开裂性能（共7篇）
开裂性能 篇1
摘要：混凝土作为目前用量最大的一种建筑材料, 现已广泛用于工业与民用建筑、水利、城市建设、农林、交通及海港等工程。混凝土最大的缺点就是易产生裂缝, 而裂缝是不可避免的, 裂缝对混凝土的耐久性和结构物的承载能力有很大危害。因此如何使混凝土裂缝有害程度控制在某一有效范围内是国内外学者研究的重点。混凝土外加剂 (尤其是减水剂) 的普及和应用, 促进了我国混凝土技术的飞跃发展, 同时对混凝土的开裂性能也有一定程度上的影响。本文主要介绍一些常用外加剂的作用机理及其对混凝土开裂性能的影响。
关键词：混凝土,减水剂,聚羧酸减水剂,作用机理,开裂性能
1 引言
混凝土在硬化成型的过程中存在着许多气穴, 正是由于这些初始缺陷的存在导致混凝土在成形后常常出现很多微小的裂缝。当混凝土受到诸如温度、压力的影响, 这些微小的裂缝将慢慢地发展成为我们肉眼可以看见的宏观裂缝, 它影响结构物的使用功能和结构的整体性和刚度, 而且还会引起钢筋的锈蚀、混凝土的碳化, 降低材料的耐久性, 影响结构物的承载能力。严重者将会威胁到人们的生命和财产安全。
混凝土裂缝和产生的原因主要有两类:一是结构型裂缝, 是由外荷载引起的, 为受力裂缝:二是材料裂缝, 是非受力变形引起的, 主要有干缩裂缝、塑性收缩裂缝、沉陷裂缝、沉陷裂缝、温度裂缝。
混凝土外加剂 (尤其是减水剂) 的普及和应用, 促进了我国混凝土技术的飞跃发展。近年来研制开发的萘系、SM、氨基磺酸盐、脂肪族等高效减水剂, 均被认为有增大混凝土收缩开裂的问题。减缩剂被公认为是混凝土结构裂缝控制的最有效措施之一, 减缩剂显著特点之一是其作用效果不受施工养护条件的影响, 既可以用于地下结构, 也可以用于上部结构。于价格偏高, 没有广泛使用。
本文将对减水剂、膨胀剂、减缩剂以及不同种类的减水剂 (SM、萘系、木钙、聚羧酸减水剂) 对混凝土的干缩开裂性能的影响进行研究。
2 不同外加剂 (减水剂、减缩剂、膨胀剂) 对混凝土开裂性能的影响
三种外加剂对混凝土开裂性能的影响:
对减缩剂、膨胀剂和外加剂影响收缩或开裂效果的评价, 通常用的方法为受限圆环法。对受限圆环法试验[9]中所用的混凝土配合比如表1所示。
经60天连续观察, 典型时刻的裂缝描述见表2。
从表2可以看出, 从首条上表面裂缝产生的时间顺序来讲, 掺减水剂的混凝土最早于第6d即在上表面产生裂缝;不掺任何外加剂的基准混凝土于第19d产生首条表面裂缝;掺膨胀剂的混凝土于第20d产生首条表面裂缝;掺减缩剂的混凝土最后于29d产生首条表面裂缝。由此可以看出, 在混凝土配合比不变的情况下, 减水剂的掺入使裂缝产生的时间大大提前, 而掺减缩剂的混凝土则比掺减水剂的混凝土裂缝延迟23d出现, 比不掺外加剂的基准混凝土也推迟10d。
经60d的观察, 混凝土开裂的最大裂缝宽度与时间的关系如图1所示。
从图1可以看出相对于基准混凝土, 掺膨胀剂的混凝土最大裂缝宽度发展加快, 而掺减水剂和减缩剂混凝土的裂缝宽度发展速度变慢。同时也可以看出最终稳定的最大裂缝宽度, 掺膨胀剂的和基准混凝土的宽度最大, 掺减水剂混凝土其次, 而掺减缩剂混凝土最小。
3 不同减水剂对混凝土开裂性能的影响
本实验使用受限圆环法[9]来测试混凝土的干燥收缩。
3.1 萘系减水剂对混凝土干缩开裂性能的影响
在保持混凝土配合比不变的情况下, 外掺萘系减水剂, 比较其掺入后对混凝土收缩的影响。该试验所用的配合比见表3。
掺萘系减水剂的混凝土经28d收缩测试后测得的干燥收缩实验结果如图2所示。
从图2可以看出, 混凝土的干燥收缩随时间的增加收缩值增大。在混凝土配合比不变的情况下, 相对于空白试样而言, 萘系减水剂的掺入会增大混凝土的干缩值, 并且混凝土的干燥收缩值随时间的延长而增加, 但在28d后基本达到一稳定值。
3.2 木钙减水剂对混凝土开裂性能的影响
在保持混凝土配合比不变的情况下, 外掺木钙减水剂, 比较其掺入后对混凝土收缩的影响, 该试验配合比见表4。
掺木钙减水剂的混凝土经28d收缩测试后测得的干燥收缩实验结果如图3所示。
从图3可以看出, 在混凝土配合比不变的条件下, 与空白试样相比, 掺入木钙减水剂的混凝土干缩值要大。随着时间的延长, 在28d后其干缩值基本达到一稳定值。同时与萘系减水剂相比, 木钙减水剂对混凝土干缩的影响较萘系的大。
3.3 SM减水剂对混凝土开裂性能的影响
在保持混凝土配合比不变的情况下, 外掺SM减水剂, 比较其掺入后对混凝土收缩的影响。该试验配合比见表5。
