（材料科学与工程专业论文）高强结构轻集料混凝土长期性能与耐久性研究.pdf

中文摘要 摘要 高强结构轻集料混凝土( h s l c ) 作为轻集料混凝土的重要组成部分，与普 通混凝土相比，具有比强度高、耐久性好、抗震性好以及经济性显著等性能优势， 在大跨度桥梁、高层建筑、海洋工程等方面具有广阔应用前景。目前，对h s l c 的研究大多集中在配合比设计、早期力学性能、部分耐久性等方面，而对h s l c 长期性能的系统研究相对较少。加强对h s l c 长期变形性能和耐久性的研究对指 导h s l c 生产和应用具有重要理论和现实意义。 本文重点研究低吸水率高强页岩陶粒配制的h s l c 的长期干缩变形性能和抗 氯离子渗透性能以及主要配制因素的影响；同时，对比研究了h s l c 的力学性能、 抗冻性能和抗渗性能。试验结果表明： h s l c 不但后期干缩变形比普通混凝土高，早期干缩也显著高于普通混凝 土，且h s l c 的干缩达到稳定期所需时间更长，1 8 0 d 后其干缩仍有较大幅度增加。 采用降低轻集料最大粒径、减少单方轻集料用量等方法配制h s l c ，虽然 能显著提高混凝土强度，但对混凝土的干缩有不利影响。本试验采用5 1 6 m r n 粒 级陶粒配制的l c 6 0 等级h s l c1 8 0 d 龄期干缩值达7 8 0 1 t m m ，高于对应强度等级 普通混凝土的干缩值。 水灰比对h s l c 干缩变形的影响较为复杂，h s l c 收缩变形与水灰比之间 呈非线性关系，存在一临界水灰比。在本试验条件下，测得的水灰比临界值为0 4 5 。 当水灰比低于该临界值时，混凝土干缩变形随水灰比的增大而降低；超过该临界 值后，则随水灰比的增大混凝土干缩变形增加。水泥用量对h s l c 干缩影响明显： 水泥用量较低时，干缩对水泥用量增加较为敏感；当水泥用量增加到一定程度后， 其敏感性明显降低。水泥用量对h s l c 干缩变形的影响同样存在一临界值，即最 不利水泥用量。本试验所测得的最不利水泥用量在5 0 0 5 5 0 k g m 3 之间。 高强结构轻集料混凝土早期( 2 8 d ) 抗氯离子渗透能力略低于同强度等级 普通混凝土，但后期增长幅度显著高于普通混凝土，6 0 d 抗氯离子渗透能力高于普 通混凝土。笔者认为，在评价h s l c 抗氯离子渗透能力高低时，应适当延长其测 试龄期，这样能更加真实反映h s l c 抗氯离子渗透能力。 对于采用低吸水率高强页岩陶粒配制的h s l c 而言，预湿处理仅对混凝 土早期( 2 8 d ) 抗氯离子渗透能力有一定程度不利影响，而对混凝土后期( 6 0 d ) 抗氯离子渗透性能影响较小，预湿处理轻集料混凝土后期抗氯离子渗透能力与未 预湿轻集料混凝土基本相当。 矿物掺合料掺量对h s l c 抗氯离子渗透性能的影响差异主要集中在早期， 重庆大学硕士学位论文 而随龄期的增加，其影响差异逐渐缩小。 关键词：高强结构轻集料混凝土，长期性能，干燥收缩，耐久性，氯离子渗透 n 英文摘要 a b s t r a c t a sa l li m p o r t a n tp a r to fl i g h t w e i g h tc o n c r e t e ，c o m p a r e dw i t ho r d i n a r yc o n c l e t e ， h s l ci sp r o v i d e dw i t ha d v a n d a g e s ：h i g hs t r e n g t ht od e n s i t yr a t i o ，w e l ld u r a b i l i t y , w e l l a n t i s e i s m i c ，r e m a r k a b l ee c o n o m i c a le f f i c i e n c ya n ds oo n , w h i c hh a saw i d e l yp r o s p e c t s i ns o m ep l a c e ss u c ha sl a r g e - s p a nb r i d g e t a l lb u i l d i n ga n do c e a ne n g i n e e r i n g u pt o n o w , r e s e a r c ho fh s l cm o s t l yf o c u s e do i ld e s i g no fm i xp r o p o r t i o n , e a r l ym e c h a n i c s a n ds o m eo f d u r a b i l i t y , b u tr e l a t i v e l yl e s so nl o n g - t e r mp r o p e r t i e s t h e r ei sat h e o r e t i c a l a n da c t u a ls i g n i f i c a n c ei np r o c l u e t i o na n dc o n s