（土木工程专业论文）高性能混凝土徐变规律研究.pdf

型丝墼丝鳖一j i | j jjflii i i ffrxi lll l j f f f l liiii l l i r lf ii i ii i ii i ； 曼曼皇量曼量曼曼皇曼量曼曼曼皇曼曼曼鼍曼量曼詈曼曼曼曼量曼璺詈鲁曼量曼! 曼置曼曼曼鼍笪曼鼍曼曼皇量量皇l f y 17 8 7 6 9 5 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，也不包含为获得北京工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。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：熊导师签名夕 修辱 一 摘要 本试验利用人工气候环境室，试验是在同一环境下，恒定温度，对不同外 加剂、掺合料的高性能混凝土材料的研究。直接测出6 种不同外加剂，掺合料 对高性能混凝土性能影响。 通过直观的数据和理论分析。得到早强剂、减水剂，引气剂，粉煤灰，矿 渣对高强混凝土抗压强度、徐变、徐变度、徐变系数的影响。 具体研究内容： 1 萘系减水剂对不同等级混凝土抗压强度的影响：c 3 0 、c 4 0 、c 5 0 均加 入1 5 减水剂，对混凝土抗压强度的影响。 外加剂和掺合料对高性能混凝土抗压强度的影响：萘系减水剂、早强剂、 粉煤灰、磨细矿渣、硅灰对混凝土抗压强度的影响。 2 不同外加剂、掺合料对高性能混凝土徐变的作用：在混凝土中掺入萘系 减水剂、早强剂、引气剂、粉煤灰、磨细矿渣、聚羧酸减水剂。分析出这6 种 外加剂、掺合料对混凝土徐变、徐变度、徐变系数的影响。 论文取得了以下研究成果： 1 试验研究了多种外加剂、掺合料对混凝土抗压强度的影响规律。分析对 比数据，总结出减水剂、早强剂、引气剂、粉煤灰、矿渣、硅灰对高强混凝土 抗压强度的影响。结果表明：外加剂、掺合料能有效改善混凝土强度性能。 2 试验研究了多种外加剂、掺合料对高性能混凝土徐变性能的影响。分析 了徐变试验数据，得出了徐变系数与时间的关系。与徐变理论值分析比较，分 析出外加剂、掺合料对混凝土徐变性能的不同影响。外加剂、掺合料能够影响 高性能混凝土徐变性能，徐变系数均低于理论值。修正徐变系数公式，来符合 实验值，给出相应的徐变系数公式。 关键词：高性能混凝土；徐变；粉煤灰；萘系高效减水剂 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a ct t h et r i a lu s eo fa r t i f i c i a lc l i m a t ec h a m b e ra n dt h ee n v i r o n m e n ti si nt h es a m e c i r c u m s t a n c e s ，c o n s t a n tt e m p e r a t u r e ，i sd i f f e r e n t ，w i t haf i to fm a t e r i a l sr e s e a r c h h i g h - p e r f o r m a n c e c o n c r e t e d i r e c to u tf o rs i xd i f f e r e n tw i t ham a t e r i a lf o r h i g h - p e r f o r m a n c e c o n c r e t ep e r f o r m a n c e t h r o u g hd i r e c td a t aa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s f i n da c c e l e r a t o r , w a t e rr e d u c e r , a i re n t r a i n i n ga g e n t ，a n df l y a s h ，s l a gp o w d e r ，f o rh i g h - p e r f o r m a n c eo f t h ec o n c r e t e s t r e n g t h , i ss a i dt oc r e e pc o e f f i c i e n t r e s e a r c hd e t a i l s ： 1 e f f e c to f p o r ef d no nt h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho f h i g h - p e r f o r m a n c e c o n c r e t e ：c 3 0 、c 4 0 、c 5 0i n t o1 