i g ha d d i n ga i r - e n t r a i n i n ga g e n t , w a t e r - r e d u c i n ga g e n t , b l o a t i n ga g e n t , f l ya s he r e t ot h e e n n c r e t c , a n dc o n t r a s tt h ec o n d i t i o n so fc o n t r a c t i o ns t r a i n , t e s ti m p e r m e n b i l i t y , f i o s tr e s i s t a n c ef o rt h e d i f f e r e n tm i xp r o p o r t i o nc o n c r e t e s t h em e a s u r e m e n to fc o n c r e t es h r i n k a g et r a n s f o r mw o u l da d o p t s p e c i a lp r o c e s s e de x p e r i m e n t a le q u i p m e n t 1 1 1 es h r i n k a g ef i n f l a t i o n ) t r a n s f o r m sw o u l db em e a s u r e db y d i a lg a u g ei nt h ef i r s t3d a y s ，a n da f t e rs h r i n k a g e ( i n f l a t i o n ) t r a n s f o r m sw o u l db em e a s u r e db ) rb u r i e d d i f f e t e u t i a le l e c t r i cr e s i s t a n c es t r a i ng a u g e 1 1 1 i sm e t h o dh a sm a d eu pt e s td e f e c t so fe a r l yd e v i c e s o b t a i n e dm o r er e a s o n a b l ee x p e r i m e n t a ld a t aa n da s s u r e ds c i e n t i f i ci n t e 舒t yo f t h ee x p e r i m e n t k e yw o r d s ：c o n c r e t e , d u r a b i l i t y , e x p e r i m e n t a le q u i p m e n t 插图和附表清单 1 图卜1 采用差动位移传感器测量混凝土收缩示意图3 2 图卜2 采用线振仪测量混凝土早期收缩示意图3 3 图2 - 13 d 内的收缩变形观测装置1 1 4 图2 2 后期收缩变形观测装置1 2 5 图2 3 同坍落度时，减水剂对早期收缩的影响1 3 6 图2 - 4 同坍落度时，减水剂对3 0 d 龄期收缩的影响1 4 7 图3 一l 胶材为3 4 0k g m 3 砼自生体变形结果1 9 8 图3 2 胶材为3 9 0k g m 3 砼自生体变形结果2 0 9 图3 3 胶材为3 4 0k g m 3 砼早期自生体变形结果2 0 1 0 图5 l 混凝土经受冻融循环后的相对动弹模2 7 1 1 图5 - 2 混凝土经受冻融循环后的质量损失2 7 1 2 表2 一l 水泥物理力学性能检验成果表7 1 3 表2 2 细骨料检验成果表8 1 4 表2 - 3 粗骨料检验成果表9 1 5 表2 - 4 引气减水剂检验成果表1 0 1 6 表2 - 5 拌和用水检验成果表1 0 1 7 表2 - 6 减水剂对混凝土收缩影响的试验配合比1 2 1 8 表2 - 7 减水剂对混凝土早期收缩的影响1 2 1 9 表2 - 83 0 d 龄期时的试验结果1 3 2 0 表3 - 1 粉煤灰的化学成分和品质分析表1 7 中国农业大学硕十学忙论文插陶和附表清单 2 1 表3 - 2 膨胀剂检验成果表1 7 2 2 表3 - 3 