l z u e t i o no fh s l ct op a ya t t e n t i o nt ot h e r e s e a r c ho nl o n g - t e r md e f o r m a t i o np r o p e r t i e sa n dd u r a b i l i t y i nt h i sp a p e r , l o n g - t e r md r y i n g - s h r i n k a g e ，r e s i s t a n c et od i f f u s i o no fc i o fh s l c a n de f f e c to f m a i nf a c t o r so n h s l cw h i c hm a d ef r o ms h a l ee e r a m i s t ew i t hl o ww a t e r a b s o r p t i o na n dh i g hs t r e n g t ha r es t u d i e d a tt h es a l n et i m e ，t h em e c h a n i c s ，f r o s t r e s i s t a n c ea n di m p e r m e a b i l i t ya 坞t e s t e ds e p a r a t e l y t h er e s e a r e l ar e s u l t sc a l lb e c o n c l u d e da sf o l l o w s ： n o to n l yt h ed r y i n g s h r i n k a g eo fh s l ci nl a t e ra g e si sh i g h e rt h a no r d i n a r y c o n c l e t e , b u ta l s oi sr e m a r k a b l eh i e , h e r t h a no r d i n a r yc o n c r e t ei ne a r l ya g e s d r y i n g s h r i n k a g eo fh s l cr e a c h i n gt os t a b i l i z a t i o np e r i o an e e dm u c h m o l et i m e ，a n d d r y i n g - s h r i n k a g eo f h s l cs t i l li n c r e a s e dg r e a t l ya f t e rl $ o da g e s t h e r ei sad i s a d v a n t a g eo nd r y i n g - s h r i n k a g eb yp r o d u c eh s l cw i t hm e t h o d s o fr e d u c i n gm a x i m u l ns i z eo fa g g r e g a i eo rr e d u c i n gc o n t e n to fa g g r e g a t e s ，t h o u g hi ti s g o o df o ri m p r o v i n gs t r e n g t ho f h s i , c i nt h i sp a p e r , ac o n c r e t eo f s t r e n g t l ag r a d el c 6 0 w i t hc e r a m i s t er a n g ef r o m5t o1 6m mw a sp r o , i u e e d , w h i c hd r y i n g - s h r i n k a g ev a l u ei n 1 8 0 d r e a c h e d t 0 7 8 0 妇，i t i s g r e a t l y h i g h e r t h a n t h a t o f o r d i n a r yc o n c r e t e i n t h e s a n 3 e g r a d e i th a sac o m p l i c a t e di n f l u e n c eo i ls h r i n k a g eo fh s l co fw a t e rt oc e m e n tr a t i o ( w c ) i ti sn o n l i n e a r i t yr e l a t i o n s h i pb e t w c e l lw ca n dd r y i n gs h r i n k a g eo fh s l c ， w h i c he x i s t i n gac r i t i c a lw c i nt h i sp a p e r , t h ew cc r i t i c a lv a l u ei s0 4 5 d r y i n g s h r i