（道路与铁道工程专业论文）砂石材料对水泥混凝土耐久性影响研究.pdf

摘要 很多研究人员把注意力放在了水泥 水狄比 外加剂及粉煤灰等外掺料 但对集料 的研究并不充分 水泥混凝土中的集料占到了6 5 7 5 但是 长期以来随着土木工 程领域的发展和完善 集料对水泥混凝土耐久性的影响也日益引起大家的重视 本文首先阐述了集料对水泥混凝土力学和耐久性能的影响研究现状 详细的叙述了 影响水泥混凝土耐久性的因素 提出了测试混凝土抗渗性和干缩性能来描述集料对水泥 混凝土耐久性的影响 文中对不同岩性粗集料的技术指标进行了对比试验 得出岩性对 粗集料的针片状含量 吸水率有很大影响 分析出吸水率与坚固性的关系 本文采用石灰岩机制砂和天然砂配制水泥混凝土 测其渗水高度和干缩应变 分析 了不同细集料和不同岩性粗集料对水泥混凝土耐久性能的影响 文中还采用流行的统计 学软件包s p s s 软件对干缩应变进行回归分析 得出自由干缩应变估算公式 对实际工 程中控制裂缝的发展提供了一定的依据 最后 依据文中对影响干缩因素的分析 提出 了控制收缩裂缝的措施 关键词 砂石材料 水泥混凝土 耐久性 s p s s 统计软件 a b s t r a c t al o to fr e s e a r c h e r sh a v ep a i da t t e n t i o no nt h ec e m e n t t h ew a t e rr a t i oa sw e l la st h e a d m i x t u r es u c ha st h ef l ya s h b u tr e s e a r c ho nt h ea g g r e g a t ei sn o tf u l l a g g r e g a t e sa c c o u n tf o r 6 5 0 旷7 5 i nt h ev o l u m eo ft h ec o n c r e t e a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n ta n dp e r f e c ti nt h ec i v i l e n g i n e e r i n gd o m a i n t h ei n f l u e n c eo fa g g r e g a t e st o w a r d st h ed u r a b i l i t yo ft h ec o n c r e t es h o u l d b er e s u r v e y e dc a r e f u l l y t h ep a p e re l a b o r a t e s t h ee f f e c to fa g g r e g a t eo nt h em e c h a n i c sa n dt h ed u r a b i l i t yo f c o n c r e t ef i r s t l y d e t a i l e dr e l a t e st h ef a c t o ro ft h ei n f l u e n c et h ec o n c r e t ed u r a b l e a d v a n c e s t e s t i n gt h ec o n c r e t ep r o p e r t yo fp e r m e a b i l i t ya n dd r y i n gs h r i n k a g et od e s c r i b et h ee f f e c to f a g g r e g a t eo nt h ec o n c r e t ed u r a b l e i no r d e rt or e s e a r c ht h ei n f l u e n c eo fr o c ko nc o a r s e a g g r e g a t ep e r f o r m a n c e al o to fc h e c ke x p e r i m e n t so nt h eq u a l i f i c a t i o n so ft h ed i f f e r e n t l i t h o l o g ya g g r e g a t e sw e r em a d e t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s w ef o u n dt h a tl i t h o l o g ym a k ea s t r o n gi m p a c to nt e c h n i c a li n d e xo fa g g r e g a t e s u c ha sa c i c u l a rc o n t e n t w a t e ra b s o r p t i o nr a t e i tg e t st h er e l a t i o n so fw a t e ra b s o r p t i o nr a t ea n ds t u r d i n e s s i nt h et e x tc o n c r e t ei sp r e p a r e du s i n gt h el i m