混凝土自收缩影响试验配比表1 9 2 3 表4 - 1各配合比混凝土抗渗试件的渗水高度2 3 2 4 表5 - 1 混凝土的抗冻能力试验记录2 7 v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究一：坳习豇 帆沙7 年r 月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生魏沏习犯帆砷年圳日 导师签名： 弘1 时问：j 一7 年月于日 中国农业大学碗十学位论文 绪论 1 1 研究目的与意义 第一章绪论 混凝土是现代工程结构的主要材料，我国每年混凝土用量约1 0 亿立方米，规模之大，居世 界前列。但是，普通混凝土并不总是耐久的，在正常使用条件下，其使用期限约为5 0 年，而在 严酷条件下经过2 0 年、1 0 年甚至更短的时间就遭到了本质的破坏，需要补强、修理、加固，甚 至需要重建，造成极大的人力、物力、财力浪费。“高强和高性能混凝土材料的结构与力学性研 究”课题组的资料表明：在一般环境下有4 0 i 业民用建筑结构的混凝土已碳化到钢筋表面，而 在潮湿环境下，有9 0 构件的钢筋己不同程度的锈蚀。而另一方面，许多巨型工程，施工期 较长( 有的长达1 0 年以上) ，投资巨大，需要大大延长工程使用寿命。因此，在普通混凝土的基 础上，研究如何大幅度提高混凝土的耐久性，发展高性能混凝土，已经成为混凝土技术发展的主 要方向。 南水北调东线( 山东段) 工程供水范围涉及山东省境内的1 0 7 个县、市、区，供水范围共1 1 3 万k i n ，占全省国土面积的7 3 7 。供水区内集中了山东主要的经济发达区和大部分重点城市，供 水区内国内生产总值约占全省的8 0 8 9 6 ，在山东省国民经济中占有十分重要的地位。南水北调东 线( 山东段) 工程结构混凝土工程量大，施工条件及建成后的服役条件复杂，超长渠系混凝土的 抗渗及其抗裂问题、混凝土的抗冻融抗冲刷问题、特殊环境条件下( 如北方干旱气候、局部盐碱 腐蚀等) 特种混凝土的配制及其旌工技术等问题，对工程质量与耐久性有重要影响。南水北调工 程具有巨大的社会，经济影响力，确保其工程质量与耐久性具有极其重要的社会意义和深远的历 史意义。因此，本研究结合南水北调( 山东段) i 程的结构与环境特点，开展在混凝土中掺加引 气减水剂、粉煤灰、膨胀剂等掺和料研究混凝土的抗裂性、收缩变形、抗渗性及抗冻性，对从配 合比角度找出抑制混凝土收缩变形的措施，尽可能的减少混凝土的裂缝，对从根本上提高建筑物 的耐久性，保证工程的长期安全运行，充分发挥工程的社会效益、经济效益，是非常必要的。同 时，对于其它的有抗渗、抗冻要求的混凝土工程，同样具有现实的实践参考意义。 1 2 国内外研究进展 高性能混凝土的出现和在研究应用领域取得的进展，标志着混凝土技术已经进入一个全新的 时代。虽然迄今不同国家、不同学派对高性能混凝土提出了不同的定义，但是都认为，除了高强 度指标外，高性能混凝土应具有高耐久性和良好的工作性，否定了以往过于偏重于提高强度的理 念，把耐久性作为必须重点保证的首要技术指标。通过掺加超塑化剂、超细矿粉等技术手段，使 混凝土硬化前后的各种性能大幅度改善和提高，以满足不同用途对混凝土特殊性能的要求。 2 0 世纪9 0 年代，由美国首先提出高性能混凝土( h i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e ，简称h p c ) 的新概念，其基本要求是混凝土应具有良好的耐久性、工作性和强度。现代高强混凝土( h s c ) 中国农业大学硕卜学位论文 绪论 属于h p c ，这点比较清楚，但t t p c 是否必须高强，就存在不同的看法。加拿大将用于回填采矿后 的井巷并利用尾矿废渣材料制作的i m p 低强混凝土，以及活性粉料压制的强度高达2 0 0 - 8 0 0 m p 的 混凝土等都列入h p c 之列。在我国，通常将c 5 0 以上的混凝土称高强混凝土，但高强并不一定高 性能，况且需要高强度的工程结构在数量上并不是很多，就现状而言，研究开发c 3 0 - c 5 0 级h f c 具有更普遍的实用意义。 t l p c 之所以成为当前发展研究的热点与工程对混凝土耐久性的要求，以及人类日益关心的可 持续发展有密切关系。