收稿日期:2007 08 16;修回日期:2007 09 27作者简介:乔艳静(1978 )女,江苏盐城人,工程师,主要从事混凝土收缩、变形的研究,(电话)139********(电子邮箱)qiao.yanjing @
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文章编号:1001 5485(2008)04 0090 03
矿渣、粉煤灰掺量对混凝土收缩、开裂性能的研究
乔艳静,费治华,田 倩,刘加平
(江苏博特新材料有限公司,南京 210008)
摘要:收缩、开裂是影响现代混凝土耐久性的主要因素,为评价掺合料对混凝土收缩、开裂的影响,通过圆环开裂试验、收缩试验来评定矿物掺和料对混凝土收缩开裂的性能。圆环开裂试验主要表征混凝土试件在约束条件下抵抗干燥收缩应力的能力,收缩试验则表征试件的体积变形,收缩是开裂的原因,也是影响开裂的最重要因素。结果表明矿渣掺量在一定范围内时可抑制混凝土的开裂,混凝土的自收缩随矿渣掺量的增大而增大,干缩随矿渣掺量的增大而减小。粉煤灰可有效抑制混凝土的开裂,随掺量的增大抑制作用越显著;粉煤灰掺量越大对自收缩的抑制作用越明显,混凝土的干缩略有增大。总的来看,粉煤灰较矿渣可更好地抑制混凝土的收缩与开裂。关 键 词:粉煤灰;矿渣微粉;初始开裂时间;自收缩;裂缝宽度;干缩中图分类号:T U 528 文献标识码:A
现代混凝土向高强、高性能方向发展,但同时收缩开裂也已成为现代混凝土劣化的主要因素,矿物掺和料作为混凝土矿物外加剂,可配置出高强、大流动度混凝土,是高强、高性能混凝土不可缺少的组分,能提高混凝土的综合性能,在混凝土中的作用也越来越广,因此研究矿物掺和料对混凝土收缩开裂性能的影响也显得非常重要。矿渣微粉和粉煤灰是目前广泛使用的矿物掺和料,矿渣微粉由于具有较高的潜在活性,取代部分水泥后,由于细度小,填充在水泥颗粒中间,促进早期水泥水化反应,因此可提高高强混凝土的早期强度。粉煤灰具有火山灰效应、形貌效应和微集料效应。由于其微集料效应,使混凝土需水量降低,水化速率和水化热降低;由于其火山灰效应,使混凝土早期强度降低,后期强度提高,同时可提高混凝土耐久性。但是有资料表明,掺加矿渣微粉会增大混凝土的收缩,从而导致混凝土的开裂;掺加粉煤灰后则利于降低混凝土收缩值,对混凝土的开裂有较好的抑制作用。
研究采用胶砂圆环收缩开裂试验、混凝土收缩试验来综合评定矿物掺和料对混凝土收缩开裂的影响。
1 原材料和试验方法
1.1 原材料
水泥: 金宁羊 42.5RP 硅酸盐水泥,密度
3.1g/cm 3,比表面积3050cm 2
/g ,江南小野田公司
生产,其化学组分见表1。
矿渣微粉:江南粉磨公司生产,密度2.89g/cm 3,比表面积4617cm 2/g,其化学组分见表1。粉煤灰: 级低钙灰,江苏华能电力公司产,密度2.20g /cm 3,比表面积3207cm 2/g,其化学组分见表1。
粗集料:石灰岩碎石,粒径5~25mm,连续级配。
细集料:河砂,细度模数为2.6的中砂,级配良好,密度为2.65g/cm 3
。
外加剂:江苏建科院有限公司生产的JM-B 萘系高效减水剂。
表1 水泥、粉煤灰和矿渣微粉化学组分T able 1 Chemical composition of the cement ,
fly ash and slag
% 名称
化学组成
SiO 2
Al 2O 3CaO M gO Fe 2O 3Loss 金宁羊 42.5RP 19.80 5.23
63.900.82 4.58 2.21华能 级粉煤灰
49.4434.14 4.89
1.12
3.52 1.90江南矿渣
33.1211.80
34.9510.75
1.17
1.23
1.2 试验方法
1.2.1 试样制备
胶砂试样成型6组,每组3个试样,包括1个基准样,用于圆环开裂试验,以测定初始开裂时间,初始裂缝宽度以及3,7,14d 裂缝宽度。其配合比见表2,试件成型时充分振捣以排出大气泡,成型后的试件先放在标准养护室(温度20 ,相对湿度90%
第25卷第4期长 江 科 学 院 院 报
V ol.25N o.42008年8月
Journal of Yangtze River Scientific Research Institute Aug.2008
以上)中养护7d,然后移置干燥室中(温度20 2 ,相对湿度60 5%),同时试件开裂时间、裂缝宽度的测定也在干燥室中进行。
表2 胶砂试样配合比
T able 2 M ix ratio of the motar specimens
