水泥砂浆塑性抗拉强度与收缩开裂的关系.docx

第 6 卷第 1 期2003 年 3 月建筑材料学报journal of bu ildin g ma terial svol. 6 , no. 1 mar. ,2003文章编号 :100729629 (2003) 0120020205水泥砂浆塑性抗拉强度与收缩开裂的关系马一平 ,朱蓓蓉 ,谈慕华(同济大学 混凝土材料研究国家重点实验室 ,上海 200092)摘要 : 研究了水泥砂浆塑性抗拉强度的实验测试方法及部分基体参数 (水泥品种 、水泥强 度等级 、外加剂种类 、混合材品种及掺量) 、纤维参数 (纤维掺量 、纤维直径 、纤维长度) 和实验条件 (塑性失水条件 、失水时间) 对水泥砂浆塑性抗拉强度的影响规律 ,并分析了其与砂 浆塑性收缩开裂总权重值的关系. 结果表明 :水泥砂浆的塑性收缩开裂性能主要与砂浆的 塑性抗拉强度和砂浆中的毛细管收缩应力有关 ,且取决于该 2 因素的相对大小. 另外 ,对 砂浆塑性收缩开裂机理进行了探讨.关键词 :塑性抗拉强度 ; 毛细管收缩应力 ; 塑性收缩开裂总权重值 ; 水泥砂浆中图分类号 : tq172. 1 + 2文献标识码 :aplastic tensile strength and mechanism of plastic shrinkage cracking for cement mortarsma yi2ping ,zhu bei2rong ,ta n m u2hua( state key laboratory of concrete materials research , tongji university , shanghai 200092 , china)abstract : the test method for the plastic tensile st rength of cement mortar was studied. some factors such as cement st rength grade , additives , fiber content , fiber diameter , fiber length , water2losing condition , water2losing time , were investigated. the total weighted cracking values at different experimental conditions were analyzed accordingly. the analyzing results show that the plastic shrink2 age cracking is mainly related to the two factors , plastic tensile st rength of cement mortar and theshrinkage st ress of capillary ,and depends on the relative values of this two factors. in addition , the mechanism of the plastic shrinkage cracking was also discussed in the paper.key words : plastic tensile st rength ; shrinkage st ress of capillary ; total weighted cracking value ; ce2ment mortar笔者曾撰文对水泥基材料的塑性收缩开裂及其机理进行初步探讨 14 ,认为水泥基材料浇注 成型后 ,由于水与水泥基材料的亲润性 ,水分蒸发时表层材料毛细管中形成凹液面 ,其凹液面上表 面张力的垂直分量形成了对管壁间材料的拉应力. 此时材料处于塑性阶段 ,材料自身的塑性抗拉强 度较低 ,若材料表层毛细管失水收缩产生的拉应力大于材料塑性抗拉强度 ,则材料表层出现开裂现 象. 当改变水泥基材料组成及其所处环境条件时 ,一方面可使材料抵抗开裂的塑性抗拉强度增大 , 另一方面也可使毛细管失水收缩形成的毛细管张力减小 ,从而使材料表层的开裂状况得以减轻 ,甚 至消失.