耐久性不仅是对混凝土的一种功能要求，也是节约天然资源( 矿产、砂石) ， 减少建筑垃圾产生，保护自然环境的要求。大量使用粉煤灰等矿物掺和料，不仅可以改善混凝土 的性能，也是处理利用工业废料，形成良好生产循环的要求。合理降低水泥用量既能提高混凝土 的质量，又能减少生产水泥所带来的能耗与c 0 2 排放量。另外，推广应用i i p c 也许是提高许多基 础设施耐久性最为省力和投资最少的办法。如果说传统混凝土为2 0 世纪人类文明和改造自然作 出了无可估量的贡献的话，i i p c 在2 0 世纪末的出现，则适应了人们更大规模改善环境和保护环境 的需求。 1 2 1 混凝土收缩变形的研究现状 混凝土的自收缩“1 ( a u t o g e n o u ss h r i n k a g e ) 是指体系与外界没有水分交换的情况下，由混 凝土内部自干燥作用引起的宏观体积收缩，它从混凝土初凝后就开始产生。 混凝土的温度收缩及裂缝控制技术已很成熟，有关温度收缩的影响因素、预测模型、温度收 缩引起的开裂形式及预防措施等方面的研究很多，可供高性能混凝土研究与应用借鉴，但是混凝 土的自收缩问题尚有待于进一步阐述。 p a i l l e r e 等人发现低水胶比的高性能混凝土在约束作用下密封养护时，自收缩会引起贯通 裂缝的产生；h o l l a n d 等人”在实际施工过程中也发现，大坝消能池修复所用的超高强混凝土( 低 水胶比、掺入硅粉j 在施工后2 - 3 d 内产生了贯通裂缝；w i t t m a n nfh “的研究则表明。自收缩 是全约束高性能混凝土构件早期破坏的原因。宫泽伸吾等人认为，超低水胶比混凝土的自应力主 要由自收缩引起，当其内部配有钢筋时，自收缩引起的应力随水胶比的降低而增大，水胶比愈小， 配筋率愈大，自收缩应力愈容易引起贯通裂缝。由此可见，白收缩对混凝土的早期体积稳定性起 着非常重要的作用。 关于自收缩对高性能混凝士耐久性的影响方面，w i t t m a n nfh “1 认为，自收缩与干燥收缩共 同引起的低水胶比混凝土的表面裂缝虽然在应用上对其力学性能影响不大，但却会明显劣化混凝 士的渗透性能，特别是靠近表面的渗透性能。同时，还认为，混凝土早期的自收缩可以抵消温升 引起的体积膨胀，因此有利于改善混凝土在早期温升期的体积稳定性。另外，同普通混凝土相比， 高性能混凝土内部的自干燥程度较大、可冻结的水量较少且可冻结水所在的孔隙半径较小，因此 有助于其抗冻性的改善。有关自收缩对高性能混凝土的强度、耐久性等方面的影响，还有待于深 入研究。 有关高性能混凝土自收缩影响因素方面的研究并不多。a i r i c ”3 的研究表明，高性能混凝土的 自收缩大部分发生在初凝至1d 龄期内，l d 后的自收缩增长很慢；c h a r t 的试验结果则是早期的 自收缩增长速度较小，后期则增长较大。 2 中目农业大学硕十学位论文 绪论 并且，综合大量的文献可以发现备研究者对低水胶比水泥净浆的自收缩进行了比较系统的研 究，然而对于多了骨料成分的混凝土而言，不同因素对其臼收缩的影响远比水泥净浆复杂的多， 因此不能简单的套用影响规律。 1 2 2 测定混凝土收缩变形的方法及存在的不足 混凝土自收缩主要发生在早期，对于高性能混凝土更是如此由于早期混凝土还没有足够的 强度，传统的测量收缩的方法不再适用。由于各国对于早期收缩的测量还没有统一标准可依，不 同学者根据实际情况采用不同的测试方法。 r a d o c e a ”1 通过在混凝土试件两端分别埋入两个线形差动位移传感器监测混凝土早期体积 的变形( 如图1 - 1 ) 。这种方法操作简单，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试件或传感器，造价高。 3 卜塑料薄膜；2 一热电偶；3 一传感器；4 一测头；5 - 混凝土 图1 - 1 采用差动位移传盛器测量混凝土收缩示意图 s e r g el e p a g e 等人”1 在混凝土中埋入线振仪( 如图1 _ 2 ) ，这种线振仪里面包含一个金属弦， 而金属弦的共振频率与它所受压力有一定函数关系，从而通过一个电磁激振器测量线振仪的共振 频率随时间的变化就可测量出混凝土的体积变化。这种方法构思巧妙，不失为一个好的测量方法。 