Microsoft Word 阎培渝

Size: px

Start display at page:

Download "Microsoft Word 阎培渝"

钢惟孙
5 years ago
Views:

1 第 43 卷第 4 期 2015 年 4 月硅酸盐学报 Vol. 43,No. 4 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY April,2015 DOI: /j.issn 高强自密实混凝土的减缩措施阎培渝 1, 余成行 2, 王强 1 1, 张波 (1. 清华大学土木工程系, 北京 ;2. 北京中超混凝土有限公司, 北京 ) 摘要 : 观察了不同掺量的减缩剂和高吸水性树脂对于 C70 自密实混凝土的工作性抗压强度和体积稳定性的影响 ; 对含有高吸水性树脂的硬化混凝土的微观结构进行了分析, 探讨高吸水性树脂降低混凝土自收缩的机理结果显示, 掺加减缩剂和高吸水性树脂都能降低自密实混凝土的自收缩 ; 高吸水性树脂的减缩效果更好, 对于混凝土工作性的影响很小 ; 掺加适量高吸水性树脂使高强混凝土的自收缩开始发展时间延后, 第一天内的收缩量降低, 有利于提高混凝土的抗裂性能 ; 在硬化混凝土中高吸水性树脂颗粒分散分布, 水分释放后留下的孔洞的直径大多处于 50~70 nm 范围内, 并使混凝土的总孔隙率有所上升, 但对其抗压强度的影响较小关键词 : 混凝土 ; 自收缩 ; 抗压强度 ; 高吸水性树脂 ; 减缩剂中图分类号 :U459.5 文献标志码 :A 文章编号 : (2015) 网络出版时间 : :15:07 网络出版地址 : Shrinkage-reducing Measurement of High Strength Self-compacting Concrete YAN Peiyu 1, YU Chenghang 2, WANG Qiang 1, ZHANG Bo 1 (1. Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing , China; 2. Beijing Zhongchao Concrete Co. Ltd., Beijing , China) Abstract: The effect of dosage of shrinkage-reducing admixture (SRA) and super adsorbent polymer (SAP) on the workability, compressive strength and volume stability of C70 self-compacting concrete was investigated. The microstructure of hardened concrete containing SAP was analyzed to explain the shrinkage-reducing mechanism of SAP. The results show that SRA and SAP both can decrease the autogenous shrinkage of self-compacting concrete. SAP has higher shrinkage-reducing efficiency and less negative influence on the workability of concrete rather than SRA. The beginning time of autogenous shrinkage of high strength concrete with SAP delays and the shrinkage amount in the first day decreases, which can improve the anti-cracking property of concrete. SAP particles disperse uniformly in hardened concrete. The diameter of the pores in SAP particles formed by the release of water is mainly in a range of nm. The porosity of concrete with SAP increases gently, affecting slightly the compressive strength of concrete. Key words: concrete; autogenous shrinkage; compressive strength; super adsorbent polymer; shrinkage-reducing admixture 我国大量的超高层建筑都使用钢混凝土组合巨柱为外框架, 钢板混凝土或钢筋混凝土剪力墙为内框筒的承载结构形式钢混凝土组合巨柱的截面积很大, 混凝土强度等级高如天津 117 大厦的 C70 混凝土柱的截面积超过 100 m 2, 北京中国尊的 C70 混凝土柱的截面积超过 60 m 2, 深圳平安金融中心的 C70 混凝土柱的截面积超过 30 m 2 钢结构内部空间的尺寸很大, 最大长度可超过 4 m 这些巨柱需要在钢结构内外浇筑混凝土混凝土浇筑振捣条件差, 要求其具有自密实的性能高强混凝土放热量大, 浇筑过程中的散热条件较差, 所以, 这些大体积高强自密实混凝土的核心温度高, 水化硬化速率快, 自收缩与温度收缩大, 存在开裂或脱空的风险为了降低大体积高强混凝土的收缩, 除降低混凝土的入模温度, 降低混凝土的最大温升和温升速率, 控制混凝土的降温速率等措施外, 还可以采用收稿日期 : 修订日期 : 基金项目 : 自然科学基金面上项目 ( ); 教育部博士点基金项目 ( ) 第一作者 : 阎培渝 (1955 ), 男, 博士, 教授 Received date: Revised date: First author: YAN Peiyu(1955 ), male, Ph.D., Professor. yanpy@tsinghua.edu.cn