e s t o n em e c h a n i s ma n dn a t u r a ls a n d a n d p e r m e a b i l i t yh e i g h ta n ds h r i n k a g ed e f o r m a t i o ni st e s t e d i ta n a l y z e st h ei n f l u e n c eo ft h e d u r a b i l i t y o fc o n c r e t et h a ti sc o n s t i t u t e do fd if f e r e n tf i n ea n dc o a r s e a g g r e g a t e u s i n g m u l t i v a r i a b l en o n l i n e a rr e g r e s s i o nm o d u l ei ns p s sw h i c hi sm o r ep o p u l a rs t a t i s t i c ss o f t w a r e p a c k a g e t h i sa r t i c l ea n a l y s e sd r y i n gs h r i n k a g es t r a i n g i v et h em u l t i c o e f f i c i e n tf r e ed r y i n g s h r i n k a g ef o r m u l a a c c o r d i n gt h ea n a l y s i st h a ti n f l u e n c e sd r y i n gs h r i n k a g ef a c t o li tp u t s f o r w a r dt h em e a s u r eo ft h ec o n t r o l l i n gc r a c k k e yw o r d s a g g r e g a t e c o n c r e t e d u r a b i l i t y s p s s 论文独创性声明 本人声明 本人所呈交的学位论文是在导师的指导下 独立进行 研究工作所取得的成果 除论文中已经注明引用的内容外 对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果 本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 席狗 谰年6 具7 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品 知识产权归 属学校 学校享有以任何方式发表 复制 公开阅览 借阅以及申请 专利等权利 本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时 署名单位仍然为长安大学 保密的论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 导师签名 矾年乡月 日 么国年歹月 日 长安大学 l 学位论文 第一章绪论 自波特兰水泥问世以来 水泥混凝土以其易于浇注 经济 节能 刚度大等优点成 为不可缺少的建筑材料 现已广泛应用于工业与民用建筑 桥梁 大坝 地下工程 海 洋工程等 尤其在交通行业 路面 桥梁 隧道等修建都离不开水泥混凝土 1 1 课题研究意义 我国公路建设已经进入了大规模发展的阶段 水泥混凝土用量及天然砂的消耗量也 极其惊人 据估计 2 0 0 6 年全国水泥混凝土总的用量约为2 1 亿靠 仅水泥混凝土中砂 的用量将达1 5 亿吨 见崮l1 特别我国为促进西部经济发展速度 加大了基础建设 投资规模 而众多开工项目修建过程中需要大量的工程用砂 然而近年来 由于天然砂 资源短缺 价格上涨 过度采砂造成的环境破坏越来越严重 甚至已经危及江 河堤岸 的稳定 就地取材 利用当地的岩石资源生产机制砂 己成为必然选择 在山区高速公 路建设中 将会使用大量的机制砂拌制水泥混凝土 a厂 7 r lk 阳僧 图li 我国每年水泥混凝土用量及用砂量 山区高速公路中会修建大量的桥梁 桥梁工程已经成为控制性工程 但是 早期修 建的水泥混凝土桥梁中 都出现了各种各样的破坏 达不到使用寿命 分析其原因主要 是由于水泥混凝士的耐久性不足而造成的 州此 我们将来的建设中 必须重视水泥混 凝土的耐久性能 使其达到设计年限 免除巨额的维修费用 与天然砂相比 机制砂具 棱角多 孔隙率大 比表面积大等特性 长期以柬 天然砂拌制水泥混凝土由于耐久性 不足等原因 使用寿命往往达不到设计要求 何况我们使用机制砂拌制的水泥混凝土 耐久性问题就应引起更多的重视 四川省位于我国西部 地跨青藏高原 横断山脉 秦巴山地 四川贫地等几大地貌 m 口 rlllllll 1 爸笔7j 蔓咖 第一章绪论 单元 只有四川盆地属于平原地区 其它地区都是山区 四川省未来3 年将新建高速公 路1 4 9 0 公里 主要有广元一南充 广元一陕西界 达州一陕西界 宜宾一重庆等高速 公路 都属于山区高速公路 在修建过程中 由于工程与材料限制 使得实际应用中必 须使用机制砂补充 本文依托广元至巴中高速公路展开相应研究 该高速公路位于四川省北部 