但关键问题在于线振仪应有适当的刚度，刚度大容易埋置，但对早期收缩不敏感，刚度太小，虽 然灵敏度高但却不容易埋置和操作，同时早期混凝士能否与这种传感器粘结良好，传感器的变形 能否真实反映出混凝土的变形，还值得探讨。 卜混凝土试件2 - 线振仪3 一湿度传感器 图1 - 2 采用线振仪测量混凝土早期收缩示意图 日本的t a z a w a 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 ”。拆模前用干分表测定混凝土的收缩。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，龄期前3 d 、7 d 、l l d 、2 8 d 时取出来用混凝土收缩测定仪测定收缩。 这种方法很好的解决了早期混凝土尚无足够强度时的收缩测定。但是在试验过程中发现用混凝土 收缩测定仪测定混凝土收缩时，混凝土中埋入的测头与收缩测定仪的测头对中前后不同龄期很难 中困农业大学硕士学p 论史 绪论 统一。影响测量结果。 我国建筑工程材料试验手册建议混凝土标准养护3 d 后密封处理，再用混凝土收缩仪( 带 有百分表或测微器) 测定收缩，但这种方法不仅精度低，而且不测早期收缩“。 我国水工混凝土试验规程建议采用埋入差动式电阻应变计的方法测量混凝土的收缩。虽然该 方法精度较高( 5 8 1 0 1 ) ，但是当早期混凝土尚无足够强度时，应变计无法与混凝土同步变形， 而高性能混凝土恰恰在此时产生很大的自收缩” 1 3 研究目标和内容 1 3 1 研究目标 本研究课题旨通过具体的试验研究，设计不同的混凝土配合比，在不同的混凝土配合比中， 调整引气剂、减水剂、粉煤灰、膨胀荆等掺加物质，找出抑制混凝土的收缩裂缝的控制措施，提 高其抗渗等级，增强其抗冻性，以提高混凝土的耐久性。并把此项试验成果、技术数据应用于南 水北调东线( 山东段) 工程中。 1 3 2 研究内容 主要进行以下5 个方面的试验研究，找出提高混凝土耐久性的施工措施，保证工程质量。 1 ) 在保持混凝土的坍落度不变的情况下，调整水泥和减水剂的掺加量，测试混凝土的应变 量，分析减水剂对混凝士收缩的影响。 2 ) 在保持胶凝材料总量不变的情况下，测试基准砼、粉煤灰砼、补偿收缩砼和微膨胀砼的 自收缩应变情况。 3 ) 混凝土抗渗性能分析。 4 ) 混凝土抗冻性能分析。 5 ) 混凝土经济效益分析。 1 4 研究方法 对混凝土的收缩测定方法进行了改进。根据混凝土的特性随龄期而变化的特点，分为前后两 个阶段，分别采用不同的测定仪器测量混凝土的收缩变形。混凝土采用l o o m m x1 0 0 m x 4 0 0 r a m 的 试模成型试块，在成型混凝土试块的同时，将差动式电阻应变计埋入其中。混凝土从初凝开始至 3 d 的收缩( 膨胀) 变形采用千分表测定，3 d 后的收缩( 膨胀) 变形采用埋入的差动式电阻应变 计测定，这样做既测出了混凝士的早期变形量，又克服了混凝土早期还没有足够的强度时，不能 与电阻应变计同步变形的缺陷，而用电阻应变计测定混凝土的后期变形量比较精确。如果后期采 用千分表测定混凝土的变形量，则误差会较人，因为千分表在千分表架上经过长时间的放置，会 发生一些振动，导致千分表测头与混凝土两端的接触面发生位移，影响试验数据的准确性。 4 中国农忡大学硕士学忙论文 绪论 依据水工混凝土试验规程( d l t 5 1 5 0 2 0 0 1 ) 进行各配合比混凝士试件的抗渗性能试验和 抗冻性能试验。 5 中国农廿人学硕十学位论文 减水剂对洱凝十收缩的影响 2 1 原理 第二章减水剂对混凝土收缩的影响 高效减水剂的减水效果是通过分散水泥粒子而得到的，水泥粒子的分散可以说是由于外加剂 中承担分散作用的组分吸附在水泥粒子表面而产生的静电斥力、高分子吸附层的相互作用产生的 立体斥力及水分子的浸润作用而引起的。 由于吸附分散剂，水泥粒子表面形成了双电层，相邻的两个粒子之间产生了静电斥力作用， 使水泥粒子分散，防止其再凝聚，由于这种分散作用使混凝土流化。并且减水剂具有浸润作用， 在化学结构中具有较多的与水分子亲和性高的羟基( - o l d 、醚( o - ) 和氨基( - n 1 2 ) 的分散剂， 由于水泥粒子的吸附而与水的亲和性提高，水分子浸润到水泥粒子之间，产生阻碍水泥凝聚的效 果。