掺SM减水剂的混凝土经28d收缩测试后测得的干燥收缩实验结果如图4所示。
从图4可以看出, 在混凝土配合比不变的情况下, 相对于空白试样而言, SM减水剂的掺入会增大混凝土的干缩值, 并且随时间的延长而增加, 并在28d后达到一稳定值。由于SM其减水效果较木钙和萘系的要好, 因此掺入SM减水剂混凝土的收缩较上述两种减水剂的要小。
3.4 聚羧酸减水剂对混凝土开裂性能的影响
聚羧酸减水剂对混凝土干缩开裂的影响:
在保持混凝土配合比不变的情况下, 外掺聚羧酸减水剂, 比较其掺入后对混凝土收缩的影响。该试验配合比见表6。
掺聚羧酸减水剂的混凝土经28d收缩测试后测得的干燥收缩实验结果如图5所示。
由图5可以看出, 在混凝土配合比不变的条件下, 掺入聚羧酸减水剂的混凝土干缩值基本与空白试样相同。随着时间的延长, 在28d后, 掺聚羧酸减水剂混凝土的干缩值比空白试样略有下降, 同时与萘系、SM、木钙减水剂相比, 聚羧酸减水剂对混凝土干缩的影响最小。
3.5 不同减水剂对混凝土干燥收缩影响
混凝土的收缩裂缝实际上就是由于水泥砂浆的收缩引起的。因此采用测定不同减水剂对水泥砂浆的干缩值的变化来从侧面反应不同减水剂对混凝土开裂性能的影响。
在相同流动度条件下, 各种减水剂型号、掺量和所用水泥砂浆水灰比如表7所示。
在相同流动度下, 不同外加剂对混凝土干燥收缩性能的的影响如图6。
从图6可以看出, 在相同流动度条件下, 加入减水剂后由于减水率的不同 (聚羧酸>SM>萘系>木钙、木钠) 影响水胶比, 进而影响水泥基体的干缩。加入聚羧酸减水剂的混凝土收缩最小, 其次为SM、萘系、木钙、木钠, 而不加减水剂的混凝土干缩最大。
4 结论
通过上述研究, 得出以下主要结论:
⑴膨胀剂能够延迟混凝土初裂时间, 但如果不加强早期的养护, 则裂缝发展的速度较快, 裂缝的宽度较大, 因此必须强调早期养护。
⑵减缩剂能有效地延迟混凝土初裂时间, 且裂缝宽度及其发展速度都大大降低, 因此减缩剂具有显著的抗裂效果且减缩剂的作用效果不受养护条件和约束条件的限制。
⑶总体来说, 减水剂的使用使混凝土初裂时间大大提前, 裂缝数量明显增多, 裂缝的最大宽度比不掺减水剂的混凝土小。同时减水剂的加入增大混凝土的收缩, 除聚羧酸减水剂随掺量的增加能降低水泥基体的干缩外, 萘系、SM、木钙减水剂均随掺量的增加不同程度的增大混凝土的干缩值。
⑷聚羧酸减水剂在常规掺量下不仅可以起到减水增强的效果, 而且还有降低干缩的作用。同时掺聚羧酸外加剂的高减水率及其分子结构的特点, 使得掺聚羧酸减水剂混凝土的抗渗防裂性能与掺膨胀剂的混凝土相当。因此, 以其替代传统的膨胀剂来生产抗渗混凝土在技术上是可行的。
参考文献
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开裂性能 篇2
高性能混凝土的出现在很大程度上推动了现代混凝土理论研究与应用技术的发展，低水胶比、高效减水剂以及各种矿物外加剂的大量掺入使高性能混凝土的硬化结构与普通混凝土相比有着很大差异，结构差异带来高性能混凝土诸多性能上的突破[1]。然而，各种新型材料体系不可避免地会带来一些新的问题。高性能混凝土的早期自收缩大、弹性模量增长快、抗拉强度并无显著提高、比徐变减小等因素共同导致了高性能混凝的早期抗裂性差，混凝土结构早期开裂成为困扰现代混凝土工程界的普遍问题[1]。
研究认为，混凝土内，毛细孔相对湿度降低，是自收缩以及干燥收缩产生的主要原因，控制混凝土裂缝，应该首先控制收缩变形，改善混凝土内部的湿度场，提高混凝土内部的含湿量[2]。一些学者提出利用高吸水材料，增加混凝土的内养护能力，应是提高混凝土抗裂性能的一个重要方向[3,4]。高吸水材料储存一部分水分，并在混凝土内部湿度降低时释放，在一定程度上调整混凝土内部的湿度分布，进而改善混凝土的收缩，即起到内养护作用[5]。与外界供水养护相比，内养护对于结构致密、水分迁移受到一定限制的高性能混凝土有着重要的实用价值。本文通过混凝土早期自收缩、长期干燥收缩及开裂试验，对掺内养护剂的混凝土收缩开裂性能的改善作用进行研究，并评价内养护对混凝土力学与耐久性的影响。
1 试验
1.1 原材料
