外加剂对混凝土收缩开裂性能的影响.docx

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外加剂对混凝土收缩开裂性能的影响

外加剂对混凝土收缩开裂性能的影响

学校代码10459

学号或申请号200912019080502022

密级

硕士学位论文

外加剂对混凝土收缩开裂性能的影响

作者姓名：

李世华

导师姓名：

管宗甫教授

学科门类：

工学

专业名称：

材料学

培养院系：

材料科学与工程

完成时间：

2012年5月

Athesis（dissertation）submittedto

ZhengzhouUniversity

forthedegreeofMaster

InfluenceofAdmixturesonShrinkagePropertyandCrackingBehaviorofConcrete

ByShihuaLi

Supervisor:

Prof.ZongfuGuan

MaterialSicience

SchoolofMaterialsSicienceandEngineering

May2012

摘要

本文采用平板刀口约束收缩开裂试验、自收缩和干燥收缩试验综合评价水泥基材料的收缩开裂性能，主要探讨了高效减水剂种类和掺量、矿物外加剂（粉煤灰、矿粉和硅灰）单掺和复掺、减缩剂和聚丙烯纤维单掺及复掺对水泥基材料收缩开裂性能的影响以及讨论了砂浆收缩与混凝土开裂的关系。

通过研究，主要得到以下结论：

（1）同水灰比同塌落度时，萘系和脂肪族减水剂增大砂浆收缩，加剧混凝土开裂；聚羧酸减水剂抑制砂浆收缩，降低混凝土开裂风险。

同水灰比，聚羧酸减水剂掺量在0.6%～1.5%范围，砂浆自收缩随掺量增加变化不大，砂浆干燥收缩和混凝土开裂风险随掺量增加而增大。

同塌落度，聚羧酸减水剂掺量在0.6%～1.5%范围，砂浆自收缩随掺量增加而增加，而砂浆干燥收缩和混凝土开裂风险随掺量增加而减小。

对掺减水剂的普通混凝土（w/c=0.40～0.50）而言，干燥收缩是引起混凝土开裂的主要因素。

（2）在20%～40%掺量范围，粉煤灰或矿粉能抑制砂浆收缩，降低混凝土最大裂缝宽度和总开裂面积，显著提高混凝土抗裂性能；砂浆自收缩和干燥收缩随粉煤灰或矿粉掺量增加而大幅降低，混凝土抗裂性能随掺量增加而提高；粉煤灰抑制收缩和降低开裂的效果优于矿粉。

在5%～10%掺量范围，硅灰增大砂浆收缩，尤其显著增加24h自收缩和7d干燥收缩，加剧混凝土开裂；砂浆自收缩和干燥收缩随硅灰掺量增加而增加，混凝土开裂风险随掺量增加而增大。

（3）复掺30%～40%的粉煤灰与矿粉能显著降低砂浆收缩和混凝土总开裂面积，提高混凝土抗裂性能。

矿粉与粉煤灰以1:

2～2:

1复合等量取代30%水泥时，复合比对砂浆收缩、混凝土最大裂缝宽度和总开裂面积影响不大。

硅灰与粉煤灰和矿粉二元或三元复合可以降低砂浆24h自收缩和7d干燥收缩增长速率，抑制砂浆收缩，降低硅灰对砂浆收缩和混凝土开裂的不利影响，提高混凝土抗裂性能，且混凝土强度不会显著降低。