换句话说，降低水的表面张力时，有助于水泥粒子的湿润，使水浸透到粒子间更狭小的细孔 中，从而使水泥粒子分散，混凝士黏性得以改善。 减水剂的分散作用，使得水泥浆体絮凝结构解体，从而释放出被水泥颗粒包裹着的游离水。 因此，在砼配合比不变的条件下，相当于增加了用水量，或者说增大了水灰比，成为混凝土增大 收缩的原因之一。 2 2 试验设计 为了研究减水剂对混凝土收缩的影响，试验中选用了掺加减水剂和不掺加减水剂，胶凝材料 相同的两种坍落度基本相同的配合比进行了比对试验。为了简化和比对的需要，用水量改变时， 砂石料用量未做相应调整，严格意义上说不一定是1 立方混凝土，减水剂品种为萘系减水剂，掺 量为1 5 。 在试验室制各混凝土拌合物时，试验室的温度为2 1 5 c ，要求的控制温度为2 0 _ 5 c ，所用 材料的温度与试验室的温度保持一致。拌合混凝土时，材料用量以质量计。称量精度骨料为4 - 1 ； 水，水泥、掺合料、外加剂为0 5 。 2 2 1 试验依据 本试验研究主要依据下列标准规范： 1 ) 硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥( g b l 7 5 1 9 9 9 ) ； 2 ) 水工混凝土砂石骨料试验规程( d l t 5 1 5 1 2 0 0 1 ) ； 3 ) 水工混凝土水质分析试验规程( d l t 5 1 5 2 2 0 0 1 ) ； 4 ) 混凝土外加剂( g b 8 0 7 6 1 9 9 7 ) ； 5 ) 混凝土外加剂应用技术规范( g b 5 0 1 1 9 2 0 0 3 ) ； 中困农业大学硕十学忙论文 减水剂对混凝十收缩的影响 6 ) 水工混凝土外加剂技术规程( d l t 5 1 0 0 1 9 9 9 ) ： 7 ) 水工混凝土施工规范( d l t 5 1 4 4 2 0 0 1 ) 。 2 2 2 试验材料 进行试验选用的水泥、砂子、碎石、外加剂等材料均为南水北调( 山东段) 万年闸泵站工程 选用的材料在混凝土试验前，先对各种材料进行品质检测，只有选用的材料经检验合格后方可 用于混凝土试验研究。 ( 1 ) 水泥 水泥是混凝土的基本胶凝材料，在传统上，混凝土是按强度进行设计的，对混凝土的质量要 求主要体现在强度指标上，因此，混凝土生产者对水泥品质的要求也是强调强度，强度越高的水 泥被认为质量也越高。如此的发展，造成近几年来混凝土结构出现裂缝、水泥与外加剂适应性差 等问题。水泥细度、矿物组成以及碱含量的增加，热水泥的出厂，都加剧了事态发展，是原材料 中影响混凝土质量的主要因素。在目前我国大多数水泥粉磨条件下，水泥磨的越细，其中的细颗 粒越多。增加水泥的比表面积能提高水泥的水化速率，提高早期强度，但是粒径在1um 以下的 颗粒不到一天就完全水化，几乎对后期强度没有任何贡献。倒是对早期的水化热、混凝土的自收 缩和干燥收缩有贡献。水化快的水泥颗粒水化热释放的早，因水化快消耗混凝土内部的水分较快， 引起混凝土的自干燥收缩；细颗粒容易水化充分，产生更多的易于干燥收缩的凝胶和其它水化物。 粗颗粒的减少，减少了稳定体积未水化颗粒，因而影响混凝土的长期性能。 随水泥比表面积的增加，与高效减水剂的适应性越差，为减小流动度损失需要增加更多掺量 的高效减水剂。不仅增加施工成本，而且可导致混凝土中水泥用量的增加，影响混凝土的耐久性。 水泥细度还会影响混凝土的抗冻性，抗裂性。试验选用的水泥是山东榴园水泥厂生产的p 0 3 2 5 级水泥，所选水泥细度为2 4 ，远远小于国标规定的1 0 。安定性选用沸煮法测定。测定值为 i 8 m m ，3 天抗折、抗压强度分别为国标值的i 5 6 、1 0 9 ，2 8 天抗折、抗压强度分别为国标值 的1 7 2 ，1 0 2 。检验结果祥见表2 一l 。 表2 - 1水泥物理力学性能检验成果表 求。 从表2 1 可以看出，所检指标均满足硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥( g b l 7 5 - 1 9 9 9 ) 的要 7 中国农业大学硕十学位论文减水剂对混凝十收缩的影响 ( 2 ) 细骨料 为保证混凝土施工和易性，并节约水泥，较经济的配制质量合格的混凝土，应选择颗粒级配 好，而且粗细程度适宜的骨料。