n k a g eo f h s l ci sl o w e r 勰w ci n c r e a s i n gw h e n i tb e l o wt h ec r i t i c a lv a l u e ； d r y i n g - s h r i n k a g eo fh s l cw h o s ew ce x c e e d st h ev a l u ei sh i g h e ra s t h ew c i n c r e a s i n g c e m e n tc o n t e n th a sf i l lo b v i o u si n f l u e n c e0 1 3 d r y i n g - s h r i n k a g eo fh s l c ： d r y i n g s h r i n k a g ei ss e n s i t i v et ot h ec e m e n tc o n t e n tw h e nc e m e n tc o n t e n ti sl o w e r ；a n d t h es e n s i t i v i t yd e c r e a s eo b v i o u s l yw h e nc e m e n tc o n t e n tr e a c h e dt oae x t e n t a l s ot h e r e i l l 重庆大学硕士学位论文 i sac r i t i c a lv a l u ew h i c hc a l l e dw o r s tc e m e n tc o n t e n tb e t w e e nc e m e n tc o n t e n ta n d d r y i n g - s h r i n k a g e o fh s l c i nt h i sp a p e r , t h ew o r s tc e m e n tc o n t e n ti sb e t w e e n 5 0 0 k g m 3a n d5 5 0 k g m 3 c a p a b i l i t yo fr e s i s t a n c et od i f f u s i o no fc l o fh s l ci sl o w e rt h a no r d i n a r y c o n c r e t ei nt h es 锄el e v e li ne a r l ya g e s ( 2 8 d ) ，b u tt h el a t e ri n c r e a s i n ge x t e n ti s o b v i o u s l yh i g h e rt h a nt h a to fo r d i n a d , c o n c r e t e c a p a b i l i t yo fr e s i s t a n c et od i f f u s i o no f c l o fh s l ci sh i g h e rt h a no r d h ：l a r yc o n c r e t ei n6 0 da g e s i na u t h o r so p i n i o n , i tc a n r e f l e c tt h er e a lc a p a b i l i t yo fr e s i s t a n c et od i f f u s i o no fc i o fh s l cb yd e l a yt h et e s t a g e si nt h e j u d g e m e n to f c a p a b i l i t yo f r e s i s t a n c et od i f f u s i o no f c l o f h s l c i nr e g a r dt oh s l cw h i c hm a d e df r o ms h a l ec e r a m i s t ew i t hl o ww a t e r a b s o r p t i o na n dh i g hs a e n g t h , p r e - w e t t i n go fa g g r e g a t ej u s th a ss o m ee x t e n tb a d i n f l u e n c eo nr e s i s t a n c et od i f f u s i o no fc l o f h s l ci ne a r l ya g e s ( 2 8 d ) b u t1 1 0o b v i o u s l y e f f e c ti nl a t e ra g e s ( 6 0 d ) i th a st h es a m ec a p a b i l i t yo f r e s i s t a n c et od i f f u s i o no f c l 一f o r b o t hh s l cw i t hp r e - w e t t i n ga