水泥：武汉华新水泥有限公司生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥;粉煤灰：武汉青山电厂生产的Ⅱ级灰;矿渣：武汉钢铁公司生产，比表面积大于4500 cm2/g，密度2.8 g/cm3;粗骨料：乌龙泉碎石，粒径5～31.5 mm;细骨料：巴河河砂，细度模数2.6;减水剂：山西黄河新型化工有限公司生产的HJUNF-2H缓凝高效减水剂。水泥、粉煤灰、矿渣的化学成分见表1。
%
内养护剂：武汉市海格尔科技有限公司提供的非金属矿物高分子吸水保水复合材料，可以吸附周围环境中的水介质，形成高膨润状态的高含水凝胶而不溶解，因此，具有弹性凝胶的基本性能，高分子吸水保水复合材料吸水前后与吸水饱和后的形态比较见图1。
1.2 配合比
试验采用了3种体系：空白(PO)、掺30%粉煤灰(FA)、掺30%矿渣(SLAG)，每种体系分不掺内养护剂、掺内养护剂(末尾数以Y表示)进行对比试验。试验中，内养护剂的掺量为胶凝材料的0.04%，通过吸水能力测试，确定内养护剂的吸水倍率为140倍。为比较内养护对高性能混凝土的收缩开裂效果的影响，试验选用较低水胶比，并固定水胶比为0.33，实际使用时，将内养护剂预先浸泡5 h使其吸水饱和，并在混凝土拌合加水时扣除其所吸水量。混凝土试验配合比见表2，其中砂率为0.36。砂浆、水泥净浆试验中的水胶比、矿物掺和料比例和内养护剂掺量均与混凝土试验相同，其中胶砂试验的胶砂比为1∶1。
kg/m3
1.3 试验内容及方法
混凝土的干燥收缩、强度、抗冻性能试验按DL/T 5150—2001《水工混凝土试验规程》进行。
采用净浆进行自收缩试验，试验装置由100 ml广口瓶，中心穿孔胶塞及内置直径6 mm、刻度最小值为0.05 ml的玻璃量管组成，量程为5 ml(见图2)。
试验方法：取适当比例的水泥、粉煤灰、矿渣、水制备成浆体，放入广口瓶中振实，然后用液体石蜡将广口瓶充满，将量管插入胶塞中，用胶塞塞紧瓶口，并把胶塞与瓶口接触处用石蜡密封，使液面上升至接近量管的最高刻度处。将仪器置于温度为(20±3)℃、相对湿度为(50±4)%的干燥室中，待液面稳定后即可记录液面起始数据。开始时，记录数据的间隔时间较短一些，以后记录时间间隔可以适当延长。
椭圆环开裂试验，采用胶砂试样进行多通道椭圆环开裂试验。成型后的试件放入温度为(20±1)℃、相对湿度不小于90%的养护室中带模养护18 h，然后脱去试件的椭圆环外膜，再将试件放入干燥室，在试件外表面涂上导电涂层带，使其与仪器的测试电路连通，试验测试初始开裂时间，其中钢制圆环尺寸与椭圆环试验装置见图3。
2 试验结果与分析
2.1 自收缩试验
2.1.1 早期自收缩试验（见图4～图6)
图4试验结果表明，纯水泥净浆体系内养护剂的掺入在最初6 h内对收缩没有明显影响，而后期收缩逐渐增大;从图5、图6的试验结果可以看出，随着内养护剂的掺入，水泥+粉煤灰、水泥+矿渣浆体系自收缩特别是6 h后的自收缩均有不同程度的改善;其中水泥+粉煤灰体系，自收缩性能改善更明显。
2.1.2 混凝土干燥收缩试验
掺内养护剂的混凝土干燥收缩试验结果分别见图7、图8。
从图7、图8可以看出，内养护剂的掺入，有效地改善了掺粉煤灰和掺矿渣的混凝土干燥收缩性能。
自收缩产生的机理与干燥收缩相类似，均由混凝土内部相对湿度降低而导致，所不同的是，干燥收缩是由于体系内部相对湿度高于外界环境相对湿度，造成水分散失所导致，而自收缩是由于体系初凝后，水化收缩引起的自干燥所导致。一般都可以用毛细管张力学说解释[2,6]。毛细管张力学说认为，收缩与干燥过程中毛细管水的弯液面有关，由于水分的散失，毛细管内部的水面下降，弯液面曲率变大，从而导致表面张力增大对毛细管管壁产生压力，因此，毛细管水失水过程中，混凝土处于不断增强压缩的状态，导致混凝土外观体积缩小。由此得出，混凝土的收缩与混凝土毛细管的失水有关,也就是与混凝土内部的湿度分布及其变化有关。混凝土内部孔隙水中产生的负压(毛细管张力)与混凝土中相对湿度的关系可由Kelvin-Laplace方程表示：
式中：σ———毛细管张力(孔溶液负压)，Pa;
RH———混凝土内部相对湿度，%;
r———通用气体常数，8.314 J/(mol·K);
T———绝对温度，K;
Vm———水的摩尔体积，m3/mol。
内养护剂在混凝土失水而相对湿度变小时，释放之前吸收的水分，使相对湿度得到适当补充，阻止或延缓了毛细管张力的增大，因而改善混凝土的收缩性能。