在砂子用量一定的情况下，最好采用空隙率小而总表面积也小的 砂。砂的空隙率小，则混凝土骨架较密实，填充砂子空隙的水泥浆则少；砂总表面积小，包裹砂 子表面的水泥浆用量则减少，这样就可以节约水泥用量。砂的空隙率大小取决于颗粒级配的好坏， 而总表面积的大小又取决于砂的粗细程度。 由于砂的含水量不同，将会影响混凝土的拌和水量和砂的用量，所以在混凝土配合比设计中 为了有可比性，规定砂的用量应按完全干燥状态为准计算，对于其他状态含水率应进行换算。 含泥量是指砂中粒径小于0 0 7 5 r a m 颗粒的含量；泥块含量是指砂中粒径小于1 1 8 r a m ，经水 洗、手捏后变成小于o 6 0 0 m m 颗粒的含量。砂中含泥量多会影响混凝土强度。砂中的泥块对混凝 土的抗压、抗渗、抗冻及收缩等性能均有不同程度的影响，尤其是包裹性的泥更为严重。泥遇水 成浆状，胶结在一粒或数粒砂子表面，不易分离。在混凝土中与水泥起着隔离作用，影响到水泥 石的粘结力。试验选用砂是沂河砂，含泥量的检测结果为0 8 9 6 ，无泥块含量，检测结果祥见表 2 - 2 。 表2 - 2 细骨料检验成果表 从表2 - 2 可以看出，所检沂河砂指标满足水工混凝土砂石骨料试验规程( d l t 5 1 5 1 2 0 0 1 ) 标准的要求。 ( 3 ) 粗骨料 石子的最大粒径和级配影响混凝士的用水量、砂率和工作性。石子的颗粒级配通常有连续级 配和单粒级配。连续级配是指颗粒的尺寸由大到小连续分级，其中每一级石子都占有适当的比例。 当粒径分布在定的范围时，大颓粒之间的空隙由小颗粒填充并占有适当的比例，因而减少空隙， 可以减少水泥浆的需要量。单粒级石子宣用于组合成具有要求级配的连续粒级，也可与连续粒级 混合使用，以改善其级配或配成较大粒度的连续粒级。不宜用单一的单粒级配制混凝土。 8 中国农业大学硕十学位论文减水剂对混凝十收缩的影响 粗骨料的含泥量将会严重影响骨料与水泥的粘结力、降低和易性、增加用水量，影响混凝土 的干缩和抗冻性。泥块含量对混凝土性能的影响较含泥量大，特别对抗拉、抗渗、收缩的影响更 为显著。一般对高强度等级混凝土的影响比低强度等级混凝土影响为大。 选用的租骨料为北山张山头产的5 - 2 0 m m 和2 0 - 4 0 m 的碎石，检验结果见表2 3 。 表2 3 粗骨料检验成果表 从表2 书可以看出，所检北山张山头产的碎石指标满足水工混凝土砂石骨料试验规程 ( d l t s l 5 1 - 2 0 0 1 ) 标准的要求。 ( 4 ) 夕f 加剂 i ) 外加剂的基本作用 各类外加剂都有各自的特殊功能。综合起来，外加剂可以在以下方面发挥作用： 能改善施工条件，减轻体力劳动，并有利于机械化施工，对保证及提高工程质量有积极的 作用，能在现场条件下完成过去难以完成的质量要求高的工程。 能减少养护时间，或预制厂缩短蒸养时间，可以提早拆模加速模板周转，可以加快施工进 度 能提高和改善混凝土质量。许多外加剂可以提高混凝土的强度，增加耐久性、密实性，增 强抗冻性、抗渗性，改善干燥收缩及流变性能，有些外加剂还能提高钢筋的耐蚀性等。 在采取一定措施的条件下，可适量的节约水泥而不影响混凝土的质量。一 可以节约能源。节约水泥就是节约了能源。而增加和易性使捣固，抹平工序易于进行，自 然就使能源消耗减少。减少养护和蒸养时间也节约了能源。因此，外加剂对能源的节约可起到相 当大的作用。 2 ) 应用范围 外加剂的应用范围十分广泛，在以下条件下都可以使用外加剂。 自然条件下养护的混凝土制品或构件，掺用减水剂能改善和易性，或者提高强度，或者节 约水泥 冬季现场浇注混凝土施工时，可掺用早强剂或早强性减水剂。 夏季滑模施工，大坝等大体积工程中，可掺用缓凝剂或缓凝型减水剂以延缓水泥放热过程， 可减少收缩裂缝而保证混凝土质量。 喷射混凝土、堵漏工程中可掺用速凝荆，使混凝土很快凝结。 大模板或钢筋密集的预应力钢筋混凝士工程，可使用高效减水剂以利浇注，保证工程质量。 港口、水工混凝土可掺用引气剂、减水剂以降低水泥用量，提高混凝土和易性或耐久性。 大体积混凝士防止裂缝、混凝士补偿收缩、地下防水等工程中可掺用膨胀剂。 试验选用的砼外加剂为高效引气减水剂，是山东水务混凝十外加剂有限公司生产的产品。检 q 中国农业大学硕十学位论文 减水剂对混凝十收缩的影响 验结果见表2 - 4 。 