（材料学专业论文）中低标号钢渣防渗抗裂混凝土的研究.pdf

武汉理工人学l i i i 二l 论文 摘要 目前中低标号大体积混凝土被广泛应用于实际工程( 过江隧道预制沉管、 悬索桥锚锭) 中，但其突出的渗裂问题至今仍未彻底解决，因此提高混凝土 防渗抗裂功能，意义十分重大。 本文对中低标号大体积混凝土渗透开裂问题进行了研究，从混凝土自身 结构形成与经济角度指出大掺量粉煤灰与膨胀荆复合配制大体积混凝土的问 题所在，提出采用钢渣微细矿粉配制中低标号防渗抗裂混凝土的思路，运用 复合材料理论设计中低标号防渗抗裂混凝土，提出了低水化热、抗渗性能、 体积稳定性、韧性和抗冲磨性能是中低标号防渗抗裂混凝土材料选择和耐久 性设计的主要原则，采用钢渣微细粉复合混杂纤维、化学外加剂的技术路线， 配制了适合于深水等特殊环境中的大体积中低标号钢渣系列防渗抗裂混凝 士，对其进行水化特性、宏观物理力学性能、耐久性和微观结构研究。 实验结果显示：钢渣掺合料能显著减缓水泥浆体水化速率，降低砂浆的 水化温升并延迟最高温升时间；补偿混凝土收缩，提高混凝土密实度，加强 纤维与水泥石的界面粘结，增强混凝土力学性能，但不能明显改善混凝土韧 性。混杂纤维通过纤维的不同尺度与不同性质在相应的结构层次上产生阻裂 效应，增韧钢渣防渗抗裂混凝土；增加混凝土的破坏极限能，极大提高混凝 土抗弯曲能力和韧性指数，改善混凝土脆性。钢渣掺合料对混凝土收缩具有 长期补偿作用，混杂纤维起到抑制混凝土收缩的作用。高水压渗透实验表明 中低标号钢渣防渗抗裂混凝土抗渗标号高于p 4 0 ，优于同掺量粉煤灰混凝土， 满足深水条件下混凝土的抗渗要求。 通过x r d 、s e m 等微观测试手段研究了钢渣防渗抗裂混凝土的结构形成 过程，分析其补偿收缩原因及机理，探明了钢渣防渗抗裂混凝土相组成、结 构及其对耐久性的影响规律。微观结果显示钢渣掺合料使水泥石孔径细化、 水化产物相密实、与集料界面过渡区得以改善，从而使混凝土达到防渗抗裂 的目的。 关键词：防渗抗裂混凝土；钢渣：补偿收缩；渗透性能；韧性； 武汉理工大学硕士论文 a b s t r a c t t h o u g ht h ea p p l i c a t i o no f t h em i d d l eo rl o w s t r e n g t hm a s sc o n c r e t eh a sb e e n u s e dw i d e l yi nt h ec r o s s i n gr i v e rt u n n e la n dt h ea n c h o ro fb r i d g e ，t h e r eh a v eb e e n v e r ys e r i o u sp h e n o m e n a o f b u i l d i n g sc r a c k i n ga n dl e a k a g ei nm a n y o l dc o n c r e t e c o n s t r u c t i o n sa n de v e nr e c e n tc o n c r e t ec o n s t r u c t i o n s s o ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt o e n h a n c et h eq u a l i t yo fc o n c r e t ea n t i c r a c k i n ga n di m p e r m e a b l e p r o p e r t y t h i s p a p e ra n a l y s e st h ep r o b l e m o fc o n c r e t ec r a c k i n ga n d l e a k a g e ，a n ds e tu p t h em o d e lo ft h em i d d l eo rl o w - s t r e n g t hs t e e ls l a ga n t i c r a c k i n ga n di m p e r m e a b l e c o n c r e t e ( a c i c ) o nt h e b a s eo ft h e a n a l y s i s t h e f o u r p r i n c i p l e s o fw a t e r p e r m e a b l e r e s i s t a n c e c h a r a c t e r ，v o l u m e s t a b i l i t yc h a r a c t e r , t o u g h n e s s a n d a n t i c h e m i c a lc o r r o d e dc h a r a c t e rh a v eb e e n p u tf o r w a r d f o rr a wm a t e r i a l ss e l e c t i o n a n dd u r a b i l i t yd e s i g no fa c i c ，a c i ci s d e s i g n e db