水灰比對輕骨料混凝土塑性收縮裂縫的影響

1、第 26 卷 第 3 期重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)Vol . 26 N.32004 年 6 月Journal of Chongqing Jianzhu UniversityJ un. 2004水灰比對輕骨料混凝土塑性收縮裂縫的影響楊長輝 ,孫大明 , 喻 驍(重慶大學(xué)建筑材料工程系 , 重慶 400045)摘要:研究了在水泥和骨料用量一定的條件下 ,輕骨料混凝土的塑性收縮裂縫特性 ,并與同配合比的普通混凝土進(jìn)行比較。結(jié)果表明 ,輕骨料混凝土的水分蒸發(fā)量隨水灰比增大而增大 ,且蒸發(fā)速率在 2 h 左右出現(xiàn)最大值。在低水灰比時 ,輕骨料混凝土塑性收縮裂縫面積較大 ,并在水灰比為 0. 40 左右達(dá)到最大值

2、,而后裂縫面積隨水灰比增加而逐漸減小。關(guān)鍵詞:輕骨料混凝土 ; 塑性收縮 ; 蒸發(fā)速率中圖分類號: TU528. 2文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1006 - 7329 (2004) 03 - 0085 - 04The Effect of Water - Cement Ratio on the PlasticShrinkage Cracking of Light weight Aggregate ConcreteYANG Chang - hui , SUN Da - ming , YU Xiao(Department of Building Materials , Chongqing Univers

3、ity , Chongqing 400045 , P. R. China)Abstract : In this paper , the characteristic of the plastic shrinkage cracking of the lightweight aggregate concrete (LWAC) was studied under the condition of prescribed quantity of cement and aggregate and was compared with that of the normal aggregate concrete

4、 (NC) with the same proportion of materials for the LWAC. The results suggested that the water evaporation quantity in the concrete became larger with the increase of w/ c , and water evaporation velocity reached maximum value around two hours. When the water - cement ratio was low , the area of the

5、 plastic shrinkage cracking of LWAC was large and when w/ c was 0. 40 , the area reached the maximum value and then be2 came smaller with the increase of w/ c.Keywords : lightweight aggregate concrete ; plastic shrinkage ; evaporation velocity混凝土裂縫已成為工程界普遍關(guān)注的問題。高溫、干燥以及大風(fēng)條件下澆筑的混凝土 ,由于其表面溫度高 ,水分蒸發(fā)量大 ,

6、往往在混凝土澆筑 23 h1 內(nèi)即在混凝土的表面出現(xiàn)開裂現(xiàn)象 ,這些裂縫的存在不僅影響了建筑物的外觀 ,嚴(yán)重的還可能會對建筑物的安全性和使用壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。這種早期裂縫與混凝土塑性收縮裂縫有關(guān)。有關(guān)混凝土塑性收縮裂縫的研究很多 ,但絕大部分研究的對象都是普通混凝土 ,有關(guān)輕骨料混凝土的塑性收縮裂縫研究卻很少。輕骨料混凝土具有輕質(zhì)、高強(qiáng)以及良好的保溫性能和抗震性能等 ,在過去的幾十年 ,特別是最近 20年 ,輕骨料混凝土在大跨度連續(xù)鋼構(gòu)橋梁中的應(yīng)用得到普遍重視 ,取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。與普通骨料相比 ,輕骨料密度小 ,強(qiáng)度較低 ,制約變形的能力相對較弱 ,用其配制的混凝土塑性收縮特性應(yīng)與普

7、通混凝土有所不同。本文主要研究水灰比對輕骨料混凝土塑性收縮裂縫的影響。1 原材料及試驗(yàn)方法1. 1原材料1) 水泥:重慶騰輝地維水泥有限公司產(chǎn) 42. 5R 普通硅酸鹽水泥 ,其水泥性能見表 1 。收稿日期:2004 - 02 - 15作者簡介:楊長輝(1965 - ) ,男 ,湖北岳陽人 ,教授 ,主要從事建筑材料研究。86重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)第 26 卷表 1水泥性能稠度初凝終凝安定性抗折強(qiáng)度/ MPa抗壓強(qiáng)度/ MPa比表面積/密度/ %時間時間(餅法)3 d28 d3 d28 dcm2g - 1gcm - 325. 81 :482 :53未見裂紋5. 18. 729. 155. 13 94