内养护剂掺入到纯水泥体系时，由于在碱性环境中该内养护剂的保水、释水能力受到影响，与掺有粉煤灰、矿渣矿物掺和料的体系相比，在纯水泥净浆体系中，水化环境的碱性较大，这可能是内养护剂不能很好调控内部湿度，导致纯水泥体系的自收缩值反而增大的原因。而在掺有矿物外加剂的体系内，矿物掺和料的二次水化反应消耗了熟料矿物水化释放的Ca(OH)2，在水化过程中对体系内部碱度产生影响，降低了体系孔隙内液体的碱度[7]，试验结果显示，内养护剂改善了掺有矿物掺合料体系的收缩性能。内养护剂与水泥基材料环境适应性的研究还需进一步深入。
2.2 椭圆环开裂试验
用计算机实时监测椭圆环约束的砂浆初始裂缝出现时间，其试验数据具有相当好的重复性，并且简单易行。砂浆试样初始开裂时间如图9所示。
由图9可见，随着内养护剂的掺入，空白混凝土体系的初始开裂时间提前，但有效地延长了掺有粉煤灰混凝土体系初始裂缝的出现时间。综合考虑自收缩试验结果，内养护剂在较高碱性环境下的作用被削弱，不能有效地改善纯水泥混凝土体系的自收缩，并可能是导致其开裂时间反而提前的原因。因此，内养护剂应该在掺有矿物外加剂的混凝土中使用，能更好地发挥作用。
2.3 混凝土强度与耐久性试验
在研究内养护剂对混凝土收缩开裂影响的基础上，同时评价其对混凝土其它性能的影响。对空白混凝土体系和掺有矿渣混凝土体系进行试验。
2.3.1 混凝土强度试验结果
内养护剂的加入，对混凝土强度的影响，理论上可以从2个方面说明：一方面内养护剂的引入，改善了混凝土内部的水分分布情况，当混凝土水化水出现不足时，内养护剂中的蓄水为混凝土提供了后备水源，使水化反应得以继续进行，提高了胶凝材料的水化，使混凝土内水化产物增多，密实度提高，从而提高混凝土的早期及后期水化程度，对提高混凝土强度方面的影响有利;另一方面内养护剂在释放水分后，会残留一部分孔隙，而混凝土是一种典型的多孔介质材料，孔隙分布错综复杂，孔径尺寸跨越微观尺度和宏观尺度，对混凝土强度产生重大影响，吴中伟教授曾经指出：孔径小于20 nm的孔是无害孔;20～50 nm的孔是少害孔;大于50 nm的孔是有害孔[8]。内养护剂释放水分后，残余的孔隙有一部份会达到有害孔的范围，造成混凝土强度一定程度的降低，造成这一方面的不利影响。但最终结果取决于这2种影响由哪一种占主导，从本试验结果看，内养护剂的掺入并没有对混凝土产生不利影响，28d强度还有所提高(见图10)。
2.3.2 混凝土抗冻性试验结果
以相对动弹性模量作为评价混凝土抗冻性能的指标。预吸水的内养护剂含水凝胶最终会随着水化进程中不断发展的毛细孔负压，释放全部水分，在混凝土内部留下众多的微小气泡，在气泡直径合适的条件下，对冻融耐久性能有利，相当于引气混凝土，但其残留在混凝土中气泡的大小，数量以及间距都会对其最终效果产生影响。
由图11可以看出，内养护剂的掺入使得各体系不同冻融循环次数下混凝土的相对动弹性模量均有一定程度的提高，表明对混凝土的抗冻性能有利。
3 结论及有待解决的问题
(1)通过使用该非金属矿物高分子吸水释水复合材料对混凝土进行“内养护”，在配合使用矿物掺和料的情况下，有效地改善了混凝土的自收缩和干燥收缩，混凝土的抗开裂性能得到提高，对于早期开裂敏感的工程结构有一定的应用前景。
(2)内养护措施改善混凝土收缩开裂的原理在于其预浸时的吸水性能，以及在混凝土表面(或内部某处)湿度降低时,被吸收的水分可以缓慢地释放出来。这减小了混凝土蒸发失水对混凝土早期开裂和后期干燥收缩影响的程度，进而减少了混凝土的开裂和收缩。
(3)内养护剂对混凝土强度，抗冻性等影响能有效满足常规指标要求，且在一定程度上还提高了混凝土这方面的性能。
在未掺矿物外加剂的体系中，使用此内养护剂，收缩及开裂性能没有得到有效改善，反而使得开裂更加敏感，这可能与体系内部的碱度以及材料组分的水化历程有关，内养护剂与材料环境的协调效应，需要进一步的深入研究。本试验并没有涉及内养护剂对混凝土水化以及微观结构的影响，还需要通过其它方法进行深入的机理分析，提高对内养护作用的认识。
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开裂性能 篇3
通过一系列的室内试验研究了不同体积掺量玻璃纤维对水泥砂浆强度和收缩性能的影响, 在此基础上进行了混凝土早期塑性开裂实验, 测试了混凝土初始开裂时间、单位面积裂缝数目、裂缝最大宽度等性能指标, 分析了玻璃纤维对改善混凝土抗塑性开裂性能的影响, 从而为实际工程中玻璃纤维的应用提供参考和依据。
1 实验设计
1.1 原材料