n dw i t l ln op r e - w e t t i n g t h ed i f f e r e n c eo fe f f e c to fc o n t e n to fm i n e r a la d m i x t u r e st or e s i s t a n c et o d i f f u s i o no fc 1 一o fh s l cm o s t l yf o c u so ne a r l ya g e s ，a n dt h ed i f f e r e n c ed e c r e a s ew i t h t h ei n c r e a s i n go f a g e s k e y w o r d s ：h s l c ，l o n g - t e r mp r o p e r t i e s , d r y i n g - s h r i n k a g e ，d u r a b i l i t y , 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得重宏太堂 或其他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谢意 学位论文作者签名；谭盐哽 签字日期： 妒7 年钥叫e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保冒、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重宏太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打。”) 学位论文作者签名：谭盟雹 导师签名：，凌岩 签字日期：溯7 年争月j 日签字日期：切7 年乒月纠e t 1 绪论 l 绪论 1 1 概述 混凝土是土木工程最重要的建筑材料，自1 8 2 4 年水泥问世及随之诞生混凝土 与钢筋混凝土以来，至今已有1 0 0 多年的历史。在过去的一个多世纪里，混凝土 技术不断发展进步，混凝土材料也向着轻质、高强、高性能、多功能的方向发展。 轻集料混凝土具有轻质、高强、耐久性好等优点以及保温、隔音、抗震等功 能特点【l 】，既可用作保温材料，也可用于主要承重结构，应用领域非常广阔，是 二十一世纪最具发展潜力的新型建筑材料之一田。 近几十年来，轻集料混凝土在全世界范围内得到了广泛应用，尤其以保温轻 集料混凝土应用最广。随着轻集料生产以及混凝士技术的进步，高强结构轻集料 混凝土h s l c ( h i g hs t r e n g t hs t r u c t u r a ll i g h t w e i g h ta g g r e g a mc o n c r e t e ) 逐渐成为 研究重点高强结构轻集料混凝土与普通密度混凝土相比，能够在保持高强度的 同时，降低自重2 0 以上，这无疑是对混凝土有特殊要求的柔性地基建筑、高层 建筑、大跨度桥梁、海洋工程等的首选材料之一1 3 1 1 4 1 高强轻集料混凝土的划分随轻集料混凝土技术的发展也历经了三次变化；2 0 世纪二三十年代，混凝土强度等级较低，一般为l c 2 0 l c 3 0 ，因而把抗压强度 2 0 m p a 以上的轻集料混凝土即看作高强轻集料混凝土；到五六十年代时，减水剂 的出现加快了高强轻集料混凝土的发展步伐，高强轻集料混凝土的划分底限被提 高至l c 3 0 ；2 0 世纪七八十年代以后，随着高强轻集料生产技术的突破，轻集料 混凝土强度得以大幅提高。目前，国内把2 8 d 抗压强度达到4 0 m p a 及以上的轻集 料混凝土称为高强轻集料混凝土；但国外有观点认为应把高强轻集料混凝土的强 度划分定为6 0 m p a 更为符合高强轻集料混凝土的发展现状。高强轻集料混凝土显 著的特点是具有比普通混凝土更高的比强度网( 抗压强度与密度之比) 有研究资 料州介绍，采用8 0 0 级、最大粒径为1 5 r a m 的高性能轻集料，可以配制出表观密 度1 8 8 0 k g m 3 、2 8 d 抗压强度达到9 5 m p a 的高强轻集料混凝土，其比强度达到5 0 5 ， 如此高的比强度只有1 4 0 m p a 以上的超高强普通混凝土才能达到。资料研还表明， 高强轻集料混凝土具有与高性能普通密度混凝土相当的耐久性，甚至在某些方面 更优于高性能普通密度混凝土。高强轻集料混凝土由于轻集料自身独特的“微泵效 应”，在混凝土内部发生自养护作用，使得轻集料与水泥石的界面更加密实，从而 具有良好的抗渗性；同时，轻集料自身的多孔性可以缓解由于水结冰而产生的膨 胀应力，使得高强轻集料混凝土具有良好的抗冻性嘲。轻集料由于原料以及烧结 重庆大学硕士学位论文 的制备工艺而表面具有一定的火山灰活性，属于具有碱活性的集料，因而有观点 认为高强轻集料混凝土具有发生碱集料反应的可能性。