掺矿物外加剂的混凝土总开裂面积与砂浆的收缩有显著的线性相关性，自收缩和干燥收缩是影响掺矿物外加剂混凝土开裂的主要因素。

（4）减缩剂和聚丙烯纤维能有效抑制砂浆收缩和降低混凝土总开裂面积，提高混凝土抗裂性能。

减缩剂主要大幅降低混凝土裂缝根数，而聚丙烯纤维能显著降低裂缝宽度。

减缩剂掺量在0.6%～1.2%范围，砂浆的收缩和混凝土的总开裂面积随掺量增加而降低，抗压强度随掺量增加显著降低。

聚丙烯纤维的长度对砂浆收缩和混凝土总开裂面积影响相对较小，但对裂缝宽度影响较大，纤维长度为粗集料最大粒径的3/5时，混凝土抗裂性能最佳。

聚丙烯纤维掺量较低（0.6Kg/m3）时，纤维对收缩和开裂的抑制效果不明显，随掺量增加（0.9Kg/m3～1.2Kg/m3），混凝土抗裂性能显著提高。

在本实验条件下，聚丙烯纤维掺量宜选择0.9Kg/m3～1.2Kg/m3。

混凝土总开裂面积与砂浆收缩的相关性分析表明，减缩剂降低收缩是减缩剂抑制混凝土开裂的主要原因，而聚丙烯纤维抑制混凝土开裂的主导因素不是降低收缩。

（5）复掺减缩剂和纤维能显著降低砂浆收缩和混凝土总开裂面积，提高混凝土抗裂性能。

水灰比在0.42～0.34范围，复掺减缩剂和纤维的砂浆干燥收缩随水灰比降低而降低，而砂浆自收缩、混凝土最大裂缝宽度和总开裂面积随水灰比降低而显著增加。

复掺减缩剂和纤维的高性能混凝土总开裂面积与自收缩有良好的线性关系，自收缩是引起低水灰比高性能混凝土开裂的主要因素。

关键字：

水泥基材料开裂性能自收缩干燥收缩高效减水剂矿物外加剂减缩剂聚丙烯纤维

Abstract

Inthisarticle,influenceofconcreteadmixturesonshrinkageandcrackingpropertyofcement-basedmaterialswasinvestigatedusingtheedgeconstrainedplatemethod,autogenousshrinkageanddryingshrinkagetest.Themainresearchcontentsincludedtheeffectofsuperplasticizertypeanddosage,unitaryandcompoundmineraladmixtures（i.e.flyash（FA）,blastfurnaceslag（BFS）,silicafume（SF））,shrinkage-reducingadmixture（SRA）andpolypropylenefiber（PPF）.Andtherelationshipofmortarshrinkageandconcretecrackingwasalsodiscussed.Severalconclusionshadobtainedthroughtheseresearchresults.

（1）Atthesameslumpandw/c,naphthaleneandaliphaticsuperplasticizerincreasedautogenousshrinkageanddryingshrinkageofmortarandgreatlyincreasedcrackingriskofconcrete.However,polycarboxylatesuperplasticizer（PCA）couldinhibitshrinkageofmortarandreducetheriskofcrackingproblem.Whenw/cwas0.42anddosagesvariesfrom0.6%to1.5%,PCAdosagesexhibitedlessimpactonautogenousshrinkage.AnddryingshrinkageofmortarandcrackingriskofconcreteincreasedwithincreasingPCAdosages.TheautogenousshrinkageofmotorincreasedwithincreasingPCAdosages,whiledryingshrinkageofmortarandcrackingriskofconcretedecreasedwithincreasingPCAdosagesunderkeepingsameslumpanddosagesvariesfrom0.6%to1.5%.Dryingshrinkageisthemainreasonofcrackingforordinaryconcrete（w/c=0.50~0.40）withPCA.

（2）Whencontentrangedfrom20%to40%,FAorBFSeffectivelyinhibitedmortarfreeshrinkage,obviouslyreducedthemaximumcrackwidthandtotalcrackareaofconcrete,andimprovedconcreteanti-crackingproperty.AutogenousshrinkageanddryingshrinkageweregreatlyreducedwithincreasingFAorBFScontent,concreteanti-crackingpropertywasincreasedwithincreasingFAorBFScontent.Mortarshrinkageperformanceandconcreteanti-crackingpropertywithFAwasbetterthanthatofBFSwhenappliedatthesamecontent.Whencontentrangedfrom5%to10%,SFincreasedmortarshrinkageandconcretecrackingrisk,particularlygreatlyincreasedautogenousshrinkagebefore24hoursanddryingshrinkagebefore7days.WiththeincreasingdosageofSF,autogenousshrinkageanddryingshrinkagesignificantlyincreasedandconcretecrackingriskgreatlyincreased.

（3）Replacing30%to40%ofcement（bymass）withFAandBFSinthecement-basedmaterials,mortarshrinkageandconcretetotalcrackingareawereobviouslyreduced,andconcreteanti-crackingpropertywasgreatlyimproved.BFSandFAcompoundratioexhibitedlittleeffectontheshrinkageofmortarandthemaximumcrackwidthandtotalcrackareaofconcretewhenBFSandFAratioswereintherangeof1:

2to2:

1andcontentwaskeptat30%replacementofcementbymass.SF/FA/BFSbinaryorternaryblendscouldinhibitmortarshrinkageandgreatlyreduce24hoursautogenousshrinkagegrowthrateand7daysdryingshrinkagegrowthrate.TheincreasingeffectofSFonmortarshrinkageandconcretecrackingriskwaseliminatedinbinaryandternaryblendsinwhichanti-crackingpropertieswereimproved.Andthegoodcompressivestrengthofconcretewasobserved.Agoodlinearcorrelationwasnotedbetweentheconcretetotalcrackingareaandthe​​mortarshrinkage,autogenousshrinkageanddryingshrinkageisthemainfactorofcrackingforconcretewithmineraladmixtures.