全线蕴 藏有丰富的石灰岩和辉长岩 辉长岩石质坚硬 但是 含有数量不等的橄榄石 黑云母 等对水泥混凝土力学性能以及长期性能不利的物质 石灰岩性能波动较大 有的石灰岩 可以加工为粗集料 有的直接煅烧即可获得水泥 石灰岩用于水泥混凝土的长期性能也 需要测试 因此 不同岩性的粗集料应用于水泥混凝土时 耐久性的研究是迫切需要的 并具有现实意义 本文研究的问题不仅为广元至巴中高速公路使用机制砂提供依据 也能为其它地区 使用机制砂提供一点建议 1 2 国内外研究现状 水泥混凝土的使用已经长达1 5 0 年的历史 国内外对其耐久性的研究开始于1 9 世 纪5 0 年代 而机制砂用于水泥混凝土的研究则是刚刚起步 目前研究主要集中在机制 砂中石粉含量对水泥混凝土耐久性的影响 1 2 1 机制砂用于水泥混凝土研究现状 国外学者对机制砂用于混凝土进行以下研究 b p h u d s o n 等人认为 机制砂中的石粉可以提高集料的有效堆积 在水泥水化过 程中阻止毛细孔道的形成 从而提高混凝土的抗渗性 4 1 石粉越多 被阻断的透水通道 也就越多 越能改善混凝土的抗渗性能 2 7 1 但是 当石粉含量一定时 由于机制砂颗粒 自身有棱角 在混凝土中容易形成较大的孔隙 可能会降低混凝土的抗渗性 至 b o n a v e t t i 和i r a s s a r 用不同水狄比 不同石粉含量的砂浆试验结果表明 较大的 水灰比会降低砂浆抗渗性 对于其特定的水灰比 石粉含量的适量增加会提高砂浆的抗 渗 生能 3 0 1 日本的内川浩 h i r o s h iu c h i c h a w a 等人认为 用粉煤狄 石灰石粉和硅质石粉 取代部分细集料的混凝土中 孔隙总体积基本与普通混凝土相同 但1 0 0 u m 以上的大孔 径孔隙体积减小 填充效应使混凝土结构密实化 从而阻止孔隙溶液流动 c a o h 2 2 h 2 0 等大晶体沉积以及过渡区的形成 因此抗渗性能得到提耐12 1 2 氏安人学硕上学位论文 国外学者用石粉取代部分机制砂 0 一2 0 进行混凝土干缩试验 发现干缩率 随石粉含量增加完全呈递增趋势 1 7 3 1 t a h i rc e l i k 等人 2 7 1 认为 机制砂石粉含量在1 0 以下时 干缩随石粉含量的增加而增加 石粉含量超过1 0 时 干缩应变减小 这与抗 压强度有关 强度越高 干缩率就越大 1 2 国内使用机制砂比较晚 对机制砂混凝土的研究比较少 主要有 李兴贵等人的研究结果显示 机制砂混凝土的干缩随石粉含量的增大而增大 当 0 1 6 r a m 以下颗粒含量大于1 2 时 混凝土材料的干缩率显著增大 高石粉含量机制砂 混凝土早期干缩大于常规机制砂混凝土 1 7 主要是由于小于0 0 7 5 m m 的石粉颗粒在混 凝土拌和物中起到增加水泥浆含量的作用 单位体积水泥浆多 导致干缩率增大 杨德斌等在大量试验的基础上 论述了石屑提高混凝土强度 改善抗渗 抗冻性 的机理 指出石屑用于代替特细砂效果更为显著 3 引 杨德斌等人认为 在保持相同水灰 比和水泥用量的条件下 机制砂混凝土的弹性模量高于天然砂混凝土 原因一是粗糙多 棱角的颗粒限制了水泥石的变形及骨料颗粒之间的滑动 二是良好的粘结界面 使得界 面孔隙少 减少了应力集中 三是石粉提高了水化产物的结晶程度 晶胶比的提高使水 泥石在外力作用下的变形减小 综上所述 机制砂用于水泥混凝土中 目前研究主要集中在石粉含量 一般指 o 0 7 5 r a m 对混凝土耐久性方面影响 虽然适量的石粉可使机制砂混凝土具有良好的 保水性和粘聚性 改善了离析泌水现象 石粉填充了接口的空隙 使水泥石结构和接口 结构更为致密 阻断了可能形成的渗透通路 使混凝土的抗渗性得到改善 但是 机制 砂中存在石粉 也使水泥混凝土的干缩率增大 1 2 2 粗集料对水泥混凝土性能影响研究现状 1 粗集料最大粒径的影响 粗集料的最大粒径对水泥混凝土性能的影响是个复杂的问题 一般认为集料对裂缝 的扩展有阻碍作用 所以随粒径增大 混凝土断裂韧度提高 有利于强度的提高 但是 随着集料粒径的进一步增大 集料与水泥浆基体界面的初始裂缝也随着增加 使得集料 与基体的粘结有所减弱 集料的机械啮合作用有所下降 从而造成混凝土强度下降 粗 集料的最大粒径是影响高性能混凝土强度的重要因素之一 汪澜在 水泥混凝土组成性 能应用 一书中提到 对于给定的水灰比和水泥混凝土强度 有一最佳集料最大颗粒尺 寸1 18 1 第一章绪论 2 粗集料一基体粘结强度对水泥混凝土性能的影响 水泥混凝土的强度取决于三个方面的因素 即集料强度 水泥石强度 粗集料一基 体界面粘结强度 而界面粘结强度以粗集料与水泥石的粘结强度为决定因素 1 9 j 近十几 年 人们对界面区的认识逐渐深刻 界面过渡区内从骨料表面到水泥浆本体 孔隙率由 大n d 晶体粒子由多到少及择优性逐渐变弱等不利的梯度分布现象的叠加构成了界面 薄弱区 同时界面区又是应力最集中的区域 这严重地影响了水泥混凝土的强度和耐久 性 而为了消除这一薄弱区 提高粗集料与水泥石间的粘结强度 始终是混凝土工作者 所关注的问题 马一平做了很多研究工作 提出 在水泥中掺加超细矿粉 集料表面涂 硅烷偶联剂或丁苯胶乳 以低水灰比浆体包裹集料都能使粗集料与水泥石的粘结强度大 幅提耐1 9 上个世纪9 0 年代中期 新野正之等人提出了梯度功能材料 f g m 