364 硅酸盐学报 J Chin Ceram Soc, 2015, 43(4): 363 367 2015 年 [1] 掺加减缩剂 (SRA), 内养护等手段 Shah 等和 [2] Folliard 等最早证明了减缩剂可有效降低混凝土的收缩, 减小由于收缩导致的结构开裂的风险 Meddah 等研究证明, 复合掺加减缩剂与膨胀剂, 可有效减小低水胶比的高性能混凝土的自收缩与内部应力 [3]

是一种有效的降低混凝土收缩的外加剂 [9] 本研究针对实际工程需要, 对比研究了减缩剂和高吸水性树脂对于 C70 高强自密实混凝土的抗压强度与体积稳定性的影响, 并通过微观结构分析探讨了高吸水性树脂的减缩机理 1 实验 1.1 原材料 P.O.42.5 普通硅酸盐水泥, 比表面积为 324 m 2 /kg,3 d 和 28 d 胶砂抗压强度为 25.5 MPa 和 52.

4% Tetraguard AS21 减缩剂为液体 ; 国产的高吸水性树脂颗粒, 其形貌见图 1 从图 1 可见,SAP 颗粒表面光滑, 没有明显的孔洞 ; 大多数颗粒粒径在 100 μm 以上图 1 SAP 颗粒的形貌 Fig. 1 Morphology of super adsorbent polymer (SAP) particles 1.

2 364 硅酸盐学报 J Chin Ceram Soc, 2015, 43(4): 年 [1] 掺加减缩剂 (SRA), 内养护等手段 Shah 等和 [2] Folliard 等最早证明了减缩剂可有效降低混凝土的收缩, 减小由于收缩导致的结构开裂的风险 Meddah 等研究证明, 复合掺加减缩剂与膨胀剂, 可有效减小低水胶比的高性能混凝土的自收缩与内部应力 [3] 但是掺加减缩剂的混凝土的力学性能有所降低 [4] 采用内养护技术可增加混凝土内部的湿度, 改善胶凝材料的水化环境, 提高其水化程度常采用预湿陶粒与高吸水性树脂 (SAP) 两种材料来实现内养护 [5 6] 陶粒来源较为困难, 品质波动较大, 在实际工程中使用不是很多 SAP 最早由 Jensen 等引入混凝土行业 [7 8], 近年来在实际工程中的应用逐渐增多, 是一种有效的降低混凝土收缩的外加剂 [9] 本研究针对实际工程需要, 对比研究了减缩剂和高吸水性树脂对于 C70 高强自密实混凝土的抗压强度与体积稳定性的影响, 并通过微观结构分析探讨了高吸水性树脂的减缩机理 1 实验 1.1 原材料 P.O.42.5 普通硅酸盐水泥, 比表面积为 324 m 2 /kg,3 d 和 28 d 胶砂抗压强度为 25.5 MPa 和 52.4 MPa I 级粉煤灰 (FA), 需水量比 93%, 烧失量 3.2%,45 μm 筛筛余 9.4% 硅灰(SF) 的比表面积为 m 2 /kg,sio 2 含量为 92.0% 5~20 mm 连续级配石灰石碎石, 含泥量与泥块含量分别为 0.4% 和 0.2%, 压碎指数为 4.7% 天然河砂, 细度模数为 2.6, 含泥量与泥块含量分别为 1.4% 和 0.4% 聚羧酸减水剂 (SP), 固体含量 20%, 减水率为 32.4% Tetraguard AS21 减缩剂为液体 ; 国产的高吸水性树脂颗粒, 其形貌见图 1 从图 1 可见,SAP 颗粒表面光滑, 没有明显的孔洞 ; 大多数颗粒粒径在 100 μm 以上图 1 SAP 颗粒的形貌 Fig. 1 Morphology of super adsorbent polymer (SAP) particles 1.2 混凝土性能试验设计了 9 组混凝土配合比 ( 表 1), 考察掺加不同量的 SRA 和 SAP 的混凝土的抗压强度和早期体积稳定性 SAP 的吸水率按其掺加量的 30 倍计算, 试样 No.5 到 No.9 中额外加入的水量分别为胶凝材料量的 2%~6% 额外的水在混凝土拌合时加入 SRA 与减水剂一起加入到搅拌机中 ;SAP 与砂石一起进入搅拌机中表 1 混凝土配合比 Table 1 Concrete mix proportions Sample No. Mix proportion/(kg m 3 ) Water Cement FA SF Sand Stone SRA SAP Mass fraction of SP/% FA-Class I fly ash; SF-Silica fume; SP-Polycarboxylate superplasticizer; SRA-Shrinkage-reducing admixture; SAP-Superadsorbent polymer.