5 f d nf o rs t r e n g t ht e s t m a g n e s i u ns a l t ss o l u t i o n e f f e c to nc o n c r e t e i m p a c tt os t r e n g t ho fc h e m i c a la n dm i n e r a la d m i x t u r e so nh i g h - p e r f o r m a n c e c o n c r e t e ：f i n da c c e l e r a t o r , w a t e rr e d u c e r , a i re n t r a i n i n ga g e n t ，a n df l y a s h ， s l a g p o w d e r ，f o rh i g h - p e r f o r m a n c eo ft h ec o n c r e t es t r e n g t h 2 i m p a c tt oc r e e pc o e f f i c i e no f c h e m i c a la n dm i n e r a la d m i x t u r e so n l l i g h - p e r f o r m a n c ec o n c r e t e ：f i n da c c e l e r a t o r , w a t e rr e d u c e r ；, a i re n t r a i n i n ga g e n t ， a n df l y a s h ，s l a gp o w d e r ，f o rh i g h - p e r f o r m a n c eo ft h ec r e e pc o e f f i c i e n p a p e rm a d et h ef o l l o w i n gr e s e a r c h ： 1 t h et r i a lh a sf o rm a n y , m a t e r i a li sd i l u t e dw i t hc o n c r e t es t r e n g t ho ft h e i m p a c to fl a w s f i l l da c c e l e r a t o r , w a t e rr e d u c e r ；, a i re n t r a i n i n ga g e n t ，a n df l y a s h ， s l a gp o w d e r ，f o rh i g h p e r f o r m a n c eo ft h ec o n c r e t es t r e n g t h t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o w ：c h e m i c a la n dm i n e r a la d m i x t u r e sc a nb ee f f e c t i v et oi m p r o v et h ec o n c r e t e s t r e n g t h 2 i m p a c tt oc r e e pe o e f f i c i e no fc h e m i c a la n dm i n e r a la d m i x t u r e so n h i g h - p e r f o r m a n c ec o n c r e t e a n a l y s i s i n gd a t ao fc r e e p ，g e tt o t h er e l a t i o n s h i p p a r a m e t e ri s s a i d t oc r e e p b e c o m et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n 1 1 1 e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w ：i ss a i dt oc r e e pc o e f f i c i e n tb e l o wt h e o r e t i c a l f i x e d c o e f f i c i e n t so ft h ee q u a t i o ni ss a i dt oc r e e p t ot h ea p p r o p r i a t ec o e f f i c i e n tf o r m u l ai s s a i dt oe r e 印 k e y w o r d s ：h i g h - p e r f o r m a n c ec o n c r e t e ；c r e e p i n g ；f l ya s h ；n a p h t h a l e n es e r i e s s u p e r p l a s t i c i z e r 1 1 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录i l i 第1 章绪论1 1 1 问题的提出一l 1 2 国内外研究现状。