编号矿渣掺量/%粉煤灰掺量/%W /B 单方材料用量/kg 水泥矿渣粉煤灰砂水
空白
000.31
46000675144Fa 30%0300.313220138675144Fa 50%0500.312300230675144S130%3000.313221380675144S150%5000.312302300675144S170%
700
0.31
138
3220675
144
以上各组外加剂JM B 均掺胶凝材料的0.65%。
混凝土配合比见表3,混凝土收缩试验根据 普通混凝土长期性能和耐久性能实验方法 (GB182-85)要求进行,采用100mm 100mm 515m m 试件,拆模后分2组,一组在标养室中养护2d 后测干缩,另一组拆模后用铝箔包裹测定其自收缩。测试自由收缩的龄期分别为1,3,7,14和28d 。
表3 混凝土配合比T able 3 M ix ratio of the concrete
编号
矿渣掺量/%粉煤灰掺量/%
W /B 单方材料用量/kg 水泥矿渣粉煤灰石子砂水空白000.32
460001104675147Fa 30%0300.3232201381104675147Fa 50%0500.3223002301104675147S130%3000.3232213801104675147S150%5000.3223023001104675147S170%700
0.32
138
32201104675
147
以上各组外加剂JM -B 均掺胶凝材料的0.65%。
图1 开裂试验模拟示意图
Fig.1 T he simulated schematic diagram of the cracki ng test
1.2.2 干燥收缩开裂测试模型及方法
如图1所示,试模内环直径为250mm,外环直
径为300m m,高150mm 。将不同配比的混凝土用振动筛筛去粗集料,将剩余砂浆浇入模内通过振动密实成型,拆模后送入温度为20 2 ,相对湿度大于90%的标准养护室,养护7d 的龄期后,再放入湿度约为50%、温度为室温的干燥条件下进行养护,从养护初始开始,每隔12h 定时观测裂缝出现的初始时间t cr ,开裂后的试件测试其裂缝的宽度,测试时沿高度均匀选取10个点,用 25倍的带刻度显微镜测试裂缝的宽度再取其平均值作为w d ,t cr 和w d 可以用来表征不同配比混凝土其相对抵抗收缩
开裂能力的高低。
2 试验结果与分析
2.1 初始开裂时间
图2反映了矿物掺和料掺量对初始开裂时间的影响,从图2中可以看出掺加粉煤灰的胶砂试件其开裂时间都大于基准样的初始开裂时间,随着掺量的增大,初始开裂时间增加,当掺量为30%时,初裂时间比基准延长了3d,对开裂的敏感性较为显著,当掺量为50%时,初裂时间比基准延长了6.33d,远远超过基准样的初始开裂时间,大大降低了开裂的敏感性,对开裂起到了显著的抑制作用。
试验结果表明随着粉煤灰掺量的增加,混凝土或胶砂的抗裂性能将随之提高。对于掺加矿渣微粉的胶砂试件,当掺量在30%~50%范围内时,初始开裂时间均低于基准的初始开裂时间,掺量为50%时,初裂时间较基准时间有略微延长,当矿渣掺量超过50%这一临界点后,初裂时间开始下降至基准以下,
但从整体来看,矿渣掺量对开裂的抑制作用很小,对开裂的敏感性较强,有增大混凝土和胶砂开裂的趋势。
图2 矿物掺和料对初始开裂时间的影响F ig.2 T he effect of mineral admixtures on
the init ial cr acking time
2.2 裂缝宽度变化
图3反映了矿物掺和料裂缝宽度随时间变化的规律,从图中可以看出,各胶砂试件的裂缝宽度在前7d 内增长较为迅速,后期裂缝的变化较为平缓,掺矿渣的胶砂试件裂缝宽度明显高于基准试件,裂缝宽度随矿渣掺量的增大而增大,但是当矿渣掺量不超过50%时,裂缝宽度要明显低于基准试件,掺量为70%时裂缝宽度最大,从初长时的1.35mm 到14d 的1.81mm 增大了35%左右。对于掺粉煤灰的试件,裂缝宽度随掺量的增大而降低,掺量为50%时裂缝宽度最小,初长只有0.5mm,14d 也只有
0.75mm,表明增大粉煤灰掺量可有效地抑制裂缝的发生和发展。
91
第4期乔艳静等 矿渣、粉煤灰掺量对混凝土收缩、开裂性能的研究
图3 矿物掺和料对裂缝宽度随龄期变化的影响规律Fig.3 T he effect of mineral admix tures on the crack
w idth with the ag e
