（材料学专业论文）闸室墙高性能混凝土抗裂和耐撞磨性能的研究.pdf

摘要 摘要 船闸闸室墙混凝土由于其结构和所处环境的特殊性 混凝土的塑性收缩 干燥收缩和温 缩是引起的闸室墙开裂的主要原因 考虑船舶对闸室墙的撞击和磨损作用 要求闸室墙混凝 土具有良好的耐撞磨性能 然而 关于混凝土抵抗船舶耐撞磨性能的研究报道很少 且尚无 现成的研究方法 因此 进行船闸闸室墙混凝土的抗裂性和耐撞磨性能研究对提高混凝士的 安全性和耐久性能具有十分重要的意义 本文结合京杭运河皂河三线船闸工程的建设 采用掺t 级粉煤灰 p v a 纤维和聚羧酸类 超塑化剂的三掺技术配制了闸室墙抗裂耐撞磨高性能混凝土 研究了 三掺技术 对闸室墙 混凝土的工作性能 力学性能和长期耐久性能的影响 并重点研究了对混凝土的收缩开裂性 能和耐撞磨性能的影响规律 试验结果表明 采用 三掺技术 配制的闸室墙混凝土工作性良好 力学性能均满足设 计指标 抗裂性和耐撞磨性良好 抗裂等级达到i i 级以上 平板法 抗冲磨强度达到3 8 h k g m 2 5 0 0 次撞磨损失率不超过2 0 抗裂性和耐撞磨性能良好 抗渗等级达到p 1 0 抗冻等级达到f 1 5 0 碳化寿命5 0 年以上 氯离子扩散系数小于8 0 1 0 1 2 m 2 s 具有良好的 耐久性 适量i 级粉煤灰掺入混凝土中 由于其细化混凝土的 l 结构 改善混凝土界面粘结的作 用 可使混凝土抗裂性 力学性能 耐撞磨性能和抗渗性能提高 有机台成纤维在均匀分散 的前提下 可提高混凝土抗裂性能 耐撞磨性能 抗渗性能和抗冻性能 相同体积掺量下 高强高模p v a 纤维由于其亲水性 与基体的界面粘结更好 在增强 阻裂效果方面要优于 p p 纤维 p v a 掺量从o 6 k g m 3 增至1 2 k g m 3 增强混凝士抗裂效果随掺量增加而增大 聚 羧酸类超塑化剂掺入到混凝土中 由于其缓凝和降低溶液的表面张力的作用 能大幅度改善 混凝士工作性 提高混凝土的强度 抗裂性 耐撞磨性能和耐久性能 其效果要优于萘系减 水剂 本文首次采用洛杉矶磨耗法进行闸室墙混凝土耐撞磨性能的测定和评价 结果表明抗压 强度是影响混凝土耐撞磨性能的主要因素 抗压强度越大 混凝土耐撞磨性能越好 混凝土 的撞磨质量损失率和其抗压强度的关系可以表示为y 1 8 7 3 x o 3 关系 相关系数达到 0 9 3 混凝土的耐撞磨性能和抗冲击性能 抗冲磨性能具有较好的一致性 此外 本文还应 用大圆环并辅电阻应变片测量技术的方法进行了约束状态下混凝土的收缩开裂敏感性评价 取得了较好的效果 三掺技术 在京杭运河皂河三线船闸工程中得到了成功的应用 可以为其它船闸工程 或大体积混凝土工程所借鉴 具有较好的可行性和实用性 关键词 闸室墙混凝土粉煤灰p v a 纤维聚羧酸类超塑化剂三掺技术抗裂性耐 撞磨性 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t l o c k c h a m b e r r a l ic o n c r e t ei sp r o v i d e dw i t hp a r t i c u l a rs t r u e t u r ea n de n v i r o n m e n t t h e c r a c k i n go fl o c k c h a m b e rw a l lc o n c r e t ei s o f f e ni n i t i a t e db yt h ep l a s t i cs h r i n k a g e d r y i n g s h r i n k a g ea n dt h ec h a n g e so fc i r c u m s t a n t i a lt e m p e r a t u r e c o n s i d e r i n gt h ei m p a c t i n ga n da b r a s i o n e f f e c to fw a t e r c r a f to l lt h el o c k c h a m b e rw 甜1 l o c k c h a m b e r 瑚1c o n c r e t es h o u l dh a sg o o d i m p a c t i n ga n da b r a s i o nr e s i s t a n c e h o w e v e r t h e r ea r ef e wr e d o 凼o nt h ei m p a c t i n ga n da b r a s i o n r e s i s t a n c eo fl o p k c h a m b e rw 融1c o n c l e t e a n dw i t hn or e a d y m a d et e s t i n gm e t h o d t h e r e f o r e t h es t u d yo nt h ea n t i c m c k