1 1 3 研究意义5 1 4 研究内容6 1 5 本章小结6 第2 章外加剂、掺和料应用分析8 2 1 引言8 2 2 常用外加剂与掺合料9 2 2 1 减水剂一9 2 2 2 早强剂1 0 2 2 3 粉煤灰1 1 2 2 4 硅灰1 1 2 2 5 引气剂1 2 2 2 6 矿渣1 2 2 3 本章小结1 3 第3 章徐变试验1 4 3 1 徐变概述1 4 3 2 徐变试验仪器1 4 3 3 试验研究方案2 0 3 3 1 高性能混凝土强度试验研究2 0 3 3 2 徐变试验研究2 2 3 4 本章小结2 5 第4 章夕i , t j d n 、掺合料对高性能混凝土强度影响2 6 i i i 北京t 业大学工学硕士学位论文 4 1 引言2 6 4 2 试验数据2 6 4 3 数据分析2 8 4 3 1 减水剂对混凝土的影响2 8 4 3 2 外加剂、掺合料对混凝土的影响3 0 4 4 本章小结3 2 第5 章外加剂、掺合料对高性能混凝土徐变性能影响3 3 5 1 引言3 3 5 2 数据分析3 3 5 2 1 混凝土徐变3 4 5 2 2 徐变应变，徐变度，徐变系数4 5 5 3 理论分析5 9 5 3 1c e b f i p 9 0 模式理论6 0 5 3 2g l 2 0 0 0 模式理论6 3 5 3 2a c l 2 0 9 模式理论6 5 5 4 试验与理论对比分析6 6 5 4 1 试验与自密实混凝土对比。6 6 5 4 2 试验的徐变系数与理论对比6 8 5 4 3 徐变系数数学表达式6 9 5 4 4 试验理论分析7 1 5 5 本章小结7 3 结论与展望7 5 结论7 5 展望7 8 参考文献7 9 攻读硕士学位期间发表的学术论文8 2 致j 射8 3 i v 1 1 问题的提出 第1 章绪论 自混凝土问世以来，凭借其所用原材料价格低廉、资源丰富、可塑性好等优 点，很快受到大家的青睐。现今，已成为土木工程界用量最大的人造工程材料。 混凝土的徐变是混凝土材料本身固有的时变特性，对于混凝土结构的受力与 变形性能有着显著的影响。徐变是指在荷载维持不变的情况下，混凝土的变形随 时间增加而慢慢增加的现象。 混凝土在外部荷载作用下，能够立即产生瞬时的弹性变形。在荷载稳定以后， 该混凝土构件即开始徐变变形，随加荷的时间增长。徐变变形会不断增加，但徐 变速率反而会降低。混凝土的徐变可以持续很长的时间( 约5 年达到极限值) ， 但大部分混凝土徐变在1 3 年内完成。 混凝土的徐变是其材料本身固有的时变特性。会导致混凝土结构受力和变形 伴随着时间的变化而变化，从而影响混凝土结构的受力性能以及长期变形性能。 影响混凝土徐变性能的因素有很多，材料的不同是其重要影响因素之一。随着混 凝土的材料向高性能和可持续发展方向的发展，活性工业废渣也越来越多的应用 在混凝土材料中，甚至成为高性能混凝土配合比中不可缺少的组成材料，其中应 用最广的材料是粉煤灰和磨细矿渣。现阶段，由于在工程中使用外加剂、掺合料 对高性能混凝土的徐变性能有影响，所以制约了高性能混凝土的应用和推广。 目前，各国对徐变机理尚无统一的认识，从事该领域研究的众多学者都从不 同角度探索、解释徐变现象以及机理，创立出了很多不同徐变理论。主要有：粘 弹性理论、渗出理论、粘性流动理论、塑性流动理论、内力平衡理论、微裂缝理 论等。但是，迄今为止，还没有哪一种理论与假设被大家广泛接受。但大家一般 都以水泥浆体的微观结构为基础，认为混凝土中可蒸发水的存在是产生徐变的主 要原因。 1 2 国内外研究现状 从2 0 世纪7 0 年代到现在，c e b - - r p 对混凝土的徐变系数计算进行了3 次 修改。b a z a n tz p 提出了b p 、b p _ 2 两种模型。现阶段，最复杂也是最理论化的 b 3 模式( 基于能量扩散理论，由b a z a n t 等提出) 仍然是半理论半经验公式。我国对 混凝土徐变的研究比较晚，在1 9 8 2 年一1 9 8 6 年才进行了系统的研究。已经提出 f 北京工业大学t 学硕士学位论文 可以使用于普通骨料和轻骨料混凝土的是中国建筑科学院1 9 8 6 模型。 国内主要研究成果有： 当前我国，在收缩方面，对掺合料对混凝土收缩性能的研究比较多，也都取 得了一些成果。还有研试验究结果显示：掺矿渣微粉的混凝土试件自收缩值高于 基准混凝土，并且自收缩值随着矿渣掺量的增大而增大，掺矿渣微粉的混凝土的 干缩值低于基准混凝土。