但由于轻集料的多孔性可 以缓解碱集料反应形成的巨大应力，从而使混凝土结构免遭破坏1 9 1 1 0 1 1 1 1 】国内外 轻集料混凝土应用的近百年历史中，尚未有一例因碱集料反应而破坏的事例日 本在1 9 8 3 年对使用已达2 0 年的3 6 0 例、混凝土总用量超过4 0 万m 3 的土木工程 质量跟踪调查的结果也证明了这一点【1 2 1 由此可见，高强轻集料混凝士也是一种 无碱集料反应危害的建筑材料 1 2 高强结构轻集料混凝土研究现状及发展趋势 1 2 1 高强结构轻集料混凝土的发展及研究现状 以人造轻集料为基材的轻集料混凝土的使用最早可追溯到1 9 2 0 年左右i 瑚，s j 海德是最初运用回转窑烧牯土的先驱者之一到1 9 2 8 年，美国开始把这种方法用 于商业生产，西欧在二次世界大战后才开始有了轻集料的生产国外轻集料混凝 土的迅速发展是在二战以后，尤其是五、六十年代得到快速发展1 9 6 8 年在英国 伦敦召开了第一届国际轻集料混凝土会议7 0 年代初，轻集料混凝士的发展出现 了两种倾向：一是用于结构混凝土，即用于加筋量很大的承重混凝士，甚至用于 预应力混凝土；二是用于生产混凝土制品。轻集料混凝土技术发展较快的美国、 前苏联、德国、挪威等用于结构的轻集料混凝土比例约占3 0 3 5 国外高强轻集料混凝土主要用于高层建筑、桥梁和预应力结构。早在1 9 6 9 年， 美国就用高强轻集料混凝土建成了高2 1 7 6 m ，5 2 层的休斯顿贝克广场大厦【1 4 1 。挪 威是世界上结构轻集料混凝土和高强混凝土应用最先进的国家之一自1 9 8 7 年以 来，已经用高强轻集料混凝土施工了1 1 座桥梁( 包括世界上最长的悬臂桥之一 挪威的r a t l s u n d 桥，采用了l c 6 0 级的泵送高强轻骨料混凝土) 和数座海上石油平 台。欧洲和美国较多地采用中密度混凝土作为结构轻集料混凝土，也称为“特定密 度混凝土”，它指以轻集料代替部分普通粗、细骨料，密度主要介于1 8 0 0 2 2 0 0 k g m 3 之间、强度介于4 0 8 0 m p a 之间的中高强度的中密度混凝土实际上， 近年来世界上几座著名的轻集料混凝土结构物都属于“特定密度混凝土”的范围，包 括挪威建造的几座超大型石油平台：h e i d r u n t l p 浮体石油平台、t r o l lo i l 和t r o l l w e s tg b s 石油平台l i 习。在亚洲，日本在轻集料及其混凝土方面的研究及其应用都 处于领先地位。1 9 9 8 年，日本采用高强粉煤灰轻集料研制出2 8 天强度8 0 m p a 、干 表观密度小于2 1 0 0 k g m 3 的高强轻集料泵送混凝土。并在一座铁路桥上成功试用了 该预应力混凝土。日本人工轻骨料协会还对钢纤维增强轻集料混凝土进行了研究， 并于1 9 9 9 年将其用在阿佐线物部川铁道桥上【1 5 1 。目前，欧溯正在研究制定统一的 关于轻集料及其混凝土的标准与规范，包括其材料、耐久性、结构分析、极限状 2 1 绪论 态、使用限制状态、配筋细则、构件细则、轻骨料混凝土结构、普通和少筋混凝 土结构等内容 总的来说，高强轻集料混凝土的研究和应用历史还不长，应用h s l c 的建筑 几乎都是近半个世纪内建造完成的，但却已经表现出优良的性能和高的耐久性。 8 0 年代，加拿大和挪威对高强轻集料混凝土的抗氯离子渗透性能进行了现场实验 研究：采用粘土陶粒和粉煤灰陶粒，高强p o r t l a n d 水泥用量4 0 0 6 0 0 k g m 3 ，其中 用9 硅灰取代，配制出2 8 天强度为5 7 3 1 0 2 4 m p a 的高强轻集料混凝土。将试 件暴露在港口海水中7 年后，测得所有混凝土试件表面下深2 5 m m 处，c l - 浓度都 不超过0 0 6 ，表现出高的抗c r 渗透性钳垌。1 9 9 2 年，美国对于1 9 6 6 年修建的 其第一座预应力粘土陶粒混凝土桥进行了长期性能测定。结果表明，在加载条件 下桥的绕度、应变和疲劳等性能均与实验室条件下的结论一致，且大多数情况下 优于普通混凝土。另外对建于1 9 6 4 年的s e b a s t e i ni n l e t 桥的桥面耐磨情况进行检测， 发现它与相邻的普通混凝土桥面相比，其耐磨性相同，表明弹性模量低于普通粗 集料的轻集料所配制的混凝土同样具有良好的耐磨性斛1 6 1 。 混凝土作为世界上使用量最大的建筑材料，其耐久性问题不容忽视，高强轻 集料混凝土也不例外。目前，国外学者对高强轻集料混凝土的抗渗性、抗冻性、 抗氯离子渗透性、抗硫酸盐侵蚀等方面耐久性能进行了研究。新加坡学者c h i a 和 z h a n g 研列1 。7 】表明，普通强度轻集料混凝土抗渗性好于普通混凝土，因为轻集料与 水泥石的界面区域更加密实，同时由于轻集料与水泥石弹性模量相差没有普通混 凝土中碎石与水泥石的大，界面上产生裂缝的几率也更小。而高强轻集料混凝土 与普通混凝土的抗渗性相似，高强轻集料混凝土抗氯离子渗透能力与高强普通混 凝土相似。h o l m 嘲在对用轻集料混凝土建造的船只和沿海建筑的进行微观结构研 究后发现，经过长时间后，这些轻集料混凝土中轻骨料与水泥石的界面过渡区非 常密实，明显好于普通混凝土，他们将原因归于轻骨料的火山灰活性和微泵效应。 