yt h et h e o r yo fc o m p o s i t e m a t e r i a la n dt h et h e o r yo f f i b e r - r e i n f o r c e d ，a n dt w os e r i e so fa c i c ，s u c ha sf l ya s h s e r i e sa n ds t e e l s l a gs e r i e s ，h a v e b e e nm a n u f a c t u r e d b y m e a u so fm i n e r a l a d m i x t u r e ，h y b r i df i b e ra n dc h e m i c a la d m i x t u r e h y d r a t i n gh e a t ，m a c r o - m e c h a n i c s q u a l i t y , d u r a b i l i t ya n d m i c r o s t r u c t u r eo f t h e a c i ch a v e b e e nr e s e a r c h e d t h er e s u l to f m a c r o q u a l i t ye x p e r i m e n t ss h o w ：m i n e r a la d m i x t u r e sm a r k e d l y s l o wt h eh y d r a t i n gv e l o c i t yo fc e m e n ts l u r r y , d e c r e a s ea n dd e l a yt h eh y d r a t i n g m a x - t e m p e r a t u r e ，i n w h i c hs t e e l s l a g i sm o r e e f f e c t i v e ；e x p a n s i v ea g e n t s c o m p e n s a t ec o n c r e t es h r i n k a g e ，e n h a n c et h ec o n c r e t ed e n s ed e g r e e ，s t r e n g t h e nt h e l i n e r f a c i a l l a y e r b e t w e e nf i b e ra n dc e m e n tm a t r i xa n d i m p r o v et h ep h y s i c a l m e c h a n i c sq u a l i t i e so fa c i c ；m i n i m a la d m i x t u r e sm a r k e d l yi m p r o v et h ec o n c r e t e w o r k a b i l i t yp r o p e r t y , i n c r e a s et h e c o n c r e t el a t e r i n t e n s i t y & d e n s i t ya n dt h e c a p a b i l i t yo f a n t i - c h e m i c a la t t a c ka n da n t i - - p e r m e a b i l i t y ；h y b r i df i b e rr e i n f o r c e st h e t o u g h n e s so fo b v i o u s l ya c i cb yt h em e a n so fa n t i c r a c k i n ge f f e c to ff i b e rw i t h d i f f e r e n ts i z e sa n dd i f f e r e n tp r o p e r t i e si nt h ec o r r e s p o n d i n gc o n s t r u c t i o nl e v e l s t h e t o u g h n e s se x p e r i m e n to f a c i cs h o w s ：m i n i m a la d m i x t u r e sa r en o t h e l p f u lt o t h ec o n c r e t et o u g h n e s s ，b u th y b r i df i b e rc a ne n h a n c et h el i m i te n e r g yo fc o n c r e t e d e t e r i o r a t i o n ，t h ec o m p r e s s i v ea n dt e n s i l es t r e n g t h sa n dt o u g h n e s si n d e x ，w h i c h i m p r o v e st h ea c i ct o u g h n