的概念 杨久俊等川人进一步把f g m 的概念引入到骨料一水泥石过渡区 通过化学处理的办法 实现骨料表面的活化与粗糙化 改善界面结构 消除界面应力 3 集料颗粒外形和表面特征对水泥混凝土性能的影响 集料的颗粒外形和表面特征对新拌混凝土工作性和硬化后的混凝土的力学性质有 很大影响 比较理想的粗集料颗粒形状接近于球体或正多面体 吴厉斌等也研究了集料 粒形 针片状含量对高强高性能混凝土工作性和力学性能的影响 认为混凝土中存在最 佳针片状含量 在这个值附近 混凝土强度最高 超出和少于这个范围都会降低混凝土 强度 他提出该文条件下混凝土强度最高时的针片状含量为1 2 1 3 3 1 但郭玉起和甄广常 的试验结果却认为针片状集料含量不应大于5 1 1 5 国外某些学者也做了研究 认为针 片状颗粒含量应该严格限制在1 5 以内 李凌在室内研究中发现 即使是针片状颗粒含 量满足要求 如果集料的扁平 不规则颗粒太多也会影响混凝土的和易性及强度 他提 出集料表面特征用细度模数和比表面积描述更为贴切 为此构造一个指数p d 经过分 析计算 得出 pd ms mx s 之 1 1 其中 m s 是标准细度模数与比表面积的积 m s 是一个常数 p d 是评价级 配和表面特性的相对值 p d 值越接近于1 说明集料的颗粒状况越好 当p d 指数从1 降到o 6 3 4 即不规则颗粒从0 增加到3 0 抗折强度下降1 2 相比之下抗压强度降 低的不是很明显 经过分析p d 值与混凝土抗折强度的关系 回归得到线性关系式 1 8 f c 1 3 0 5 0 肋 2 7 0 6 7 1 2 4 长安入学硕 i 学位论文 上述结果表明 现有研究主要集中在集料对水泥混凝土强度影响方面 在耐久性方 面研究很少 尤其对使用机制砂代替河砂拌制的水泥混凝土 其耐久性能是否受到影响 粗集料岩性的改变是否也会对水泥混凝土耐久性能造成影响 1 3 主要研究内容 本次研究依托项目 广巴高速公路砂石材料的工程技术性能研究 是四川省交通厅 2 0 0 6 年度科研项目 项目主要是解决当地沿线碎石与机制砂用于构造物的可能性和硬质 砂岩 辉长岩应用于路面基层 底基层 面层的使用性能 本课题主要包括以下四个分项 项目1 普通水泥混凝土用本地岩石机制砂的使用方法研究 项目2 普通水泥混凝土用本地碎石集料的工程技术性质要求研究 项目3 本地辉长岩 闪长岩碎石集料作路面用粗集料的适用性及其沥青混合料的路 用性能研究 项目4 本地硬质砂岩作为基层 底基层集料的适用性及其基层 底基层混合料的路 用性能研究 本文研究为该课题的第2 个项目 主要通过室内外研究 对机制砂拌制水泥混凝土 的耐久性做了全面的分析 并且考虑了粗集料对水泥混凝土耐久性能的影响 提出砂石 材料应用于水泥混凝土的技术指标 研究内容主要包括 1 不同岩性粗集料工程性质的分析 2 机制砂拌制水泥混凝土耐久性能影响机理研究 3 水泥混凝土耐久性能研究 不同岩性粗集料混凝土抗渗性能的分析 三种水灰比下 水泥混凝土渗水高度的比较 4 水泥混凝土收缩特性研究 三种水灰比水泥混凝土干缩应变的测试 分析不同岩性粗集料对水泥混凝土干缩的影响 5 利用s p s s 软件预测水泥混凝土干缩应变 为工程中考察水泥混凝土的开裂情况 提供依据 6 深入分析影响水泥混凝土收缩的因素 提出一些可供工程中控制裂缝的措施 长安人学硕上学位论文 第二章研究方案与试验方法 2 1 技术路线与研究方案 2 1 1 技术路线 1 调查广元至巴中高速公路沿线砂石材料的分布情况 并取样进行各种性能试 验 2 结合经济效益和材料技术指标要求 确定本文研究的材料 3 分析粗集料性能指标 找出相应的规律 4 收集资料 分析机制砂拌制水泥混凝土与普通混凝土的区别 确定本文测试 水泥混凝土耐久性能的指标 5 根据耐久性能指标测试结果 分析砂石材料对水泥混凝土的影响 提出砂石 材料的技术指标 6 分析室内试验结果 结合理论知识 提出一些指导实际工程施工的措施 2 1 2 研究方案 本文主要通过理论分析和室内试验 研究砂石材料的技术性质及对水泥混凝土耐久 性能的影响 最终提出了砂石材料的技术指标和控制收缩裂缝的措施 1 课题研究准备 主要包括前期资料的收集 分析了机制砂对水泥混凝土耐久 性的影响 制定详细的研究大纲 2 原材料选择 3 试验方案的确定 图2 1 砂石材料的选择 7 第二章研究方案 j 试验方法 建设高速公路过程中 水泥混凝土主要在桥梁 隧道中使用 在桥梁中 桩基础 桥墩 涵洞等使用的是c 3 0 水泥混凝土 预制梁一般使用的c 4 0 c 5 0 水泥混凝土 只 有很少一部分特大型桥梁中使用大于c 5 0 的高强混凝土 在隧道中 大部分使用的是 c 3 0 水泥混凝土 因此 选取与三个强度等级c 3 0 c 4 0 c 5 0 相对应的水灰比为0 5 4 0 3 9 o 3 5 广元至巴中高速公路附近蕴藏着丰富的石灰岩 且其破碎的粗细集料技术 性质也能满足规范要求 闪长岩和辉长岩在当地的储量也比较大 且满足规范要求 因 此选择该3 种岩性的粗集料进行试验 由于闪长岩和辉长岩破碎的机制砂不能满足规范 要求 选择河砂和石灰岩机制砂作为细集料 本研究主要考虑不同砂石材料对水泥混凝土耐久性的影响 试验中选择2 种细集料 和3 种粗集料进行耐久性试验 细集料为河砂 粗集料为石灰岩的水泥混凝土耐久性已 经做了许多试验 