i n gp e r f o r m a n c e i m p a c t i n ga n da b r a s i o nr e s i s t a n c eo fl o c k c h a m b e r w a l lc o n c r e t ei ss i g n i f i c a n tf o ri t ss e c u r i t ya n dd u r a b i l i t y t h er e s e a r c hc o m b i n e dw i t i lt h ep r o j e c to fz a o h et h r e e l i n el o c ko nt h ej i n g h a n gc a l l a l i n t f l i sr e s e a s c i lh i g b p e r f o r m a n c ec o n c r e t ef o rl o c k c h a m b e rw a l lw a sp r e p a r e db yt h r e e m i x t u r e t e c h n o l o g y n a m e l yt h ei n t r o d u c t i o no fg r a d e1f l ya s h p o l y c a r b o x y l i ca c i da d d i t i v ea n dp f i b e r i tw a sa l s or e s e a r c h e dt h a tt h ee f f e c tt ow o r k a b i l i t y m e c h a n i c a ip r o p e r t i e sa n dl o n g p e f i o d d u r a b i l i t y d i s t i n g u i s h i n g l yt h ea n t i c r a c k i n gp e r f o r m a n c e i m p a c t i n ga n da b r a s i o nr e s i s t a n c eb y t h r e e m i x t u r et e c h n o l o g y t h er e s u l t si n d i c a t et h a t h p c sp r e p a r e db yt h r e e m i x t u r et e c h n o l o g yh a dg o o dw o r k a b i l i t y t h a i rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sc o u l dm e e td e s i g nr e q u i r e m e n lw i t hf a v o r a b l ea n t i c r a c k i n g p e r f o r m a n c ea n di m p a c t i n ga n da b r a s i o nr e s i s t a n c e a n t i c r a c k i n gg r a d ec o u l da c h i e v et o1 1 s l a b t e s t a n t i s c o u r i n gs 仃e n g t hc o u l da c h i e v e3 8 h k g m 1 t h e5 0 0t i m e sm a s sl o s sr a t e so f i m p a c t i n g a n da b r a s i o nr e s i s t a n c ed i dn o te x c e e d2 0 a n dp e r m e a b i l i t yg r a d er e a c h e dt op 1 0 f r o z e n t h a w r e s i s t a n c er e a c h e dt of 15 0 1 i f co fc a r b o n i z a t i o ne x c e e d e d5 0y e a r s c h l o r i d ed i f l u s i o nt o e 仿c i e n t c o u l db e1 a s st h a n8 o x1 0 z m s p r o p e ra d d i t i o no f 盯a d eif l ya s ht oc o n c r e t ec a nl e a d t ot h i np o r es t r u t t u r ea n dg o o d i n t e r f a c i a lb e n d w h i c hm a k e st h ea n t i c r a c k i n gr e s i s t a n c e