e s s t h ee x p a n s i v ee x p e r i m e n ts h o w ss t e e ls l a gc a n i i - 武汉理= ：e 大学硕士论文 c o m p e n s a t e t h ec o n c r e t es h r i n k a g ed u d n ga l o n gt i m ea n dh y b r i d f i b e rr e s t r a i n st h e c o n c r e t es h r i n k a g e t h ei m p e r m e a b i l i t ye x p e r i m e n tu n d e rt h ec o n d i t i o n so fh i g l i h y d r a u l i cp r e s s u r ei nl o n gt i m es h o w st h a tt h ei m p e r m e a b i l i t yg r a d eo f a c i ci s f u r t h e rb e y o n dp 4 0a n dt h a tt h es t e e ls l a gs e r i e so fa c i ci sb e t t e rt h a nt h ef l ya s h o n e s t h ep r o c e s so fs u c t u r cf o r m a t i o no fa c i ci ss t u d i e db ym e a n so fx r d s e ma n ds oo n m e a n w h i l e ，t h ec a u s ea n dm e c h a n i s mo ft h ea c i c c o m p e n s a t i n g s h r i n k a g eh a v eb e e na n a l y z e d ，a n dt h ec o m p o s i t i o n ，s t r u c t u r ea n dt h er u l eo f d u r a b i l i t yi n f l u e n c eo f a c i c h a v ea l s ob e e n p r o v e du p i ti ss h o w e db y t e s tt h a tt h e e x p a n s i v ea g e n th y d r a t e st oc r e a t ef lg r e e td e a lo fe t t r i n g i t e ( a f t ) ，w h i c hi so f p i n s t i c k s h a p ea n dp u tu pc o m p l e xs t r u c t u r e ；t h em i n e r a la d m i x t u r el e a d st ot h e t h i n n i n g o fp o r es i z eo fc e m e n t p a s t e ，c o m p a c t o fh y d r a t i o np r o d u c t p h a s e ， i m p r o v e m e n to fi n t e r f a c et r a n s i t i o nb e t w e e na g g r e g a t ea n dc e m e n ts t o n e ，w h i c h r e s u l t si nt h ei m p r o v e m e n t o f a n t i - c r a c k i n ga n di m p e r m e a b l eq u a l i t yo f a c i c k e y w o r d s ：a n t i c r a c k i n g a n d i m p e r m e a b l ec o n c r e t e ； s t e e l s l a g ； c o m p e n s a t i n gs h r i n k a g e ；p e r m e a b l ep e r f o r m a n c e ；t o u g h n e s s ； - 1 1 1 - 一 苎坚型三查兰堡主兰垡望兰 一一 第1 章绪论 1 1 防渗抗裂混凝土的研究进展 本世纪3 0 年代以来，随着水泥品种增多、性能改善以及化学外加剂特别 是高效减水剂的开发使用，混凝土得到了广泛应用，混凝土技术也跨向了一 个新时代，但仍存在混凝土的易渗透开裂问题。为了满足经济发展、解决交 通拥挤，混凝士被用于各种恶劣条件下，如海洋工程、常年处于冰冻的地区、 超长隧道工程等等，这要求混凝土具备各种优异性能( 混凝土的高性能化 1 1 ) 。 在国内地铁和( 过江) 隧道等建筑业的大力兴起之下，解决混凝土的抗渗防 裂是当务之急；各种海洋河流大型工程( 南通大桥) 的混凝土使用也必须要 解决抗渗防裂问题：特别是在各种地区的码头港口使用的混凝土更应注意这 些问题。 