基本都能满足耐久性能要求 本研究主要比较采用其他砂石材料的水 泥混凝土耐久性是否符合要求 并对砂石材料提出要求 文中利用正交设计法设计试验 采用了三因素混合水平的设计表 其所选因素与水 平见表2 1 采用l i s 2x3 7 正交表 安排的表头如表2 2 表2 1 试验选用的因素与水平 因 水 素 水灰比 a 粗集料类型 b 细集料类型 c 尹 l0 5 4 辉长岩石灰岩 20 3 9 闪长岩河砂 30 3 5 石灰岩 表2 2 表头设计 i 列号l37 l 因素细集料类型 c 水灰比 a 粗集料类型 b 在水狄比较小的时候 施工过程中机制砂混凝土工作性比较差 必须采取一定方式 改善 结合前期试验结果 参见长安大学郑涛 机制砂在混凝土结构物中的适用性研 究 在水灰比为o 3 9 和o 3 5 时 水泥混凝土中掺入粉煤灰和减水剂 其具体掺量见 表2 3 附注 掺粉煤灰主要有二方面的作用 1 充当一部分粉料 0 0 7 5 m m 使水 泥混凝土更加密实 机制砂中为了限制土的含量 就考虑限制粉料的含量 因为土和石 粉不容易分辨 2 代替一部分水泥 降低成本 改善工作性 根据上述分析和工程实 际需求 结合正交设计表 本研究选用的水泥混凝土配合比见表2 3 长安大学硕上学位论文 表2 3 水泥混凝土配合比 混凝十每立方米混凝土各项材料用量 k g 序号试验编号水灰比 水泥细集料粗集料 lh c 5 4 j0 5 43 7 06 9 2l1 7 8 2h c 5 4 h 0 5 43 7 0 6 9 2 l1 7 8 3h c 3 9 j0 3 93 7 96 7 01 2 0 7 4h c 3 9 h 0 3 93 7 96 7 01 2 0 7 5h c 3 5 jo 3 54 2 85 8 31 2 4 3 6h c 3 5 h0 3 54 2 85 8 31 2 4 3 7s c 5 4 j 0 5 4 3 7 0 6 9 211 7 8 8s c 5 4 h0 5 43 7 06 9 21 1 7 8 9 s c 3 9 jo 3 93 7 96 7 01 2 0 7 1 0s c 3 9 h o 3 9 3 7 96 7 01 2 0 7 1 1s c 3 5 j0 3 54 2 85 8 31 2 4 3 1 2 s c 3 5 h0 3 54 2 85 8 31 2 4 3 1 3s h 5 4 j 0 5 43 7 06 9 2l1 7 8 1 4s h 5 4 h0 5 43 7 06 9 2l1 7 8 1 5 s h 3 9 jo 3 93 7 06 7 01 2 0 7 1 6s h 3 9 h 0 3 9 3 7 9 6 7 01 2 0 7 1 7s h 3 5 j0 3 54 2 85 8 31 2 4 3 1 8 s h 3 5 ho 3 54 2 85 8 31 2 4 3 附注1 h c 辉长岩 s h 闪长岩 s t t 石灰岩 代表岩性 5 4 3 9 3 5 代表水灰比 j 机制砂 h 河砂 代表细集料类型 2 水灰比为0 3 9 和0 3 5 时 减水剂掺量为0 8 和0 9 粉煤灰掺量为1 5 4 水泥混凝土耐久性能的试验研究 包括抗渗性 干缩性和碱集料反应试验 耐久性能研究方案如图2 2 所示 其中碱集料反应是判断砂石材料是否存在碱集料反应 如果存在 提出相应的改善措施 图2 2 水泥混凝土耐久性能研究方案 9 第二章研究方案 j 试验方法 图2 3 水泥混凝土收缩特性研究方案 5 分析影响水泥混凝土干缩应变的因素 根据水泥混凝土干缩试验结果 提出 控制收缩裂缝发展的措施 见图2 3 2 2 试验方法 2 2 1 原材料技术性质测试方法 粗 细集料的筛分 密度 吸水率 坚固性 粗集料针片状颗粒含量 粗集料压碎 值等试验分别按照 公路工程集料试验规程 j t je 4 2 2 0 0 5 n 关条文执行 1 压碎指标值 粗集料压碎指标值是将9 5 m m 一1 3 2 m m 的试样分3 次均匀装入试模中 并各捣实 2 5 次 然后放在压力机上 均匀地施加荷载 在1 0 m i n 左右的时间达到总荷载4 0 0 k n 稳压5 秒 然后卸载 最后通过2 3 6 m m 的标准筛筛分 按 2 1 式计算 晓 堕 1 0 0 2 1 所o 式中 跣一石料压碎值 m 一试验前试样的质量 g m 一试验后通过2 3 6 m m 筛孔的细料质量 g 2 坚固性 按表2 4 称取各粒级试样质量 把不同粒级试样分别放入三脚网篮并浸入盛有硫酸 纳溶液的容器中 溶液的体积应不小于试样总体积的5 倍 温度保持在2 0 2 5 内 1 0 长安人学硕一l 学位论文 上下抖动三脚网篮2 5 次排除试样中的空气 表2 4 坚固性试验所需的各粒级试样质量 公称粒径 m m 2 3 6 4 7 54 7 5 9 59 5 1 91 9 3 7 53 7 5 6 36 3 7 5 试样质鼍 g 5 0 05 0 01 0 0 01 5 0 03 0 0 05 0 0 0 浸泡2 0 小时后 拿出网篮 在1 0 5 c 5 的烘箱中烘烤4 小时 完成了第一个试 验循环 待试样冷却至2 0 c 2 5 后 即开始第二次循环 从第二次循环起浸泡及烘烤 时间均为4 小时 完成5 次循环后的试样 在清水中洗净硫酸钠 放入烘箱中烘干至恒 重 冷却后至室温后 