高性能混凝土试验研究

高性能混凝土结构试验研究吴欠欠1,田平2（1.大连大学，辽宁大连2266112.建筑工程学院，辽宁大连226611）摘要：高性能混凝土的性能需要不断地试验以了解其详细的参数，对两个方面的混凝土性能进行了试验研究。一是早期开裂是高性能混凝土应用中经常出现的问题，这不仅影响混凝土的外观质量，也给混凝土的耐久性带来不利影响。针对这一问题，利用平板法约束试验，研究自然环境下不同水胶比，大掺量粉煤灰以及聚丙烯纤维对海工高性能混凝土早期开裂的影响。二是高性能混凝土在工程中应用越来越广泛。本文对配筋和未配筋的高性能混凝土徐变进行了深入的试验和理论分析。对12个高性能混凝土试件进行了为期360天的分析研究。关键词：高性能混凝土；早期开裂；聚丙烯纤维；大掺量粉煤灰；徐变Abstract:Inordertounderstandtheperformanceofhighperformanceconcrete.Thereweretwoaspectsofthetesthadbeengong.Thefirstisearly-agecrackingisarecurrentproblemintheapplicationofhighperformanceconcrete，itnotonlyaffectstheoutwardappearancequalityofconcretebutalsobringsadverseeffectondurabilityofconcrete.Aimingatthisproblem.Theinfluencesofdifferentwater-binderratio，largevolumeflyashandpolypropylenefiberonearlycrackingofmaritimehighperformanceconcretebyusingflat-restrainttestonthenaturalenvironmentwerestudied.Thesecondishighperformanceconcreteiswidelyusedindifferentprojectsnow．Thecreepofhighperformanceconcretemembersisdeeplyanalyzed，andthecreepsof12specimensaremeasuredin360days．Keywords:highperformanceconcrete；crackingatearlyage；polypropylenefiber；highvolumeflyash；creep0引言目前正是我国经济高速发展的时期，由此也带来了我国混凝土建设的高峰。许多耗资巨大的重要建筑（构筑）物，如高层建筑、超高层建筑、大型公共建筑、跨海大桥、海底隧道、海上采油平台、海岸和近海岸工程已经建成或正在兴建。这些重要的基础设施大部分是混凝土结构且耗资巨大，一般要求的使用期限是100年以上。日本和欧美国家已提出500年服役寿命的要求和概念。目前已建工程因结构高度和耐久性要求的提升，普通混凝土已经不能满足要求。海洋工程中钢筋与混凝土材料受海洋环境的侵蚀作用而过早破坏的现象非常严重，因此这类混凝土的耐久性也是土木工程界关注的焦点问题。高性能混凝土（HighPerformanceConcrete，HPC）是20世纪80年代末90年代初，一些发达国家基于混凝土结构耐久性设计提出的一种全新概念的混凝土，它以耐久性为首要设计指标，这种混凝土有可能为基础设施工程提供100年以上的使用寿命。以高耐久性为主要目标的高性能混凝土越来越受到人们的重视，理论上高性能混凝土密实度高，抗渗性好，具有更高的耐久性和使用寿命，然而近几年来人们发现以低水胶比、高胶凝材料和超细矿物掺合料、大坍落度为基本特征的HPC也存在易裂性，而且早期裂缝出现的时间比传统的混凝土还要早[1]。早期裂缝的出现大大降低了混凝土的耐久性，阻碍了高性能混凝土的进一步推广使用，因此研究如何控制和减少高性能混凝土的早期开裂显得尤为重要。高性能混凝土的性能有很多影响因素，这里对徐变和早期开裂问题进行研究。对于海工高性能混凝土早期开裂的因素有，其中包括水胶比、水泥品种、水泥用量、矿物掺合料、外加剂、砂率、骨料、养护条件等。本试验利用平板法约束试验，研究自然环境下不同水胶比，大掺量粉煤灰以及聚丙烯纤维对海工高性能混凝土早期开裂的影响。1试验一材料及试验方案1.1试验材料水泥（C）：普通硅酸盐水泥P·O42.5R级；细集料（S）：河砂，细度模数2.7；粗集料（G）：碎石，粒径5~25mm，连续级配；粉煤灰（FA）：丹东某电厂产I级粉煤灰；减水剂：聚羧酸高效减水剂；聚丙烯纤维：辽宁巨欣丝状纤维1、2号。1.2试验方案1.2.1配合比设计配合比设计参考青岛海湾大桥配合比设计，设计C40高性能混凝土，根据坍落度要求调整减水剂用量，坍落度范围（18±2）cm。F1、F2、F3分别为粉煤灰取代水泥量30%、45%、60%；P1、P2、P3聚丙烯纤维为辽宁巨欣丝状纤维1号，掺量分别为0.6、0.9、1.2kg/m3，P4为辽宁巨欣丝状纤维2号，掺量为0.9kg/m3；F1P4、F2P4为双掺纤维和粉煤灰，纤维均为2号，掺量为0.9kg/m3，粉煤灰取代水泥量分别为30%、45%。具体配合比见表1。1.2.2平板开裂试验参照我国CECS13：2009《纤维混凝土试验方法标准》[2]，试验装置如图1所示，图2为试验基准混凝土J324h开裂效果图。