高强混凝土早期收缩及塑性开裂影响因素研究.doc

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1、重庆大学硕士学位论文高强混凝土早期收缩及塑性开裂影响因素研究姓名王海阳申请学位级别硕士专业建筑材料工程指导教师杨长辉20050501重庆大学硕士学位论文 II 重该掺量值随水胶比不同在6.58之间波动低于此掺量值时高强混凝土塑性裂缝面积随硅粉掺量增大而增大高于此掺量值高强混凝土塑性裂缝面积随硅粉掺量增大而减小随硅粉掺量增大高强混凝土早期收缩增大且早期收缩的急剧发展时间段增长 4环境湿度增大或风速减小高强混凝土早期收缩和塑性开裂趋势减小环境温度升高高强混凝土早期收缩增大但塑性开裂趋势减小 5随聚丙烯纤维掺量增大高强混凝土塑性开裂程度减轻不同配比混凝土纤维的最佳掺量不同对高强混凝土采取保湿养护或二

2、次抹面工艺措施对抑制塑性开裂有较好作用后者效果更佳 关键词高强混凝土早期收缩塑性开裂水分蒸发速率 英文摘要 III ABSTRACT In recent yearshigh-strength concrete has been applied widely in construction engineering. Experience of engineering practice reveal that HSC is easy to induce early-age cracking problem. The problem has been a hot research topic of

3、the concrete technique field. Many research achievement have been acquired mainly on the studies of after-hardened volume stability of high-strength concrete and its early-age cracking.The proportion of plastic shrinkage cracking is rather high in early cracking but no systematic study has been done

4、 on early-age shrinkege and plastic cracking of HSC.Thusthere is a theoretical and actual significance in production and construction of HSC to pay attention to the research on early-age shrinkage and plastic cracking. In this paper initial cracking time maximum crack width and total crack area of c

5、oncrete are tested by way of an end-restrained span mental specimen to evaluate qualitatively the trend of conrete plastic cracking.The no-contact method of laser displacement sensor has been introduce to solve the problem that early-age plastic deformation of conrete is difficult to measure quantit

6、atively.Based on thesemain effects of early-age shrinkage and plastic cracking of HSC have been studied.The research results can be concluded as following: 1 The early-age shrinkage and plastic crack trends of HSC are relatively higher than those of normal concrete.Plastic shrinkage and plastic crac

7、k degree of conrete are influenced mianly by environment. The proportion of plastic shrinkage is quite high in early-age shrinkage under the environment with high evaporation . 2 When water binder ratio varieties between 0.28 and 0.34effect of w/b on early-age shrinkage and plastic crack trend are r

8、elative to state of fresh concrete. To a certainty of superplasticizer contentearly-age shrinkage and plastic crack area of HSC are higher as the w/b increasing.When slump of concrete mixing is kept a certainty by adjusting superplasticizer contentthe influence of w/b on plastic shrinkage and plasti

9、c crack trend of HSC are not distinct.To a certainty of w/b the early-age shrinkage and total plastic crack area are lower when fresh concrete is super workable or very dry. When mixing slump is between 100mm and 200mmHSC is easier to induce plastic cracking. The degree of HSC plastic crack is the h

10、ighest when sand percentage is about 38.HSC with lower or higher sand percentage which is not more sensitive to plastic cracking. Early-age shrinkage of concrete is higher as sand percentage increasing.Thus 重庆大学硕士学位论文 IV there is no entire positive relations between plastic crack trend and plastic s

11、hrinkage.Keeping other mix proportions parameters sameearly-age shrinkage and plastic crack area of HSC are lower as maximum aggregate sizes decreasing. Concrete with accordant slump whose early-age shrinkage and plastic crack area are higher as cement amount increasing. 3 It can decrease the degree

12、 of plastic crack when the range of fly ash and slag content is 040 and 020 respectively in HSC. Fly ash and slag content exceeding the rangethe trend of HSC plastic cracking is lower as their content inceasing.Early-age shrinkage of HSC whose fly ash content is between 0 and 20 is lower as the cont

13、ent decreasing. However Early-age shrinkage of HSC whose fly ash content exceeds 20 is higher as the content increasing.Early-age shrinkage of HSC is lower as slag content increasing. Early-age shrinkage and plastic crack area of HSC is lower as fineness of fly ash or slag decreasing.There is a crit