在矿渣微粉掺量3 0 5 0 范围内干缩值随着掺量的 增大而增大。但是，当掺量超过5 0 以后，干缩值有减小的趋势。国内的一些 研究已表明：粉煤灰有效降低了混凝土的自收缩值，掺量越高，效果也越好，且 自收缩降低的程度与水胶比有很大关系。同等强度下( r 2 8 = 7 0 g p a ) 掺量为2 0 的粉煤灰白收缩值明显低于基准混凝土，但掺量高于3 5 时，3 d 的自收缩大致 相同，粉煤灰混凝土后期( 9 0 d ) 的自收缩值比基准混凝土约高了2 0 。在相同 水胶比条件下，粉煤灰的自收缩值将显著低于矿渣混凝土。国内学者研究了粉煤 灰混凝土干燥收缩的性能，在相同水胶比条件下，矿粉有效可降低混凝土早期 ( 3 d ) 自收缩。但是，增加后期( 9 0 d ) 自收缩，其影响程度和矿粉掺量与混凝 土水胶比有关。和普通矿粉( 4 2 2 m 2 k g ) 相比，相同条件下掺超细矿粉( 7 3 0m 2 k g ) 的混凝土早期( 3 d ) 自收缩明显增加。相同标号条件下，普通掺量( 2 0 3 5 ) 矿粉对混凝土早期( 3 d ) 自收缩影响并不大。但是，对后期( 9 0 d ) 自收缩有一 定负面影响。大量掺入矿粉混凝土( 5 0 ) 的早期与后期自收缩均明显增加。而 在相同水胶比条件下掺入粉煤灰，混凝土干缩值会有些增加，但增幅不大。在相 同标号条件下，粉煤灰掺量不大于2 5 时，混凝土的早期( 7 d ) 干缩值均增幅 约有3 ，后期( 1 8 0 d ) 均增幅约有1 2 6 。大量掺入粉煤灰( 4 0 ) 的混凝土 早期( 7 d ) 增幅比较大，平均可高达2 6 ，后期( 1 8 0 d ) 增幅较小约是1 5 7 。 在相同水胶比同掺量下，粉煤灰与矿粉两种掺合料对混凝土干缩值的影响差别并 不大。试验研究证明：粉煤灰可以比较好的抑制水泥浆体的化学收缩，而矿渣能 使水泥浆体的化学收缩增长，但增长并不明显。还有研究结果显示：掺有粉煤灰 混凝土干缩在2 8 d 龄期后逐渐会趋于稳定，但基准样的干缩还会有较大的增长。 在6 0 d 龄期后基准样的干缩显著高于掺有粉煤灰混凝土的干缩值。且掺入粉煤灰 混凝土的干缩随着粉煤灰掺量的增加而逐渐减小。对于掺超细矿渣的高性能混凝 土体积稳定性的研究发现：掺超细矿渣高性能混凝土与普通混凝土对比，水养 7 d 后，再放入空气中养护的前2 8 d 的干缩率相近。而后，前者的干缩率则小于 后者，且干缩稳定期一般是3 个月，比普同混凝土的半年要短很多，而且以自收 缩为主。试验研究结果表明：掺用磨细粉煤灰可以显有效低混凝土的收缩率，掺 用磨细粉煤灰的混凝土收缩率仅为普通混凝土的一半。掺用磨细粉煤灰的高强度 混凝土的早期膨胀率也比普通混凝土大，但后期普通的膨胀率会比掺用磨细粉煤 灰的混凝土增长快。掺用磨细粉煤灰可以显著提高高性能混凝土的体积稳定性， 第1 苹绪论 1 在混凝土中掺入适量磨细粉煤灰，收缩率比普通混凝土减少三，可以补偿混凝土 z 的收缩变形，从而大幅度提高其体积稳定性。我国对矿渣微粉研究结果：掺矿渣 微粉混凝土的自由收缩值高于基准混凝土。矿渣微粉掺量小于4 5 时，自由收缩 值随着掺量增加而减小。矿渣微粉掺入量达到6 5 时，混凝土自由收缩值大幅 度的增大。 目前我国国内对于混凝土徐变性能的研究还是很少，已有的研究也都针对普 通混凝土。还有一些研究表明：粉煤灰掺量2 0 4 0 的c 3 0 和c 5 0 混凝土的 徐变，其1 8 0 d 徐变为基准混凝土的6 0 7 8 左右。在对磨细矿渣和粉煤灰对 高性能混凝土徐变性能影响研究中发现，在( 2 0 a ：1 ) 、相对湿度为( 6 0 - a ：5 ) 和3 3 的应力载荷水平下，粉煤灰掺量为1 2 与3 0 时，混凝土抵抗徐变的能 力，随其掺量提高而增强。其一年的徐变度分别为基准混凝土的7 6 、4 6 5 。 粉煤灰掺量5 0 时，混凝土抵抗徐变的能力并没有明显得到改善，其一年的徐 变度是基准混凝土的1 0 2 。当磨细矿渣掺量为3 0 与5 0 时，对混凝土徐变 的性能影响不大，与基准混凝土曲线比较接近。磨细矿渣掺量为3 0 时，混凝 土的徐变比基准混凝土略大，磨细矿渣掺入量为5 0 时，混凝土的徐变比基准 混凝土稍小。并且，这3 条曲线都出现了收敛的趋势。矿渣掺人量为8 0 时， 混凝土的徐变度大幅度增加，而且没有出现收敛的趋势，其一年的徐变度能达到 了基准混凝土的1 7 4 倍。当磨细矿渣与粉煤灰总取代率5 0 时，双掺的徐变度 显著低于磨细矿渣单掺或粉煤灰单掺的情况。还有研究发现：掺人有3 0 比表 面积大于6 0 0 m 2 k g 超磨细矿渣的高性能混凝土，混凝土徐变比基准混凝土大幅 度减小1 8 。