近年来，我国土木工程建设日新月异，各种有关的新材料、新结构、新工 艺不断以科学研究阶段过渡到实际应用阶段，并在应用中发展和完掣”。在建 筑材料占有独一无二地位的混凝土领域内，混凝土的渗透开裂问题一直未能 得到彻底解决f 3 训。据资料统计表明1 5 】，当前我国城市建筑物的渗漏开裂率约 为6 0 ，当前竣工的漏水房屋就达3 7 ，每年城市的渗漏维修费用高达1 2 亿元以上，再加上其它直接和间接损失就更大了。 过去混凝土的设计重点是强度指标，然而众多工程实例表明，很多混凝土 过早破坏的原因并不是由于强度低，而是由于混凝土的耐久性问题。种种工 程事故，也使人们意识到混凝土的耐久性必须被引起高度重视。因此，现在 国内外许多学者都把混凝土的耐久性和长期稳定性放在高性能混凝土设计的 首位。研究表明【6 】，混凝土的开裂问题是引起混凝土耐久性不良的最重要因素 之一，它是水泥混凝土百余年来都未能得到很好解决的技术问题。 从本质上讲，混凝土的开裂和渗漏是两个不同的概念。实践证明【7 吨l ，导 致混凝土渗漏的原因大多并不是由于其本身的防渗能力差，而主要是因为混 凝土的体积变形、受载等原因导致的开裂。水等些侵蚀介质从混凝土的裂 缝处往内部渗透，导致混凝土性能下降、耐久性不良。可以说，裂是渗的根 本，只要混凝土不开裂，一般不会渗漏。裂缝可导致混凝土的渗漏，混凝土 墓墨里三查堂堡主堂竺堡苎 一 的渗漏又将使混凝土裂缝进一步扩展，最终导致混凝的破坏。因而本文将 混凝土的抗裂和防渗问题一起研究试验，从根本上解决混凝土的渗裂问题。 对混凝土的防渗抗裂国内外研究经历了以下几个阶段：( 1 ) 有机防水材料 的应用。它主要包括高分子防水材料和有机憎水材料【9 l ，但高分子防水材料易 老化，生产施工严重污染环境，施工复杂，造价高，有的甚至有毒并且不 能达到抗裂的作用，往往每隔一段时同就要进行修补；有机憎水材料添加到 混凝土中，仅起到了一个化学屏蔽的作用，可以承受到一定的水压当承受 水压过高时会被冲破，无法达到阻孔的目的，它们在混凝土中也是不稳定的 一段时间以后就会失效而被排出混凝土外，不能补偿混凝土的收缩变形。( 2 ) 无机防水材料的应用【l “。由于其大多数产品易使钢筋产生锈蚀，所以仅应用 在一些素混凝土或水泥砂浆，以及一些快速赌漏和修补工程中。( 3 ) 膨胀荆 材料的开发应用。可以说，膨胀剂材料作为一种外加掺合料极大的促进了混 凝土的发展。膨胀剂材料主要有以下四种 1 1 - 1 3 】：c a o 类、m g o 类、f e 2 0 3 类 和钙矾石类。它们能补偿混凝土在水化和硬化过程中产生的各种收缩变形， 达到抗裂的目的。其中钙矾石类膨胀剂的膨胀源发展比较稳定，后期收缩落 差小，并且可以通过调整不同的掺量来控制膨胀率，因此钙矾石类膨胀剂材 料应用最为广泛。( 4 ) 纤维增强水泥基材料的应用 1 4 - 1 ”。纤维在混凝土中具 有阻裂作用和增韧作用，弥补了混凝土自身的脆性，提高了其韧性。纤维在 工程中不但可以作为非结构性补强材料来防止塑性收缩裂缝，而且可以作为 结构性补强材料用于增强构件的抗弯承载力，改善结构延性。 混凝土的防渗抗裂性能是大体积混凝土最重要的性能之一。防渗抗裂混凝 士的研制一定要遵循混凝土自身结构的优化和与其它材料复合的原则【1 7 - 1 8 1 。 后文将指出，单一纤维混凝土都有各自的优点，对增强混凝土发挥着各自独 特的作用。但同时也有许多不足之处。纤维混凝土所存在的问题是能否通过 纤维叠加效应将劣势加以避免而将优势加以发挥t 能否由此制备一种各方面 性能俱佳的高性能混凝土。近年来，一些学者开始将目光投向混杂纤维混凝 土 1 9 1 ，试图通过利用具有不同性能优点的纤维进行混杂并与混凝土叠加得到 各方面性能优越的高性能混凝土，以适应不同工程的需要。鉴此本论文着重 研究矿物掺合料的选择来满足混凝土低水化热和补偿收缩要求，并用混杂纤 维增强混凝土的韧性及抗冲磨能力。 武汉鼍i 工大学硕士学位论文 1 2 混凝土渗裂原因 1 2 1 裂缝与渗透的基本概念 混凝土抵抗水渗透的性能称为抗渗性。混凝土的渗透性是由混凝土内部水 泥石孔隙率、毛细孔数量和各相界面粘结状况决定的。水泥石的渗透性与毛 细孑l 率的关系如图1 1 。水灰比是影响混凝土抗渗性的决定因素，增大水灰比， 捻 戋 毛 = 妊 懈 蜊 爨 i f j 惦 ， 02 0 3 04 0 ，506 0t0 日 水灰比 图1 - 1水泥石渗透系数 图l - 2混凝土渗透系数 与毛细管孔隙率的关系 与水灰比的关系 混凝土的密实度降低，孔隙率增大，界面缺陷大，相对渗透系数增大。混凝 土的渗透系数比水泥石的渗透系数大1 0 0 倍以上。这是由于在集料和水泥石 的赛面处存在裂缝以及集料下方形成孔穴等原因构成了水的较大通路丽造成 的，混凝土水灰比与渗透关系见图l - 2 。在水灰比相同时，粗集料的粒径越大， 混凝土的渗透性越大。 混凝土微裂缝是肉眼不可见的。肉眼可见裂缝范围般以o 0 5 m m 为界， 大于或等于o 0 5 m m 的裂缝称为“宏观裂缝”。宏观裂缝是微观裂缝扩展的结 果。一般工业及民用建筑中，宽度小于0 0 5 r a m 裂缝对使用( 防水、防腐、承 重等) 无危险性，故假定小于0 0 5 m m 裂缝的结构为无裂缝结构，所谓不允许 裂缝设计，也只能是相对的无大于o 0 5 m m 初始裂缝的结构。 