14、ical silica fume content to make degree of HSC plastic crack highest.The critical SF content is different under different w/b which is between 6.5 and 8.Below the critical SF contentplastic crack area of HSC is lower as SF content increasing.Plastic crack area of HSC is higher as SF content increasi

15、ng when SF content exceeds the critical content.Early-age shrinkage of HSC is higher as SF content increasing. 4 Early-age shrinkage and plastic cracking trend of HSC is lower as environmental relative humidity increasing or environmental wind speed decreasing. Under the environment with higher temp

16、eratureearly-age shrinkage of HSC is higher but its plastic crack area is lower. 5 Polypropylene fiber can suppress and stabilitate plastic crack in fresh concrete effectively. To different mix proportionsthe best compound proportioning of Polypropylene to descrease plastic crack area is different.

17、The control means of HSC plastic cracking-wet maintenance and spatulating surface again are very effective especially the latter. Keywords: high strength concrete early-age shrinkage plastic cracking rate of water evaporation 1 绪 论 1 1 绪 论 根据美国混凝土协会ACI363委员会高强混凝土委员会对高强混凝土的定义的解释和我国的实际情况我国土木工程协会高强混凝土委

18、员会在高强混凝土结构设计与施工指南中建议C60以上混凝土称为高强混凝土 高强混凝土在国外的应用较早技术已十分成熟近十年来中国在混凝土技术方面取得明显的进步在普遍应用C30C40等级混凝土的基础上C50C60高强高性能混凝土的工程应用范围不断扩大大量的C50C60应用与高层建筑和大跨桥梁上如上海的金贸大厦东方明珠电视塔万县长江大桥等C80混凝土已在预应力管桩构件中使用也有少量C80高强泵送混凝土在实际工程中得到应用如上海明天广场北京静安中心大厦等强度大于C100的超高强混凝土在国外也有一定的使用 高强混凝土能够减小建筑物构件截寸降低结构自重还能降低成本并使结构具有较高的刚度还能增加结构的使用寿命

19、满足现代工程结构向大跨度重载高层发展和承受恶劣环境条件的需要1因此以水泥砂石等常规材料和常规工艺生产的具有良好工作性的现代高强混凝土在国际范围内得到了迅速的发展国内外的混凝土科技工作者对高强混凝土进行了大量的深入的研究工作包括高强混凝土的配制技术高强混凝土的工作性以及耐久性的改善等内容高强混凝土的优越性已被广泛认同可以预期它将是21世纪首选的建筑材料 研究资料2-4显示与普通混凝土相比高强混凝土硬化后早期的体积变形较大更易出现早期开裂现象目前的研究主要集中在对高强混凝土硬化后的体积稳定性及其开裂方面已取得较多的成果迄今为止对高强混凝土极早期塑性收缩及其开裂的系统研究却相对较少因此本文拟通过一定

20、的实验方法对高强混凝土塑性开裂趋势进行定性评价并对早期收缩变形进行定量测定来对影响高强混凝土早期收缩及塑性开裂的因素进行系统的专题研究最后探索了高强混凝土塑性开裂的改善措施 1.1 高强混凝土的配制技术途径 混凝土是由各种形状和大小的集料颗粒和水泥浆凝结硬化而成的水泥石所组成的可以把它看作是水泥石与粗细集料组成的复合材料也就是说混凝土的强度主要取决于水泥石的强度集料的强度以及水泥石与集料之间的粘结强度混凝土要获得较高的强度应从以下几个方面考虑5 加入适量超塑化剂降低水胶比普通混凝土中用水量比水泥水化所需重庆大学硕士学位论文 2 水量大的多一般水泥水化所需的用水量为水泥重量的1525而实际施工时

21、用水量为水泥重量的5060甚至更多在混凝土硬化后多余的水在水泥石以及水泥石和集料的界面区域形成大量的各种孔隙以及因混合料泌水和混凝土收缩所引起的微孔和微缝这些缺陷石导致混凝土强度下降和其它性能指标低劣的根本原因因此尽可能减少和消除这些缺陷改善混凝土的结构是制成高性能混凝土的关键问题其基本措施就是通过掺入超塑化剂使得混凝土在保持一定的工作性下降低水胶比 掺入矿物掺合料改善水泥石中的相组成水泥水化后形成的水化产物以C-S-H数量最多最为重要C-S-H的种类很多主要分为两类即低碱性C-S-HC/Slt1.5和高碱性C-S-H前者比后者强度高得多但是水泥水化后形成的主要水化产物是高碱性C-S-H而且还