2.3 矿物掺和料影响混凝土抗裂性的机理分析 从上述试验结果可以看出,矿渣对开裂的抑制作用较低,且随掺量的增大而抑制作用降低。表现为开裂时间提前和裂缝宽度增大,矿渣微粉存在一个最佳掺量,且最佳掺量范围为30%~50%,在这个最佳范围内,初裂时间开始延长,裂缝宽度也有所下降,武汉大学的梁文泉和王信刚认为其中的主要原因:一是矿渣微粉掺量适当时,能有效降低胶砂收缩应力的最大值;二是矿渣微粉掺量适当时,能促使胶砂内部的微应力保持在一个较低的水平,从而推迟开裂时间,抑制早期裂缝的产生。
与矿渣微粉相比,随粉煤灰掺量的增加,混凝土抗裂性能得到提高,这是因为粉煤灰具有形态效应、微集料效应和火山灰效应。由于形态效应粉煤灰替代部分水泥后水泥用量减少,需水量也随之降低,降低了混凝土的绝热温升和水化速率,使温度裂缝发生的概率降低。粉煤灰的火山灰效应可提高混凝土的后期强度,提高弹性模量,减小了干缩导致的裂缝。另外粉煤灰与水泥化学作用产生的水化产物提高了骨料间的粘结强度,从而提高了混凝土的抗裂性能。2.4 矿物掺和料对混凝土收缩的影响
2.4.1 矿物掺和料对混凝土自收缩的影响
图4反映了矿物掺和料对混凝土自收缩的影响,从图中可以看出,混凝土的自收缩在前期增长比较快,
掺矿渣微粉的混凝土试件自收缩值均高于基
图4 矿物掺和料对混凝土自收缩的影响规律
Fig.4 T he effect of mineral admixtures on the concrete self shrinkage
准混凝土,且自收缩值随矿渣掺量的增大而增大,掺量为30%的混凝土试件自收缩值为187 10-6,掺量为50%的混凝土试件自收缩值为193 10-6
,掺量为70%的混凝土试件收缩最大。28d 自收缩值达到265 10-6,几乎为空白试件的2倍。
相对矿渣而言,掺粉煤灰的混凝土试件自收缩值均低于基准试件,且随粉煤灰掺量的增大自收缩值减
小,掺30%粉煤灰的混凝土试件28d 收缩值为121 10-6,掺50%粉煤灰的混凝土试件28d 收缩值为107 10-6
,且随时间龄期的延长收缩趋于平缓,在一定程度上对混凝土的收缩起到了较好的抑制作用。2.4.2 矿物掺和料对混凝土干缩的影响
图5反映了矿物掺和料对混凝土干缩的影响,从图中可以看出掺粉煤灰的混凝土干缩明显高于基准混凝土,且随掺量的增大干缩值也随之增大,在前期混凝土的收缩较大,之后基本趋于稳定,这可能是因为粉煤灰在早期水化速度慢,水泥石中的孔隙较多,毛细孔水蒸发较快而引起的。
而掺矿渣微粉的混凝土其干缩值均低于基准混凝土,在掺量30%~50%范围内干缩值随掺量的增大而增大。但当掺量超过50%后,干缩值却有减小的趋势。这是由于矿渣的细度大于水泥颗粒,起到颗粒级配的作用且水化速度较快,填充水泥石中的孔隙,阻止毛细孔水分的过多蒸发,从而降低了混凝土的干缩。当掺量进一步增大,由于矿渣比表面积较大,使得系统表层水的数量增大,
引起干燥收缩的增大。
图5 矿物掺和料对混凝土干缩的影响规律Fig.5 T he effect of mineral admixtures on the concrete drying shr i nkage
3 结 论
(1)对于掺合料对混凝土的开裂,矿渣对开裂的抑制作用较低,随掺量的增大抑制作用降低,表现为开裂时间提前和裂缝宽度增大,与矿渣微粉相比,粉
煤灰随掺量的增加,混凝土抗裂性能得到提高,表现
为开裂时间的延长和裂缝宽度减小。
(下转第96页)
Application of Geopolymer in Material Field and Its Development
LI Zhen,HAN Wei,SHAO Xiao mei
(Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China)
Abstract:As a kind of inorganic poly aluminosilicate material,a g eopolymer has draw n a lot of researchers inter-ests in the w orld due to its outstanding perform ances.The geopolymer is a kind of promisingly advanced material for its high degree polycondensed network structure and possesses excellent properties,low energy consumption and low tox ic w astes emission.So it may be easily utilized in recycle compared w ith organic polymers,cements, ceramics and metals.T he theory,properties and applications of geopolymer are introduced,and then its deve-l opment in the future is analy zed.