1 2 2 裂缝的分类及成因 建筑物裂缝是一个带有普遍性的问题。一般来说，混凝土的裂缝主要有以 垫堡型三查兰塑主堂垡丝苎 下三种1 2 0 ： ( 1 ) 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； ( 2 ) 水泥石裂缝，是指水泥石中的裂缝，出现在集料与集料之间； ( 3 ) 集料裂缝，是指集料本身的裂缝。 在这三种裂缝中，前两种较多，集料裂缝出现较少。混凝土的微裂缝主要 指粘着裂缝和水泥石裂缝。微裂缝的存在，对混凝的基本性质，比如弹塑 性、徐变、强度、变形、泊松比、结构刚度、化学反应等产生重要影响。微 裂缝等原因可按混凝士的构造理论加以解释，即视混凝土为集料、水泥石、 气体、水分等组成的非均质材料。混凝土水化和硬化的同时，产生体积变形。 这种变形是不均匀的：水泥石收缩较大，集料收缩小；水泥石热膨胀系数大， 集料较小。因而它们之间的变形不是自由的，产生相互约束应力。在构造理 论中采用一种极为简单的计算模型，即假定圆形集料不变形且均匀地分布于 均质弹性水泥石中，当水泥石产生收缩时引起内应力，导致粘着裂缝出现。 裂缝的主要成因有以下两种情况： ( 1 ) 外荷载( 如动、静荷载) 的直接应力，即按常规讨算的主要应力引 起的裂缝：以及由外荷载作用，结构次应力引起的裂缝。 ( 2 ) 由变形引起的裂缝( 第二类荷载) 。结构主要由自收缩、温度收缩、 干燥收缩、塑性收缩等因素而引起的裂缝。这种裂缝起因是结构首先要求变 形，当变形得不到满足时才引起应力，而且应力与混凝土结构刚度大小有关。 只有当应力超过一定数值时才引起裂缝，裂缝出现后变形得到满足或部分满 足，应力发生松弛。 根据国内外的调查资料【2 ”，工程实践中结构物的裂缝原因，属于由变形变 化( 温度、收缩、不均匀沉陷等) 引起的约占8 0 ；属于由荷载引起的约占 2 0 。前述8 0 的裂缝是指变形变化与荷载共同作用，但以变形变化为主引 起的裂缝：同时，在荷载引起的2 0 裂缝中也包括变形变化与荷载共同作用， 但以荷载为主所引起的裂缝。所以，若减少或降低混凝土的收缩，甚至补偿 混凝土的收缩，可以控制建筑物的渗裂问题。 1 2 3 混凝土裂缝与渗透的关系 混凝土变形变化引起的混凝土裂缝一般不影响承载力，那么它和渗透之间 4 - 武汉理工_ 人学硕上学位论文 的关系就值得研究了。据调查资料表明1 ，由裂缝引起的各种不利后果中， 渗漏水占6 0 以上。水分子的直径约0 4 n m ( 4 1 0 1 0 m ) 从物理概念上说 水分子可穿过任何肉眼可见的裂缝，所以从理论上讲，防水结构是不允许任 何裂缝的，但实际情况不是这样。据试验资料，一个具有宽度为0 1 2 r a m 的裂 缝，开始每小时漏水量5 0 0 m l ，一年后每小时漏水只有4 m l 。另一个试验中的 裂缝宽o 2 5 r a m ，开始漏水量每小时1 0 0 0 m l ，一年后每小时只有l o m l 。说明 裂缝有自愈现象外，还有自封现象，及0 1 m m o 2 m m 宽的裂缝虽然不能完 全胶合，但可逐渐自封。但是当裂缝宽带超过自愈合范围时，不可避免导致 混凝土渗漏，并带来一系列问题，比如其它化学物质当侵蚀、耐久性当降低 等。 裂缝漏水量q 计算公式为：o ：1 l a 了3 _ p g h ( 1 一1 ) l z o r l a 式中：q 裂缝渗水量； l 裂缝长度； a _ 一裂缝宽度； p 液体密度： g 重力加速度； h 水压头； 0 经验系数； n 液体粘度： d 壁厚。 可见，渗水量q 与裂缝的宽度a 成三次方比例，与裂缝的长度l 成次方 比例。因而裂缝的宽度和长度极大地影响水泥混凝土的渗透性能。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的控制标准大致如下； ( 1 ) 无侵蚀介质，无防渗要求，为o 3 r o m e o 4 m m ： ( 2 ) 轻微侵蚀，无防渗要求，为o 2 m m o 3 m m ； ( 3 ) 严重侵蚀，有防渗要求，为o 1 m m o 2 m m 。 1 3 研究背景及研究内容 针对国内过江隧道用沉管法施工的预制沉管和悬索桥工程锚锭这样的大 武汉理工大学硕士学位论文 体积混凝士丙言，如一般悬索桥锚锭的体积达到8 1 0 1 0 4 m 3 ，其混凝土设 计要求6 0 d 抗压强度等级为c 3 0 ，抗渗标号达到p 1 2 。若采用普通混凝土的配 制技术路线不能满足大体积混凝土对水化热的要求，且抗渗能力也达不到工 程要求。通过对混凝土渗裂现状和解决方法的综合分析，本文拟通过对中低 标号混凝土自身进行配合比优化设计和纤维复合技术来提高大体积混凝土防 渗抗裂性能和耐冲磨性能并且不影响混凝土的工作性能和耐久性能。 