收稿日期 :2002203218 ;修订日期 :2002204229基金项目 :上海市重点学科建设资助项目作者简介 :马一平(19602) ,男 ,回族 ,山东人 ,同济大学副教授 ,博士. 第 1 期马一平等 :水泥砂浆塑性抗拉强度与收缩开裂的关系21根据上述初步分析 ,要搞清水泥基材料塑性收缩开裂机理 ,一方面需研究其不同组成条件下的 塑性抗拉强度 ,另一方面需了解其同条件下的毛细管收缩应力 ,然后对二者进行比较判断 ,从而对 塑性收缩开裂现象采取针对性措施加以防止和消除. 鉴于实验条件限制 ,笔者开展了前一方面的实 验研究 ,并将其用于塑性收缩实验结果的机理分析 ,期望对搞清塑性收缩开裂机理有所裨益.1实验1. 1原材料采用 32. 5 普通硅酸盐水泥 ,其物理力学性能见表 1. 对比实验采用的还有 22. 5 ,42. 5 和 52. 5 普通硅酸盐水泥 ,砂子为中砂 ,混合材为硅灰 、级粉煤灰 ,外加剂为 sn2 减水剂 、柠檬酸缓凝剂 和 cacl2 早强剂 ,纤维采用了尼龙纤维 、聚丙烯纤维 ,水为自来水.residue on 80m表 1 水泥物理力学性能table 1 physical and mechanical properties of cementsieve ( by mass)/ %initial setting time/ hminfinal setting time/ hminflexuralstrength/ mpacompressivestrength/ mpa4 . 864110486. 2949. 81. 2实验方法1. 2. 1水泥砂浆塑性收缩开裂实验水泥砂浆塑性收缩开裂实验采用平板法 ,有关实验方法及塑性收缩开裂总权重值的计算见文 献 4 .1. 2. 2水泥砂浆塑性抗拉强度实验 水泥砂浆塑性抗拉强度实验采用自行设计加工的八字形木模 (图 1) . 塑性抗拉强度实验过程示意见图 2.图 1 八字模示意图fig. 1 schema of the briguette mould图 2 水泥砂浆塑性抗拉强度实验过程示意图fig. 2 schema of the test set2up of plastic tensile strength of cement mortar实验时先将 2 个半模分别置于 2 块稍大些的 、表面光滑的木板上 ,再将其拼成八字形 ,且使接口密合 ,放在一块表面光滑的木板上. 用胶带将八字模上表面粘好 ,将测试棉线分别穿于两个半模 顶端孔内 ,孔内棉线用一小段木棒连接 ,使拉力可施加于半模上. 棉线与木板转角处置 1 块 1/ 4 圆 角的木块作支撑过渡 ,以减少棉线与木板间的摩擦力 。在成型砂浆混合料塑性收缩开裂平板试件的同时 ,将该混合料浇注于八字模内 ,用刮刀沿八字 模表面快速刮平试件表面. 将成型好的八字模试件放在同配比条件的平板试件边上 ,打开电风扇 , 并开启位于试模上方约 1. 5 m 处的碘钨灯.在砂浆塑性开裂平板试件开裂的同时 ,测试八字模试件塑性抗拉强度. 先小心撕开八字模表面 22建 筑 材 料 学 报第 6 卷的胶带 (注意此时试件是否有明显裂缝 ,如有则该试件作废) . 将八字模连同底部木板一起移到测试 台面上 ,按住八字模的一个半模 ,在另一半模引出的棉线上系上砂筐 ,将砂子匀速倒入筐内 ,当八字 模断裂时 ,停止加砂 ,取下砂筐称量砂子和砂筐的总质量 m 1 . 然后再将砂筐系在另一半模的棉线 上 ,按住八字模底部木板 ,将砂子匀速倒入砂筐 ,当这一半模移动时取下砂筐 ,用台称称量此时砂子 和砂筐的总质量 m 2 . 测量砂浆断裂面积 a (注意断裂面应位于八字模颈部 ,否则该实验数据舍 弃) ,计算砂浆塑性抗拉强度为 ( m 1 - m 2 ) / a . 每组平行试件为 6 个 ,剔除 1 个最大值和 1 个最小 值 ,以余下 4 个试件的平均值作为此组试件的测试值.2 实验结果及分析水泥基体参数 (包括水泥强度等级 、混合材及外加剂种类) 以及纤维参数 (包括纤维掺量 、纤维 尺寸) 等对砂浆塑性收缩开裂性能及其塑性抗拉强度影响的实验结果见表 2 ,笔者对实验结果进行 了如下分析.