8、53. 09未見翹曲2) 細(xì)骨料:四川簡陽中砂 ,細(xì)度模數(shù)為 2. 40 ;3) 粗骨料:湖北宜昌產(chǎn)高強(qiáng)頁巖陶粒 ,其性能見表 2 ; 碎石: 重慶小泉石灰石碎石 ,粒徑 520 mm , 其中粒徑 510 mm :1020 mm = 3 :7 (質(zhì)量比) 。表 2高強(qiáng)陶?；拘阅芰Ｐ投逊e密度/ kgm - 3 表觀密度/ kgm - 31 h 吸水率/ %粒徑/ mm筒壓強(qiáng)度/ MPa強(qiáng)度等級圓球7701 3602. 15206. 6404) 減水劑:重慶江北特種建材有限公司生產(chǎn)的 FDN - O 型高效減水劑。1. 2試驗(yàn)方法測試混凝土塑性收縮裂縫的實(shí)驗(yàn)裝置如圖 1所示。實(shí)驗(yàn)裝置具有混凝土

9、板件的特點(diǎn) ,外形尺寸為 600 mm 380 mm 70 mm ,用鋼板制成;內(nèi)部為用薄鋼板制成約束裝置 ,端約束生成器提供端約束 ,中心應(yīng)力生成器促使裂縫的形成。測量裂縫寬度用刻度放大鏡。試驗(yàn)持續(xù)時間為 5 h 。5 h后依據(jù)裂縫寬度情況 ,沿裂縫走勢方向 ,將裂縫分成若干小段 , 再分別測定其長度 li 和裂縫寬度di , 然后依據(jù)公式(li di ) 計(jì)算裂縫面積。測試水分蒸發(fā)的模具 , 端面為正方形 , 面積225 cm2 ,高 7. 0 cm 的長方體。用電子天平(精確度為 0. 1 g) 進(jìn)行水分損失的稱量 ,前后兩次稱量的差值即為水分蒸發(fā)量; 水分蒸發(fā)量除以前后兩次稱量的時間間

10、隔即為水分蒸發(fā)速率。試驗(yàn)在室內(nèi)控制條件下進(jìn)行 , 溫度為 30 圖 1 約束試驗(yàn)裝置35 ,相對濕度為 60 % ,風(fēng)速為 8 m/ s 。2 試驗(yàn)結(jié)果及討論混凝土配合比及試驗(yàn)結(jié)果分別見表 3 ,圖 2 、圖 3 和圖 4 。其中 ,圖 2 為水灰比對 5 時混凝土水分蒸發(fā)量的影響;圖 3 為水灰比對蒸發(fā)速率的影響;圖 4 為水灰比對混凝土塑性收縮裂縫的影響。2. 1拌合物水分蒸發(fā)量及其蒸發(fā)速率輕骨料混凝土和普通混凝土拌合物初期(5 h) ,水分蒸發(fā)量均隨著水灰比的增大而提高 ,如圖 2 所示。在混凝土配合比以及試驗(yàn)環(huán)境相當(dāng)?shù)臈l件下 ,在有效水灰比較低時 ,普通混凝土的水分蒸發(fā)量低于輕骨料混凝

11、土的水分蒸發(fā)量 ,而在水灰比較高時 ,結(jié)果正好相反。這種情況可能與輕骨料的吸水特性有關(guān)。一般 ,碎石在常壓下吸水可以忽略不計(jì) ,輕骨料則較大 ,試驗(yàn)測得輕骨料 1 h 吸水率達(dá)到 2. 1 %。但是 ,陶粒在混凝土中的吸水情況與其在水中的吸水情況有所不同2 ,表現(xiàn)為吸水率降低 ,一般僅為水中吸水率的 50 %70 %3 。本研究中 ,附加水以“1 h 吸水率”計(jì)算 ,結(jié)果是輕骨料混凝土的實(shí)際水灰比大于有效水灰比。因而同條件下所含自由水必然多于普通混凝土中的自由水 ,再加上在低水灰比時 ,混凝土的整體性和粘聚性較好 ,骨料在基體中分布穩(wěn)定 ,因而輕骨料混凝土的水分蒸發(fā)量稍高于普通混凝土的蒸發(fā)量。