（4）IthadbeennotedthattheadditionofSRAandPPFcouldeffectivelyinhibitmortarshrinkage,significantlyreducedthetotalcrackareaofconcreteandimprovedconcreteanti-crackingbehavior.SRAcouldgreatlyreducethenumberofconcretecracksandPPFcouldsignificantlyreducecrackwidth.WhenSRAcontentwasintherangeof0.6%to1.2%,mortarshrinkageandconcretetotalcrackingareawerelessenedwithincreasingSRAcontents,andtheconcretecompressivestrengthsignificantlywasdecreased.WhenPPFcontentwaskeptat0.9Kg/m3,PPFlengthhadlesseffecttomortarshrinkageandconcretetotalcrackingarea,buthadgreatereffecttoconcretecrackwidth.Concreteexhibitedbetteranti-crackingbehaviorwhenfiberlengthwas3/5ofthecoarseaggregate’smaximumparticlesize.TheresultsshowedthattheinhibitioneffectoflowcontentPPF（0.6Kg/m3）wasnotobviousonshrinkageandcracking.AsPPFcontentincreased（0.9Kg/m3~1.2Kg/m3）,concreteanti-crackingperformancehadimprovedsignificantly.Accordingtotestresultsandexperimentcondition,theoptimumcontentofPPFcontentswas0.9Kg/m3~1.2Kg/m3.TheresultsofcorrelationanalysisbetweenconcretetotalcrackingareaandmortarshrinkageshowedthatthemainreasonofinhibitingconcretecrackingwithSRAwasthatdecreasingshrinkage.However,PPFcouldalsoinhibitedconcretecracking,whichwasnotthemaincauseofdecreasingshrinkage.

（5）SRAandPPFusedincombinationcouldeffectivelyreducethemortarshrinkageandconcretecrackingarea.Andtheanti-crackingbehaviorofconcretewasobviouslyimproved.Whenw/cwasintherangeof0.42to0.34,withthedecreaseofw/c,mortardryingshrinkagelessened,whereastheautogenousshrinkageofmortarandthemaximumcrackwidthandtotalcrackareaofconcreteincreased.Agoodlinearcorrelationwasfoundbetweentheconcretetotalcrackingareaandthe​​mortarshrinkage,autogenousshrinkagewasthemainfactorofcrackingforhighperformanceconcretewithSRAandPPFatlowerw/c.

Keywords:

cement-basedmaterials,cracking,autogenousshrinkage,dryingshrinkage,superplasticizer,mineraladmixtures,shrinkage-reducingadmixture,polypropylenefiber

1前言

1.1选题背景

自2009年哥本哈根会议召开以后，以“低能耗、低污染、低排放”为基础的低碳经济已经成为世界关注的焦点。

目前，水泥基材料是我国用量最大的建筑材料，2010年我国水泥产量已达到18.7亿吨，熟料产量约11.5亿吨，混凝土使用量超过30亿方。

2009年统计数据显示[1]，我国2009年原煤产量达29.6亿吨，CO2排放量达到77.5亿吨，其中水泥产业煤耗1.8亿吨，占6.6%，CO2排放量13.8亿吨，占26.1%。

要实现低碳经济，高能耗和高环境负荷的水泥基材料必须实行节能减排，走可持续发展道路。

姚燕[1]指出，发展废渣综合利用和协同处理技术以及长寿命、高耐久的水泥混凝土研究应用是低碳经济时代水泥混凝土行业发展的主要方向之一。

姚燕还在第十二届水泥混凝土技术会议的主报告《水泥混凝土低碳技术的发展趋势》上指出，要发展水泥混凝土行业低碳技术，我们应该着重关注水泥与水泥基材料的节能减排、工业与城市废弃物资源化利用、混凝土抗裂性和耐久性的提高以及重大工程用水泥基材料的研发和应用四大课题。

