混凝土收缩裂纹控制新方案

建筑系统耐久性第二届亚太会议
2000年7月 10-12日

混凝土结构的收缩控制新方案

Dr. R. Sri Ravindrarajah, H. Kincses, and Professor S. L. Bakoss
悉尼科技大学基础结构研究中心

摘要
混凝土生产商为使混凝土满足建筑行业的各种要求,于是需要使用大量的添加剂,为适应需要,外加剂相应也发展成了几种类型,如用来控制初凝时间,减少渗透,控制热量释放,提高混凝土强度,控制随时间而变的应力等.因为干收缩是导致混凝土裂纹和预应力混凝土构件的预应力随时的最重要的原因,所以也就成了混凝土结构的重要性能指标..虽然减水剂可以减少混凝土搅拌时的用水量,但它的作用是有限的,另外,防收缩水泥也被用来防止混凝土的收缩.现在一种新型的名字叫做凯姆壮KF-A的外加剂,一种粉末状的材料,可以很好的改良混凝土的性能,并重新定义了混凝土的塌落度技术要求.总的来说,它改变的混凝土混合物的可用性.此论文通过试验得出了该外加剂在控制混凝土结构干收缩性方面的有效性.结果显示凯姆壮KF-A可降低混凝土的干收缩越25%,另外,凯姆壮KF-A完全可以替换硅,但不影响强度然而,它的最显著的功效在于大大降低了干缩现象.

介绍

在硬化的混凝土结构上,经常可以看到裂纹的发生,导致裂纹的原因很多种,如收缩,温度,碱性反应,高温,酸性腐蚀,硫酸盐腐蚀和埋设的钢筋腐蚀等.但最主要裂纹原因是受限收缩而导致.另外,对混凝土结构来说,要控制时间而变的应力和预应力构件中控制预应力损失,干收缩都是非常重要的影响参数..众所周知,混凝土裂纹的增加随干缩的增加而增加
干收缩是混凝土的随时间而变化的基本性能,受大量的其他因素的影响,如材料性能,混料组成和环境条件等.混凝土生产商通过几种办法控制干缩的形成.它们的办法包括: (a) 选用合适的抗收缩水泥 (b)限制水泥的含量 (c)限制水的含量 (d)选择有较高硬度的石子.因为这些参数是相互作用,互为影响的,共同影响混凝土的性能,因此到目前位置,没有理想的控制混凝土收缩的解决办法.另外,还要必须说明的是还要注意混凝土生产的经济成本
混凝土生产商大都把外加剂当成混凝土的一种基本成分.混凝土外加剂在改变提高混凝土性能方面的用途是毋庸置疑的.然而,只靠外加剂来补偿混料设计不合理所造成的缺点是不可接受的,因为这样所生产的混凝土无法保证它的性能.外加剂技术的发展可显著提高混凝土的质量,同时也提高了混凝土的性能.减水外加剂(增塑剂)和高性能减水剂(高级增塑剂)都可用来减少混凝土配料中的用水量和水泥用量.高级增速剂是在较低的水灰比条件下是生产经济性高强度混凝土的必要成分.人们用增塑剂和高级增塑剂用来降低水泥浆体的含量(水泥加水),进而希望减少干缩现象.该报告通过试验得出:该新型混凝土的增加混凝土的工作性能和减少干缩方面效果显著.

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2007年10月29日 12:36:52

2楼

试验数据:

材料

通常来说,人们通常用符合AS 3192的规范的硅酸盐水泥(GP型)生产各种混凝土.把浓缩的硅粉加入GP 型水泥,把破随后直径粒度最大为20mm的石子做为粗石,为便于质量控制,.把两种粒径的石子(10mm和20mm),按1:2的比例加入,粗河沙和细沙一起用来当作细石,细沙占所用沙子总量的24%,细石占总石子量的40%.

减水剂用来改善混凝土的工作性能..由前苏联发明的凯姆壮系列混凝土外加剂已在几个国家使用相当成功,但在澳大利亚使用较少, 凯姆壮KF-A在提高混凝土的工作性能和混凝土的粘结性方面,效果显著.远高于其他的减水剂..凯姆壮即可改良新混凝土的性能,也能改良已硬化的混凝土性能.凯姆壮KF-A外加剂和水泥细沙混合,比例分别为10%, 40% 和50%..