m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e i m p a c t i n g a n da b r a s i o nr e s i s t a n t ea sw e l la sp e r m e a b i l i t yr e s i s t a n c eb e t t er o nt h ep r e m i s eo fe n s u n n g u n i f o r m l yd i s p e r s a n c y b yi n t r o d u c i n gs y n t h e t i cf i b e r s t h ec r a c k i n gr e s i s t a n c e i m p a c t i n ga n d a b r a s i o nr e s i s t a n c e p a r m a a b i l i t ya n df r o z e n t h a wr e s i s t a n c ec a r lb ei m p r o v e de f f e c t i v e l y u n d e r t h es a m ev o l u m ef r a c t i o n p af i b e rw i t l lh i 吐s t r e n g t ha n dh i g hm o d u l u si sb e t t e rt h a np pf i b e ri n t h ee f f e c to fe n h a n c i n gs t r e n g t ha n da n t i c r a c k i n gp e r f o r m a n c e w h i c hi sm a i n l yo w i n gt oi t s h y d r o p h i l i c i t ya n d9 0 0 di n t e r f a c i a l b o n d t h ec o n c r e t ei n c o r p o r a t e dw i t hm a s sf r a c t i o no f o 6 k g m t o1 2 k g m t h em o r e n c o r p o r a t i o n t h eb e t f e rt h ee 虢c to fa n t i c r a c k i n g t h e i n t r o d u c t i o no fp o l y c a r b o x y l i ca c i da d d i t i v ec a l lr e t a r d e dc o n d e n s a t i o no fc o n c r e t ea n dr e d u c ei t s i n t e r f a c i a lt e n s i o n i r e p r o v et h ew o r k a b i l i t y s t r e n g t h a n t i c r a c k i n gr e s i s t a n c e i m p a c t i n ga n d a b r a s i o nr e s i s t a n c ea sw e l la sd u r a b i l i t yo fc o n c r e t eo nal a r g es c a l e t h ee 位c to f l y c a r b o x y l i e a c i da d d i t i v ew a sb e t t e rt h a nn a p h t h a l e n e b a s e dw a t e rr e d u c e r i tw a st h ef i r s tt i m ef o rr e f e r r i n gt ol o sa n g e l e sa b r a s i o nt e s tt od e t e r m i n ea n de v a l u a t et h e i m p a c t i n ga n da b r a s i o nr e s i s t a n c eo fl o c k c h a m b e rw a l li nt h i sp a p e r a n dt h er e s u l t si n d i c a t e d t 1 1 a ti m p a c t i n ga n da b r a s i o nr e s i s t a n c eo fc o n c r e t ei sm a i n l yd u et oi t sc o m p r e s s i v es t r e n g t h t h e m o r et h ec o m p r e s s i v es t r e n g t h t h eb e t