我国研究了粉煤灰掺入量为2 0 - - - 2 5 的i o o m p a 粉煤灰高性能 混凝土徐变，结果表明：徐变比不加粉煤灰的高强混凝土降低约5 0 还有的研 究表明：高性能混凝土的徐变值会低于普通混凝土，而且在胶凝材料一定水灰比 相近的情况下，水泥使用量越低，矿渣掺人量越大，混凝土的收缩徐变值将会越 小i l l o 国外主要研究成果： ( 1 ) 先天理论：是1 9 3 3 年，汤麦斯从徐变的速率考虑，提出了下列假设：对 混凝土施加荷载将会产生一定量的徐变，加载后任一时刻的徐变率与将产生的徐 变量成正比。 ( 2 ) 弹性徐变理论：假设混凝土徐变是一种弹性推迟变形，应力和应变呈线性 关系。弹性推迟变形的定义：是针对于瞬时变形而言的，例如在应力。作用下产 生瞬时变形- o ，如果是滞后弹性变形，其变形计算的表达式为_ o ( 1 一一，其 最后的极限变形仍然是萨o 。但是，需要一段时间定义为弹性变形，是因为卸载 后变形仍可恢复。 ( 3 ) 老化理论：在欧美被称作徐变率法或迪辛格尔法。老化理论的基础是葛 北京工业大学工学硕七学位论文 朗维尔在1 9 3 0 年建立的，数学公式是w h i t n e y 在1 9 3 2 年建立的。从幼龄混凝土 的试验得出结论：在不同龄期对所给混凝土，施加持续恒定应力而得徐变系数一 龄期曲线。因为，在同一龄期的徐变率都相同，这说明不同加载龄期的徐变系数 与龄期曲线，是可以通过原点的徐变系数一龄期曲线垂直平移得到。 ( 4 ) 弹性老化理论：是弹性徐变理论和老化理论的叠合，它假设混凝土的徐 变分为弹性徐变和塑性徐变两部分。 ( 5 ) 继效流动理论：是当前计算比较准确的徐变理论，与前面的理论所不同 的是徐变塑性变形部分，继效理论的塑性变形( 不可回复变形) 部分没有采用老化 理论，而是采用与流变模型相似的方法进行推导。 虽然不同的理论根据不同的假设可求解徐变，但是还没有形成统一的定论。 通常，徐变的计算有两种方法：一种是利用徐变度和应力的乘积计算。另一 种是利用徐变系数和瞬时应变的乘积计算。 徐变度是单位应力下的徐变。徐变系数是徐变的大小与瞬时弹性变形的比 值。应根据表达和计算的方便程度来适当选择徐变的计算方法。因此，应用徐变 理论求解徐变的关键问题仍然是徐变系数表达式。 如果在预应力混凝土结构中，徐变会导致结构的预应力损失，会对结构的适 用性和耐久性产生显著影响。混凝土的徐变和时间紧密相关，随着时间而增长， 初始增长快，以后缓慢增长。 综合国内外试验研究结果，证明混凝土徐变的规律如下： ( 1 ) 加荷期间的大气湿度越低，气温越高，徐变会越大。 ( 2 ) 水灰比越大，徐变也越大。 ( 3 ) 使用结构不密实的骨料、级配不良、空隙较多的混凝土，徐变大。 ( 4 ) 若水泥活性低，结晶体形成缓慢而且量少的混凝土徐变越大。混凝土徐 变大体随所用水泥品种按照下列顺序而增加：早强水泥、高强水泥、普通硅酸盐 水泥、矿渣硅酸盐水泥。 ( 5 ) 加荷应力越大，徐变越大。 ( 6 ) z j h 荷时混凝土龄期越短，徐变越大。持荷时间越长，徐变越大。 ( 7 ) 结构尺寸越小，徐变则越大1 2 i 。 在相同加的载龄期条件下，素混凝土柱的徐变比钢筋混凝土柱大，素混凝土 柱比钢筋混凝土柱徐变系数大3 5 - 4 3 。 在相同加的载龄期条件下，加膨胀剂能使素混凝土的徐变提高，加膨胀剂素 混凝土比普通素混凝土徐变系数偏大约1 0 ，在不同的加载龄期条件下，素混凝 土柱与钢筋混凝土柱随着加载龄期增长徐变系数减小。 4 i l 第1 章绪论 1 3 研究意义 徐变是混凝土的固有特性，它们对混凝土结构的效应影响于结构施工至整个 使用期。而且，混凝的徐变经常是造成大跨度预应力混凝土桥梁，在长期运营 后预应力损失、长期变形、内力重分布增加的一个主要原因。近年来，随着科学 技术进步，高性能混凝土技术在桥梁工程领域得到了广泛的应用。然而，由于影 响混凝土徐变特性的因素十分广泛、复杂。至今还没有一种理论可以完整准确地 解释、预测混凝土的徐变特性。对高性能混凝土的研究则是更少，所以正确预测 高性能混凝土的徐变模式，对工程设计和施工是非常重要。对变形敏感和对变形 要求高的新建桥梁，从短期的收缩、徐变性能较可靠地预测其长期效应是非常必 要的。 现阶段，虽然国内外对徐变的研究都比较多，但是影响徐变的机理至今尚没 有完全被人们所认识，目前各国规范中计算混凝土徐变的公式都是基于试验的经 验公式或半经验公式。 高性能混凝土在实际工程中的应用愈来愈广泛。所以，对高性能混凝土徐变 的研究是非常重要的，但目前国内研究高性能混凝土徐变的试验还比较少见。除 了大家所熟知的混凝土徐变影响因素，例如：加载龄期、水泥种类、凝结温度和 应力等级对徐变的影响。对于高性能混凝土，各种添加剂也会影响混凝土的徐变。 国内外正在进行大量的试验研究，扩展对此种新材料的认识。我国关于高性能混 凝土的结构设计与施工指南也进行了新的修订。 研究徐变理论的意义在于研究徐变对结构性能的影响。目前应用到工程中的 理论，基本上还是单轴应力下的徐变理论与徐变与应力之间的线性假设。