a m i te l s h a r i e f 等1 1 9 j 的研究表明，无论轻集料预湿与否，轻集料混凝土界面过渡区 效果都好于普通混凝土，抗硫酸盐侵蚀能力也更高。资料唧】表明，高强轻集料混 凝土有很好的抗硫酸盐侵蚀能力，适合于在盐碱地区和海洋环境中的建筑 1 2 2 国内高强结构轻集料混凝土的发展及研究现状 我国高强轻集料混凝土的研究始于七十年代，天津建筑科学研究所等单位在 实验室用高强粉煤灰陶粒配制出l c 4 0 干硬性高强轻集料混凝土。八十年代初，铁 道部大桥局桥梁科学技术研究所在实验室采用高强粘土陶粒和5 2 5 级水泥配制出 l c 6 0 干硬性高强轻集料混凝土；并将l c 4 0 粉煤灰陶粒高强混凝土应用于金山公 路跨度为2 2 米的4 箱形预应力桥梁，使桥梁自重减轻2 0 以上，是我国高强轻集 料混凝土应用的一个成功范例【2 。九十年代以来，在高效减水剂大量推广应用的 重庆大学硕士学位论文 基础上，国内各高校、研究机构积极开发研究可用于泵送施工的大流动性高强轻 集料混凝土并取得一定成绩。黄智山、巴恒静等口1 采用高强轻集料，硅灰、粉煤 灰等矿物掺合料、高效减水剂、普通砂等材料配制出坍落度2 0 0 m m ，2 8 天抗压强 度达7 0 m p a 的h s l c 。清华大学郭玉顺、丁建彤等人i s 也采用高性能轻集料，采 用“双掺法”配制出初始坍落度1 8 0 m m ，2 8 天强度为3 5 8 0 m p a 的h s l c ，并具有 高的抗冻融性和抗疲劳性王发州、胡曙光等1 2 3 也采用4 2 5 级普通硅酸盐水泥。 高强页岩陶粒，矿渣，硅灰和高效减水剂配制出坍落度达2 4 0 m m 以上，扩展度 6 8 0 7 0 0 m m 、2 8 天抗压强度超过6 0 m p a 的大流动性高强轻集料混凝土泵送高 强轻集料混凝土也成功应用于一些桥梁、高层建筑中，如珠海国际会议中心采用 l c 3 0 泵送轻集料混凝土，南京宁高公路桥面施工中应用了l c 4 0 高强轻集料混凝 土 总体上而言，国内高强轻集料混凝土的研究与应用水平都在不断提高，但与 轻集料混凝土研究与应用水平较高的国家相比仍然有不少差距。目前，国外已有 大量工程使用了l c 5 0 l c 6 0 的高强轻集料混凝土，而我国实际工程应用的轻集 料混凝土强度等级仍然主要集中在l c 5 0 以下1 2 3 j 在研制高强轻集料混凝土的同时，国内科研工作者对其各方面性能包括耐久 性能进行了较多研究。通过大量试验研究认为轻集料混凝土具有比普通密度混凝 土更好的抗渗性能、抗冻融循环能力以及抗硫酸盐侵蚀能力剀。龚洛书等 2 5 】对中 低强度等级的轻集料混凝土的耐久性进行了大量研究与统计，推导出其收缩徐变 的基本方程，后来又对强度等级为l c 4 0 的高强轻集料混凝土进行了补充研究，为 确定高强轻集料混凝土的收缩、徐变等变形性能提出了指导意见刘巽伯刚认为 混凝土的收缩、徐变等变形性能主要由粗集料的弹性模量决定。轻集料的弹性模 量较普通粗集料小，对水泥浆的收缩限制能力低，因而轻集料混凝土的收缩变形 大于普通混凝土。但是，由于轻集料对水泥浆收缩的限制能力低，因而轻集料周 围所形成的收缩应力也小于普通混凝土，从而集料与水泥石基体界面所产生的微 裂缝等缺陷也相应减少，更有利于混凝土的强度和耐久性能。宋培晶等 2 7 1 采用低 吸水率轻骨料配制2 8 天强度为5 5 6 5 m p a 的h s l c ，测得其1 8 0 天龄期时的收缩 率范围是5 2 0 1 0 - 6 7 7 0 x 1 0 - 6 王发州、胡曙光等 2 3 1 研究了高强轻集料混凝土的收 缩特性及其影响因素，结果表明：轻集料混凝土早期收缩率低于普通混凝土，而 后期收缩率远远大于普通混凝土，高强轻集料混凝土在2 8 天以后仍具有较大的收 缩。 1 3 存在问题 高强结构轻集料混凝土集工作性、力学性能、耐久性等性能于一体，在具备 4 1 绪论 高强度的同时，还应具备高的体积稳定性和耐久性高强结构轻集料混凝土在国 内外的应用都还不长，对其研究更多的集中在配合比设计、施工性能、力学性能、 以及部分耐久性能等方面，而对其体积稳定性的系统研究报道则相对较少。 目前国内关于如何制备高强度轻集料混凝土的报道很多，获得高的强度对于 轻集料混凝土而言已不是难题在配制高强结构轻集料混凝士时，除采用高强陶 粒外，通常采用增大砂率，降低轻集料体积含量、减小轻集料最大粒径等方式来 获取高强度。这些方式对h s l c 的体积稳定性有何影响，影响程度如何，是否会 降低轻集料混凝土的耐久性则少有报道。对于混凝土结构而言，高的体积稳定性 和良好的耐久性对结构的使用寿命至关重要。正因如此，急需对高强结构轻集料 混凝土的长期性能和耐久性进行系统研究，积累相应性能数据，以利于更为准确 的掌h s l c 性能规律，促进高强结构轻集料混凝土的广泛应用。 1 4 选题背景和意义 高强结构轻集料混凝土作为结构用材料，由于工程的重要性，其耐久性问题 不容忽视。虽然国内外众多研究均表明轻集料混凝土的耐久性能普遍优于普通密 度混凝土，但这些结论更多的是基于中低强度等级的轻集料混凝土得到的，且所 用陶粒多为吸水率大，强度较低。