12、第 3 期楊長輝 ,等:水灰比對輕骨料混凝土塑性收縮裂縫的影響87表 3混凝土配合比編號配合比/ kgm - 3有 效總 水初始坍落度/初始擴(kuò)展度/最大裂縫寬/CLAWFDN水灰比灰 比mmcm cmmmA - 1400760597212. 500. 500. 5319043 300. 59A - 2400760597192. 51. 80. 450. 4826565. 5 680. 67A - 3400760597172. 51. 70. 400. 4321040 380. 83A - 4400760597152. 53. 20. 350. 3822038. 5 410. 72B - 145

13、0725569236. 9500. 500. 52723050 490. 28B - 2450725569214. 4500. 450. 47721038 36. 50. 64B - 3450725569191. 9500. 400. 42716027 27. 50. 23B - 4450725569169. 451. 20. 350. 37717030 29. 50. 06C - 1500690542261. 400. 500. 52324065 54C - 2500690542236. 400. 450. 47323552 49. 51. 18C - 3500690542211. 400.

14、 400. 42321037 361. 34C - 4500690542186. 41. 90. 350. 37323048 451. 08N - 1500690107625000. 5023557 51. 50. 76N - 25006901076225100. 4522045 460. 95N - 350069010762002. 10. 4022041. 5 400. 84N - 450069010761753. 70. 3524565 66. 50. 68注 : A ,B ,C 系列為輕骨料混凝土;N 系列為普通混凝土; 陶粒未經(jīng)預(yù)濕處理; 總水灰比 = 有效水灰比 + 陶粒 1 小時

15、吸水量(陶粒用量 1 h 吸水率) / 水泥用量; 用水量 = 水泥用量 總水灰比。隨著水灰比的增大 ,陶粒在混凝土中的吸水率也隨之增大3 ,但仍低于“1 h 吸水率”。雖然輕骨料混凝土中的自由水還是多于普通混凝土中的自由水。但在水灰比較高時 ,混凝土的稠度降低 ,而塑性增大。在混凝土成型密實(shí)的過程中 , 混凝土外分層結(jié)構(gòu)的差異便顯露出來。對普通混凝土 , 密度較小的水、水泥漿及帶有較小細(xì)骨料的水泥砂漿上浮 ,碎石及較大顆粒的細(xì)骨料及包裹它們的水泥漿下沉 , 造成混凝土整體的不均勻 , 形成了混凝土的外分層圖 2水灰比對混凝土水分蒸發(fā)量(5 h) 的影響結(jié)構(gòu);對輕骨料混凝土 , 則是密度較小的

16、輕骨料、水等上浮 ,水泥漿和砂下沉 ,造成混凝土整體的不均勻 ,形成了輕骨料混凝土的外分層結(jié)構(gòu)。輕骨料的上浮 ,一方面抑制了泌水;另一方面使有效蒸發(fā)面積減小。因而在水灰比較高時 ,輕骨料混凝土的水分蒸發(fā)量低于普通混凝土。由此可見 ,在水灰比較高時 ,輕骨料混凝土的外分層結(jié)構(gòu)為制約水分蒸發(fā)的主要因素。水分蒸發(fā)速率圖 3 ( ) 顯示 ,混凝土水分蒸發(fā)速率在開始前 2 h 左右逐漸增大 ,然后開始減少。這與混凝土中存在自由水的數(shù)量有關(guān)?；炷脸尚统跗?,自由水較多 ,圖 3不同水灰比條件下水分瞬時蒸發(fā)速率漿體粘度小 ,混凝土塑性較好 ,因而蒸發(fā)速率逐漸增大。但隨著水泥水化和水分蒸發(fā)的進(jìn)行 ,混凝土