1 3 1 主要研究内容 ( 1 ) 优选矿物外加剂来降低大体积防渗抗裂混凝土的最高温升和温度应 力；研究各种单一纤维混凝土来确定混杂纤维的品种、掺量； ( 2 ) 对低中标号防渗抗裂混凝土配合比进行优化设计，并对其长时间高 水压下的抗渗性能进行研究，保证低中标号防渗抗裂混凝土的抗渗标号在$ 4 0 以上； ( 3 ) 通过膨胀剂和钢渣的掺入，改善混凝土的自身缺陷，在此基础上， 与纤维进行复合，测试其力学性能和韧性； ( 4 ) 重点研究c 3 0 、c 4 0 低中标号防渗抗裂混凝土的抗渗性能： ( 5 ) 通过低中标号防渗抗裂混凝土的内部结构的微观分析，对其结构形 成过程进行分析。 1 3 2 拟采用的技术路线 ( 1 ) 探明混凝开裂的主要原因，分析混凝土在水化和硬化过程中产生 的各种收缩情况，提出采用膨胀剂、矿物掺合料、纤维混杂复合技术方法来 配制防渗抗裂混凝土； ( 2 ) 分析现在低中标号混凝土中粉煤狄与j j g j l k 剂复合在大体积混凝土中 的弊端，利用钢渣的微膨胀性和其碱度进一步提高混凝土的密实度、护筋能 力和耐磨度； ( 3 ) 采用纤维增强技术提高混凝土的韧性加强混凝土的抗裂能力，并 利用纤维蒯距理论提出纤维混杂技术进一步加强混凝土防裂抗渗能力。 武汉理工人学碳二l 学位论文 第2 章混凝土防渗抗裂技术方法 第一章已论述到国内外混凝土的防渗抗裂方法，但结合本文制备防渗抗裂 混凝土要遵循的自身结构优化和复合技术思想，本章将主要阐述膨胀剂与混 杂纤维对混凝土的防渗抗裂原理。 2 1 膨胀剂防渗原理 2 1 1 混凝土收缩 在没有负载的情况下，混凝土往往是由于收缩变形而导致开裂。普通混凝 土主要有以下几种收缩变形 1 1 , 2 1 】：温度收缩、自收缩、干燥收缩、碳化收缩、 塑性收缩等。 2 1 1 1 温度收缩 混凝土随温度下降而发生的收缩称为温度收缩，又称冷缩。如何防止冷缩 丌裂，是混凝土技术中一个十分重要的问题。在无约束条件下，混凝土温差 t 所引起的温度收缩变形是t 与混凝土热膨胀系数。的乘积( na t ) 。混凝 土的热膨胀系数一般为1 0 1 0 ，而水泥浆体的热膨胀系数为1 3 1 0 + 6 ， 骨料的热膨胀系数则与骨料品种有关，石灰岩质骨料的q 值一般为( 6 7 ) x 1 0 ，三种材料热膨系数的差别造成了混凝土在降温的过程中内部局部温度 应力的产生1 2 引。另外由于混凝土结构的热传导性能差，混凝土的外部温度可 能已接近于环境温度，而内部温度仍处于原始状态，从整体结构温度分布来 看，在混凝土结构中形成较大的温度梯度，从而产生相当大的结构温差应力。 二种不同形式的温度应力相叠加造成混凝土承受相当大的温度应力，有时甚 至比荷载产生的应力还大。 长期以来，为了减少温度收缩，国内外有关专家、学者进行了大量的研究， 取得了很多行之有效的成果。归纳起来，减少温度收缩的措施主要有 2 3 - 2 5 】： ( 1 ) 降低水泥水化热以降低最高温升、减少内外温差。如在满足一定规 范要求的情况下可考虑使用矿渣水泥、粉煤狄水泥等低水化热水泥来代替硅 武汉理工大学硕士学位论文 酸盐水泥或普通水泥：对于大体积混凝土工程则应严禁使用硅酸盐水泥；避 免使用刚出厂的高温水泥：通过使用减水剂或粉煤灰、矿渣等掺合料取代部 分水泥以减少水泥用量，降低水化热等。 ( 2 ) 控制混凝土体内外温差，执行“外保内散”的养护措旆。一方面在 混凝土体内埋设散热器，通过冷却循环水将混凝土内部的热量带走，尽量降 低体内温度；另一方面在外部表面覆盖湿麻袋，予以保温并避免表面水分的 过快蒸发。 ( 3 ) 控制混凝土的出机温度和浇筑温度，如在气温高时，为了防止太阳 的直接照射，可以在砂石堆场搭简易遮阳棚，需要时宜向集料喷雾状水或在 使用前用冷水冲洗集料。 ( 4 ) 必要时可掺入适量的微膨胀剂，能起收缩补偿作用，有利于防止裂 缝产生； 2 1 1 2 自收缩 自收缩是混凝土在恒温绝湿条件下，由胶凝材料的水化作用引起的体积变 形。普通混凝土的自收缩值一般在( 4 0 1 0 0 ) 1 0 6 范围内，如果以混凝土线膨 胀系数为1 0 1 0 计，相当于温差4 - 1 0 。c 所引起的温度变形这充分说明 混凝土自收缩的严重性。混凝土自收缩现象早在5 0 多年前就由h e d a v i s 和 p o w e r s 等 2 6 - 2 9 1 提出，后来许多学者对它进行了深入研究。 自收缩现象与混凝土在水化过程中产生的自干燥现象紧密相连，但不同于 混凝土的干缩，它是水泥石在与外界无水分交换的条件下出现的。首先，在 混凝土水化硬化过程中，水泥水化而消耗了毛细孔水，使混凝土内部相对湿 度降低；再则，水化反应产物的绝对体积v h 小于消耗的水体积v 。和水化水 泥的体积v 。即：v h = v 。+ v 。a v ，所有的胶凝材料都有这种水化减缩作用， 因为水化反应前后它们的平均密度不同。水化减缩就不可避免地造成在原来 水饱和的孔洞中形成气孔，随着水化反应的进行，这种气孑l 所占的空间越来 越大，水蒸气和水的平衡压也越来越低，出现“白干燥”现象。 对于某一个不饱和毛细孔，压力差是负值。初凝后混凝土体系逐步失去塑 性，而且毛细孔半径很大，因此水的表面张力可以克服毛细管壁的阻力向内 部迁移，使混凝土内部的水分保持连续性，故在表面形成毛细孔弯液面，并 且毛细管临界半径r 。由大到小逐步变小。毛细孔弯液面对于孔壁产生拉力， 茎堡型三查堂堡：! 兰垡堡苎 一 使混凝土浆体表面处于受拉状态。由于此时混凝土的抗拉强度非常低- 极易 产生表面裂缝和管壁裂缝。 