水泥砂浆强度、干燥收缩测试所用水泥采用中联水泥有限公司生产的基准水泥, 混凝土早期塑性开裂实验所用水泥为济南山水集团生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥。实验用细集料为河砂, 细度模数为2.92, 粗集料为普通碎石, 减水剂采用聚羧酸高效减水剂。实验用水为自来水。玻璃纤维为泰山玻璃纤维有限责任公司生产, 纤维长度为12mm, 其参数值见表1。
1.2 方法
水泥砂浆的搅拌、成型及强度测试按照GBT—17671—1999[6]《水泥胶砂强度检验方法 (ISO法) 》进行。水泥砂浆干燥收缩实验方法严格依据JTG E30—2005[7]《公路工程水泥及水泥混凝土实验规程》。干缩砂浆试件在标准养护 (温度为 (20±2) ℃, 相对湿度为95%) 24h后脱模, 脱模后继续在20℃水中养护2d后用比长仪测初始度, 放入干缩养护箱 (温度为 (20±3) ℃, 相对湿度为 (50±4) %) 中养护至测试龄期进行试验。水泥混凝土塑性开裂实验按照GB/T 50082—2009[8]《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的平板开裂实验方法进行。混凝土的搅拌按照先拌合再加入玻璃纤维的顺序进行。
1.3 配合比设计
制备水泥砂浆的灰砂比为1∶2, 水灰比确定为0.45。测试了玻璃纤维体积掺量 (0.5%、1.0%) 对水泥砂浆抗压强度、抗折强度、干燥收缩的影响。试验研究玻璃纤维掺量 (0.25%, 0.5%) 对混凝土早期塑性开裂的影响, 混凝土配合比如表2所示。
2 结果分析
2.1 玻璃纤维对水泥砂浆强度的影响
玻璃纤维对水泥砂浆抗折强度的影响如图1所示。由图1可知, 掺加玻璃纤维后, 水泥砂浆的7d和28d抗折强度均有所提高, 7d和28d抗折强度分别提高了18.2%、11.6%。这是由于玻璃纤维能够和水泥砂浆有效地粘结, 增强水泥基体对纤维的握裹作用, 从而在砂浆内部形成一种均匀分布的乱向支撑体系, 当纤维水泥砂浆受到荷载破坏产生微小裂缝时, 纤维能横跨裂缝起到桥接作用, 增强水泥砂浆的抗折破坏性能。由图2可知, 玻璃纤维对水泥砂浆的抗压强度没有明显的影响, 这是因为在纤维水泥砂浆的压力作用由水泥砂浆基体承担, 玻璃纤维对水泥砂浆抗压强度的影响有限。
2.2 玻璃纤维对水泥砂浆干燥收缩的影响
玻璃纤维对水泥砂浆5d、7d、10d、14d、21d、28d收缩率的影响变化如图3所示。由图3可知, 玻璃纤维能够降低水泥砂浆的干燥收缩率, 在28d测试龄期, 普通水泥砂浆的收缩率为1 040×10-6, 掺加0.5%、1.0%的玻璃纤维后, 水泥砂浆的干缩率分别为970×10-6、890×10-6, 分别比未掺加玻璃纤维降低了6.7%、14.4%。这是因为玻璃纤维在水泥基材料中形成乱向支撑体系, 减少基体中水分的散失途径, 同时改善混凝土的孔结构, 降低其收缩应力。
2.3 玻璃纤维对混凝土塑性开裂的影响
实验测试了玻璃纤维体积掺量对混凝土早期塑性开裂性能的影响。混凝土早期开裂实验结果如图4所示, 表3为混凝土的塑性开裂性能指标。由表可知, 普通混凝土的初始开裂时间为70min, 单位面积总开裂面积为703.1mm2/m2, 玻璃纤维能够延迟混凝土的初始开裂时间, 纤维混凝土表面形成不连续的收缩裂缝, 单位面积裂缝总面积和裂缝数目也明显缩减, 最大裂缝宽度也呈减小趋势, 当玻璃纤维体积掺量增大到0.5%, 混凝土完全没有裂缝形成, 只有微细裂纹产生。相对于普通混凝土, 掺加0.25%玻璃纤维混凝土的单位面积裂缝总面积和裂缝数目分别减少了78.1%、68.6%, 最大裂缝宽度也从0.480 mm降低到0.391mm, 由此可见, 玻璃纤维抑制混凝土的早期开裂效果明显。
3 结论
a.玻璃纤维能够增大水泥砂浆的抗折强度, 且在一定范围内, 纤维掺量越多, 抗折强度越大, 当体积掺量为1.0%时, 28d抗折强度提高了11.6%。玻璃纤维对水泥砂浆的抗压强度没有明显的影响。
b.玻璃纤维能够降低水泥砂浆的收缩率, 且纤维体积掺量越大, 水泥砂浆的干缩率越小, 玻璃纤维体积掺量为1.0%时, 28d收缩率降低了14.4%。
c.玻璃纤维能够明显抑制混凝土的早期塑性开裂, 与普通混凝土相比, 玻璃纤维体积掺量为0.25%的混凝土单位面积裂缝总面积和单位面积裂缝数分别减少78.1%、68.6%, 混凝土最大裂缝宽度为0.391mm;当体积掺量增大到0.5%时, 混凝土完全没有裂缝产生, 只有微细裂纹。