试样通过粒级下限筛孔筛分 按 2 2 2 3 式计算 q 堕丑 1 0 0 2 2 所f 式中 q f 一各粒级颗粒的分计质量损失百分率 m 一各粒级试样试验前的烘干质量 g m 一经硫酸钠溶液法试验后各粒级筛余颗粒的烘干质量 g q 丁 m i q i 2 3 厶小f 式中 q 一试样总质量损失百分率 m 一试样中各粒级的分计质量 g q 一各粒级的分计质量损失百分率 2 2 2 抗渗性能试验 按 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 和恒定压力下测试 渗水高度 抗渗仪器采用上海光地仪器设备有限公司生产的h s 4 如图2 4 试验采 用顶面直径为1 7 5 n u n 底面直径为1 8 5 m m 高度为1 5 0 m m 的圆柱体试件 抗渗试件以 6 个为一组 试件成型2 4 h 后拆模 用钢丝刷刷去两端面的水泥浆体 然后送入标准养 护室中养护 试件养护至2 8 d 龄期后 对混凝土试件一次性加压到1 2 m p a 的水压 恒 压2 4 h 后 劈开混凝土 测量断面的平均渗水高度 并以式 2 4 计算相对渗透系数 以 渗透高度及相对渗水系数差别来评价抗渗性能的差异 k 孝 d 2 册 2 4 式中 k 一相对渗透系数 m r n s d m 一平均渗水高度 c m 辩 章 f 究方案1 i 试验方法 t 一 压时m h h 一水压力 以水柱高度表示 c m f 一混凝土的吸水率 般为o0 3 1 湍度补偿片 一接线辑2 一温度补偿戊变片3 一屏艘线 5 一应变仪6 一测试席变片7 一试什 图2 5 干缩应变测试简易图 试验方法如下 试件舰格为1 0 0 1 0 0 4 0 0 m m 的棱柱体 混凝土的拌台 成型 按t 0 5 5 1 的规定进行 试件成型后放八标准养护审 2 4 小时后拆模 拆模后等待试件 表面晾干 马上在试件表面沿跃度方向对称粘贴应变计 并f l 利用塑料薄膜包裹试件 放入环境箱 等全部试件放入 境箱后 启动环境箱 设定其温度为3 0 利用收缩系 数测试系统 如图25 测试干缩应变值 长安大学硕i 学位论文 大约2 小时后 环境箱中的温度达到所设定的温度 剥去塑料薄膜 试验仪器开始 计数 每一组成型3 个试件 其中2 个用于测试干缩应变值 另外一个称其质量 测试 水分损失情况 本研究测试周期为6 d 第一天是每2 个小时记录一次数据 其余5 天是 每4 个小时记录一次 干缩试验一般采用的干缩环境是 温度2 0 c 2 相对湿度为6 0 5 但是本 研究为了加快试验的进度 环境箱采用温度为3 0 c 干缩应变在短期内会很大 另外受 试验仪器的限制 本研究中环境箱湿度基本为5 0 2 2 4 碱集料反应试验 1 采用标准 本次试验采用国家标准 g b t1 4 6 8 4 2 0 0 1 建筑用砂 及g b t1 4 6 8 5 2 0 0 1 建筑 用卵石 碎石 2 方法简述 1 取样 试验所用砂为双汇河砂和石灰岩 辉长岩 闪长岩机制砂 2 试件制作 a 将试样缩分至约5 k g 破碎 筛分成1 5 0 l am 3 0 0l am 3 0 0l am 61 tm 6 0 0 pm 1 18 m m 1 18 m m 2 3 6 m m 和2 3 6 m m 4 7 5 m m 五个粒级 每一个粒级在相应筛 上用水淋洗干净后 放在烘箱中于 1 0 5 5 下烘干至恒量 分别存放在干燥器内备 用 b 采用符合g b t 1 7 5 技术要求的硅酸盐水泥 水泥中不得有结块 并在保质期内 c 水泥与骨料的质量比为1 2 2 5 水灰比为0 4 7 一组3 个试件共需水泥4 4 0 9 精确至o 1 9 砂9 9 0 9 各粒级的质量按表2 5 分别称取 精确至0 1 9 d 砂浆搅拌按b g t 17 7 规定进行 表2 5 碱一骨料反应用砂 石各粒级的质量 筛孔尺寸 m m 4 7 5 2 3 62 3 6 1 1 81 1 8 o 6 o 6 0 3o 3 0 1 5 质量 g 9 9 02 4 7 52 4 7 5 2 4 7 51 4 8 5 e 搅拌完成后 立即将砂浆分两次装入己装有膨胀测头的试模中 每层振捣4 0 次 注意膨胀测头四周应小心捣实 浇捣完毕后用馒刀刮除多余砂浆 抹平 编号并标明测 长方向 3 试件养护与测长 第二章研究方案与试验方法 a 试件成型完毕后 立即带模放入标准养护室内养护 2 4 2 h 后脱模 立即测 量试件初始长度 待测的试件须用湿布覆盖 以防止水分蒸发 b 测完初始长度后 将试件浸没于养护筒 一个养护简内的试件品种应相同 内 的水中 并保持水温在 8 0 2 的范围内 加盖放在高温恒温养护箱或水浴中 养护 2 4 2 h c 从高温恒温养护箱或水浴中拿出一个养护筒 从养护简内取出试件 用毛巾擦 干表面 立即读出试件的基准长度 从取出试件至完成读数应在 1 5 5 s 时间内 本 次规定1 5 s 时读数 在试件上覆盖湿毛巾 待全部试件测完基准长度后 再将所有试 件分别浸没于养护筒内的1m o l ln a o h 溶液中 并保持溶液温度在 8 0 j 1 的范围 内 加盖放在高温恒温养护箱或水浴中 d 测长龄期自测定基准长度之日起计算 在测基准长度后第3 d 7 d 1 0 d 各测量 一次 每次测长时间安排在每天近似同一时刻 测长方法与测基准长度的方法相同 