表1:普通混凝土配料的成分 (40级)

材料组成 (kg/m3)
GP型水泥 360
硅粉 40
粗石子 (20mm) 710
粗石子 (10mm) 355
粗沙 540
细沙 170
减水剂 (Pozzolith 370) 300ml/100kg cement
水 180

表2:普通混料样本和试验KF-A混凝土样本批次

材料 Mix 1 Mix 2 Mix 3 Mix 4
水泥 (kg) 21.6 21.6 21.6 21.6
硅粉 (kg) 2.4 - - -
20 mm 石子 (kg) 42.4 42.4 42.4 42.4
10 mm 石子 (kg) 21.2 21.2 21.2 21.2
粗沙 (kg) 32.3 32.3 32.3 32.3
细沙(kg) 10.1 10.1 10.1 10.1
水 (kg) 12.1 11.3 11.3 11.0
减水剂 108 108 108 -
KFA (g) - 300 600 300
水灰比W/C 0.57 0.52 0.52 0.51

混料组成

MIX1 组为加有硅粉和减水剂的商用混凝土(40级,塌落度为80mm).表1显示MIX1的组成和含有凯姆壮KF-A外加剂的改进的MIX2,MIX3,MIX4的组成. 在MIX1组中,水泥含量和硅粉的含量分别为e 360 kg/m3 和 40 kg/m3, 可以看出,改进的混凝土组别配料中,都不含硅粉
凯姆壮KF-A在MIX2,MIX3,MIX4 中的加入量分别为5, 10 and 5 kg/m3. 因为加入的KF-A的量重量为总成分重量的10%,所以,三组中实际的KF-A的加入量分为0.5, 1 and 0.5 kg/m3..为保持同样的工作性能,MIX2和MIX3的水灰比从MIX1的0.57减少到0.52. MIX4中没有减水剂,但加水量于普通混凝土样本相比减少10%,因此MIX4的水灰比为0.51.

混凝土样本的制作,养护和试验
在盘型的混凝土搅拌机内制作加有凯姆壮KF-A的混凝土样本. 刚制成的混凝土用来测试它的可用性,可用性随时间的丧失,和单位重量. 混凝土样本在钢模内制成各种试样所需的样本形状.对每次混凝土的搅拌料,做24个直径100mm,200mm长的圆柱体,和12个100mm*100mm*500mm的长方体用来做抗弯强度,并做2个75mm*75mm*285mm的长方体来做收缩性测试
试验样本24小时后,从模具中取出来,放在20oC 的水内保存直到试验.用来做干缩试验的样本在水浴7天后从水池中取出,可以在实验室环境调下(平均温度为20oC和相对湿度干燥60% R.H).收缩试验连续进行16周,代替AS1012(1)规定的8周. . 其他的试验按照相关的澳大利亚的相关标准试验程序进行.

表3:新混凝土性能

性能 Mix 1 Mix 2 Mix 3 Mix 4
塌落度(搅拌时) 70 100 100 35
塌落度(45分钟后) 30 45 45 0
压实系数 0.97 0.98 0.98 0.90
单位重量 (kg/m3) 2420 2420 2450 2470

表4:混凝土压缩强度的变化

天数 Mix 1 Mix 2 Mix 3 Mix 4
1 13.7 15.1 18.5 19.7
3 29.7 32.6 32.6 32.5
7 41.4 43.9 43.9 44.6
14 48.9 50.0 48.6 52.2
21 52.1 53.1 54.7 53.7
28 56.9 57.6 57.8 57.9
56 68.4 58.3 59.5 58.4
91 63.6 63.8 60.0 62.1

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2007年10月29日 12:37:22

3楼

图1 :混凝土强度随时间而变化

结果和讨论

新混凝土的性能

表3显示对比混凝土样本和凯姆壮混凝土样本的的性能比较.从表3可以观察到:不带硅粉和减水剂的MIX2组的可用性比对比样本要好. 塌落度也从70mm增加到100mm,压实系数从0.97增加到0.98. 对比混凝土样本和凯姆壮混凝土样本的可用性都随时间的变化而变差,用来对比的混凝土的样本的塌落度在45分钟内从70mm 到30mm.相似的,凯姆壮混凝土的塌落度在45分钟内从100mm减少到45mm. 比较MIX2和MIX3的性能,可以看出凯姆壮KF-A的用量增加了,但对混凝土的可用性能没有任何效果.而没有减水剂但减少用水量的MIX4,塌落度为35mm.比较样本和凯姆壮混凝土的密度基本差不多.

压缩强度随时间而变化

图1显示比较样本和凯姆壮混凝土样本的压缩强度在91天内在20oC水中养护后的变化.对每次试验时间,三个同样的柱体样本进行试验,三个值的平均值列在表4中.凯姆壮混凝土(MIX2到4)的强度在不同时令段的对比混凝土MIX1的比较结果,在表6中列出.

表4:凯姆壮混凝土和比较混凝土的压缩强度比较

天数 Mix 1 Mix 2 Mix 3 Mix 4
1 100 112 137 146
28 100 101 101 102
91 100 98 92 96

从抗压强度试验结果,我们可以看到::凯姆壮混凝土的1天龄的压缩强度明显高于用来对比度的混凝土.一天龄的强度分别为:普通对比混凝土MIX1:13.1MPa;MX2:15.1;MPa,MX3:19.7 MPa.凯姆壮KF-A的用量从5 kg/m3 (Mix 2) 增加到 10 kg/m3 (Mix 3) ,1天龄的强度增加 12% 到 37%,也就是说1天龄的强度可以比对比的混凝土提高46%, 部分原因是由于减少了水灰比.