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开裂性能 篇4
由于轻质水泥基材料的表观密度还有进一步降低的空间,国内外相继展开了对超轻质水泥基材料的研究。秦璜等[2]以硅酸盐水泥为主要原料,添加适宜的外加剂,制得密度290kg/m3、28d抗压强度可达1.1 MPa的轻质水泥基材料。蔡娜等[3]在水泥与粉煤灰的质量比1∶0.4、水料比0.54的条件下,添加稳泡剂WH 0.30%、发泡剂FP 5.0%、碳酸锂0.34%和聚丙烯纤维1.2%制备出容重279kg/m3、强度为0.51MPa的轻质水泥基材料。杨树新等[4]以膨胀珍珠岩为轻集料,快硬水泥为胶结料,通过空压制泡法引入微小气泡,制成密度小于200kg/m3的超轻型水泥基材料芯材保温砌块。杨奉源等[5]制备了191kg/m3EPS-FC,其强度可达0.42MPa。徐文等[6]在研究降低外墙外保温用轻质水泥基板密度的实验中测得的最低密度为187kg/m3。北京广慧精研泡沫混凝土科技公司[7]研究了作为机场跑道阻滞材料的水泥基材料,其绝干密度为180~280kg/m3、抗压强度为0.2~0.6MPa。扈士凯等研究了磨细矿渣、粉煤灰、膨润土等矿物掺合料对低容重水泥基材料基本性能的影响,测得含矿渣的最低密度为193kg/m3,含膨润土的最低密度为187 kg/m3,含粉煤灰的最低密度为176kg/m3。中国建筑材料科学研究院研究的轻质水泥基材料的密度可低至150kg/ m3,强度高至0.15 MPa。本实验探索性地研究了表观密度为80~150kg/m3的水泥基材料的制备。
水泥基材料结构在基础、钢筋或内部相邻部分的约束下因水化反应而产生体积收缩,其收缩受到约束会引起拉应力[8]。由于其早龄期的抗拉强度不高,收缩过程中易开裂, 至今其易开裂、难修复等问题依旧困扰着工程界,尤其是其早龄期开裂将对构筑物整个生命周期产生影响,严重限制了其在工程中的广泛应用。而针对轻质水泥基材料是否存在着塑性收缩开裂的问题,目前尚未有系统的研究报道。马一平等[9]已经初步探索密度低至267kg/m3的水泥基材料与塑性收缩开裂权重值之间的关系,发现在相同的环境条件下,轻质水泥基材料塑性收缩开裂风险较小;较低的表观密度有利于抑制水泥基材料塑性收缩开裂现象。本实验在此基础上研究表观密度低至80kg/m3的水泥基材料与塑性收缩开裂权重值之间的关系,以及聚丙烯纤维对其塑性收缩开裂性能的影响。
1实验
1.1原材料
水泥:P·Ⅱ52.5硅酸盐水泥,江南-小野田水泥有限公司,性能指标见表1。发泡剂:1为FP-180动植物蛋白类发泡剂,盐城市世隆装饰材料公司;2为HTQ-Ⅰ动植物复合发泡剂,河南华泰建材开发有限公司;3为动植物蛋白类发泡剂,深海华工科技有限公司;4为菱镁发泡剂,宁海县梅林钱帅玻璃加工厂;5为HTW-Ⅰ动植物复合发泡剂,河南华泰建材开发有限公司。外加剂:氯化钙,分析纯;碳酸锂,分析纯; 泡沫混凝土专用促凝剂(简称促凝剂),上海豪升化学有限公司;PCS-2速凝剂(简称PCS-2),深圳市诚功贸易有限责任公司。木质纤维,上海一欧工程材料有限公司;PP纤维,上海影佳实业发展有限公司。普通自来水。
1.2轻质水泥基材料的制备
按照发泡剂与水的不同比例配制发泡溶液,用高速搅拌器搅拌4min后将泡沫静置5min,同时按照一定水灰比将水泥、水混搅1 min,再加入纤维素醚等外加剂或纤维搅拌3min,随后将泡沫与料浆混合均匀,并成型相关实验试件进行后续实验。
1.3测试方法
(1)发泡剂发泡性能的评定方法
以发泡倍数、1h泡沫沉降距与1h泌水量[10]作为评定发泡剂发泡性能的主要指标。要制备孔径均匀、性能稳定的轻质水泥基材料,泡沫与水泥必须有一定相容性。由于振荡法[11]本身具有一定的缺陷,静置一段时间后,泡沫与溶液出现分层,而此时的泡沫量的变化不足以说明其相容性,因此采用成型法来表征其相容性。将制备出的泡沫与浆体均匀混合,制备湿密度相同的试块,3d脱模,标准养护28d后放入烘箱烘干,对比试块塌陷距、试块孔洞及孔壁和28d强度。
(2)凝结时间、强度、表观密度测试方法
凝结时间参照GB1346 2001《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》测试;强度和表观密度测试选用尺寸为40mm×40mm×160mm的试件,每组3个。成型试件, 自然养护3~5d脱模,标准养护25d后放入(100±5)℃烘箱中连续烘干3d,以测得的表观密度平均值为其表观密度, 强度可以用量程为20kN、加载速率为5mm/min的SANS微机控制电子万能试验机测得。