每 次测长完毕后 将试件放入原养护筒中 加盖后放回 8 0 j 1 的高温恒温养护箱或水 浴中继续养护至下一个测试龄期 1 4 d 后如需继续测长 可安排每7 d 一次测长 初步决 定测试2 l 天及2 8 天长度 4 计算与评定 试件膨胀率按下式计算 精确至0 0 0 1 y 生量 1 0 0 2 5 一 三 一2 式中 一膨胀率 k t 天试件长度 m m l o 基准长度 n 试头的长度 5 结果判定 a 当1 4 d 膨胀率小于o 1 0 时 在大多数情况下可以判定无潜在碱一硅酸反应危害 b 当1 4 d 膨胀率大于0 2 0 时 可以判定有潜在碱一硅酸反应危害 c 当1 4 d 膨胀率在0 1 0 0 2 0 时 不能最终判定有潜在碱一硅酸反应危害 2 2 5 水泥及水泥混凝土抗压强度试验 按照现行规范 公路工程水泥与水泥混凝土试验规程 j t ge 3 0 2 0 0 5 中的标准 方法执行 1 4 长安大学硕士学位论文 第三章机制砂混凝土耐久性能 水泥混凝土的耐久性是一个综合性的概念 包括抗渗性 抗冻性 抗碳化性 抗腐 蚀性及徐变等性能 它是水泥混凝土工程在预期使用年限内 水泥混凝土材料在使用环 境下 保持其良好行为和优良性能的能力 它是水泥混凝土抵抗内部的和外部的物理 物理化学或化学作用的能力 3 1 水泥混凝土耐久性影响因素 迄今为此 己引起人们广泛注意并深入研究的使水泥混凝土劣化的主要因素有 冻 融 化学侵蚀 裂缝 碱集料反应 耐久性主要涉及破坏因素的作用力和混凝土本身对 破坏的抵抗力 3 1 1 冻融循环 自然条件下 冻融循环作用是最严重和最常见破坏形式之一 因此 水泥混凝土的 抗冻融性能是耐久性的一项重要指标 它是评价严寒地区水泥混凝土耐久性的重要指标 之一 处于水饱和状态的水泥混凝土受冻时 其毛细孔壁同时承受膨胀压和渗透压两种压 力 当这两种压力超过混凝土的抗拉强度时 混凝土就会开裂 在反复冻融循环后 混 凝土中的裂缝会互相贯通 其强度也会逐渐降低 最后甚至完全丧失 使混凝土由表及 里遭受破坏 关于机制砂混凝土的抗冻性 有人认为机制砂混凝土的抗冻性能优于天然 砂混凝土 3 6 7 1 6 4 1 有的认为相剧19 1 张映全等认为主要是石粉在一定程度上改善了混 凝土的毛细孔结构 提高凝土的抗冻融性 4 2 1 但张桂梅等人研究石粉对低强度等级混凝 土影响时 发现2 0 石粉 1 6 m m 含量的机制砂混凝土品质损失和强度损失均大 于1 2 石粉 含量的 且经5 0 次冻融循环后2 0 石粉 含量的机制砂混凝土强度 损失比1 2 的高出1 0 3 4 3 1 3 1 2 化学侵蚀 水泥混凝土是多孔的固 液 气三相并存的非均质材料 混凝土所处环境中的某些 介质会通过孔隙进入混凝土 与孔隙液及水泥水化产物接触发生某些化学作用使混凝土 遭受病害 引起侵蚀化学反应的物质大多以水为媒体 传送入混凝土内 并通过液相与 水泥水化产物产生化学反应 常见的侵蚀性介质有硫酸盐 海水和酸类 一般来说 混 凝土主要通过提高混凝土的抗渗性来减少介质侵入混凝土造成的腐蚀 第三章机制砂混凝土耐久性能 3 1 3 裂缝 混凝土结构中的裂缝一般有七种成因 2 3 1 构造处理不当造成的混凝土裂缝 2 水泥混凝土的干缩引起的裂缝 3 由于碱集料反应引起的裂缝 4 由于外界温度变化引起的裂缝 5 由于钢筋锈蚀引起的裂缝 6 由于荷载作用引起的裂缝 7 太阳辐射 混凝土老化 徐变及疲劳作用引起的裂缝 裂缝对钢筋混凝土结构耐久性的影响 主要是裂缝引起和加速钢筋的锈蚀 耐久性 研究协作组曾对广州 海南 贵州 济南和青岛等地进行调型9 1 并观测了3 7 条处于干 燥室内的裂缝 缝宽在0 2 7 一0 9 m m 使用年限为1 2 7 2 年 4 5 条处于室外或有水 源的裂缝 缝隙宽在o 1 2 0 5 m m 使用年限为6 6 4 年 结果表明 干燥室内的构 件 不论其横向裂缝宽度大小 使用时间长短 地区温度差异 基本上未发现有明显的 锈蚀现象 室外潮湿条件下的裂缝 当缝宽在o 0 3 m m 以下时 有8 0 裂缝处的钢筋有 锈蚀的现象 当缝宽在0 0 4 5 m m 以上时 裂缝处的钢筋全部发生锈蚀 但未发现因横 向裂缝处钢筋锈蚀而使构件失效的情况 同济大学屈文俊博士后研究认为暂可接受 2 4 如果裂宽小于规范限定值 耐久性失效不由横向裂缝控制 3 1 4 碱集料反应 碱集料反应 a a r 指水泥混凝土的孔溶液中由水泥 含碱外加剂和环境等释放 n a k 和o h 一与集料中的某些矿物发生有害的化学反应 生成膨胀物质 或吸水膨胀 物质 而引起混凝土产生内部自膨胀应力 导致混凝土开裂 严重时导致混凝土整体完 全破坏 这种破坏反应是发生在整个混凝土的内部 造成的破坏难以预防 又难于阻止 更不易修补和挽救 是影响混凝土结构耐久性能的重要因素之一 被称为混凝土的 癌 症 发生这类反应必须具备三个条件 一是有一定数量的碱活性矿物集料 氧化硅 白 云质类石灰岩或粘土质页岩等 二是配制混凝土时由水泥 集料 海砂 外加剂和 拌和水带进混凝土中一定数量的碱 或者混凝土处于有利于碱渗入的环境 三是提供反 应物吸水膨胀所需要的水分 影响碱集料反应的主要因素是水泥的含碱量 集料本身有 无反应活性及孔隙水量 含碱量越高 反应膨胀量也越大 而水灰比对反应的影响错综 1 6 