3 第 43 卷第 4 期阎培渝等 : 高强自密实混凝土的减缩措施 365 混凝土拌合后按照国家标准自密实混凝土应用技术规程 (JGJ/T283) 测定拌合物出机时和 2 h 后的坍落扩展度和 V 形漏斗通过时间 ; 同时成型 100 mm 100 mm 100 mm 的立方体试件试件在振动台上振捣 15 s, 抹平, 覆盖塑料薄膜, 在室内静置 24 h 后脱模, 在标准条件 [(20±2), 相对湿度 (RH) 95%] 下养护至规定龄期, 测定其抗压强度混凝土的自收缩采用自行设计的 LVDT 微位移自动测试系统进行测定 [10] 混凝土自收缩测定的起始点为用贯入阻力法确定的混凝土初凝时刻, 大约在混凝土加水拌合后的 8~10 h 测试环境温度为 (20±2) 研究所用混凝土主要用于钢管混凝土结构, 被外部钢管包围的核心混凝土不存在干燥收缩, 所以本实验没有测定混凝土的长期干燥收缩收集抗压强度试验后的混凝土碎块用 FEI Quanta 200 型扫描电子显微镜以高真空模式观察硬化混凝土新鲜断口的微观形貌, 了解 SAP 在硬化混凝土中的存在状态用 AUTOPORE II 9220 型压汞仪测定硬化混凝土的孔隙特征, 最大入汞压力为 300 MPa 2 结果与讨论 2.1 减缩剂和高吸水性树脂对于混凝土强度和体积稳定性的影响各混凝土的工作性与抗压强度测定结果见表 2 各混凝土的 7 d 自收缩值见表 3 掺加 SRA 后, 混凝土拌合物的工作性略有降低, 稍微增加减水剂的用量后, 混凝土拌合物的工作性能够满足自密实的要求掺加 SRA 的硬化混凝土的各龄期强度都有所降低随 SRA 掺量增加, 强度降低的幅度增大所有掺加 SRA 的混凝土, 只有掺量为 2 kg/m 3 的试样 No.2 的 60 d 强度大于 80 MPa; 其余试样的 60d 强度均低于 80 MPa, 难于满足实际工程应用时 C70 强度等级对于强度保证率的要求考虑到优质 SRA 的价格高, 供应量小, 市场采购困难, 不建议在实际工程中使用使用 SAP, 在混凝土拌合物中额外多加了胶凝材料总量 2%~6% 的水, 其混凝土拌合物的工作性有所改善, 使其坍落扩展度微微增加, 黏度下降由于额外多加的水很快被 SAP 吸收, 拌合物中并没有多余的游离水, 所以拌合物没有离析, 均质性好掺加 SAP 的混凝土的各龄期强度也有所降低, 但降低幅度小于掺加 SRA 的混凝土在 SAP 掺量不大于 0.6 kg/m 3 时, 混凝土 60 d 强度仅下降 1.6% 除 SAP 掺量为 1.15 kg/m 3 的试样 No.9 外, 其余试样的 60 d 强度均大于 82 MPa, 满足实际工程应用时 C70 强度等级对于强度保证率的要求 Table 2 Sample No. 表 2 新拌与硬化混凝土的性能 Properties of fresh and hardened concrete Slump flow/mm Compressive strength/mpa Time * /s Initial 2 h 3 d 7 d 28 d 60 d * Measured by V-funnels. Sample No. Table 3 表 3 混凝土的 7 d 自收缩值 Autogenous shrinkage of concretes in 7 d Addition/(kg m 3 ) SRA SAP Autogenous shrinkage ( 10-6 ) Percentage comparing with controlling concrete/% 由表 3 所示各混凝土的 7 d 自收缩值可见, 掺加 SRA 后, 高强自密实混凝土的自收缩明显降低, 其降低幅度不与 SRA 的掺量成正比掺加 2 kg/m 3 的 SRA 的混凝土试样 No.2, 其自收缩值降低到空白混凝土的 79%, 但掺加 6 kg/m 3 的 SRA 的混凝土试样 No.4, 虽然 SRA 的掺量增加了 2 倍, 但其自收缩值仅降低到空白混凝土的 51%, 降低幅度小于 150% 掺加 SAP 可以更大幅度地降低混凝土的自收缩仅掺加 0.38 kg/m 3 的 SAP 的混凝土试样 No.5, 其自收缩值就比空白混凝土降低了近一半 SAP 对于混凝土自收缩的降低幅度也不与 SAP 的掺量成正比, 其减缩效率随掺量增加而逐渐降低掺加 0.77 kg/m 3 的 SAP 的混凝土试样 No.7, 其自收缩值

366 硅酸盐学报 J Chin Ceram Soc, 2015, 43(4): 363 367 2015 年降低到空白混凝土的 37%; 掺加 1.15 kg/m 3 的 SAP 的混凝土试样 No.