相反，对于采用低吸水率、高强轻集料配制的 高强结构轻集料混凝土性能虽有研究l 伫7 1 ，但仍为数不多。珈之我国幅员广阔， 地区间材料性能差异较大，就重庆地区而言，中粗砂资源缺乏，工程应用中较多 采用混合砂，这也与国内其他地区有很大差异。因此，更需要各方广泛开展对h s l c 的研究，积累数据资料，为h s l c 技术的发展打下坚实基础。 研究采用低吸水率高强页岩陶粒配制的h s l c 的长期收缩变形规律和耐久性 能，探明各种影响因素的作用机理及影响程度，通过对h s l c 各项耐久性指标进 行试验和理论方面的系统研究，获得相应的数据和普遍规律，对于更好地掌握高 强结构轻集料混凝土的性能特点，为其在实践工程应用中提供可靠的技术支持， 确保工程的安全性具有重要意义。故开展高强结构轻集料混凝土长期性能和耐久 性方面的研究无论是在理论上还是在工程应用上都具有十分重要的意义。 1 5 主要研究内容 研究轻集料粒型对h s l c 长期力学性能的影响规律；研究预湿处理对 h s l c 长期强度发展的影响；对比分析结构轻集料混凝土与同强度等级普通混凝土 长期强度和弹性模量发展变化的差异，探明h s l c 的强度发展规律和强度特征。 系统研究各配制参数对h s l c 干缩变形的影响规律，配制因素包括集料种 类、强度等级、预湿程度、水泥用量、水灰比、矿物掺合料等；探明膨胀剂对h s l c 重庆大学硕士学位论文 干缩的补偿作用效果以及影响膨胀剂发挥补偿作用的因素。 研究轻集料预湿处理程度、粗集料种类、矿物掺合料以及龄期等因素对 h s l c 抗氯离子渗透性能的影响规律及其作用机理；探讨提高h s l c 抗氯离子渗透 能力的措施和作用原理；研究不同强度等级h s l c 抗渗性能及其与普通混凝土抗 渗性的差异；对比研究h s l c 抗冻性能及其影响因素。 从微观角度研究分析h s l c 陶粒水泥石界面区结构形貌及陶粒界面 处水泥石孔结构分布特点，探讨其显微结构与宏观性能之间的内在联系 6 2 原材料与试验方法 2 原材料与试验方法 2 1 原材料 2 1 1 水泥 重庆拉法基水泥有限公司生产的p 0 4 2 5 r 普通硅酸盐水泥，水泥的化学成分 和基本性能分别见表2 1 和表2 2 。 表2 1 水泥及矿物掺合料的化学成分( ) t a b2 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f c e m e n ta n dm i n e r a la d m i x t u r e ( ) 材料 化学成分( ) 品种c a o s i 0 2a 1 2 0 3 f e 2 0 s t i 0 2 m g os 0 3n a 2 0 h l o 烧失量 水泥6 3 6 72 1 4 05 6 33 6 5o 5 72 1 51 7 51 0 2 0 9 7 粉煤灰3 4 0 4 0 0 1 2 5 3 11 5 3 83 2 00 4 9o 7 7一一3 o l 矿渣 4 0 03 3 1 41 2 9 l2 8 06 7 5 0 5 6一 硅灰o 5 69 4 90 4 91 0 20 7 01 0 31 0 50 5 01 1 9 0 表2 2 水泥的基本性能 t a b2 2b a s i cp r o p e r t i e so f c e m e n t 2 1 2 矿物掺合料 粉煤灰：重庆华能珞璜电厂生产的级灰，比表面积为4 6 0 0 c m 2 g ，密度 为2 3 3 9 c m 3 ，需水量比为9 8 ，烧失量为3 0 1 ，化学成分见表2 1 矿渣粉：重庆环亚建材有限公司生产的水淬高炉矿渣粉，比表面积为 4 9 0 0 0 n 2 g ，密度为2 9 0 9 c m 3 ，化学成分见表2 1 ，基本性能见表2 3 。 硅粉；贵州铁合金厂生产的硅灰，比表面积约为2 0 x 1 0 4 c m 2 g ，化学成分 见表2 1 。 表2 3 矿渣粉基本性能 t a b2 3b a s i cp r o i d e r t i c so f s l a g 7 重庆大学硕士学位论文 2 1 3 膨胀剂 重庆江北特种建材厂产u e a - h 型膨胀剂，推荐掺量8 1 2 2 1 4 粗集料 陶粒：湖北宜昌宝珠产碎石型高强页岩陶粒和重庆云阳创新建材厂产圆球 型高强页岩陶粒，基本性能和常压下吸水率分别见表2 4 和表2 5 ； 碎石：重庆歌乐山石灰石碎石，出厂时筛分为5 l o m m 和1 0 2 5 m m 两 个粒级，表观密度为2 6 4 2 7 0 9 c m 3 ，压碎指标为1 0 配制混凝土时，5 1 0 m m 和1 0 2 5 m m 粒级以质量比2 ：8 配制使用。 