t e rt h ei m p a c ta n da b r a s i o nr e s i s t a n c e t h er e l a t i o n s h i po f i m p a c t i n ga n da b r a s i o n o fc o n c r e t ea n di t s c o m p r e s s i v es 仃e n g t hc a l lb ed e s c d b e da s y 18 7 3 x o 5 t 1 1 ei n t e r r e l a t e dt o e f f i c i e n ti s0 9 3 t h ei m p a c t i n ga n da b r a s i o nr e s i s t a n c ei s v e r yg o o dc o n s i s t a n tw i t l li t sa n t i i m p a c tr e s i s t f f n c ea n da n t i s c o u r i n gr e s i s t a n c e b e s i d e s b i g c i r c u l a rr i n gt e s tc o m b i n i n gw i t l lt h ee l e c t r i c r e s i s t a n c es t r a i ng a u g ew e r es u c c e s s f o l l yu s e dt o d e t e r m i n et h es h r i n k a g es e n s i t i v i t yo f c o n c r e t e t h et h r e e m i x t u r et e c h n o l o g yw e r es u c c e s s f o l l ya p p l i e di nt h ep r o j e c to fz a o h et h r e e l i n e l o c ko nt h ej i n g h a n gc a n a l w h i c hc a nb eu s e db yo t h e rp r o j e c to fl o c kf o rr e f e f e n c e w i t hg o o d f e a s i b i l i v ya n dp r a c t i c a b i l i v y k e yw o r d s l o c k c h a m b e rw a l lc o n c r e t e f l ya s h p v af i b e r p o l y c a r b o x y l i ca c i da d d i t i v e t h r e e m i x t u r et e c h n o l o g y a n t i c r a c k i n gp e r f o r m a n c e i m p a c t i n ga n da b r a s i o nr e s i s t a n c e i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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 也不包含为获得东南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 研究生签名 渔墨垃 日期 2 1 竺堡堑 望主妇 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 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分为 1 干缩裂缝 2 温度裂缝 3 钢筋锈蚀裂缝 4 碱 骨料反应裂缝 5 超载裂 东南大学硕士学位论文 缝 船闸混凝士的开裂现象较为普遍 例如 研究人员曾在已建成的观音寺闸底板发现1 2 7 条裂缝 其中2 4 条贯穿性裂缝 j 沙颖河郑埠口枢纽工程节制闸闸墩发现4 5 条裂缝 经分 析温度应力是引起裂缝的主要原因p i 以后在新河大闸 发涸闸和石粱河水库新建泄洪闸均 发现大量危害性裂缝 其产生的原因有温度裂缝和沉降裂缝1 4 京杭运河谏壁二线船闸闸 室端由于混凝土的温缩和干缩也产生了若干条裂缝州 黄浦江上游紫石泾水利枢纽工程中 已经施工完成闸室挡土墙也出现了垂直裂缝 经过专家研究分析 混凝土干缩和温缩是产生 该裂缝的主要原因 j 图l 3 为某闸室墙混凝土的一处纵向裂缝 图1 3 开裂的闻室墙混凝土 大量工程实例表明 船闸混凝土产生裂缝的主要原因为塑性收缩 干燥收缩和温度变化 引起的裂缝 下面分别针对混凝土塑性开裂 干缩开裂和温度变化引起的开裂的机理的进行 阐述 并总结目前闸室墙混凝土收缩开裂性问题的研究动向 1 2 2 