表2 _ 4 引气臧水剂检验成果表 注：掺量为水泥重量的l5 。 从上表可以看出，选用的引气减水剂符合混凝土外加剂( g b 8 0 7 6 1 9 9 7 ) 中引气减水剂一 等品要求 ( 5 ) 拌和用水 砼试验拌和用水采用生活用水，水质检验成果见表2 - 5 。 表2 _ 5 拌和用水检验成果表 从表2 - 5 可以看出，砼拌和试验用水满足水工混凝土施工规范( d l t 5 1 4 4 2 0 0 1 ) 混凝土 拌和用水品质要求。 2 2 3 试验设备及步骤 根据混凝土的特性随龄期而变化的特点，分为前后两个阶段，分别采用不同的测定仪器测量 混凝土的收缩变形。混凝土采用l o o m m 1 0 0 m x 4 0 0 m 的试模成型试块，在成型混凝土试块的同 时，将差动式电阻应变计埋入其中。混凝土从初凝开始至3 d 的收缩( 膨胀) 变形采用千分表测 定，3 d 后的收缩( 膨胀) 变形采用埋入的差动式电阻应变计测定，这样做既测出了混凝土的早期 变形量，又克服了混凝土早期还没有足够的强度时，不能与电阻应变计同步变形的缺陷，而用电 阻应变计测定混凝土的后期变形餐比较精确。如果后期采用千分表测定混凝土的变形量，则误差 会较大，因为于分表在千分表架上经过长时问的放置，会发生一些振动。导致千分表测头与混凝 土两端的接触面发生位移，影响试验数据的准确性。 混凝土收缩试件的尺寸定为1 0 0 r a m xl o o m 4 0 0 m m ，在室内恒温绝湿条件下试验。 1 0 中国农廿大学硕十学竹论文减水剂对混凝十收缩的影响 试验装置：i ) 混凝土初凝后至3 d 的收缩( 膨胀) 变形采用千分表测定，混凝土浇注到试模 内立即密封试模，带模测定收缩。试验装置由以下三个部分组成：混凝土密封试模、千分表及千 分表架。混凝土密封试模内底衬有一层塑料薄膜；长方向的内侧衬有可插拔的有机玻璃侧板；密 封盖与试模之问设有密封垫，并用密封螺栓紧固；短向板留有伸出测头的圆孔。混凝土测头采用 了可拆卸式的。千分表固定在于分表架上。试验装置如图2 - 1 。 有机玻璃衬板 混凝土 图2 - 13 d 内的收缩变形观测装置 试验步骤如下： 试模短向内侧衬3 厚的橡胶皮，并穿好测头长向两侧插入可抽式侧板，并内衬层塑 料薄膜。密封垫涂抹凡士林。 拌制好的混凝土用铲刀装入试模内，当装入5 0 m m 厚时，试模的正中埋入电阻应变计，并 引出线。混凝土装至距试模上沿5 m m 左右时，将试件放到振动台上振动密实，盖上紧固密封螺栓， 用凡士林密封测头周围的空隙，放在( 2 0 1 ) 0 c 室内养护，待混凝土快要初凝时，取下密封盖， 拔出侧板，重新密封。 混凝土拌制好后即开始用贯入阻力仪测初、终凝时间。 在恒温室内( 2 0 i ) o c ，将试模放在水平放置的千分表架上，旋动高度调节螺丝调整千分 表的高度，使其端部与埋设混凝土内的测头对中，再调整紧固螺丝使两者相互顶住，混凝土初凝 后开始读取千分表的值。 第1 d ，千分表和差动式电阻测量仪每2 小时观测一次；2 3 d ，千分表和差动式电阻测量 仪每8 小时观测一次。测定收缩整个过程要避免试模或千分表架受振动。 2 ) 混凝土试件的后期收缩( 膨胀) 变形采用埋入差动式电阻应变计法测定。混凝士试件用 于分表观测三天后，拆模，用塑料膜包裹好，装入橡胶桶内密封，然后再装入加工好的l l o m m x l l o m m ) 4 4 0 r a m 的白铁皮桶内，上盖用锡封焊，应变计电缆从上盖预留的孔中拿出，并用密封胶密 封好空隙，保证白铁皮桶内、外无空气与水分的交换。在恒温室内( 2 0 1 ) o c 养护，观测混凝 土的应变。从第4 d 起，差动式电阻测管仪每5 天观测一次观测2 个月。试验装置如图2 2 。 中固农廿大学硕十学位论文 减水剂对混凝十收缩的影响 2 3 试验结果 围2 - 2 后期收缩变形观测装置 试验的配合比见表2 - 6 ，砂率为o 4 4 ，基准混凝土( j z 组) 水灰比为o 5 ，j s 组的水灰比为 o 4 1 ，经测量j z 组的坍落度为9 5 m ，j s 的坍落度为9 8 。早期试验结果见表2 7 及图2 3 。 表2 6 藏水剂对混凝土收缩影响的试验配合比 水泥砂石子水减水剂 “ k 咖3k 咖3k 咖k g 佃3k g ，m 3 j z 组3 4 08 1 i 1 0 3 01 7 00 堡璺! 