6 kg/m 3 对比各种混凝土试样的自收缩曲线 ( 图 2) 可见, 空白混凝土在水化第一天内发生约 350 10 6 的自收缩, 而后面 6 d 的收缩值也有约 200 10 6 ; 掺加 6 kg/m 3

此时再发生收缩, 混凝土能够抵抗所产生的内应力, 开裂风险就降低了掺加 SAP 的混凝土的早期自收缩发展速率较低, 开始晚, 有利于降低混凝土的开裂风险利影响越小 (a) Controlling

3 Morphologies of hardened concrete at 90 d 图 2 混凝土试样的自收缩曲线 Fig.

2 掺加高吸水性树脂的混凝土的微观结构在水化 90 d 后, 空白混凝土试样与掺加 SAP 的混凝土的微观形貌见图 3 空白混凝土试样的浆体结构非常致密, 大量片状 Ca(OH) 2 晶体叠层生长,

4 366 硅酸盐学报 J Chin Ceram Soc, 2015, 43(4): 年降低到空白混凝土的 37%; 掺加 1.15 kg/m 3 的 SAP 的混凝土试样 No.9, 其自收缩值仅降低到空白混凝土的 27% 综合考虑对于混凝土强度和体积稳定性的影响, 建议 SAP 的掺量不大于 0.6 kg/m 3 对比各种混凝土试样的自收缩曲线 ( 图 2) 可见, 空白混凝土在水化第一天内发生约的自收缩, 而后面 6 d 的收缩值也有约 ; 掺加 6 kg/m 3 的 SRA 的混凝土试样 No.4, 虽然 7 d 内总的自收缩仅 , 但第一天内的自收缩就有 ; 掺加 0.38 kg/m 3 的 SAP 的混凝土试样 No.7,7 d 内总的自收缩与试样 No.4 相近, 但第一天内的自收缩值仅约 , 自收缩开始发展的时间晚了 3 h 混凝土的早期强度较低, 此时如发生较大收缩, 对其抵抗开裂特别不利随胶凝材料水化程度提高, 混凝土强度迅速增长, 此时再发生收缩, 混凝土能够抵抗所产生的内应力, 开裂风险就降低了掺加 SAP 的混凝土的早期自收缩发展速率较低, 开始晚, 有利于降低混凝土的开裂风险利影响越小 (a) Controlling concrete (b) Concrete with SAP 图 3 水化 90 d 后空白混凝土试样与掺加 SAP 的混凝土的微观形貌 Fig. 3 Morphologies of hardened concrete at 90 d 图 2 混凝土试样的自收缩曲线 Fig. 2 Autogenous shrinkage curves of concretes 2.2 掺加高吸水性树脂的混凝土的微观结构在水化 90 d 后, 空白混凝土试样与掺加 SAP 的混凝土的微观形貌见图 3 空白混凝土试样的浆体结构非常致密, 大量片状 Ca(OH) 2 晶体叠层生长, 是典型的水化程度很高的硬化水泥基材料浆体的形貌 ( 图 3a) 掺加 SAP 的混凝土的浆体也很致密, 可见吸水后膨大, 并在胶凝材料水化过程中释放水分所形成的带有内部孔洞的 SAP 颗粒 ( 图 3b) 对比图 1 所示干燥的 SAP 颗粒粒径, 硬化混凝土中的 SAP 颗粒粒径更小一些这可能是因为在混凝土拌合过程中,SAP 颗粒受到砂石颗粒的强烈挤压磨削作用, 而被破碎在硬化混凝土中,SAP 颗粒是软弱颗粒, 粒径越小, 分布越均匀, 对混凝土强度的不在水化 90 d 后, 空白试样与掺加 SAP 的混凝土中的胶凝材料浆体的孔隙特征见图 4 由于 SAP 在胶凝材料水化过程中将预先吸收的水分释放, 在其图 4 90 d 龄期的混凝土的孔隙特征 Fig. 4 Pore characteristics of hardened concrete at 90 d