船闸混凝土的开裂机理 1 塑性收缩裂缝 混凝土拌制一段时间内 水泥的水化反应激烈 分子键逐渐形成 出现泌水和体积缩小 现象 这种体积收缩称塑性收缩 塑性收缩多发生在混凝土拌和后约3 1 2 h 以内 邵在终 凝前比较明显 这种收缩导致骨料受压 水泥胶结体受拉 故既可与水泥骨料结合紧密 又 可能使水泥石产生裂缝h j 塑性收缩又包括塑性干燥收缩和塑性沉降收缩 1 塑性干缩裂缝 塑性干缩的原因归结于毛细管应力差 在发生干燥前 新拌制的混凝土颗粒空隙原本 是被水充满的 干燥开始后混凝土表层水分蒸发使水从浆体中迁移走 冈此 浆体内空隙水 形成复杂的弯月面形 产生毛细管负压 导致浆体的体积发生紧缩 浆体中毛细管负压不断 增加直至到达一个临界压力 在此过程中 浆体中水不再均匀分布在浆体中 而是重排成一 些不连续的水分区 彼此间存在空隙 塑性收缩在毛细管压力达到临界压力前就已达到最大 值 之后不再发生塑性收缩p j 用水量越大 棍凝土的塑性收缩越大 气温 相对湿度与风速等环境条件影响水份蒸发 量 对塑性收缩有重大影响 其中尤以相对湿度的影响最为主要 相对湿度越小 其塑性收 缩越高 2 塑性沉降裂缝 在新拌混凝土中 骨料颗粒悬浮在一定稠度的水泥浆体中 浆体的重量密度较低 对于 水灰比0 6 的浆体而言大概只有骨料重量密度的一半 所以骨料在浆体中有f 沉趋势 而浆 体中的水泥颗粒义远重于水 使得新拌混凝土中的水份向上转移 即发生 沉降 与 泌水 现象 泌水使混凝十的多余水份减少 有利于提高硬化后的混凝土强度 但是泌水和沉降所 带来的害处更大 骨料的下沉和水份的上升会在水平钢筋的底部形成空隙并积聚水分 图 l 4 a 为锈蚀留下隐患 当垂直下沉的固体颗粒遇到水平设置的钢筋或紧固螺栓等埋设件 或受至i 侧面模板的摩擦阻力时 就会受到阻拦并与周同的混凝土形成沉降差 结果在混凝土 顶部表面处造成塑性沉降裂缝 图1 4 b 塑性收缩形成可见裂缝的宽度 长度和数目 最大程度上表征了混凝土因抵抗塑性收缩 2 第一章绪论 力的大小 实际工程表明 塑性收缩引发的微裂缝 虽目不可测 但将影响到混凝土长期的 耐久性能 圈l 4 塑性沉降引起的裂缝 0 1 美国s a nj o s es t a t eu n i v e r s i t y 的p a u le k r a a i 教授在1 9 8 5 年拉表的一篇 设计试验研 究混凝土干缩开裂 的文章中首次采用平板法对混凝土浇筑成型后晟初4 5 h 内阁收缩引起 的裂缝进行观测 在平板四边铺设弯成直角的金属丝网带以约束混凝土收缩 促使裂缝出现 提出了评估裂缝开裂的权重计算方法 1 9 9 0 年u n i v e r s i t yo f m i a m i 的r o n a l df z o l l ou 埘教授设计了一种将平板与圆环相结合的 模具研究人造纤维对波特兰水泥砂浆 混凝土体积稳定性的影响 中心的圆环可以提供沿环 径向的均匀约束 圆环内不填料 将砂浆或混凝土连模具一同放入风箱中干燥 1 2 h 后 可以看到自圆环外罔四边辐射的多条裂缝 1 6 h 后测量裂缝宽度 长度 计算开裂面积 评 价不同人造纤维掺量对同一基体的砂浆 混凝土 早期塑性收缩开裂的影响 九十年代初国外学者采崩另外一种平板模具研究纤维增强混凝土的早期塑性收缩裂缝 混凝土浇筑模具后 底板上预先设置的凸起在混凝士内产生尖端应力 引发裂缝 构造一个 环境箱 综合风速 温度 相对湿度等条件促使混凝士在塑性阶段产生约束收缩裂缝 在国内 通常按照j c t 9 5 1 2 0 0 5 的平板法进行混凝土早期塑性开裂的试验研究 2 干缩开裂 混凝士的干燥收缩是有水泥石的干燥收缩引起的 对于干燥收缩的机理 目前普遍接受 的观点是干燥收缩是由毛细管张力 拆开压力 表面能以及层间水的移动造成的 关于这四 种现象的相对重要性 认识尚不一致 干燥收缩是混凝土的固有特性 影响混凝土干燥收缩 的因索有 u l 1 水泥品种及混合材料 一般情况 c a 含量大 细度较细的水泥干缩较大 火山灰质混合材料的内比表面积的大小是影响干缩的主要囡素之一 2 混凝十配合比 在 原材料一定的条件卜i 单位用水量 水泥用量 水灰比 砂率及灰浆率等参数对混凝土的干 缩有较大的影响 干燥收缩随水泥用量 用水量 水灰比的增大而增大 砂率的影响较小 图i 5 为水灰比对水泥浆干燥收缩率的影响 3 骨料 骨料种类 含量及弹性模量对混凝 土干缩有影响 砂岩骨料混凝土的干缩最大 石英岩和石灰岩骨料的最小 4 外加剂 具 有引气或者缓凝效果的外加剂一般都会导致混凝十的干缩率增加 5 周围的介质条件 相 对湿度越小 混凝土的干缩就会越丈 空气温度越高 水泥石中c s h b 的层间水失去越多 水泥石的收缩越大 图1 6 为水泥浆体的失水量和干缩的关系 水泥浆体失水越严重 其干 缩值越大 6 结构特征因素 混凝土的干缩率随体积与比表面积的增加而直线下降 混凝 土的干缩会随钢筋的增多而减小 国内外有许多关于干燥收缩的研究方法 k i mjk i 1 曾用t 5 0 m m x 3 0 0 m m x 