面板混凝土裂缝控制研究

面板混凝土裂缝控制研究

1混凝土裂缝治理面混凝土裂缝是土木工程和水利工程面临的问题之一，引起了工程专家和科学研究人员的关注。过去几十年期间工程师和研究人员对混凝土抗裂已经作了许多研究和试验工作,如美国的盐泉坝采用堆石体防渗、混凝土面板抗裂;国内较为突出的是在渠道边坡用堆石料、垫层料挡水,用混凝土面板抗裂。虽然这些方法对减少渗漏、控制裂缝取得了较大成效,但面板混凝土的裂缝问题仍然没有得到根本上的解决。混凝土面板、建筑物表面裂缝使水渗漏现象仍然十分严重。混凝土是一种多相复合材料,在各种内外因素影响下,内部、外部总存在一些细微的裂缝和缺陷,而且这些细微裂缝是不连续的,具有很大的随机性和偶然性,它们不仅受自身的力学性能(如极限拉伸、弹性模量、抗拉强度等)的影响,同时在外界环境改变(如重力、温度、湿度、水压力、冰冻膨胀、基础沉陷及地震力等)的作用下,这些原生的裂缝会发展、扩大、贯通、张开,随时间发展成宽裂缝。在水压力作用下引起渗漏,不仅损失大量水资源,更为严重的还会使整个建筑物遭到破坏,所以准确分析混凝土复杂的内部结构和采取合理有效的抗裂措施,综合考虑产生裂缝的直接和间接因素,对增强混凝土的抗裂能力,减少渗漏非常重要。本研究掺入废橡胶粉及粉煤灰以调整混凝土的水化作用及内部结构,从根本上治理混凝土的裂缝。本文完成了混凝土力学性能试验及微观检测。试验结果表明,混凝土的韧性提高、脆性降低、极限拉伸值提高,明显改善了混凝土的抗裂性能。2试验方法、试验设计和试验材料2.1强度和强度检验(1)水泥、粉煤灰的化学成分和水泥的矿物组成用化学分析方法检测,并利用电镜扫描(SEM)观测粉煤灰的内部结构和形貌特征;(2)水泥的抗压强度和抗拉强度按国家标准《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T17671-1999)方法检测;(3)混凝土的物理力学性能按国家标准《水工混凝土试验规程》(SD105-82)方法检测;(4)混凝土的静力抗压弹性模量按《普通混凝土力学性能试验方法》(GBJ81-85)方法检测;(5)混凝土的极限拉伸、轴向抗拉强度和抗拉弹性模量试验按《水工混凝土试验规程》(SD105-82)方法进行。2.2混凝土配合比优选(1)水泥试件制作采用40mm×40mm×160mm试件,标准养护箱养护;(2)混凝土抗压和抗拉试件制作采用150mm×150mm×150mm试件,试验用混凝土配合比见表1;(3)混凝土抗压、抗拉弹性模量及极限拉伸采用150mm×150mm×300mm试件;(4)试件用钢模成型,震动台振捣密实,24h后脱摸,标准条件养护室养护28d后进行试验;(5)本次试验选定几种单掺材料,首先分别进行胶砂强度试验并与基准比较后优选,将优选方案进行混凝土配合比优化设计。基准混凝土与掺合料混凝土配合比试验方案见表1。2.3试验材料2.3.1水泥理化性质检测结果本试验用42.5级普通硅酸盐水泥,其化学成分及矿物组成检验指标见表2,物理力学性能指标检测结果见表3,由表中检测资料可知,42.5级普通硅酸盐水泥的各项技术指标符合国家现行标准,水化热较低。2.3.2粉煤灰的形貌特征选用重庆华能珞璜电厂粉煤灰,其化学成分和部分物理力学性能测试结果见表4,由表中数据知,该粉煤灰需水比小、烧失量低、颗粒比较细小及含水率低,属Ⅰ级粉煤灰,颗粒形貌特征见电镜扫描(SEM)照片图1。粉煤灰需水量比依据《水泥胶砂流动度测定方法》测试。2.3.3细度和饱和面干视密度采用天然砂石骨料,其质地坚硬,颗粒级配良好。砂的吸水率为1.15%,饱和面干视密度为2.64g/cm3,细度模数为2.20,坚固性为1.22%,空隙率为31.99%。石子的吸水率为0.25%,饱和面干视密度为2.70g/cm3,坚固性为2.60%,空隙率为49.30%。粗骨料选择人工碎石,最大粒径为40mm。2.3.4外加剂和水剂的复合掺量采用DH9引气剂及FDN(木钙)高效减水剂等外加剂。为达到降低水灰比、增加强度和获得良好耐久性的复合效果,两种产品复合掺用。试验掺入量见混凝土配合比表1。2.3.5结合水、维护水和维护方法采用自来水拌和,标准方式养护。2.3.6橡胶粉末将废橡胶磨成细粉,以橡胶粉等体积代替部分砂,确定3组掺入橡胶粉,试验掺入量见表1及表5。3试验结果与讨论3.1非活性混合材料的抗泡沫性能的影响3.1.1胶粉掺量对水泥胶砂强度和硬度的影响按照前述试验方法,掺入的废橡胶粉等体积代替部分标准砂,试验结果见图2。