22、形成大量基本上没有强度和稳定性很差的游离CaO 由这些相构成的水泥石强度及其他性能指标都不可能增加低碱性C-S-H含量并同时消除游离CaO其主要方法是在混凝土中掺入SiO2微粒或铝硅酸盐微粒等一些矿物掺料这些掺合料与游离CaO以及高碱性C-S-H产生二次反应其他性能也得到相应改善这就是通常说的火山灰效应此外研究表明活性微集料在水泥混凝土中还可产生填充效应增强效应减水效应和耐久性提高效应等 选择适宜的配制参数配制C60以上的高强混凝土优选42.5或更高标号的硅酸盐水泥总胶凝材料用量一般控制在400550kg/m3细集料一般选择具有圆颗粒外形光滑表面细度模数以2.73.0的中砂为佳粗集料以最大粒径

23、为1525mm连续级配压碎指标较好的碎石为宜采用中砂配制高强混凝土砂率一般在3242范围内 高强混凝土不同于普通混凝土的配制特点决定了其拌合物所表现出的物理和化学性能的不同因而其早期的塑性收缩及其开裂行为也有差异 1.2 混凝土工程结构裂缝 裂缝是固体材料中某种不连续现象在学术上属于结构材料强度范畴裂缝是材料的一种缺陷是不可避免的在某种程度上是人们可以接受的一种材料特征裂缝问题是混凝土工程中带有一定普遍性的技术性问题很多混凝土结构的破坏往往是裂缝扩展的结果混凝土裂缝的存在可能使混凝土结构构件承载能力降低绕度增大同时它也是侵蚀性介质向混凝土基体渗透迁移的通道严重影响到混凝土结构的耐久性因此裂缝的

24、形成机理及防治一直以来是混凝土工程领域的重要研究课题 国际上许多国家都有专门的科研机构从事钢筋混凝土在荷载作用下裂缝的研1 绪 论 3 究工作并进行规范编制如美国混凝土协会ACI224委员会英国水泥与混凝土协会CCA及其规范BS8110BS8001所德国钢筋混凝土及规范DIN1045-1972欧洲混凝土协会CEB欧洲混凝土协会-国际预应力混凝土协会CEB-FIP1清华大学同济大学东南大学中国建筑科学研究院等都作了大量研究工作并编制出钢筋混凝土有关裂缝方面的设计规定在工程实践中发挥了重要的作用 混凝土的结构裂缝宽度一般以0.05mm为界大于或等于0.05mm的裂缝称为宏观裂缝小于0.05mm的称

25、为微观裂缝混凝土宏观裂缝是微观裂缝扩展的结果一般认为混凝土的裂缝主要以三种形式存在 粘着裂缝是指集料与水泥石的粘结面上的裂缝主要沿集料周围出现 水泥石裂缝是指水泥浆中的裂缝出现在集料与集料之间 集料裂缝是指集料本身的裂缝 在这三种裂缝中前面两种较多集料裂缝出现较少混凝土的裂缝主要指粘着裂缝和水泥石裂缝裂缝的存在对混凝土的基本性质如弹塑性徐变各种强度变形泊松比结构刚度化学反应等产生重要影响 混凝土裂缝的表现形态多种多样工程意义各有不同同样引起混凝土开裂的因素也不是单一的而往往是多种因素的协同作用工程裂缝专家王铁梦先生1认为80以上的混凝土结构裂缝的产生原因是由于变形作用导致的其余20左右是由变形

26、变化和荷载共同作用但以荷载为主所引起的这种变形裂缝产生的原因主要表现在三方面 塑性收缩裂缝混凝土在浇注后呈塑性状态时因收缩或沉降等所引发的开裂 硬化后收缩变形约束裂缝混凝土干缩温缩变形因受到约束作用引起的约束拉伸开裂 化学反应膨胀裂缝混凝土内部某种化学反应物的膨胀力在工程外表所引发的裂缝 工程裂缝的研究是一门综合性相当强的交叉学科关于混凝土及钢筋混凝土的裂缝问题早在30年代就已开始了研究针对简单构件在外荷载作用下裂缝出现及开裂宽度裂缝间距及形式进行了大量的试验和理论研究在某些假定条件下曾推导出多种理论计算公式这些公式用于理论计算与实际相比误差较大且应用复杂故许多国家近年来都采用根据试验资料建立