表 2 水泥基体参数和纤维参数对砂浆塑性收缩开裂性能及塑性抗拉强度的影响table 2 effects of parameters of cement matrix and f iber on the plastic shrinkage cracking and plastic tensile strengthparameter of cement matrixtotal weighted cracking value/ cmplastic tensile strength/ mpaparameter of fibertotal weighted cracking value/ cmplastic tensile strength/ mpa22. 5691. 50 . 02350778 . 00. 023 5strengthvolume content32 . 5711 . 50 . 02790 . 05544 . 50 . 032 9grade ofof nylon fiber42 . 5863 . 50 . 03170 . 10511 . 00 . 033 4cement/ %52 . 51 067 . 00 . 03900 . 15192 . 50 . 050 00842. 00 . 0160fiberblank792 . 50. 015 0mass content10797 . 50 . 0164of fly ash/ %30968 . 50 . 01120862. 50 . 0159diameter0. 45684 . 50 . 016 8mass content0 . 25464 . 00 . 018 210903 . 00 . 0116/ mmof silica201 143 . 50 . 01030 . 09209 . 00 . 025 1fume/ %301 190 . 50 . 0095kind of additiveblank sn - sodium citratecacl21 283 . 5590 . 0967 . 0765 . 00 . 0130 . 0300 . 0210 . 0239402fiber length/ mmblank 102040511 . 5331 . 0242 . 0206 . 00. 015 80 . 032 00 . 059 80 . 064 42. 1水泥强度等级的影响由表 2 可见 ,水泥砂浆塑性抗拉强度随水泥强度等级的提高而增加. 但随着水泥强度等级的提 高 ,由其配制的水泥砂浆的塑性收缩开裂总权重值并没有随之下降 ,反而上升了. 这可能是因为强 度等级高的水泥虽然其水化早期水化产物较多 ,从而导致其塑性抗拉强度随水泥强度等级升高而 提高 ,但另一方面 ,高强度等级的水泥早期水化消耗的水分也较多 ,使可蒸发自由水分减少 ,从而可 能使毛细管凹液面收缩应力也相应加大 ,若后者增加幅度超过前者 ,则将出现本实验结果状况. 这 一结果说明水泥砂浆塑性收缩开裂性能可能是由塑性抗拉强度和毛细管收缩应力 2 个因素所决定 的 ,且取决于 2 个因素的相对大小. 但此推论有待进一步验证 ,如设法测定毛细管收缩应力 ,并将其 与塑性抗拉强度作比较. 第 1 期马一平等 :水泥砂浆塑性抗拉强度与收缩开裂的关系232. 2 混合材的影响表 2 显示 ,与不加粉煤灰的试件比较 ,粉煤灰掺量为 10 %时 ,水泥砂浆的塑性抗拉强度变化不 明显 ,而当粉煤灰掺量达到 30 %时 ,水泥砂浆塑性抗拉强度则下降了 30 % ,此时水泥砂浆塑性开裂 总权重值增加了约 15 %. 造成这种现象的原因可能是由于粉煤灰水化需要水泥熟料的水化产物作 为其激发剂 ,因而水化作用发生较晚 ,使水泥砂浆塑性阶段的抗拉强度下降 ,进而造成水泥砂浆塑 性收缩开裂总权重值上升.表 2 结果还显示 ,掺加硅灰将使水泥砂浆塑性抗拉强度降低. 同时 ,加入硅灰后水泥砂浆塑性 收缩开裂总权重值却随硅灰掺量的增加而增大. 出现这种结果的原因可能与加入粉煤灰的原因类 似. 结合表 2 中相关结果似乎可以推断 ,加入混合材后 ,一方面由于早期水化产物减少 ,造成塑性抗 拉强度降低 ,另一方面 ,随着早期消耗自由水分材料的减少 ,可蒸发水量有所增加 ,从而使毛细管收 缩应力增加不大 ,甚至有所降低. 从二者的比较来看 ,可能是由于塑性抗拉强度的降低较毛细管收 缩应力的降低更大 ,因而造成了上述实验结果.2. 3 外加剂的影响由表 2 还可见 ,外加剂对水泥砂浆塑性抗拉强度有较大影响. 