由于影 响混凝土徐变的因素有很多，使得徐变的计算具有比较大的离散性和不定性。因 此，目前仍无法准确计算徐变值的大小和徐变对结构的影响。 我国现阶段，混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范对普通混凝土的徐变 有了明确的规范，随着现在施工中对建筑的要求逐步提高。多种混凝土材料也被 广泛使用。但规范没有对高性能混凝土徐变有明确要求。我国使用各种混凝土材 料在徐变也没有具体的理路依据。为了满足工程上对建筑的不同要求，不用种类 混凝土也都在使用中，但是现在徐变没有成文的理论依据。因此，我们有必要来 探索研究这个领域。因此设计此试验，可以依此试验结论作为参考，为现阶段规 范提供试验资料。 l 北京工业大学工学硕士学位论文 1 4 研究内容 对高性能混凝土徐变的探索与研究，设计试验方案。通过试验测出在同等条 件下，六种不同外加剂和掺合料混凝土材料的徐变数据。通过数据得出早强剂、 减水剂、引气剂、粉煤灰、矿渣对高性能混凝土强度、徐变、徐变度、徐变系数 影响。 具体内容： ( 1 ) 萘系减水剂对不同混凝土强度的影响：c 3 0 、c 4 0 、c 5 0 均加入1 5 减水 剂，对混凝土强度的影响。 外加剂和掺合料对高性能混凝土强度的影响：萘系减水剂、早强剂、粉煤 灰、磨细矿渣、硅灰对混凝土强度的影响。 ( 2 ) 不同外加剂、掺合料对高性能混凝土徐变的作用：萘系减水剂、早强剂、 引气剂、粉煤灰、磨细矿渣、聚羧酸减水剂，6 种不同外加剂、掺合料对混凝土 徐变、徐变度、徐变系数的影响。与徐变理论对比，分析相互差异。 通过对国内外混凝土强度、弹性模量、徐变以及耐久性的试验方法进行对比 和综合分析，本试验依据r i l e i m 、a c i 、b s i 以及我国国家电力行业标准公 路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范( j t gd 6 2 2 0 0 4 ) 、水工混凝土试 验规程( d l t 5 1 5 0 2 0 0 1 ) 、交通行业标准公路工程水泥及水泥混凝土试验规 程( j t ge 3 0 2 0 0 5 ) 、国家标准 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法 ( g b j 8 2 8 5 ) 等标准的差异与共同点，重点研究国内外最新推荐的有关长期力学 性能、徐变性能和耐久性能的标准试验方法。 本试验是在同一环境下，恒定温度、湿度，对不同外加剂、掺合料的高性能 混凝土材料的研究。直接测出6 种不同外加剂，掺合料对混高强凝土性能影响。 通过直观的数据和理论分析，得到不同外加剂，掺合料之间对混凝土强度，徐变， 徐变度，徐变系数的影响。 本试验利用人工气候环境室( 干缩间) ，调整因素组合，利用人工气候的效 果，维持恒定温湿度。确保长期高度稳定的外界条件，研究混凝土力学性能和徐 变性能的变化，排除因温度、湿度对各混凝徐变性能的影响，来满足徐变试验的 要求。 1 5 本章小结 对于掺合料混凝土的徐变性能方面，国内外的研究虽然已取得了丰富的成 果，但仍存在很多亟待解决的问题。例如：对于高性能混凝土收缩、徐变的研究， 6 l ： 1 第1 章绪论 各研究者采用的试验方法和研究的重点不相同，使得试验结果的对比性差，尤其 对于早期的自收缩、徐变，至今各国仍没有专门的测试规范，应根据不同的收缩 类型制定不同的试验规范。应加强对不同条件下高性能混凝土徐变的研究，特别 对于矿渣混凝土的徐变性能，都要根据不同的细度和配合比参数做更详尽的研 究，通过对宏观的变形与微观的水化特点和孔结构等研究。分析出与实际和理论 相附的结论。根据矿物掺合料的种类与掺量建立更实用、准确地混凝土收缩、徐 变模型。从而达到通过测量短期变形值预测混凝土长期变形值，根据混凝土配合 比预测混凝土变形规律，最终达到能根据性能要求设计混凝土材料，根据材料设 计结构的目的。对高性能混凝土的收缩、徐变性能我们还要进一步研究、讨论、 细化。 7 北京- t 业大学t 学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章外加剂、掺和料应用分析 我国工程结构的主要材料之一是钢筋混凝土，在工业与民用建筑工程、水利 工程、地下工程、公路、铁路、桥涵及国防建设等工程中大量使用。我国每年的 混凝土用量约l o 亿立方米，钢筋用量约2 5 0 0 万吨。用量之多、花费之大居世界 前列。以节约资源和能源、保护环境为目的，走可持续发展低碳之路，我们必须 使混凝土向高强、轻质、耐久、抗震、抗爆等方面发展，大量研究、使用高性能 混凝土。 混凝土的外加剂是混凝土研究的一项重要技术。几乎所有的混凝土、砂浆和 水泥净浆都可以使用外加剂来改善它们的性能。