3 0 0 m m 棱柱 体 除干燥面外 其它面用蜡封 贴应变的方法进行混凝土干缩率的测量 我国目前仍采用1 0 0 m m x l 0 0 m m x 5 1 5 r a m 的棱柱体 两端预埋测头并采用千分表立式收 缩仪 测量混凝土干缩率 这种方法所测的干缩率实际为混凝土干缩率和自收缩率之和 3 东南大学硬士学位论文 蔚麓 先 图1 5 水灰比对水泥浆干缔串的影响 l o 智1 6 水泥浆体的干缩与失水量关系 1 0 3 温度裂缝 混凝土浇筑后 水泥在水化凝结过程中要散发大量的水化热 因而使混凝土体积膨胀 混凝上是一个热的不良导体 随着热量向外部介质散发 产生一个温差 内部热的混凝土约 束外部冷混凝土的收缩 还可能由于混凝土先后浇筑的时间不同 散热条件和水泥崩量不同 等原因 都将会使混凝土内部出现非线性温度分布 产生温度应力 在施工期间和长时间的 运行中 由于混凝土必须浇筑在基岩或老混凝土上 不但它们的初始温度条件不同 物理力 学特性也有差别 混凝士的温度变形在基岩面上要受基岩约束 因而也要产生温度应力基岩 的约束条件和内部非线性温度场的约束条件 决定了温度应力的产生和大小 当其超过混凝 土的极限抗拉强度 将会在结构中产生表面裂缝 深层裂缝或基础贯穿裂缝 根据温度应力 的形成过程可分为以下三个阶段i l 1 早期自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束 一般约3 0 d 这个阶段的两个特征 一 是水泥放出大量的水化热 二是混凝上弹性模量的急剧变化 由于弹性模量的变化 这一时 捌在混凝土内形成残余应力 2 中期自水泥放热作用基本结束时起至混凝土冷却到稳定温度时止 这个时期中 温度 应力主要是由于混凝土的冷却及外界气温变化所引起 这些应力与早期形成的残余应力相叠 加 在此期间混凝上的弹性模量变化不大 3 晚期混凝土完全冷却以后的运转时期 温度应力主要是外界气温变化所引起 这些应 力与前两种的残余应力相叠加 根据温度应力引起的原囡可分为两类 1 自生应力边界上没有任何约束或完全静止的结构 如果内部温度是非线性分布的 由于结构本身互相约束而出现的温度应力 例如 船闸闸室墙 结构尺寸相对较大 混凝土 冷却时表面温度低 内部温度高 在表面出现拉应力 在中间出现压应力 2 约束应力结构的全部或部分边界受到外界的约束 不能自由变形而引起的应力 如箱梁顶板混凝土和护栏混凝土 这两种温度应力往往和混凝土的干缩所引起的应力麸同作 用 要想根据已知的温度准确分析出温度应力的分布 大小是一项比较复杂的工作 它和混 凝土的尺寸 导热系数 导温系数和绝热温升都有很大的关系 在大多数情况下 需要依靠 仿真计算或模型试验 混凝土的徐变使温度应力有相当大的松驰 计算温度应力时 必须考 虑徐变的影响 1 2 3 船闸混凝土开裂的改善措施 针对裂缝出现的原因 国内外学者提出了许多有效控制裂缝的方法和措施 主要归结为 四个方面 1 改善早期养护措施 混凝士的水泥水化速度快 如果持续有外来水分供应水化反应 则混凝土内毛细管将 不会形成弯月面 因此消除了自生收缩 好的早期养护方法可以起到展大程度避免自生收缩 和干燥收缩发生的目的 在混凝土养护的后期 即使发生一定干燥 则因为泄凝土本身已具 有足够高的抗拉强度 减小了混凝土因收缩而发生的可能 i 陈肇元 提出了减少混凝土 开裂的基本原j j l 就包括改善早期养护措施 1 减少混凝土的总体收缩及不均匀收缩 2 4 第一章绪论 减少混凝十所受的约束程度 要达到这个目的首先要在原材料上严格选择配制良好性能的混 凝土 然后从配比 搅拌 运输 振捣 养护等各个环节加以保证是大限度地减少收缩和约 束 3 同时也要合理利用混凝土凝结硬化过程其力学性能 如强度 弹模及徐变等 的变 化 使其朝着有利于防裂的方向发展 2 掺入矿物掺和料 李相国 i 等研究了掺有少量熟料 高掺量工业废弃物制各的高掺量废渣水泥配制绿色 高性能水工混凝土的工作性能 力学性能 热学性能 变形性能 抗渗性能 结果表明 高 掺量废渣水泥代替中热硅酸盐水泥配制绿色高性能泵送水工混凝十能够显著改善拌合物的 和易性 降低混凝土的绝热温升值 增加早期和后期强度 提高抗渗性 并能降低开裂敏感 性的危害 l i us h u h u a 1 等研究了粉煤灰对水工混凝土抗裂性的影响 发现在混凝土中掺入 粉煤灰能减少混凝的脆性 弹性模量 收缩 水化温度 体积变形性 说明粉煤灰的掺入能 提高水工混凝土的抗裂性能 三峡二阶段混凝土技术特点是两掺一低的技术 即掺粉煤灰 掺高效减水剂和降低水胶 比的技术实现了较低的绝热温升 有效地控制了混凝土的温度裂缝 i q 3 掺入抗裂纤维 盛松涛 l 研究了聚丙烯纤维 p p f 在水工高性能混凝士中的作用 发现适量的聚丙烯纤 维加入 能改善混凝士的脆性破坏特征 减少混凝土的收缩裂缝 提高混凝土的韧性 抗冲 耐磨性 还能提高混凝土的抗渗 抗冻等特性 v b i n d i g a n a v i l e t j 等用一种卸重冲击仪来测试素混凝土和纤维增强混凝土在冲击下的 