(3)塑性收缩开裂实验方法
塑性阶段收缩开裂实验采用914mm×610mm×20mm的木模,上下层间用塑料薄膜隔开,木模内 Φ8mm的矩形钢筋架与模板周边距离均为20mm,与模底不接触。水泥基材料收缩时受到钢筋架限制,由此产生的裂纹只在钢筋架范围内。具体操作详情参见文献[9,12]。最后通过裂缝宽度测试仪KON-FK(A)测定的裂缝宽度和裂缝宽度权值Ai关系计算塑性收缩开裂权重值W 。
2结果与讨论
2.1超低表观密度水泥基材料的制备
2.1.1发泡剂的选用
不同发泡剂在最佳配比浓度下的发泡倍数、泡沫沉降距与1h泌水量如表2所示;水灰比为0.55的净浆与泡沫混合,成型出表观密度为210kg/m3的试块,其表面孔隙对比见图1,相关结果如表3所示。从表2可以看出,4号的沉降距远远大于其他发泡剂,泡沫的稳定效果太差,不再予以考虑,2号的沉降距最小。1、2、3号的发泡倍数和1h泌水量相近,而5号的发泡倍数最大,其1h泌水量最小。
由图1可以看出,1、2号泡沫制出的试块气孔密集、细小、均匀,泡沫与水泥浆体的相容性较好。3号泡沫与水泥浆体的相容性差,其制出的试块塌陷,并产生分层现象,孔结构不理想,靠近浇注上表面部分含孔隙,但是孔隙的形状不规则,而靠近浇注下表面部分没有孔隙或者只含有很少量的孔隙,导致试件密度严重不均,对其保温性能和力学强度等负面影响较大。5号泡沫与水泥浆体的相容性较差,虽然气孔密集、细小均匀,但是孔壁不完整,出现大量细小的连通孔, 连通孔是轻质水泥基材料中有害的孔结构,会大大降低其保温性能。由表3可以看出1、2号的28d强度相对较高。综上所述,本实验选用2号HTQ-Ⅰ动植物复合发泡剂。
2.1.2外加剂对水泥基材料凝结时间和强度的影响
轻质水泥基材料的凝结时间过长,早期强度低,给成型和脱模带来不便,需要掺一定量的具有促凝、早强效果的外加剂。
(1)CaCl２对水泥基材料凝结时间和强度的影响
水泥基材料的凝结时间、强度随CaCl2的掺量变化见图2。由图2可以看出,水泥基材料的初、终凝时间随CaCl2的掺量增多而缩短(初凝时间不早于25min且终凝时间不迟于180min),掺量2.0%~2.8%符合要求;随CaCl2掺量的增加,抗折强度变化不大,抗压强度逐渐上升,CaCl2掺量大于2.0%时有下降趋势。结合强度考虑,CaCl2的最佳掺量为2.0%。
一定掺量范围内,CaCl2与水泥中的C3A作用生成不溶性复盐———水化氯铝酸钙及固溶体(C3A · Ca· Cl2· 10H2O),它可与氧化钙作用生成不溶于氯化钙溶液的氢氧化钙(3CaO·CaCl2·12H2O),降低液相中钙离子的浓度,加速C3S的水化,并且生成的复盐增加了水泥浆中固相的比例,促进水泥浆的凝结硬化,从而提高了混凝土的早强[13]。 由于CaCl2具有盐效应,可加大硅酸盐水泥熟料矿物的溶解度,加快水化反应进程从而加速水泥及混凝土的硬化。
(2)Li２CO３对水泥基材料凝结时间和强度的影响
水泥基材料的凝结时间、强度随Li2CO3的掺量变化见图3。由图3可以看出,水泥基材料的初、终凝时间随Li2CO3的掺量增多而缩短;随Li2CO3掺量的增加,强度略微升高, 抗折强度的波动误差较大。掺量0.5%~0.7%符合调凝要求,但强度影响不大;从强度考虑,掺量为0.35%最好,但其凝结时间不符合要求。
(3)促凝剂、PCS-2对水泥基材料凝结时间和强度的影响
水泥基材料的凝结时间、强度随促凝剂和PCS-2的掺量变化分别见图4和图5。
由图4可以看出,水泥基材料的初、终凝时间随促凝剂掺量的增多而缓慢缩短,当掺量不小于20%才符合标准;随促凝剂掺量的增多,水泥基材料的抗压强度略微升高,抗折强度有下降趋势。促凝剂对水泥基材料的调凝远不如CaCl2和Li2CO3的效果好,虽然提高了早期强度有助于成型脱模, 但是对后期强度有一定的负面影响。
由图5可以看出,水泥基材料的的初、终凝时间随PCS-2掺量增多而迅速缩短,当掺量在6%~12%时符合标准;水泥基材料随PCS-2掺量增加,抗压强度略有上升,抗折强度呈上升趋势。PCS-2对水泥基材料的调凝效果好,对其早期、 后期强度也有一定的提高。本实验选择PCS-2的最佳掺量为8%。