从图2中的结果可以看出,当橡胶粉掺量比例适当时,可以不降低各龄期水泥胶砂抗折强度和抗压强度,而降低了水泥脆性系数;当橡胶粉掺量为4.5%(JX3)时,脆性系数与基准的相比分别降低3d26.8%、7d26.4%、28d28.1%、90d20.2%,明显提高了水泥的抗拉强度及极限拉伸,无疑对提高混凝土抗裂起到了明显作用。3.1.2粉煤灰混凝土水化过程中的性能本试验利用粉煤灰的火山灰活性、形态和微集料等三大效应,用粉煤灰超量取代部分水泥,水灰比降低、用水量减少。粉煤灰每掺入10%,降低水化热7%,明显降低了混凝土的温差,减少了温度应力,混凝土的抗拉强度、极限拉伸提高,弹性模量降低。同时粉煤灰取代部分水泥,使粉煤灰混凝土需水量少、干缩率小。在水化过程中,粉煤灰混凝土中还有较多的未水化粉煤灰颗粒,这些颗粒有效地限制了混凝土收缩的发展。试验结果见表5、表6。3.1.3掺合料及外加剂用量掺合料优化组合后的试验结果见表7、表8及表9,表中的测试数据表明,橡胶粉、粉煤灰、外加剂复合掺用后:(1)水泥的脆性系数降低20.00%;(2)混凝土的极限拉伸值与基准相比提高较多,如JX3提高17.20%,但JF极限拉伸值与基准的相比提高不多;(3)抗拉强度与基准的相比JX3提高18.00%,JF提高2.00%;(4)抗压弹性模量与基准的相比JX3降低11.00%,JF降低17.50%;(5)抗裂性指数η与基准的相比JX3提高50.36%,JF提高36.54%;(6)抗拉韧性Ω与基准相比JX3提高38.36%,JF提高1.30%不明显;(7)干缩率下降2.80%～21.10%。从以上试验结果分析看到,掺入掺合料及外加剂达到合适比例时,可以降低混凝土的脆性,能改善混凝土的内部结构和自身变形,提高混凝土的抗裂能力,减小混凝土裂缝。由试验结果看出,混凝土的抗拉强度、极限拉伸值提高,弹性模量、脆性系数降低。3.2混凝土抗裂性能造成混凝土出现裂缝的因素很多,各因素之间往往又相互制约,因此,需要综合地考虑各因素所处的条件,调整它们之间的关系。优化掺量组合后混凝土的综合指标及面板混凝土选定的评估指标(抗裂性指数),由基准混凝土的试验结果与掺入掺合料的混凝土的试验结果进行抗裂性能比较,计算结果见表10。从表10的结果得出:(1)热强比考虑了混凝土发热量与强度之间的关系。降低了热强比,提高了混凝土抵抗温度应力的能力,掺掺合料的热强比比基准混凝土分别降低8.0%～19.0%;(2)弹强比反映混凝土强度与弹性模量的内在联系及特性,对混凝土抗裂性能的影响而言,弹强比小,抗裂性好,掺掺合料的混凝土弹强比比基准混凝土的弹强比低10.4%～14.9%;(3)抗裂度反映混凝土极限拉伸值与温度的关系,抗裂度值越大,混凝土抗裂能力越强,掺掺合料的混凝土抗裂度比基准混凝土的抗裂度高35.6%～20.7%;(4)抗裂系数把对混凝土产生裂缝有影响的有关因素综合为一个指标,用以评定混凝土的抗裂能力,抗裂系数越大,抗裂能力越高,表10中抗裂系数提高幅度为20.3%～41.4%;(5)抗裂性指数考虑了混凝土抗裂性随时间和环境条件而变化的因素,其值越大,抗裂性越强,本次试验抗裂性指数提高27.1%～38.1%。从以上各指标看出,掺入不同种类和合适比例的掺合料,能改善混凝土自身的内部结构和变形性能,降低混凝土的脆性,显著提高混凝土的抗裂性能。4配置机制4.1增加c-s-h凝胶国家粉煤灰的火山灰效应,由于掺入的粉煤灰能充分发挥微粉作用和火山灰效应,减少了水泥浆体CH含量,增加了C-S-H凝胶含量,使C-S-H凝胶包围骨料的数量增多。粉煤灰的微粉效应和填充效应改善了混凝土的结构增加了密实性,使裂缝扩展的阻力增大,传播裂缝的效应减小,混凝土抵抗裂缝的能力提高,因此抗裂性能得到改善。4.2充填料和混凝土细集料混凝土体系可以看成连续级配的颗粒堆积体系,橡胶粉等体积代替部分砂,而且橡胶粉具有良好的弹性。粗骨料间隙由细集料及橡胶粉填充,并增加了界面的连接弹性。细集料间隙由水泥颗粒填充,水泥颗粒间隙由粉煤灰微粉效应发挥作用,使混凝土形成自紧密体系。以上这些作用联合互补,增加了混凝土裂缝扩展的阻力和增加了混凝土的韧性,降低脆性,减小了干缩率。由此从总体结构、内部结构上提高了混凝土的抗裂能力,减小了混凝土裂缝的发生。5橡胶粉掺量为逐步增加混凝土强度根据本文的试验与分析,可以得到如下结论:(1)采用优质粉煤灰超量取代水泥,混凝土抗裂性能有极大改善,与基准混凝土相比抗压弹模降低17.50%,抗裂性指数提高36.54%,抗拉强度提高2.00%,干缩率下降2.80%～21.10%,对抗裂起到明显效果。(2)掺入橡胶粉等量取代部分砂体积,水泥脆性系数与基准相比提高20.00%,极限拉伸值提高17.20%,抗拉强度提高18.00%,抗裂性指数提高50.36%,抗拉韧性提