5 第 43 卷第 4 期阎培渝等 : 高强自密实混凝土的减缩措施 367 颗粒内部形成细小的孔洞, 掺加 SAP 的混凝土试样 No.5 的累计孔隙率和最可几孔径均大于空白混凝土试样因大量孔洞分布在直径为 50~70 nm 的区间, 对于混凝土的抗压强度影响较小, 所以混凝土的孔隙率增加只导致抗压强度略有下降 2.3 减缩剂与高吸水性树脂对混凝土性能影响的机理分析 SRA 与 SAP 都可以降低混凝土的自收缩 ; 但在减缩效果相同时,SRA 导致混凝土强度下降的幅度大于 SAP SRA 是非离子型的表面活性剂 SRA 加入混凝土拌合物后, 可降低毛细孔内溶液的表面张力, 减小毛细孔负压, 从而减小混凝土的自收缩 SRA 同时也降低了离子在孔溶液中的溶解与扩散速率, 降低胶凝材料的水化速率, 使硬化浆体的总孔隙率降低, 但大孔增加 [11] SAP 额外引入的水将降低混凝土硬化过程中的自干燥作用, 减小毛细孔负压, 从而减小混凝土的自收缩因加入的是净水, 充裕的水量会促进胶凝材料的水化硬化, 降低水量增加所带来的不利影响所以,SAP 对于混凝土的强度的负面影响小于 SRA 3 结论 1) 掺加减缩剂和高吸水性树脂都能降低高强自密实混凝土的自收缩高吸水性树脂的减缩效果更好, 对于混凝土工作性的影响很小 2) 掺加适量高吸水性树脂使高强混凝土的自收缩开始发展时间延后, 第一天内的收缩量降低, 有利于提高混凝土的抗裂性能 3) 在硬化混凝土中高吸水性树脂颗粒分散分布, 由于水分释放后留下的孔洞的直径大多处于 50~70 nm 的范围内, 并使混凝土的总孔隙率有所上升, 但对其抗压强度的影响较小参考文献 : [1] SHAH S P, KARAGULER M E, SARIGAPHUTI M. Effects of shrinkage-reducing admixtures on restrained shrinkage cracking of concrete[j]. ACI Mater J, 1992, 89(3): [2] FOLLIARD K J, BERKE N S. Properties of high-performance concrete containing shrinkage-reducing admixture[j]. Cem Concr Res, 1997, 27(9): [3] MEDDAH M S, SUZUKI M, SATO R. Influence of a combination of expansive and shrinkage-reducing admixture on autogenous deformation and self-stress of silica fume high-performance concrete[j]. Constr Build Mater, 2011, 25(1): [4] GETTU R, RONCERO J, MARTIN M A. Long-term behaviour of concrete incorporating a shrinkage-reducing admixture[j]. Indian Concr J, 2002, 76(9): [5] 王晴, 刘磊, 陈彦文, 等. 自释放水源高强轻集料混凝土收缩性能的研究 [J]. 施工技术, 2005(S2): WANG Qin, LIU Lei, CHEN Yanwen, et al. Constr Technol (in Chinese), 2005(S2): [6] 孔祥明, 张珍林. 高吸水性树脂对高强混凝土自收缩的减缩机理 [J]. 硅酸盐学报, 2014, 42(2): KONG Xiangming, ZHANG Zhenlin. J Chin Ceram Soc, 2014, 42(2): [7] JENSEN O M, HANSEN P F. Water-entrained cement-based materials I: principle and theoretical background[j]. Cem Concr Res, 2001, 31: [8] JENSEN O M, HANSEN P F. Water-entrained cement-based materials II: implementation and experimental results[j]. Cem Concr Res, 2002, 32: [9] 王力尚, 刘仍光, 李晶, 等. SAP 对燥热环境中混凝土早期开裂的改善作用 [J]. 混凝土, 2014(2): WANG Lishang, LIU Renguang, LI Jing, et al. Concrete (in Chinese), 2014(2): [10] 阎培渝, 陈志城. 不同水胶比的粉煤灰混凝土的自收缩 [J]. 硅酸盐学报, 2014, 42(5): YAN Peiyu, CHEN Zhicheng. J Chin Ceram Soc, 2014, 42(5): [11] 王智, 邢霄龙, 石亮, 等. 减缩剂对水泥基早期性能影响 [J]. 混凝土, 2013(12): WANG Zhi, XING Xiaolong, SHI Liang, et al. Concrete (in Chinese), 2013(12):

mm ~

mm ~ 16 3 2011 6 Vol 16 No 3 JOURNAL OF HARBIN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Jun 2011 1 2 3 1 150040 2 150040 3 450052 1 3 4 > 1 ~ 3 > > U414 A 1007-2683 2011 03-0121- 06 Shrinkage Characteristics of