竺! ! !：! 竺! ! 竺! ：! 表2 - 7 减水剂对混凝土早期收缩的影响 龄期h 024681 0 1 21 41 61 82 02 22 4 j z ( i 1 0 吲m ) 0 3 05 3 6 0 6 36 8 7 07 27 2 7 5 8 08 0 j s ( 1 刈矿m r n ) 0 4 05 09 02 0 02 9 03 2 03 9 0 4 0 0 4 1 04 2 0 4 2 0 4 2 0 注：j z 菘准混凝土 j s 掺加减水剂的混凝土 2 中国农廿大学研十学位论文减水剂对混凝十收缩的影响 固2 - 3 局坍落度时，减水剂对早期收缩的影响 试验结果表明，掺减水剂的混凝土收缩值比不掺减水剂的混凝土收缩值显著增大了，2 4 小时 龄期时，掺加减水剂的混凝土早期收缩值增加3 4 0 l o - 6 m m 。这说明减水剂的掺入，虽然减小了 混凝土的用水量和水灰比，但混凝土的早期收缩不但不减小，反而显著增加。2 4 小时之内，j z 组收缩增长很平缓；j s 组在第6 小时起出现了较快的增长，至1 4 小时止收缩值达到3 9 0 x 1 0 4 m m , 1 4 小时至2 4 小时收缩值的增长趋于平缓。龄期3 0 d 内的全收缩试验结果见表2 8 及图 2 4 。 表2 - 83 0 , 1 龄期时的试验结果 注：j z 基准混凝土j s 一掺加减水剂的混凝土 中国农业大学硕_ 二学位论文撼水剂对湿凝十收缩的影响 圉2 _ 4 同坍落度时，减水剂对3 0 d 龄期收缩的影响 由结果可看出，龄期1 - 5 天，掺加减水剂的混凝土收缩率明显大于基准混凝土的收缩率，5 - 2 5 天二者的收缩率基本一致。从第5 d 起至3 0 d ，掺减水剂的混凝土收缩值比不掺减水剂的混凝土收 缩值增加了4 5 0 l 矿m m 以上。 2 4 小结 由上述试验结果可知，掺加减水剂后，即使减少用水量，保持坍落度相同，并不会减少砼的 早期收缩和总收缩，反而有增大收缩的趋势。特别是从初凝开始的2 4 h 内，收缩增幅很快，是砼 早期开裂的主要因素，可以解释工地施工掺加减水剂的混凝土，早期收缩裂缝增多和开裂时间提 前的原因。因此，加强早期施工养护措施对提高混凝土的抗裂性是非常必要的。另外，从掺减水 剂混凝土的早期收缩绝对值来说，要解决早期开裂问题，单凭加强施工养护措施，难度较大，应 采用纤维抗裂技术、减缩剂技术或早期补偿收缩技术等措施，才有可能达到有效控制早期开裂的 目标。 4 中国农业大学硕十学位论文自收绵试骑研究 i i 皇曼兰皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇皇! 曼! 曼曼蔓皇曼曼! 皇皇曼曼! 璺曼曼曼曼曼曼曼曼皇詈曼曼皇曼曼! 皇曼! 皇曼曼曼曼! ! 蔓曼曼曼曼鼍苎尊 3 1 原理 第三章自收缩试验研究 自收缩是由自干燥( 水泥水化过程中发生的一种内部干燥现象) 或混凝土内部相对温度降低 引起的收缩，是混凝土在恒温绝湿的条件下，由于水泥水化作用引起的混凝士宏观体积变化现象。 它不包括温度变化，湿度变化、外力或外部约束及介质的侵入等引起的体积变化。自收缩发生在 整个混凝土中( 三维) ，混凝土自收缩的产生主要是由于水泥硬化体空隙中的相对湿度低，发生 白干燥。胶凝材料反应活性越高，自收缩越大。自收缩与水灰比有关，水灰比越低，自收缩越大。 因而，高强混凝土往往比普通混凝土开裂的概率大。 在恒温绝湿的条件下，测定混凝土的自收缩变形量，画出其变化规律曲线，对找出抑制混凝 土自收缩变形的控制措施是非常必要的。混凝土自收缩发生的时期，以及各时期的变形量差异很 大，找出其内在规律，可以分阶段采取不同的措施控制混凝土的收缩变形。 3 2 试验设计 试验选用的配合比考虑掺加粉煤灰、膨胀剂、减水剂等掺和料配制混凝土。为了保证试验数 据的可比性，在保持胶凝材料总量不变的条件下，测试基准砼( j t ) 、粉煤灰砼e f t ) 、补偿收缩 ( b s t l ) 及有微膨胀性的混凝土( b s t 2 ) 的收缩应变情况，各种混凝土水胶比均为0 3 9 。每组成 型2 块试块，成型试块时在内部埋入差动式电阻应变计。 3 2 1 试验依据 本试验研究主要依据下列标准规范： 1 ) 水工混凝土试