Key words:g eopolymer;metal kaolinite;aluminosilicate;g eopolymeration
(上接第92页)
(2)对于掺合料对混凝土的收缩而言,掺粉煤灰的混凝土试件自收缩值均低于基准试件,且随粉煤灰掺量的增大自收缩值减小,掺矿渣微粉的混凝土试件自收缩值均高于基准混凝土,且自收缩值随矿渣掺量的增大而增大。掺粉煤灰的混凝土干缩明显高于基准混凝土,且随掺量的增大干缩值也随之增大,在前期混凝土的收缩较大,之后基本趋于稳定。而掺矿渣微粉的混凝土其干缩值均低于基准混凝土,在掺量30%~50%范围内干缩值随掺量的增大而增大。但当掺量超过50%后,干缩值却有减小的趋势。
参考文献:
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(编辑:曾小汉)
Study on Concrete Shrinkage and Cracking Properties with
Different Slag or Fly Ash Proportions
QIAO Yan jing,FEI Zhi hua,T IAN Qian,Liu Jiaping
(Jiangsu BoTe New M aterial Co,,Ltd.,Nanjing 21008,China)
Abstract:Shrinkage and cracking are the primary factors influencing the durability of modern concrete.In order to evaluate the effect of the m ineral admixtures on the concrete shrinkage and cracking properities,a lot of tests w ere conducted by the ring test method and shrinkage experiment.The ring test method mainly reflects the re-sistance to dry ing shrinkage stress under the restraining conditions.The shrinkage test mainly reflects the vo-l ume deformation.The experimental results show as follows:Slag could inhibit the cracking of concrete w ithin the range of certain proportion.With the increase of slag proportion the self shrinking of concrete increases,but the drying shrinkage of concrete decreases.Fly ash could effectively inhibit the cracking of concrete,with the increase of fly ash proportion the concrete cracking could be effectively inhibited.With the increase of fly ash proportion the self shrinking of concrete decreases,but the drying shrinkage of concrete w ould increase.As a w hole,the fly ash could effectively control the concrete shrinkage and cracking.
Key words:slag;fly ash;initial cracking time;self shrinking;crack width;drying shrinkage