本试验所有试件均采用自然环境下养护，环境温度（20±5）℃，相对湿度不大于60%，试件成型后即开始暴露试验，分别在3、6、12、24h时观测裂缝的数量、长度和宽度。2试验一结果与分析2.1抗压强度分析各配合比混凝土不同龄期的抗压强度如图3。图1各配合比不同龄期下抗压强度从图3中可以看出，粉煤灰和聚丙烯纤维的掺入均在一定程度降低混凝土的抗压强度，在早期更为明显。7d抗压强度，F1、F2、F3较J3分别降低36%、49%、64%。28d抗压强度，F1、F2、F3较J3分别降低10%、25%、41%，而较7d抗压强度，分别增长47%、57%、70%，此时J3较7d抗压强度仅仅增长6%。由此可见，在没有任何激发措施时，粉煤灰在早期仅仅充当细集料作用，几乎不参与水化反应，对强度几乎没有贡献，随着时间的推移，水泥水化产物为粉煤灰提供了良好的碱性环境，此阶段粉煤灰火山灰活性得以激发，对混凝土强度做出很大贡献。7d抗压强度，P1、P2、P3、P4较J3分别降低26%、23%、25%、21%，28d抗压强度，P1、P2、P3、P4较J3分别降低15%、13%、8%、10%，而较7d抗压强度，分别增长22%、20%、30%、22%。由此可见聚丙烯纤维的加入降低了混凝土的抗压强度，由于聚丙烯纤维细度高，比表面积大，即使掺量较低，也能在混凝土中获得很大的纤维-基体界面。由于聚丙烯纤维的不亲水性，纤维基体界面往往具有比基材更高的水灰比，使聚丙烯纤维-基体界面效应呈弱界面效应，导致混凝土的孔隙率增大，对混凝土强度不利[3]。F1P4、F2P4对强度的影响和F1、F2相似，从双掺试验结果分析，对于掺入粉煤灰的混凝土，纤维的加入对强度影响不大。2.2开裂结果与分析参照CECS13：2009《纤维混凝土结构技术规程》中推荐的混凝土（砂浆）早期抗裂性试验评价方法进行计算。对于无掺合料和聚丙烯纤维的混凝土，3种水灰比裂缝出现的规律是一致的，最先在平板中部出现一条，随即发展成一条上下贯通或是环形贯通主裂缝，这条主裂缝可以很好的释放收缩应力，其后出现的裂缝大都顺着周边约束螺栓方向向着板内延伸，从表3中可以看出J3主裂缝较宽，释放掉较多应力，表现为裂缝总条数有所减少。随着水灰比减少，裂缝总面积明显变大，且裂缝宽度也变大。这是因为随着水灰比降低，胶凝材料用量增大，水化后胶体间距离减小，从微观角度看，胶体颗粒间作用力更强，水化产物容易相互搭接形成空间网络结构，低水灰比混凝土早期弹性模量以及强度发展较快，而此时当混凝土表面水分蒸发速率大于混凝土内部泌水速率，混凝土表面出现塑性裂缝，弹性模量越大，收缩应力越大，开裂越明显，且水灰比越低，裂缝出现的时间越早。3试验一结论（1）一定范围内，随着水胶比降低，裂缝明显加剧。（2）大掺量粉煤灰可以很好的抑制裂缝，但抑制开裂效果与掺量不成正比。（3）聚丙烯纤维在混凝土中呈三维乱向分布，有效减少骨料下沉，封锁泌水通道，其在减少钢筋约束产生的裂缝方面效果显著。（4）聚丙烯纤维和粉煤灰双掺减裂效果较好，具有叠加减裂作用。4试验二4.1试验设计采用C60、C80两个强度等级试件尺寸为100mm×100mm×300mm。每个强度等级试件个浇筑两组（一组配筋，一组未配筋）每组各三件试件总数12件。每组有两个试块承受长期荷载，另外一个试块同条件放置测试收缩。加载龄期有14d、28d、90d三种情况。4.2测试过程试件浇筑之后带模养护1～2d，拆模后送至标准养护室养护。龄期5～6d时，试件放入长期性能实验室，然后安装千分表，待龄期达到后，进行加载。测试开始后的变形读数的时间间隔为1、3、7、14、28、45、60、90、120、150、180、210、240、270、300、330、360、390、420d。4.3加载龄期对徐变的影响加载时混凝土的龄期越小，成熟度越差，混凝土的初始应变和徐变都越大，且其极限徐变要大得多。以28d时的徐变度、徐变系数作为基数“1”C60混凝土试件加载龄期为14d、90d时徐变度与加载龄期28d徐变度比值约为1.41、0.86；C80该比值约为1.1、0.684.4配筋对徐变的影响通常情况下，配筋后，混凝土在单位应力下的徐变会减小。但加载时混凝土龄期90d时，配筋混凝土与素混凝土的徐变度比值已经接近1。因此，当加载龄期小于90d时，相对于素混凝土而言，配筋混凝土的徐变要考虑一定的折减；当加载龄期超过90d时，可以不考虑这种折减认为配筋混凝土和素混凝土的徐变度相同。5试验二结论加载时混凝土的龄期是影响徐变度、徐变系数的一个因素。实测结果表明，加载龄期对徐变度、徐变系数的影响不随着持荷时间而改变。配筋对徐变度、徐变系数的影响情况有所不同配镜可以降低混凝土的徐变度，加载时，混凝土的龄期不超过90d时，可以根据加载龄期取用配筋对徐变度的折减系数，本次实验中，配筋对徐变度的折减系数在0.6～0.9之间；加载龄期超过90d时，可以不考虑配筋对徐变度的影响。参考文献：[1]ALTOUBATSA，CREEPDAL.Shrinkageandcrackingofrestrainedconcreteatearlyage[J].ACIMaterialsJournal，2001，98（4）：323-331.[2]CECS13：2009，纤维混凝土试验方法标准[S].[3]张云莲，周宏凯，等.高性能掺合料改善聚丙烯纤维海工混凝土性能的研究[J].水利水电技术，2005，36（11）：90-92.