抗裂性 发现在准静态荷载下素混凝土和纤维增强混凝土对裂缝扩展都有较好的阻碍作用 在静态和冲击条件f 纤维都起到了阻裂作用 但钢纤维的作用要好于聚丙烯纤维 这种现 象在冲击力越大的情况下表现得越明显 m a s a n j u a n d l 2 0 1 等在钢筋混凝土中掺入聚丙烯纤维 p p f 进行试验 发现低掺量的聚丙 烯纤维确实能起到控制裂缝扩展的作用 聚丙烯纤维被爿j 于三峡工程 来抑制混凝土的干缩和塑性收缩裂缝 取得了明显的效果 2 1 l 九曲河水利枢纽套闸为大二二型水工建筑物 其混凝土制备采用了掺入p p 纤维 1 级粉 煤灰和缓凝高效减水剂的技术来提高混凝土早期的抗裂能力b 4 其他方法 减缩荆由于能降低水溶液的表面张力 从而有效减小了胶凝材料的收缩 在许多工程中 得到了较好的应用 例如 刘加平介绍了江苏博特生产的新型聚羧酸类超塑化剂j m p c a 配制出的低收缩 低水化热的大体积混凝土成功应用于三峡三期工程 龙滩水电站和溪落渡 等工程 很好的解决了混凝土的水化热和开裂问题 此外 近两年 国外学者采用在水泥基材料中加入一种超吸附的聚合物颗粒 s u p e r a b s o r b e n tp o l y m e r 缩为s p a 达到了减小自生收缩的目的 j 1 3 船闸混凝土抗冲磨和耐撞磨的研究现状 1 3 1 船闸混凝土冲磨与撞磨破坏的现象与特征 引发水工建筑物剥蚀破坏的主要原因有 空化 磨损和化学侵蚀 空化是指流体内有气 泡形成或出现空腔 在水工建筑物中流体指水 空腔里充满了水蒸汽和空气 在空腔 或气 泡 形成的地方 当局部压力降到使水汽化时 空腔就形成 空蚀是空穴泡将会不断生长并 随水流运动到高压区域而溃灭 空蚀就会在气泡溃灭的地方发生 当空穴泡在紧靠或对着固 体表面渍灭或压破时 在极短的瞬间将产生非常大的压力作用于固体表面极微小的表面积 上 这种不断的高能量撞击作用几乎能使任何固体材料遭到破坏 在船闸工程中 通常船闸 进口边墙洞容易产生空蚀现象 图1 7 是美国蒙大纳州y e l l o w t a i la f t e r b a y 大坝消力池边墙 和底极遭到空蚀破坏后的照片 5 东南大学硕士学位论文 图l 7 消力池底扳和边墙的空蚀破坏伫司 混凝土表面的磨蚀主要是水工建筑物表面在运行期间受到流体中夹带的研磨剂如泥沙 碎石 石块 冰块或其它沉渣的反复摩擦而造成的破坏 虽然闸室墙附近水流平缓 渴凝土 受水流磨蚀的程度较小 但从混凝土长期耐久性上考虑 这种作用也不容忽视 有资料显示 洪水通过闸室下泻时岩石进入支道廊 石块会引起混凝土的磨损破坏 图1 8 船闸充满 和放空的常规操作也使那些石块或泥沙来回滚动而使混凝土遭到磨损破坏 囝i 8 美国最大纳州y e l l o w t a i ld i v e r s i o n 坝泄水 道边墙和底板部位的琨凝土的磨损破坏m i 混凝土的化学侵蚀是指水 多种盐类和酸性溶液对水泥混合物的化学侵蚀作用 它和混 凝土渗透性 耐腐蚀性能等耐久性能有关 船闸工程中往往有一个被忽视的问题 船闸是水利枢纽工程的主要通航建筑物 混凝土 闸室是船闸的主要设旖之一 船闸放行时 来往船舶难免会对闸室墙表面混凝土产生冲撞和 磨损作用 图1 9 a 通常把放轮胎船舷边缘以防止船舶的钢体直接与混凝士表面产生接触 尽管如此 闸室墙混凝土还是经常遭受冲撞和磨损 如图1 9 b 这不仅会影响闸室墒的外 观 且会导致混凝土表面严重破坏 甚至影响到船闸的安全运行 因此 有必要提高船闸闸 室墙混凝土抵抗船舶撞击和磨损的性能 以f 简称耐撞磨损性能 而采用耐撞磨混凝土是配 制船闸闸室墙混凝士的有效途径 图1 9 闸室墙混凝土受到船舶的撞磨作用 6 第一章绪论 综上所述 造成船闸混凝土磨损破坏的的原因主要有 首先是船舶在闸室墙部位的撞磨 作用 其次是水流及介质在闸首和闸尾及水廊道等部位的冲磨作用 闸室墙渴凝土冲磨和撞 磨破坏的机理是怎样的 有何改善措施 下面分别介绍冲磨和撞磨破坏机理及其改善措施 1 3 2 船闸混凝土冲磨和撞磨破坏的机理 1 冲磨破坏 工程运行实践和室内实验研究表明 清水慢速流过混凝土表面 对混凝土基本上没有破 坏作用 水工混凝 磨蚀的外界条件主要有两个 一是水流中挟带有一定量的固体颗粒 二 是在稳定流态前提下挟带固体颗粒的水流要具有一定的流速 这个流速至少能够启动水流挟 带的沙石并达到一定的速度 水流速度是影响混凝土磨蚀磨损的关键 固体颗粒的粒径越大 要求的起动速度就越大 超过起动速度而仍然处于较低流速时 固体颗粒滚过或者滑过混凝 土表面 对混凝土将造成摩擦损耗或微切削作用 超过起动速度并且流速很高时 固体颗粒 有可能会快速滚动或跳跃前进 这样即使是很小的颗粒也会对混凝土产生较大的冲击破坏 所以 推移质及悬移质沙石的磨损 都可以概括为以不同冲角作用于材料表面的流体力学磨 粒磨损 即 推移质及悬移质磨损 都同时存在着沙粒微切削和冲击变形磨损 总磨损量由 此两种磨损量的叠加而成口 1 悬移质破坏 细粒径的悬移质泥沙 在高速水流中与水的质点充分掺混 