由于混凝土的外加剂已普遍的得 以应用，外加剂已经被归属混凝土的第五组成材料。也是制作高性能混凝土不可 缺少的组成材料。 高性能混凝土( h p c ) 更是近年来混凝土材料发展的一个重要方向，是最近二 十年才提出来的。所谓高性能：指混凝上具有高强度、高耐久性、高流动性、低 水化热等多方面的优越性能。单从混凝土强度而言，抗压强度大于c 5 0 的混凝 土就属于高强混凝土了。混凝土的强度发展，是向高层建筑、高耸结构、大跨度 结构的重要保障。它的出现把混凝土技术从经验技术发展为高科技，是着当今混 凝土发展的方向。采用高强混凝土有很多优势：减小截面尺寸、减轻自重，、获 得更大的经济利益。而且绝大多数高强度混凝土也具有良好的耐久性。 我国现在已有成功研制c 1 0 0 高强混凝土，国外在试验室高温、高压的条件 下，水泥石的抗压强度已达到6 6 2 m p a ，抗拉强度已达到6 4 7 m p a 。在实际工程 中，国外的泵送混凝土5 6 d 的抗压强度达到1 3 3 5 m p a 。 提高混凝土的强度主要可采取以下措施： ( 1 ) 增加水泥中旱强和高强矿物成分的比率，尤其是以硫铝酸盐为主要成 分的水泥。他的快硬、早强的效果显著，3 d 的抗压强度就可以达2 0 m p a 以上。 ( 2 ) 提高水泥的细度。 ( 3 ) 用磨细矿渣、碱骨料制备碱矿渣高强度混凝土。使用优质掺合料，如 优质磨细粉煤灰、硅灰、赤铁矿石、天然沸石或钛铁矿石等。能够得到强度更高、 耐久性和延性更好的高性能混凝土。 ( 4 ) 合理的使用高效减水剂，可降低水灰比，从而提高混凝土强度。在高 层建筑的高强混凝土柱中，也可采用多种配筋、劲性钢筋、钢管混凝土等优化结 第2 章外加剂、掺和料应用分析 构方面的措施，来满足高性能混凝土性能鲫。 2 2 常用外加剂与掺合料 2 2 1 减水剂 减水剂技术的研究与应用一直是混凝土4 , 1 - a n 剂发展的重中之重。现在，我国 的萘系减水剂和聚羧酸减水剂性价比都很好，已被大家广泛使用。本试验使用萘 系减水剂和聚羧酸减水剂性两种减水剂。分析减水剂对混凝土的影响。 萘系减水剂： 萘系减水剂的化学名称为萘磺酸盐甲醛缩合物。是由精萘、工业萘经过系统 的处理后，合成的一种非引气型的高效减水剂，萘磺酸盐甲醛缩合物是减水剂的 主要成分。它对于水泥的粒子有很强的分散能力。对成型有早强、高强要求的混 凝土构件，使用效果非常优越，能整体提高混凝土的各种性能，大量应用于各种 混凝土构件中。 现阶段，我国生产的高效减水剂已经超过了2 0 万吨，其中，萘系高效减水 剂站大部分。密胺树脂系的高效减水剂与萘系减水剂几乎同时出现的，国内也有 2 0 多家生产公司，但是，这些公司的生产规模普遍都很小，最大的产量一年也 不超过2 0 0 0 吨。后来，出现了改性的三聚氰胺产品，但是由于价格与性能上的 各种原因，这些公司的生产规模不大。现在，国内又出现了一些新品种，产品性 能也有自己的优势，例如：减水率高、可控制混凝土坍落度损失等。但是，因价 格偏高，未能大范围推广。现在，使用的萘系减水剂，由于原材料供给充分，价 格也较经济、实惠，并且生产技术比较完善、稳定，所以萘系高效减水剂在我国 使用最为广泛。在很长一段时间里，萘系高效减水剂依然是我国高效减水剂的主 要品种1 4 i 。 萘系减水剂性能特点： ( 1 ) 保证混凝土强度、坍落度的同时，可减少水泥用量1 0 2 5 。 ( 2 ) 保证混凝土水灰比不变，能使混凝土坍落度提高l o c m 以上，减水率 能达到1 5 2 5 。 ( 3 ) 能有效的提高混凝土的早强、增强效果，混凝土强度提高幅度能到 2 0 6 0 。 ( 4 ) 有效改善混凝土的和易性，提高混凝土的物理力学性能。 ( 5 ) 各种水泥的适应性好，与其它各类型的外加剂、掺合料配合良好。 ( 6 ) 几乎适用于各种混凝土工程中1 3 i 。 9 北京工业大学工学硕士学位论文 聚羧酸减水剂： 聚羧酸减水剂以“安全环保”、“经时损失小”等特点著称。在国外已经成为一 种主流减水剂。但是，核心技术掌握在外国人手中，所以国内的聚羧酸减水剂生 产成本高，普及率很小。 聚羧酸减水剂性能特点： ( 1 ) 在添加量低时对水泥就有很好的分散性、流动性。 ( 2 ) 混凝土流动性损失随添加量的增加而增加。 ( 3 ) 添加量大于o 1 2 后，混凝土流动性有非常大增长。 2 2 2 早强剂 混凝土早强剂：能提高混凝土的早期强度，并且对后期强度不会明显影响的 外加剂。早强剂的工作机理是加速水泥水化的速度，从而加速混凝土早期强度的 发展。现在有的外加剂，具有早强功能的同时，又具有一定减水功能，称为早强 减水剂。本试验使用n a z s 0 4 作为早强剂。 国外常将早强剂也叫促凝剂，是说外加剂能够缩短水泥混凝土凝结时间，工 作机理也就是早强剂。按照我国混凝土外加剂标准，要求早强减水剂与早强剂的 凝结时间相差，要在9 0 分钟以内。