长安大学硕士学位论文 复杂 水灰比大 混凝土的孔隙度增加 各种离子的扩散及水的移动速度加大 会促进 碱集料反应的发生 但另一方面 混凝土的水灰比大其孔隙量大 又降低了空隙水中碱 液的浓度 因而减缓了反应 当水灰比小于0 4 时 水灰比越小 膨胀量也越小 而水 灰比大于o 4 时 随水灰比减小 反应膨胀量有增大趋势 在水灰比为0 4 时 膨胀量 最大 而混凝土的碱集料反应膨胀量与反应性集料本身的特性有关 其中包括集料的矿 物成分及粒度 集料用量等 般情况下 随着反应性集料含量的增加 混凝土的反应 膨胀量加大 集料粒度过大或过小都能使反应膨胀量大大减小 中间粒度 o 1 5 0 6 m m 的集料因为总表面积最大而引起的膨胀量最大 混凝土及砂浆的孔隙也能缓解反应时胶 体吸水产生的膨胀压力 因而随孔隙量增加 反应膨胀量减小 3 2 机制砂混凝土耐久性分析 机制砂是指由机械破碎 筛分制成 粒径小于4 7 5 m m 的岩石颗粒 但不包括软质 岩 风化岩石的颗粒 由于机制砂是机械破碎而成的 它有自身显著的特点 这些特点 会对水泥混凝土耐久性能造成一定的影响 机制砂混凝土也是一种水泥混凝土 它只是 细集料的类型改变了 影响其耐久性的因素与普通混凝土一样 这些因素有一个点同点 就是与水泥混凝土的传质能力有关 水泥混凝土材料的腐蚀多数是在有水及有害离子侵 入的条件下产生的 水泥混凝土的渗透性与耐久性有着密切的联系 3 2 1 机制砂混凝土渗透性与耐久性的关系 1 机制砂混凝土渗透性与抗冻性 抗冻性可直接地反映水泥混凝土抵抗环境水浸入的能力 有上述分析可知 干燥的 混凝土不会遭受冰冻破坏 但如果水泥混凝土的渗透性较高 暴露于潮湿环境时 可以 再次达到或超过临界饱和度 因此 对处于冻融环境中的混凝土 其渗透性非常重要 渗透性不仅控制着冻结时与内部水的移动有关的渗透压力 而且控制着冰冻前的临界饱 和度 国外已有学者研究了混凝土的渗透性与冻融循环的关系 2 机制砂混凝土渗透性与碳化 碳化引起的钢筋锈蚀发生在一般大气环境 锈蚀现象十分普遍 是水泥混凝土耐久 性设计中首先要防止的损伤 在水泥混凝土的强碱环境中 钢筋表面生成一种非常致密 的氧化膜 保护钢筋免于生锈 但大气中的c 0 2 通过混凝土的孔隙溶解于毛细管中的液 相 并与水泥水化产生的碱性物质发生反应 使混凝土的碱度降低 在适当的环境下导 致钢筋脱钝生锈 这个过程称为混凝土的碳化 1 7 第三章机制砂混凝十 耐久性能 水泥混凝土碳化是一个缓慢的过程 碳化速度可用一定时期内的碳化深度来表示 根据c 0 2 在混凝土中的扩散机理 扩散的速度取决于孔隙大小和孔隙率 即混凝土的气 渗性 并且很多学者都建立了预测混凝土碳化深度的数学模型 用混凝土碳化深度来评 价其渗透性 3 机制砂混凝土渗透性与碱集料反应 碱集料反应是影响混凝土耐久性的另外一个重要方面 现己被世界许多国家认为是 造成混凝土工程破坏的重要原因之一 由第3 章可知水泥混凝土中发生碱集料反应必须 具备三个条件 碱性离子 k 2 0 n a 2 0 活性骨料和水 值得注意的是 水是碱集料反 应的必然条件 如果在水泥混凝土使用时始终处于干燥环境 或环境相对湿度低于混凝 土内部相对湿度 混凝土内部湿度低于8 0 则碱集料反应会停止膨胀 而混凝土内部 湿度低于7 5 时 碱集料反应就无法进行 因为碱是通过溶液和集料的活性组分反应的 因此 水是碱集料反应的必要条件 而渗透性也正体现在这个方面 4 机制砂混凝土渗透性与钢筋锈蚀 造成水泥混凝土钢筋锈蚀主要有2 种机理 c 0 2 的碳化造成钝化膜破坏 c l 渗入造成钝化膜的溶解 这2 种机理是不同的 但都跟水泥混凝土的渗透性有关 文献 5 2 用较低电压的交流电测量混凝土试件电阻值 以换算后的电导率反映混凝土的渗透 性 混凝土的电导率越低 混凝土的渗透性也越低 该法获得的电导与国际通用的a s t m c 1 2 0 2 电量法测得的结果相关性很好 在锈蚀发生的诱导期 电导率能很好地反映混凝 土对c 0 2 和c r 渗入的抵抗能力 即用渗透性能够很好地评价混凝土的护筋性 5 机制砂混凝土渗透性与硫酸盐侵蚀 硫酸盐侵蚀的结果是硫酸盐与水泥中的含铝相 含钙成分 或者早期生成的单硫型 水化硫铝酸盐反应 生成体积膨胀的钙矾石 当c 还有存在并处于高湿度的低温下 硫酸盐还会继生成钙矾石后侵蚀和分解水泥的主要水化物c s h 生成硅灰石膏 从而 破坏混凝土 其侵蚀的必要条件是水能进入混凝土中 所以抗硫酸盐侵蚀的性质与混凝 土的渗透性有关 影响机制砂混凝土耐久性的各种破坏过程都与水有密切的关系 因此 混凝土的抗 渗性被认为是评价混凝土耐久性的重要指标 水泥混凝土材料的腐蚀主要是由于侵蚀性 介质的侵入 而渗透性决定了侵蚀性介质进入混凝土内部的速度 是影响混凝土耐久性 最重要的因素 这样我们可以利用抗渗性指标评价机制砂混凝土的耐久性 长安大学硕士学位论文 3 22 机制砂物理特征 与中粗河砂相比较 机制砂有着自身显著的特点 机制砂多数呈灰白色或黑色 颗粒尖锐 看上去石粉很多 天然砂外观呈黄色 含泥量高也不易看出 如图31 这是机制砂与天然砂最明显的区别之一 机制砂颗粒形状粗糙尖锐 多棱角 机 制砂颗粒内部微裂纹多 孔隙率大 开口的相互贯通的孔隙多 比表面积大 图3 1 机制砂与天然砂井蕊 323 机制砂混凝土耐久性特点 机制砂有着自身的特点 对水泥混凝土的性能造成以下