28天龄的,普通对比混凝土MIX1的压缩强度为56.9MPa,而凯姆壮混凝土MIX2的压缩强度为57.6 MPa. 凯姆壮KF-A量从5 增加到 10 kg/m3确没能导致强度的增加,而在91天龄的凯姆壮混凝土的强度却比普通的对比混凝土强度降低了2 t到8%. 加有凯姆壮KF—A的MIX4在1天龄时,强度增加了46%,但在91天龄时,强度比普通混凝土的强度低了4%,所有的水灰比从0.57减小到0.51.

所有的混凝土组别显示压缩强度在91天龄内,随时间的增加而增加.这也是我们所期望的.凯姆壮混凝土组别早期强度率较高,而28天后的增加率却较少.凯姆壮混凝土的这种现象可能是由于水灰比和KF-A和KSS共同作用形成的. .

表5:混凝土抗弯强度

天数 Mix 1 Mix 2 Mix 3 Mix 4
14 4.70 6.00 5.90 6.00
28 6.20 7.00 6.90 6.80
56 7.30 7.10 7.10 7.00
91 7.30 7.20 7.20 7.20

抗弯强度随时间的变化而变化

表5显示普通混凝土和凯姆壮混凝土的强度随时间变化而变化.结果显示14天龄的凯姆壮混凝土的抗弯强度明显高于普通的混凝土.然而在56天龄和91天龄时,凯姆壮混凝土的抗弯强度却基本接近普通混凝土.试验结果分析抗弯强度和抗压强度的比值变化范围是从10%到13%.

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2007年10月29日 12:37:48

4楼

图. 2:普通混凝土和凯姆壮混凝土的收缩随时间的变化

表 6:干收缩率随时间的变化

天数 Mix 1 Mix 2 Mix 3 Mix 4
7 34 22 23 49
28 63 61 57 81
56 88 85 91 96
112 100 100 100 100

混凝土的干收缩
图2显示普通混凝土和凯姆壮混凝土的干缩性能随时间的变化图.对所有的测试组来说,混凝土的干缩性能的变化率随着时间的增加而减小.对普通混凝土MIX1来说,112天后的干收缩量是745 x 10-6. 如果用凯姆壮KF-A代替硅粉,同时水灰比从.57减少到0.52,则同样的时间后,干收缩量降为556 x 10-6 ,降低了大约25%. 当凯姆壮KF-A的量由 5 kg/m3 增加到 10 kg/m3,干缩量没发现进一步减小的现象,但实际上,干缩量增加到了604 x 10-6.然而,但用水量减少10%时,并且不再使用减水剂后,如MIX4,则112天的干缩量明显的减小到320 x 10-6.比普通混凝土的收缩量降低了57%.减少水用量不能解释改种收缩的减少.需要进一步试验证实这个结论.
.

表7:混凝土的孔隙渗透性

试验 Mix 1 Mix 2 Mix 3 Mix 4
浸泡和蒸煮后的吸水量 (%) 5.56 5.55 5.86 5.32
孔隙渗水量 (%) 12.22 12.26 12.88 12.10

外根据表6,于其它组别相比,MIX4收缩量能够快速稳定.7天后的MIX4的收缩量达到112天的后收缩量的49%, 而普通混凝土的7天后的收缩量值为112天的收缩量的34%.这种收缩差异可能是种因素引起,如硅粉含量,减小用水量,凯姆壮用量和水分等共同作用的结果.我们已经知道孔隙结构的改变对收缩有很大的影响,而MIX4就有很低的孔细度,就是这种很低的孔隙度在影响着干燥速度.

孔隙空间的体积可通过加热炉把内部的水排出的方法,然后测量再测量浸泡和蒸煮期间的吸水量来确定来确定,测试程序根据ASTM C642:1990(2)进行,表7简单列除了试验的结果.MIX4减小用水量后,显示吸水率最低,渗透孔隙最小.MIX2和MIX3与普通混凝土相比,该方面没有发生变化
结论

此论文给出了新型混凝土外加剂凯姆壮KF-A的试验结果,该结果显示凯姆壮KF-A具有减水剂的功效,能帮助减少水量,而不改变混凝土的可用性.凯姆壮KF-A用量的增加不会对新混凝土和已硬化的混凝土产生有害影响. 事实是凯姆壮改经了混凝土的强度性能,与硅粉的功能相似,所以,凯姆壮KF-A可以用来取代硅粉.该结果同时显示,使用凯姆壮KF-A后,混凝土的早期强度得到很大提升,使用凯姆壮KF-A的最大意义是在用水量减少10%时,可以降低干缩量达57%.该结果重点突出了该外加剂的控制混凝土的收缩性方面的作用.
参考资料

1. 澳大利亚标准, AS 1012: 混凝土测试, 1996.
2. 美国材料试验协会试验标准, ASTM C642:1999: 已硬化混凝土的比重,吸水量和孔隙的试验方法.

Contacing Person:: Frank Wang

Email: cement21concrete@yahoo.com.cn

QQ: 728492839

liulu19841111

2007年10月30日 21:47:26

5楼

顶!
很有现实意义!
我们这打灰的时候总出现收缩裂缝!很苦恼!