27、的纯经验公式这种计算对静定结构系统及一些简单构件的受力裂缝有一定的应用效果并纳入一些国家的规范种而对变形作用引起的裂缝研究还很不成熟缺乏有关规范及规程因为它涉及到结构设计地基基础施工技术材料质量环境状况等诸多因素 塑性收缩裂缝是变形作用引起的混凝土裂缝的重要组成部分对此类裂缝的重庆大学硕士学位论文 4 有效控制能够阻止或延缓后期裂缝的出现能大大提高混凝土的结构耐久性能 混凝土的裂缝是不可避免的引起微观裂缝是本身物理力学性质决定但它的有害程度是可以控制的有害程度是根据使用条件决定6-7一般工业与民用建筑中宽度小于0.05mm的裂缝对使用防水防腐承重等无危险性根据结构耐久性承载力及使用功能的要求最

28、严格的允许裂缝宽度为0.1mm近年来许多国家根据大量的实验和泵送混凝土的应用经验将其放宽到0.2mm我国的混凝土结构设计规范GBJ10-89把混凝土构件分为三级严格要求不出现裂缝的构件一般要求不出现裂缝的构件允许出现裂缝但需要控制裂缝宽度的构件根据国内外设计规范及有关试验资料混凝土最大裂缝宽度控制情况如下 无侵蚀介质无防渗要求为0.3mm0.4mm 有轻微侵蚀介质无防渗要求为0.2mm0.3mm 有严重侵蚀介质有防渗要求为0.1mm0.2mm 1.3 混凝土的塑性收缩及其开裂 1.3.1 混凝土的塑性收缩 1942年Swayze8定义塑性收缩为水泥浆体积收缩收缩值的大小是干水泥绝对体积的1目前

29、ACI将其定义为发生在水泥浆砂浆灰浆或混凝土凝结前的收缩 上述的定义是基于混凝土塑性收缩发生的时间作出的而未具体说明引起塑性收缩的原因本文认为混凝土的塑性收缩是在混凝土凝结硬化前即塑性状态由于毛细管压力沉降运动早期化学收缩以及早期自收缩等引起的宏观体积变化 1.3.2 混凝土塑性收缩与开裂的关系 新拌混凝土在塑性初始阶段是一种非均质的粘塑性复合材料其组成物质各粒子之间的结合力是相当小因此塑性阶段混凝土的微小变形极易在受到约束的情况下产生开裂现象但是混凝土塑性阶段也是其水化反应快速进行的阶段它使得混凝土形态从粘流态逐渐转变为弹塑态这是一个动态的过程这一过程中混凝土产生塑性收缩的同时其组成物质各粒

30、子之间的结合力因水化反应形成的刚性结构不断增大即混凝土抗拉强度不断增大且系统粒子的可移动性减弱 当混凝土塑性收缩受到约束而产生的收缩应力超过其实时抗拉强度时混凝土发生塑性收缩开裂现?笠虼嘶炷潦欠癯鱿炙苄钥岩约翱殉潭热绾我话闱榭鱿氯【鲇谌矫嬉蛩厮苄允账醮笮凳笨估慷却笮茉际笮艋炷廖词茉际苄允账踉俅笠步鍪且恢肿杂墒账跻话悴怀鱿炙? 绪 论 5 性开裂现象若混凝土实时抗拉强度发展较快具备较强的抵抗收缩应力能力混凝土塑性开裂程度将减小甚至不出现所以综合考虑这三方面因素是分析混凝土塑性收缩开裂的基本切入点以系统论的观点9解释这一现象 1.3.3 混凝土塑性收缩裂缝的形式及危害 塑性收缩裂缝常出现在干燥炎热

31、或大风环境下的混凝土板路面梁等大面积暴露的结构表面10一般长度大约0.22m宽度为0.15mm从外观上分为无规则网络状和稍有规则的斜纹状或反映出混凝土布筋情况和混凝土构件截面变化等规则的形状深度一般为310cm塑性收缩裂缝通常延伸不到混凝土板的边缘这一点有别于混凝土长期干燥收缩裂缝如图1.1所示 塑性收缩裂缝在早期裂缝中占有较大的比重较严重的塑性收缩裂缝有时可贯穿整个混凝土结构构件而有些裂缝宽度可能小于0.1mm属不可见裂缝肉眼正常视力在明视距离1m能辨认宽度为0.01mm的裂缝但从能量的观点来看已有的裂缝进一步扩展比形成新的裂缝容易塑性裂缝可由干缩而继续扩展甚至形成透水的贯穿裂缝这对构件的整