表2 4 高强页岩陶粒的基本性能 t a b2 4t h ep r o p e r t i e so f h i g h - s t r e n g t hs h a l ec e r a m s i t e 粒型 筒压( )度a ) 1 “豁率( 咖)g 一一) 芎k 积g 蟹m 3 )怒 强度等级 碎石型5 941 3 8 87 9 55 2 0 4 0 圆球型8 14 8 1 3 9 0 8 3 55 2 5 4 0 表2 5 常压下陶粒的吸水率 t a b2 5w a t e ra b s o r p t i o no f c e r a m s i t ei na t m o s p h e r i cp r e s s u r e 吸水率 吸水时间( h ) ( ) o 5l3 2 4 碎石型 3 o4 o4 54 5 圆球型3 64 85 36 6 2 1 5 细集料 特细砂：重庆渠河砂，细度模数为1 2 ； 机制砂：重庆歌乐山石灰石机制砂，细度模数为3 7 配制混凝土时，特细砂和机制砂以质量比6 ：4 混合使用。 2 1 6 高效减水剂 北京高碑店产萘系r h - 8 高效减水剂，推荐掺量l ，减水率2 0 。 2 1 7 水 自来水。 2 2 试验仪器及方法 2 2 1 混凝土配合比设计 高强结构轻骨料混凝土配合比设计按j g j 5 1 - - 2 0 0 2 轻骨料混凝土技术规程， 8 2 原材料与试验方法 混凝土配合比设计采用绝对体积法。 2 2 2h s l c 基本力学性能试验方法 高强结构轻骨料混凝土的基本力学性能试验按g b 厂r 5 0 0 8 1 - 2 0 0 2 普通混凝 士力学性能试验方法标准进行 2 2 3 混凝土干燥收缩试验仪器及方法 试验主要参考g b j 8 2 8 5 普通混凝士长期性能和耐久性能试验方法中混 凝土干缩测试方法原理，改进设计了混凝土干缩变形测量装置，具体如下： 混凝土干缩试件仍然采用1 0 0 x 1 0 0 x 5 1 5 m m 的标准试件，试件以竖向方向垂 直放置于装置底座上，在试件上端中心位置粘贴光滑薄铜片，作为千分表的测试 平面。干缩测试装置以三个试件为一组独立放置，图2 1 为干缩试件测试安装图。 在规定龄期只需读取千分表示数即可，从而避免了g b j 8 2 - - 8 5 中采用螺旋测微计 测量时容易出现人为误差的弊端，保证了测试结果的精确性。 图2 1 混凝土干燥收缩测试装置图 f i g2 1 e q u i p m e n to f d r y i n g - s h r i n k a g em e a s u r i n go f c o n c r e t e 2 2 4 混凝土抗氯离子渗透试验方法 抗氯离子渗透试验按a s 喇c 1 2 0 2 9 7 试验方法进行。首先制作 1 5 0 x 1 5 0 x 1 5 0 m m 的混凝土试件，标准养护至规定龄期时后取芯制成 1 0 0 m m 5 0 m m 的圆柱体试件，分别在2 8 d 和6 0 d 龄期时将试件置于氯离子渗透 仪( p r o o v e i t 系统) 测量电池中，试件两侧水槽分别装满3 0 n a c i ( 负极) 和0 3 m n a o n ( 正极) 溶液，在6 0 v 的外加稳定电场下，持续测定试件6 h 的总导电量( q ) ， 结果评定如表2 6 所示。同时，采用冯乃谦教授脚】提出的计算c l - 扩散系数的经验 公式d e 仟= 2 5 7 7 6 5 + 0 0 0 4 9 2q ( x 1 0 g c r a 2 s ) ，计算混凝土的c l - 扩散系数，该系数 与导电量有很好的相关性，能较直观反映混凝土抗c l - 渗透性能高低。 9 重庆大学硕士学位论文 袁2 6 混凝土导电量及其分类吲 t a b2 6 c h a r g ep a s s e da n dc l a s s i f yo f c o n c r e t e 口 2 2 5 混凝土微观结构测试仪器 扫描电镜 高强结构轻集料混凝土水泥石一陶粒界面微观结构分析采用扫描电子显微 镜，型号为k y k y - 1 0 0 0 b ，分辨率为6 0 埃 比表面孔径分析仪 高强结构轻集料混凝土水泥石孔结构分析采用氮吸附法进行测定，测试仪器 为比表面孔径分析仪，仪器型号为a s a p 2 0 1 0 ，可测孔径分布范围：1 5 5 0 0 n m 3 高强结构轻集料混凝土力学性能研究 3 高强结构轻集料混凝土力学性能研究 3 1 轻集料与水泥石的相互作用机理 轻集料是一种多孔材料，与普通碎石集料在结构和性能上的巨大差异决定了 轻集料混凝土迥然不同的性能特性从宏观尺度上看，混凝土是由水泥石和集料 两相组成的多孔、非均质的复合材料体系。从细观尺度上看，水泥石又是各种水 化物、未水化颗粒、水和气等的多相复合体。各相之间的界面是混凝土内部结构 的重要组成部分，其中研究最多的是集料一水泥石界面，它是决定混凝土性能的 关键因素之一轻集料表面粗糙多孔，具有一定吸水性，其与水泥石之间的界面 性能与普通集料一水泥石界面性能有明显差异 考虑到轻集料的组成、结构特点，轻集料与水泥石的相互作用机理具有以下 特点口： 轻集料( 陶粒) 的主要组成为硅酸盐和铝硅酸盐玻璃相，其表面包裹着一 层坚硬的玻璃体外壳，具有潜在的化学活性阱l ，能够与水泥水化产物c a ( o r ) 2 发 生火山灰反应。因此，轻集料与水泥石之间的相互作用不仅有物理作用，而且存 在一定的化学作用。 由于轻集料表面粗糙，多棱角，且有较多开口孔，因而轻集料与水泥石之 间具有较强的机械作用。 轻集