17、塑性降低 ,混凝土中的自由水逐漸減小 ,蒸發(fā)速率隨之減小。水灰比較高時 ,混凝土中所含自由水較多 ,其在同時段的水分蒸發(fā)速率也較大 ,這從圖 3 中也可以看出。但水灰比為0. 50 的輕骨料混凝土在成型大約3. 5 h 后 ,其水分蒸發(fā)速率陡然降低 ,甚至低于其余低水灰比的輕骨料混凝土 ,這可能與輕骨料混凝土外分層結(jié)構(gòu)制約水的蒸發(fā)有關(guān)。2. 2塑性收縮裂縫面積由圖 4 中 A 、B 、C 三組拌合物的塑性收縮裂縫面積圖可以看出 ,當(dāng) w/ c 0. 40 時 ,裂縫面積隨水灰比的增大而顯著減小;在 w/ c = 0. 40 時 , 裂縫面積達(dá)到最大。水灰比較低時 ,粒子之間的距離相對較小 ,塑

18、性收縮僅能產(chǎn)生相對較小的體積收縮 , 同時在低水灰比情況下 , 未水化的水泥顆粒較多。按照中心質(zhì)假說 4 ,未水化的水泥顆粒在粒子間距較小時會產(chǎn)生有利的中心質(zhì)效應(yīng) , 有利的中心質(zhì)效應(yīng)減少了界面過渡層的薄弱環(huán)節(jié) , 這是抵抗塑性收縮有利的兩個方面。但水灰比較低 ,粒子間距較小時 ,毛細(xì)管壓力相當(dāng)?shù)拇?,同時由于水分的蒸發(fā) ,混凝土中的水分減圖 4水灰比對塑性收縮裂縫的影響少 ,水泥的水化程度降低 ,相對于毛細(xì)壓力發(fā)展速度 ,混凝土強(qiáng)度增長特別是抗拉強(qiáng)度增長緩慢 ,不足以抵抗毛細(xì)壓力的破壞作用。在這種不利和有利因素的綜合制約下 ,毛細(xì)壓力破壞作用上升為主要作用 ,因而使其產(chǎn)生較大的塑性收縮 ,故

19、收縮裂縫面積較大。隨著水灰比的增大 ,混凝土體系中可用于蒸發(fā)的自由水增多 ,蒸發(fā)速率加快 ,但此時混凝土的整體性和粘聚性降低 ,在這種情況下 ,裂縫面積還將有所增大。在水灰比達(dá)到較高時 ,裂縫面積減小 ,其可能的原因是可用于蒸發(fā)的自由水增多 ,但關(guān)鍵是毛細(xì)管壓力發(fā)展緩慢的緣故。待毛細(xì)壓力發(fā)展到破壞壓力時 ,混凝土已具備一定的強(qiáng)度足以與之相抗衡。因而裂縫面積較小 ,甚至出現(xiàn)不開裂的情形。在混凝土配合比以及試驗(yàn)環(huán)境相當(dāng)?shù)臈l件下 ,普通混凝土的裂縫趨勢與輕骨料混凝土不同 ,這可以從圖 4 中的 C 和 N 系列可以看出。在研究的水灰比范圍內(nèi) ,普通混凝土的塑性收縮裂縫面積隨水灰比的增大而增大 ,這與

20、王川的結(jié)論5 基本一致 ,但塑性收縮裂縫面積均大于同配合比的輕骨料混凝土。其可能的原因?yàn)?,在普通混凝土中 ,由于水泥石和骨料兩相的彈性模量相差較大 ,因而在兩相的界面處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象;而在輕骨料混凝土中 ,水泥石與骨料兩相的彈性模量卻相當(dāng) ,因而在此兩相的界面處不易出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象;其次從骨料和水泥石的界面區(qū)域68 來考慮 ,輕骨料表面存在孔隙 ,提高了骨料和基體的粘結(jié)強(qiáng)度 ,對裂縫的發(fā)展有抑制作用;另一方面 ,人造骨料一般屬于燒結(jié)粘土質(zhì)材料 , 經(jīng)過高溫煅燒 ,表面具有一定的活性 ,特別是粉煤灰陶粒 ,能與水泥石中的氫氧化鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng) ,且粘結(jié)強(qiáng)度更高 ,因而輕骨料和水泥石的粘結(jié)