32、体性力学性能和耐久性都将产生较大的不利影响因此控制混凝土构件塑性阶段的可见以及不可见裂缝都是不容忽视的 图1.1 典型的混凝土塑性收缩裂缝 Fig.1.1 Typical concrete plastic shrinkage cracking 1.4 混凝土塑性收缩及其开裂的形成机理 虽然把新拌混凝土暴露于高蒸发速率条件下是形成塑性收缩裂缝的共同原因但还不十分清楚裂缝出现的机理11许多关于塑性收缩的研究几乎都采用现象学的方法阐述了与此有关的现象却很少有论文研究塑性收缩裂缝发生的基本过程Wittman12认为塑性收缩机理是由于水分蒸发使得新拌混凝土表面变干时在靠近表面的粒子水泥和集料之间的水中将

33、形成复杂的毛细管弯月面体重庆大学硕士学位论文 6 系随着水分的丧失毛细管水负压得以发展从而产生塑性收缩同时他也用实验证实了塑性收缩与毛细管压力存在直接的比例关系 本文认为塑性收缩的形成除毛细管压力外还包括塑性沉降收缩早期化学收缩溶解收缩和早期水化收缩以及早期自收缩等因此塑性收缩的形成是上述各种因素相互影响制约的综合结果而且不同配比的混凝土这几种形式的收缩在总塑性收缩中所占的比重也是不同的 毛细管水压力或泌水压缩产生的微应变10-6可达数千之多塑性沉降和早期化学收缩产生的体积变化极小对于高水胶比的普通混凝土而言早期的自收缩是很小约几百个微应变而对低水胶比高胶凝材料用量的高强混凝土塑性阶段水化作用

34、产生的自干燥收缩大小仍有待进一步研究或许可能较大影响混凝土的塑性收缩大小 1.4.1 毛细管压力作用 混凝土在浇注后的最初几个小时在干燥炎热或大风的气候条件下当蒸发速率超过泌水到达表面的速率时在靠近表面的粒子水泥和集料之间的水将形成复杂的弯月面体系如图1.2由于表面作用产生收缩力Pc其大小由几何尺寸和液体表面张力决定 1121RRPc 1 式中为液体表面张力R1和R2为主曲率半径 图1.2 毛细管压力引起两粒子间的引力12 图1.3 新拌混凝土毛细管水压力示意图 Fig1.2 Attractive forces between two spherical Fig1.3 Capillary te

35、nsion in fresh concrete particles caused by capillary12 被液体分隔开的粒子之间形成引力新拌混凝土中所有单个粒子相对于其它粒子来说处于运动状态较小的引力就可减少粒子之间的平均距离使整个体系变得密实随着水化作用的继续体系液相减少浆体粘度增加直至固化使1 绪 论 7 最初分离的粒子被逐渐地相互固定并最终形成一个固体骨架至此毛细作用停止图1.3 为新拌混凝土毛细管水压力的产生示意图 Wittman在模拟条件下对混凝土塑性阶段毛细管压力的发展进行了一系列的研究所得结果如图1.4所示可以看出混凝土拌合物在浇注后一个小时表面变干塑性收缩开始于是毛细管压力在体系中得以缓慢发展大约两小时后增加的比例变大直到34小时达到最大值破坏压力92MPa之后毛细管压力忽然下降此时毛细水就变得不稳定以某种方式进行重新分布而重分布的毛细水不再能充满分散系统的所有孔隙这些水仍留在较细小的毛细管中以及存在于两个单个粒子之间的接触区域中而形成毛细水环实验中4个小时后达到的总线性应变值为0.7510-3 为了更能从定量的角度表示塑性收缩与毛细管压力的关系可以去掉水化时间因素而把两者画在一个图中如图1.5所示可以看出在塑性收缩的初期塑性收缩与毛细管压力存在直接关系之后随着水化的继续新拌混凝土缓慢结硬结果使得要产生一定的收缩就需要更大的毛细管压.