掺 sn2 减水剂可使水泥砂浆塑 性抗拉强度比不掺者提高 119 % ;掺缓凝剂可提高 51 % ;掺早强剂则提高 67 %. 同时 ,塑性收缩开 裂总权重值也随之降低 ,二者之间有着对应关系.2. 4 尼龙纤维掺量的影响表 2 实验结果显示 :尼龙纤维掺量越高 ,纤维水泥砂浆塑性抗拉强度越大. 同时 ,其塑性收缩开 裂总权重值也呈现随纤维掺量增加而下降的趋势. 笔者认为其原因一方面与纤维水泥砂浆塑性抗 拉强度随纤维掺量增加而增加有关 ,另一方面也与所掺入的纤维能减少一定的失水面积 ,从而减少 毛细管失水收缩应力有关.2. 5 纤维直径的影响由实验结果可见 ,粗 、中 、细 3 种聚丙烯纤维水泥砂浆的塑性抗拉强度分别较不掺纤维者提高 了 12 % ,21 %和 67 % ,对应的水泥砂浆塑性收缩开裂总权重值分别较不掺者减少了 14 % ,41 %和 74 %. 这一结果说明在纤维长度 、体积掺量 、实验条件相同情况下 ,纤维直径变化的作用主要通过影 响塑性抗拉强度体现出来 ,因为这一因素的变化似乎对毛细管收缩应力的影响甚微 ,而其对塑性抗 拉强度的影响又主要通过纤维的比表面积表现出来. 值得注意的是 ,在此实验条件下 ,最细的纤维 也未能完全阻止水泥砂浆塑性收缩开裂 ,似乎间接说明此时砂浆中产生的毛细管收缩应力应比其 塑性抗拉强度大.2. 6 纤维长度的影响由表 2 结果可见 ,尼龙纤维越长 ,水泥砂浆塑性抗拉强 度越大. 尼龙纤维为 10 ,20 ,40mm 时的塑性抗拉强度较不掺者分别提高 103 % ,278 % ,308 % ,对应的水泥砂浆塑性收缩开裂总权重值较不掺者分别减少了 35 % ,53 %和 60 %. 这是 由于纤维长度越长 ,纤维与水泥砂浆的粘结面积越大 ,从而 造成塑性抗拉强度越大. 但值得注意的是 ,增加纤维长度较 减少纤维直径对塑性抗拉强度的提高幅度为大 ,但对水泥砂 浆塑性收缩开裂总权重值的减少效果却是后者作用较大 ,笔 者认为这可能与纤维有效根数有关 ,似乎需要采用类似于水泥硬化体的纤维间距理论进行说明.2. 7实验条件的影响图 3 测量时间对水泥砂浆塑性抗拉强 度的影响不同测量时间对水泥砂浆塑性抗拉强度影响的实验结 fig. 3effect of measure time on the plastic果示于图 3. 其中以平板法砂浆试件开裂时的时间作为塑性tensile strength of cement mortar 24建 筑 材 料 学 报第 6 卷抗拉强度测量时间的零点值. 由图 3 可见 ,水泥砂浆的塑性抗拉强度随时间延长而增加 ,这是水泥 不断水化造成的结果.不同失水条件对水泥砂浆塑性抗拉强度影响的实验结果示于表 3. 由表 3 可见 ,同样的试件在 不同失水条件下的塑性抗拉强度出现较大差别 ,原因在于加速失水条件有利于水泥水化加速. 但是 加速条件下砂浆出现塑性收缩开裂现象 ,而自然条件下试件未出现开裂 ,这同样说明塑性收缩开裂 既与塑性抗拉强度有关 ,又与毛细管收缩应力有关 ,取决于二者的相对大小.3水泥砂浆塑性收缩开裂机理 探讨表 3 不同失水条件对水泥砂浆塑性抗拉强度的影响table 3 effect of water2lossing condition on the plastic tensile strength of cement mortar 笔者认为 ,对于水泥砂浆基体材料来water2lossing conditiontotal crackingplastic tensile weight ed value / cmst rengt h / m pa 说 ,其塑性收缩开裂的机理在于失水造成with a lamp and a fan511. 50 . 012 6的毛细管收缩应力超过了其塑性抗拉强 度 ,从而导致其塑性收缩开裂. 影响这两个 wit ho ut lamp s and fans 0 0 . 008 8 参数的因素是不尽相同的 ,单纯提高塑性抗拉强度 ,仅可提高水泥砂浆抗塑性收缩开裂能力 ,但不 一定能够真正阻止塑性开裂 ,而减少毛细管收缩应力 ,可从根本上减少塑性收缩开裂现象 ,若采取 蓄水养护或使试件处于基本无约束的准自由状态 ,则可大大减少毛细管收缩应力 ,并彻底消除塑性 收缩开裂现象.采用纤维材料是提高水泥砂浆抗塑性收缩开裂性能的有效措施 ,纤维的主要作用在于其可提 高砂浆的塑性抗拉强度 ,对毛细管收缩应力可能也有一