水分的进步消耗使临界半径不断减小，同时胶凝材料的水化使毛细孔不 断细化和隔断。毛细管壁的阻力超过水的表面张力，使毛细管水间断- 混凝 土内部也开始产生弯月面。毛细管负压使混凝土内部固相承受压应力而产生 收缩4 “。 影响硬化水泥石浆体自收缩的因素很多，包括( 1 ) 水狄比：实验结果表 明，随着水灰比的降低，自收缩值明显增加；( 2 ) 胶凝材料：在低水胶比的 情况下，高铝水泥和早强水泥的早期自收缩值比较大，并将导致较大的最终 收缩值；中热水泥和贝利特水泥的自收缩值比较小：矿渣水泥在水化一段时 问之后的自收缩值比较大；混凝土的自收缩随优质粉煤灰掺量增加而减小；细 度大于4 0 0 0 c m 2 g 的粒化高炉矿渣和硅粉增大水泥石的自收缩；( 3 ) 外加剂： 在相同水灰比的条件下，掺加高效减水剂等可以轻微地降低自收缩，而高效 减水剂的种类和掺量对白收缩降低值影响较小；掺加部分经过处理的憎水粉 末如憎水石英粉等，可以明显地降低自收缩值，这种效应主要是由于增大圃 相和孔中液相的润湿角，降低了孔中液相产生的毛细管压力。 2 1 1 3 干燥收缩 混凝土干燥收缩是指混凝土停止养护后，在不饱和空气中失去内部毛细孔 和凝胶孔的吸附水而发生的不可逆收缩，它不同于干湿交替引起的可逆收缩。 干燥收缩是混凝土后期产生裂缝的主要原因。 干燥收缩与混凝土的用水量有关。完全水化的水泥结合水量约占水泥质量 的o 2 3 ，而使水泥完全水化而无毛细孔时的水灰比为0 ，3 8 ，使水泥完全水化 并具有最低毛细孔空隙率的水灰比为0 4 4 ；在不加减水剂时，混凝土具备足 够的施工和易性所用的水灰比大于0 5 t2 l 】。在浇筑完成后，这些水一部分沿模 板渗出，一部分由混凝土表面蒸发，还有一部分留在混凝土内部。混凝士在 养护过程中，水泥石强度的增长是与毛细管巾水分的失去同时发生的。在失 水过程中，较大孔隙中的自由水失去后所引起的干燥收缩值虽然不大，但留 下孔洞，降低混凝土的抗渗能力。而较小的毛细管中的水失去时，因水表面 张力的增大，引起混凝土收缩。 水泥及集料品种对混凝土干缩有影响。根据美国混凝士学会的专题研究报 茎坚型三三! 三兰堡圭堂壁堕苎 告，认为普通硅酸盐水泥中c 3 a s 0 3 、碱含量及c 4 a f 含量影响混凝土的干缩 率。c 3 a 的收缩最大，约为c 2 s 和c 3 s 收缩的3 倍，约为c 4 a f 的4 5 倍。水 泥在水化过程中放出水化热( 约4 0 6 0 c a l g ) ，从各水泥组成矿物的放热量可 知，水泥中c 3 a 含量高对混凝土抗裂性能不利。水泥用量过多，或使用过量 的粉砂，会使混凝土千缩增大。集料品种对混凝土的收缩影响也较大，一般 低收缩性集料为石英、石灰岩、花岗岩及另些玄武岩。另外，集料粒径大 收缩小，含水量增加收缩亦增加。 混凝士干缩与外加剂品种及用途也有一定关系。高效减水剂用于减少混凝 土用水量而提高强度或节约水泥时，混凝土收缩值小于不掺减水剂的空白混 凝土试样；用于增加塌落度而改善和易性时，收缩值略高于或等于不掺减水 剂的空白混凝土试样，但不超过技术标准规定的限值l x l o 。而引气剂在水 泥用量、骨料粒径、塌落度相同时，掺松香热聚物的收缩增大，掺脂肪醇硫 酸钠和掺烷基磺酸钠引气刹的混凝土干缩率变化不大。 施工和养护对混凝土的干缩有重要影响。随着相对湿度的降低，水泥浆体 的干缩增大。一般建筑工程中，引起混凝土干燥收缩的主要是失去毛细孔和 凝胶孔吸附水。水灰比过大，养护期不同( 7 天一2 8 天) 等，都会影响干缩。 养护时间越长，可以使干缩值减少，但对最终于缩值影响不大。模板、垫层 过于干燥，吸水量过大也能产生干缩裂缝。 2 1 1 4 碳化收缩 大气中的c 0 2 在有水分的条件下，与水泥的水化产物发生化学反应产生 c a c 0 3 和游离水等，伴随体积收缩称碳化收缩。 c a ( o h ) 2 + c 0 2 _ c a c 0 3 + h 2 0 c s h4 - c 0 2 寸c s h ( 低钙硅比) + c a c 0 3 + h 2 0 c 3 a 3 c a s 0 4 3 2 h 2 0 + c 0 2 - - - 3 c a c 0 3 + 2 a | ( o h ) 3 + 3 c a s 0 4 2 1 2 0 + 3 0 h 2 0 碳化速度取决于混凝土结构的密实度、孔洞溶液的p h 值和混凝土的含水 量，周围介质相对湿度以及二氧化碳的浓度1 3 ”。碳化作用只在适中的湿度( 约 5 0 ) 才会较快地进行，这是因为过高的湿度( 1 0 0 ) ，使混凝土孔隙中充满 了水，二氧化碳不易扩散到水泥石中去，或水泥石中的钙离子通过水扩散到 混凝土表面，碳化生成的c a c 0 3 把表面孔隙堵塞，碳化作用不易进行，故碳 化收缩更小；相反，过低的湿度( 如2 5 ) ，孔隙中没有足够的水使c 0 2 形成 武汉矬工大学预士学位论文 碳酸，碳化作用也不易进行，碳化收缩相应也很小。碳化速度随c 0 2 浓度的 增加而加快，尤其是水灰比大的混凝土更是如此。如果混凝土有足够的密实 度，碳化就只限于表面层而表面层的干燥速率也是最大的，干燥与碳化收 缩的叠加受到内部混凝土的约束，会引起混凝土开裂。 