21、力要比碎石和水泥石的粘結(jié)力強(qiáng)。在某種程度上 ,裂縫相對于普通混凝土而言要少些。3 結(jié)論1) 水泥和骨料用量一定時 ,混凝土水分蒸發(fā)量隨水灰比增大而增大。與同配合比的普通混凝土相比較 ,在水灰比較低時 ,輕骨料的吸水特性是影響蒸發(fā)量的主要因素 ,輕骨料混凝土的水分蒸發(fā)量高于普通混凝土的蒸發(fā)量;而在水灰比較高時 ,混凝土的整體性 ,特別是外分層結(jié)構(gòu)對水分蒸發(fā)量起主導(dǎo)作用使輕骨料混凝土的水分蒸發(fā)量反而比普通混凝土的蒸發(fā)量低。試驗(yàn)所得臨界水灰比為 0. 40 。2) 輕骨料混凝土的水分蒸發(fā)速率在拌制之初 2 h 內(nèi)逐漸增大 ,并在 2 h 左右達(dá)到最大值 ,達(dá)到最大蒸發(fā)速率的時間與混凝土開裂的時間基本

22、吻合。此后 ,由于拌合物自由水減少 ,蒸發(fā)速率逐漸降低。此外 ,蒸發(fā)速率隨水灰比的增大而增大 ,但水灰比較高的輕骨料混凝土 ,其在后期的蒸發(fā)速率可能會因?yàn)橛行д舭l(fā)面積的減少而較低。3) 在試驗(yàn)的水灰比范圍內(nèi) ,輕骨料混凝土在水灰比較低時 ,裂縫面積較大 ,并在水灰比為 0. 40 時達(dá)到最大值 ,此后隨水灰比的增大而降低。(下轉(zhuǎn)第 92 頁)92重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)第 26 卷性能等級分別為 PG52 - 22 、PG70 - 22 、PG70 - 22 、PG70 - 22 ,可見 ,SBS 的摻入使基質(zhì)瀝青的高溫性能提高了 3 個等級 ,而在低溫性能方面 ,基質(zhì)瀝青和三種 SBS 改性瀝青均為

23、 PG - 22 ,改性劑的摻入并沒有對基質(zhì)瀝青的低溫性能產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響 ,這與本試驗(yàn)研究得到的結(jié)果基本類似。3 結(jié)語在我國 ,由于用于鋪筑高等級瀝青路面的優(yōu)質(zhì)石油瀝青數(shù)量嚴(yán)重不足 ,很多單位都在致力于研發(fā) SBS 改性瀝青 ,但應(yīng)該清醒地看到 ,SBS 改性瀝青雖然對提高瀝青路面的高溫穩(wěn)定性、耐久性、抗水損害性、抗滑減噪性等方面有程度不同的貢獻(xiàn)。但是 SBS 改性瀝青并非萬能的道路鋪裝材料。就本研究試驗(yàn)結(jié)果來看 ,采用 SBS 作改性劑 ,使用共存共融的物理改性方法難以使基質(zhì)瀝青的低溫抗裂性能有實(shí)質(zhì)性的改善。參考文獻(xiàn) :1 沈金安. 瀝青及瀝青混合料路用性能M.北京:人民出版社 ,2001.2 AASHTO Provisional StandardsS.Interim Edition. 1999.3 袁宏偉. 道路瀝青改性劑的試驗(yàn)評價J.石油瀝青 ,2003 , (17 ,增刊) :137 - 141.4 沈金安. 90 年代道路瀝青研究的熱門課題J.中國公路學(xué)報(bào) ,1995 , (8) :21 - 27.(上接第 88 頁)參考文獻(xiàn) :1 陳翠紅 ,王