形成近似均匀的网液两相流 悬移质对水流边壁的冲刷 主要由紊动猝发现象的涡旋所造成 具有紊动结构的高速水流 在平滑的水流边壁附近 也发生纵向和横向涡旋流体 这些涡旋不断地重复着由小到大尔后 消失的过程 随着涡旋的形成 扩大和消失 水流中的泥沙颗粒以较小的角度 5 0 1 5 冲击 流道表面 对边壁施以切削作用和冲击作用 从而造成建筑物表面的磨损 2 推移质破坏 推移质对建筑物表面的破坏机理与悬移质不同 悬移质使建筑物壁面因摩擦作用而产生 磨损破坏 推移质以滑动 滚动及跳动的方式在建筑物表面运动 除了摩擦及切削作用还有 冲击作用 建筑物表面不仅受到推移质泥沙滑动 滚动摩擦力的破坏 而且还受到泥沙冲击 力的破坏 如建筑物表面a 点处 见图1 1 0 口 受到质量为m 速度为v 的砂石的冲击 垂 直冲击力按动能原理分析应为 忽略水的阻力 2 m 面v c o s a t 1 1 石子在水流的作用下 以速度v l 冲击建筑物壁面 假设它又以同样的速度v 反弹来 由于冲击壁面的时间 t 很短 其值很小 则f 值很大 石子在反作用力下弹跳来后又会 再次下落冲击壁面 这样反复的结果 相对建筑物a 点来讲 会遭受反复次的摩擦 切削 与冲击 当材料强度达到极限值或疲劳极限值时 则会发生破坏 表现为表面剥落 并继续 向纵深扩展 推移质对建筑物表面的破坏较复杂 不仅与推移质滑动 滚动 冲击形式有关 而且与砂石本身的颗粒形状 质量 数量和水流速度 状态 冲击角度 过流时间等有密切 关系 一般认为石子粒径越大 水流流速越大 过流时间越长 对水工建筑物的破坏越大 此时石子可以跃起 产生巨大的冲磨破坏 j 弋 一 7 a r 图l 1 0 砂石冲击示意圈 2 刀 东南大学硕士学位论文 现行 水工混凝土试验规程 s d j l 0 5 8 2 混凝土抗含砂水流冲刷试验 方法 系仿 照美国 己被废除 早年的试验方法 经试用多年已被我国许多研究单位弃置 其主要缺点 是试件尺寸太小 试验时间太短使骨料与骨料及骨料与水泥浆体界面黏结 这些主要影响混 凝土冲蘑性能的因素在试验中难以反映 出现其对高强度等级混凝土反映不够敏感的情况 美国陆军工程兵团经过多年研究 于1 9 8 0 年推出一种新型抗冲磨试验方法一水下钢球 法 其表面冲磨冲磨破坏状态与现场混凝土冲磨破坏状态很相似 此方法一经推出 即被列 为美国陆军工程兵团的混凝土抗冲磨试验方法 编号为c r d c 6 3 8 0 1 9 8 9 年又被a s t m 正式编为混凝土抗冲磨标准试验方法a s t m c l l 3 8 8 9 沿用至今 国内已有多个单位拥有该 种仿制设备 除了水下钢球冲磨法外 国内还有喷砂枪冲磨试验法 气流喷砂法等试验混凝 土的抗冲磨性能 2 撞磨破坏 来往船舶对闸室墙混凝土是一种既冲击又磨损的破坏方式 闸室墙受船舶撞磨作用的结 构示意图1 1 l 船舶的冲击荷载f 以一定的角度口 一般 7 07 89 7 0 7 2 3 王塑垫生圭丝l 型 堑 垫 1 2 銮童奎羔塑圭兰些望兰 2 1 3 集料 a 1 级粉煤灰 目2 1 粉煤灰粒程分布图 b i i 级粉煤灰 圈2 2 级粉煤灰1 5 0 0 倍的扫描电镜图像 细集料采用骆马湖中砂 细度模数为2 9 粗集料采用质地坚硬的的石灰岩碎石 5 4 0 r a m 连续级配 依据g b t 1 4 6 8 5 2 0 0 1 等标准测试砂子和石子的表观密度 泥含量和泥块 含量 有机物含量和碱集料反应等 并加以评定与分析 试验结果列于表2 4 中 表2 4 砂 石的性能 量 一 堡一 果 标果 1 表观密度 k g m 3 2 5 0 0 2 6 2 0 一 荔面r 一 万雨 一 2 堆积密度 k g m 3 1 3 5 013 9 7 1 3 5 0j 5 3 3 3 空隙率 4 746 7 474 3 5 4 含泥量 2 0 1 5 1 0 0 4 5 泥块含量 1 00 5 1 00 1 6 有机物音量合格合格 台格合格 7 碱集料反应 合格台格 合格合格 8 压碎值 一3 3 m p a j t j 0 4 1 2 0 0 0 规定术1 1 5 乞n 2 混凝土工作性 泌水率低 可泵性好 坍落度t 1 0 0 1 4 0 m m 1 h 坍损 2 5 3 抗裂性能 c c e s 0 1 2 0 0 4 混凝土平板法达到i i 级以上 4 耐撞磨性能 c 2 5 混凝土 试件直径1 0 0 m m 1 0 0 m m 标养2 8 d 其5 0 0 次磨耗率 不大于2 0 相当于水下钢球法抗冲磨强度不小于0 7 5 h k g m 2 5 抗渗透性能 水压法抗渗性能达到p 8 电渗法5 6 d 电量指标小于1 2 0 1 2 或2 8 d 氯离 子扩散系数小于8 1 0 2m 2 s 6 抗冻融性能 水位变动区的钢筋混凝士抗冻等级不低于f 1 5 0 7 碳化性能 2 8 d 混凝土标准碳化深度不大于3 8 m m 8 钢筋锈蚀性能 破型法测定混凝土钢筋锈蚀性能 标准试验结果要求钢筋基本光亮 无明显锈蚀 2 2 2 闸室墙高