中国工程院院士唐明述[2]认为，要充分利用工业废渣、提高工程结构耐久性和延长使用寿命，实施水泥混凝土可持续发展战略，节约能源、资源和保护环境。

美国著名学者Mehta[3]认为，从长远来看，延长新建建筑物的使用寿命，减少混凝土的消耗速度，混凝土产业资源的高效利用和绿色化是可行的。

20世纪90年代前，混凝土主要走高强化道路，高强化后的混凝土结构容易出现裂缝，在恶劣环境下更易恶化，达不到预期使用寿命，21世纪的混凝土必须考虑耐久性[4]。

1990年美国提出“高性能混凝土”，之后我国吴中伟院士相继提出“绿色混凝土”和“绿色高性能混凝土”[5]。

混凝土在这100多年的发展经历和实践证明，混凝土材料的耐久性将受到越来越大的挑战。

文献[6]报道，美国在未来的20年，每年将花费750亿美元作为混凝土基建工程的维修费用。

加上重建和新建道路、桥梁、码头、机场等工程，每年花费将达到数千亿美元。

中国水利水电科学研究院[7]对我国32座大型水电站混凝土大坝的耐久性进行调查，结果表明，32座大坝均存在裂缝问题，有的较为严重，已危及安全生产。

混凝土表面裂缝的形成和发展会成为有害物质入侵混凝土的自由通道，会导致混凝土过早损坏及结构物耐久性下降，导致巨大的经济损失和降低建筑物的服役寿命。

水泥混凝土的收缩变形引起的形变裂缝是引起混凝土结构裂缝的主要原因。

混凝土收缩和开裂一直以来是国内外学者研究的热点，至今已连续召开了20余届关于各类混凝土耐久性和裂缝控制的国际会议，我国也多次召开了全国性的混凝土耐久性和裂缝控制学术研讨会。

可见，降低混凝土收缩和改善混凝土的抗裂性能，提高混凝土的耐久性势在必行，已成为长期以来水泥混凝土工程技术的一个重大课题。

1.2混凝土开裂原因探析及裂缝控制措施

1.2.1混凝土收缩与开裂的关系

裂缝是固体材料中的一种不连续现象，混凝土的裂缝一般主要有粘着裂缝、水泥石裂缝和集料裂缝三种。

在这三种裂缝中，前两种居多，集料裂缝较少。

混凝土裂缝按其成因主要分为荷载裂缝、次荷载裂缝和非荷载裂缝。

荷载裂缝和次荷载裂缝是由外荷载直接应力和次应力引起的，而非荷载裂缝是由混凝土的体积变化引起的。

根据国内外的调查资料[8]，水泥混凝土收缩变形引起的形变裂缝是引起混凝土结构裂缝的主要原因，约占全部裂缝的80%，由荷载引起的裂缝约占20%。

混凝土在自由收缩条件下是不会开裂的，但在实际使用中，混凝土的约束不可避免。

在约束状态下，混凝土内部会产生拉应力，当拉应力超过抗拉强度时，裂缝就会出现。

这种裂缝较易发生在早期，是因为混凝土早期强度和抗拉强度都比较低，当混凝土产生较大收缩应变时，混凝土就会开裂。

研究表明，混凝土早期的拉应变能力较低，混凝土在浇筑后10小时左右抵抗拉应力的破坏应变值达到最低点，之后极限拉应变值开始增加[9]。

在混凝土不断硬化的过程中，强度不断发展的同时，弹性模量显著增加，致使混凝土微小的收缩变形就产生较大拉应力。

当混凝土弹性模量发展速率超过强度发展速率时，混凝土收缩变形引起的开裂风险也会增加。

由上述分析可见，混凝土在约束状态下的收缩变形是混凝土开裂的导火线。

在约束条件下，混凝土产生较大的收缩应变时，混凝土存在较大的开裂风险。

混凝土的自由收缩与混凝土的开裂并没有必然的关系，但我们可以用自由收缩来间接评价混凝土的抗裂性能。

除此之外，混凝土抗裂性能还与混凝土变形能力有关。

若混凝土具有较大抗拉应变时，混凝土开裂风险降低。

混凝土的抗拉强度、弹性模量和徐变等其它因素也会影响混凝土开裂。

1.2.2混凝土的收缩变形

混凝土的收缩变形主要是指因温度、湿度和环境变化引起的体积缩小，其中因湿度引起的变化占主要部分。

混凝土的收缩一般包括：

塑性收缩、干燥收缩、自收缩、温度收缩及碳化收缩等。

（1）塑性收缩。

塑性收缩是指新拌混凝土凝结硬化前的收缩，是由化学收缩、自收缩、沉降收缩和表面水分蒸发速率大于泌水速率等因素共同作用的结果。

塑性收缩主要是毛细管压力作用引起的。

塑性收缩一般发生在混凝土浇筑后的4～15h左右。

文献[10]指出，混凝土泌水能够部分补偿混凝土在塑性状态下蒸发水，当混凝土表面水分蒸发超过0.5kg/m2/h，产生的毛细管压力会引起混凝土内部收缩应变。

水灰比、凝结时间、环境温度、风速、相对湿度等是影响混凝土塑性收缩开裂的主要因素。

（2）干燥收缩。

干燥收缩是指停止养护后，混凝土在不饱和空气中失去毛细孔和凝胶孔中的吸附水引起的不可逆收缩。

干燥收缩是混凝土后期产生