2 1 1 5 塑性收缩 在塑性阶段，混凝土的体积变化称为塑性变形，这对的体积收缩称塑性收 缩( 即凝缩或沉缩) 。塑性收缩大多发生在混凝士拌和后约3 小时一1 2 小时内 即硬化前的塑性阶段，在终凝前比较明显。多见于地坪、楼板等大面积的工 程，裂缝一般不深，多在保护层范围1 3 3 。 混凝土在新拌状态下，拌和物中颗粒间充满水，如养护不足，表面失水速 率超过内部水向表面迁移的速率对，造成毛细管中产生负压，使浆体产生塑 性收缩。混凝土凝缩导致集料受压、水泥胶结体受拉，故既可使水泥石与集 料结合紧密，又可能使水泥石产生表面裂缝。凝缩的大小约为水泥绝对体积 的1 。塑性裂缝有人认为是泌水引起，也有人认为，水泥水化引起自身体积 缩小，或由颗粒沉降不匀表层振捣不充分，风的影响抹面后不及时复盖 两失水等均可发生这类裂缝；裂缝一般不深，多在混凝土保护层范围。由于 混凝土浇筑后不久，从凝胶体中析出的晶体不多，所以凝胶体粒子间主要是 物理性接触，抗塑性变形能力较大。因此只要采取振实( 两次振捣) ，抹实( 两 次) ，早覆盖。加强早期养护，保持混凝土表面湿润，采取防风、降低混凝土 温度等一些基本做法，一般可避免表面塑性裂缝。另外，纤维的掺入也可减 少塑性裂缝。 混凝土的实际收缩受水泥种类和细度、水灰比、胶凝材用量、集料性质和 施工环境及质量控制、养护条件等因素影响。在混凝土水化和硬化期间，各 种收缩交织在一起。对于普通混凝土，早期收缩主要是冷缩，长期收缩主要 是干燥收缩。对于高性能混凝土，一般由于高效减水剂的大量使用，混凝土 的用水量较小，水胶比较低，水化初期泌水很少，泌水率也很小，这就导致 混凝土早期塑性收缩发展：其次由于水泥用量大，水化热形成较陡的温度梯 度，这对混凝土降温阶段冷缩影响较大，而且由于水泥用量大，水化迅速， 水化导致的化学减缩也更为显著；此外，低水胶比使混凝土硬化体毛细孔径 大幅减小，从而使毛细孔失水引起的收缩拉应力更大，而且由于混凝土弹性 茎堡型三三! ：；堂婴主兰垡塑苎一 模量较大。脆性大，故在受限条件下的残余应力很大。因此，在以上各因素 综合作用下，混凝土十分容易开裂。 2 1 2 膨胀剂种类及其作用 膨胀剂是在混凝土和砂浆中产生膨胀作用的外加剂。它依靠本身的化学反 应或与水泥石中其它成分反应，产生一定的限制膨胀，补偿混凝土由于自收 缩、干燥收缩、温度收缩等收缩，产生自应力，使水泥石更为致密，从而使 水泥石具有良好的气密性和抗渗性，使混凝土达到防渗抗裂的目的坨1 。不同 的膨胀剂其膨胀机理不完全相同，所产生引起膨胀的物质也不全一样口”。 ( 1 ) c a o 类：此类膨胀剂主要是以在特定温度下煅烧得到的氧化钙( 生 石灰) 作为膨胀源，氧化钙水化时产生体积膨胀。c a o 的煅烧温度通称控制 在1 1 5 0 1 2 5 0 c 。 c a o + h 2 0 2 c a ( o h ) 2 + 6 4 9 k j 石灰一水体系中体积变化的情况，如表2 - 1 所示。 表2 - 1 石灰一水系统中体积变化的情况 系统的绝对体积同相的绝对体积绝对体积的变化 分子比密 ( 娜)( 啪3 )( a t i3 ) 反应所需的 反应式 盘度反应相对水量 反应前反应前反应后系统固相 后 c a o5 6 0 83 3 4 + h 2 0 1 8 0 21 0 03 4 83 21 673 3245 49 79 20 3 2 l ；c 且( o h h7 41 0 22 3 当石灰和水进行化学反应时，其固相的绝对体积反应后比反应前增加了 9 7 9 2 。但是，就石灰一水系统来说，反应后的总体积不仅没有增加，反而 减少了4 5 4 。由此可见，石灰和水进行化学反应时，会产生化学减缩。事 实上，所有的胶凝材料( 包括水泥、石膏等) ，当和水进行化学反应时，都不 可避免地产生了化学减缩，从这个意义上来讲，石灰和水泥、石膏等胶凝材 料是一样的。然而在实际中，石灰与水拌和后，体积确实增大了，因此这种 使石灰水化时产生如此显著的体积膨胀的原因可以从两方面加以分析：( 1 ) 水化过程中两类物质转移是否匹配。一是水分子( 或o h ) 进入石灰粒子内部， 武汉理工大学顶l 学位论文 并与之发生水化反应，生成水化产物；二是水化反应产物向原来充水空间转 移。( 2 ) 孔隙体积增量。固相体积的增加引起i l 隙体积的增加可用简单的几 何模型来加以近似的说明如图2 - 1 。 图2 - 1 孔隙体积增量效应 刚中：小球一固相最初体 积；火球一崮相最终体积： 小球之间的间隔孔隙的 最初体积；划有斜线的部 分一孔隙体积增量；包括 斜线部分的球之间的间隔 一孔隙的蛙终体积 ( 2 ) m g o 类：此类膨胀剂主要是靠咀特定温度下煅烧制得的氧化镁( 菱 苦土) 作为膨胀源，氧化镁水化时产生体积膨胀。m g o 的煅烧温度通常控制 在9 0 0 9 5 0 。 m g o + h 2 0 = m g ( o h ) 2 此类膨胀剂作用原理与c a o 类相类似但它的膨胀时间段与c a o 不同，氧化 钙膨胀时间提前于氧化镁。因此也有人根据它们膨胀时剧不同的特点而将它 们复合配制成c a o m g o 类膨胀剂，即可以利用c a o 膨胀的特点补偿混凝土 早期收缩，也可在混凝土后期干缩中发挥m g o 膨胀的特点。 ( 3 ) a f t 类：此类膨胀剂是