早强剂或早强减水剂不能有过多影响混凝土 的凝结时间。 早强剂按如果照化学成分可分为：有机物类、无机盐类、有机类和无机物复 合的复合早强剂3 类。由于我国的东北、华北、西北等地区一年中冰冻期长，所 以要掺加早强剂、早强减水剂来满足混凝土早期强度发展的要求。我国华东、华 南等地区的冬天气温达到1 0 以下的工程中，也要经常使用早强剂和早强减水 剂。为了在混凝土构件生产中提前张拉钢筋、加快模板周转与台座使用率，早强 型的外加剂的使用更加广泛。现在，我国每年早强剂、早强减水剂使用量已经超 过了2 0 万吨。 混凝土早强剂在外加剂发展过程中，是最早使用的外加剂品种。现今，先后 开发除氯盐、硫酸盐以外的多种早强剂，例如如亚硝酸盐、铬酸盐、有机物早强 剂。我国在早强剂的基础上，也生产应用多种复合型外加剂，例如：早强减水剂、 早强型泵送剂等、早强防冻剂。在实际工程中，这些种类的早强型的外加剂都已 经得到广泛使用。早强型外加剂在改善混凝土性能、提高施工效率、节约投资成 本方起到了巨大的功劳。 我国的早强剂生产和应用已有很长历史。但是，随着我们对氯离子、硝酸根 离子、硫酸根离子和碱金属离子等认识程度的加深，对混凝土性能和长期稳定性 潜在危害的有了进一步了解，但是，仍然有许多研究的不足，在研究、使用早强 剂的各个方面还需做大量的探索i s l 。 l o 第2 章外加剂、掺和料应用分析 2 2 3 粉煤灰 我国是个产煤大国，煤炭是电力生产基本燃料。现在，我国的能源工业取得 稳健发展，发电能力大大提高。由于电力工业的发展迅速，导致粉煤灰排放量的 急剧增加，燃煤热电厂排放的粉煤灰业每年都在增加，1 9 9 5 年粉煤灰排放量达 到1 2 5 亿吨，2 0 0 0 年约为1 5 亿吨，到2 0 1 0 年将达到3 亿吨。给我国的经济建 设及生态环境造成巨大的破坏。换角度说，我国又是一个入均占有资源储量极为 有限的国家，应该加大对粉煤灰的综合使用，转害为利、转废为宝，已成为我国 经济建设中一项重要的技术经济政策，是解决我国电力生产环境污染，资源缺乏 之间矛盾的重要手段，同时也是电力生产所面临解决的重要任务之一。 我国电厂粉煤灰的主要由氧化物组成为：s i 0 2 、砧2 0 3 、f e o 、f e 2 0 3 、c a o 、 t i 0 2 、m g o 、k 2 0 、n a 2 0 、s 0 3 、m n o 、p 2 0 5 等。其中，氧化硅、氧化钛多来源 于黏土和岩页。氧化铁主要来自黄铁矿。氧化镁和氧化钙来源于其相应的碳酸盐 和硫酸盐。 在混凝土中掺加粉煤灰代替水泥，节约了大量的水泥、细骨料，减少了水的 用量，能有效改善混凝土的和易性，同时增强混凝土的可泵性，改善了混凝土的 徐变性能，降低水化热、热能膨胀性，提高混凝土抗渗能力，增加混凝土的修饰 性等等1 6 1 。 2 2 4 硅灰 硅灰称为硅微粉，也叫微硅粉、二氧化硅超细粉，通常情况下统称硅灰。 硅灰的产生，是在冶炼硅铁合金和工业硅时产生的s i 0 2 和s i 气体与空气中 的氧气迅速氧化，冷凝而形成的一种超细硅质粉体材料。 硅灰颗粒小，能够填充水泥颗粒问的孔隙，与水化产物生成凝胶体，同时与 碱性材料氧化镁反应生成凝胶体。在混凝土、砂浆中，掺入适量的硅灰，可起到 很好的作用。 硅灰性能特点： ( 1 ) 可以提高抗压、防腐、抗渗、抗冲击、抗折和耐磨性能。 ( 2 ) 能够起到防止离析、保水、泌水、大幅降低混凝土泵送阻力的作用。 ( 3 ) 明显延长混凝土的使用寿命。尤其是在氯盐侵蚀、硫酸盐侵蚀、高湿 度等恶劣环境下，可使混凝土的耐久性增高一倍甚至数倍。 ( 4 ) 硅灰能降低喷射混凝土、浇注料的落地灰，增加单次喷层厚度。 ( 5 ) 硅灰是高强混凝土的必不可少的成份，己制成c 1 5 0 混凝土在工程应 用。 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 6 ) 硅灰具有约5 倍水泥的功效，在普通混凝土和低水泥浇注料中应用有 很好的经济效益，提高耐久性。 ( 7 ) 硅灰能有效防止发生混凝土碱骨料反应。 ( 8 ) 硅灰能提高浇注型耐火材料的致密性。当在与趟2 0 3 并存时，其高温 强度，抗热振性会增强i t l 。 2 2 5 引气剂 引气剂是使混凝土拌合物在搅拌时引入空气，而形成微小气泡的外加剂。绝 大部分引气剂的成分是松香衍生物或者各种磺酸盐，例如：烷基磺酸钠、烷基苯 磺酸钠等。引气剂主要用于抗冻性要求比较高高的结构，例如：混凝土大坝飞机 场道面、路面、桥面等大面积并且易受冻的部位。 引气剂主要性能： ( 1 ) 掺引气剂能改善混凝土坍落度、流动性和可塑性。 ( 2 ) 引气剂能减少混凝土泌水、离析，使混凝土均质。 ( 3 ) 引气剂能提供混凝土的抗折强度，当含气量为3 - - 5 时，抗折强度 增加1 0 - - 2 0 。 ( 4 ) 掺引气剂弹性模量比较低，刚性比较