综上所述,促凝剂的调凝作用不是很理想,Li2CO3对强度的影响不大,因此本实验选用CaCl22.0%和PCS-2 8%。 经过多次实验当密度不大于280kg/m3时,为保证试件不塌陷,PCS-2掺量不小于10%,当密度不小于280kg/m3时, PCS-2掺量需进行相对调整。
2.1.3水灰比对轻质水泥基材料强度的影响
制备低表观密度水泥基材料时,掺入8% PCS-2,试件会在一天内塌陷,通过多次实验进行调整,在保证其不塌陷的基础上,确定掺量为14%。保证水泥的量不变,掺入14% PCS-2,按照1.2节的制备工艺掺入不同体积的泡沫,使其湿密度为279kg/m3,水灰比为0.24~0.42时(水灰比不小于0.45时,试件易塌陷;水灰比不大于0.22时,流动性差),试件的抗压强度、表观密度与水灰比的关系见图6。
由图6可知,随着水灰比的增大,抗压强度整体呈下降趋势;试件密度随水灰比的逐渐增大缓慢下降,后有上升趋势。实验中需要加入一定量的水来保证浇筑和成型的正常进行。随着水灰比的增大,在一定程度上,净浆的流动度越好,越有利于泡沫与水泥基材料相容,有利于强度的增大;但过多的水不仅不能参与到水化反应中去,还会在一定程度上影响孔隙结构和孔壁的完整性。水灰比为0.24时强度较高,但密度也高;当水灰比增加到0.3时强度最高,密度较低。因此确定在实验中水灰比选用0.3。
2.1.4水泥颗粒粒度对轻质水泥基材料强度的影响
水泥粒度级配的结构对水泥的水化硬化速度、需水量、 和易性、放热速度,特别是强度有很大的影响。本实验取经不同时间磨细的水泥,并用LS230激光粒度分析仪测定其颗粒粒径。选用水泥粒度最小的水泥,按水灰比0.3,PCS-2 14%的配合比,可通过改变泡沫的掺入量调整轻质水泥基材料的表观密度,测定其不同的表观密度与7d、28d抗压强度之间的关系,结果见图7;选用不同时间段磨细的水泥,配合比不变,制成表观密度为130kg/m3和280kg/m3左右的试件,按照1.3节所述条件和试验方法养护至预定龄期,测定其不同粒度与抗折、抗压强度的关系,结果见图8。
由图7可以看出,用粒度较小的水泥制备表观密度达85.8kg/m3的稳定的轻质水泥基材料,28d抗压强度为0.04MPa;随水泥基材料表观密度(285.2~85.8kg/m3)的降低(密度为64.5kg/m3的试件微塌陷),其抗压强度呈线性降低,与较高密度的变化趋势相似;轻质水泥基材料从7d到28d的抗压强度提高约36.98%。由图8可以看出,随水泥粒度(19.2~10.89μm)的降低,表观密度为(129±6)kg/ m3的轻质水泥基材料的抗压强度变化不大;表观密度为(276±6)kg/m3的水泥基材料的7d抗压强度先降低后微有上升趋势,28d抗压强度先升后降,粒径为16.92μm和19.2μm的强度较好。
究其原因,在一定水泥颗粒粒径范围内,颗粒对水泥强度增长起主导作用,水泥颗粒越细,水泥的活性越大,水化越快;部分水泥颗粒堵塞一定的毛细管孔隙,提高水泥的早期强度。水泥粒度过小,比表面积过大,水泥的需水量就偏大, 将使硬化水泥浆体因水分过多引起孔隙率增加而降低强度, 亦将影响水泥基材料的其他性能。从以上结果和成本上考虑,本实验选用水泥粒径为19.2μm。
2.1.5超低表观密度水泥基材料的制备及木质纤维对其强度的影响
水泥基材料的密度越低,需掺入的泡沫越多,非水溶性纤维比较容易破坏其孔壁,因此笔者选用水溶性木质纤维。 实验中,保持水灰比0.3、PCS-2 14%、CaCl22.0% (需木质纤维时,掺量为0.6%),其研究结果如图9所示。结果表明: (1)随着密度的增加,28d抗压强度呈线性增加;(2)掺入木质纤维对抗压强度的影响不大;(3)相同密度的轻质水泥基材料,抗压强度有较大波动,密度越低,相对波动越大;(4)密度在85.9kg/m3时,强度可达0.063 MPa;密度在97.7kg/ m3时,强度可达0.077 MPa;密度在113kg/m3时,强度可达0.12MPa;密度在144.5kg/m3时,强度可达0.25MPa。
2.2表观密度及纤维对水泥基材料塑性收缩开裂的影响
根据文献[9]的研究,以CaCl22%、纤维素醚0.1%、水灰比0.55的配合比验证并补充表观密度对水泥基材料塑性收缩开裂的影响,结果见图10。
沿用相同的体系,成型低表观密度的试件,试件总处于塌陷状态。笔者为进一步研究超低表观密度对水泥基材料塑性收缩开裂的影响,保持实验中水灰比0.3、PCS-2速凝剂14%、CaCl22.0%,其超低表观密度与塑性收缩开裂权重值之间的关系见图11。选用统一配合比,加入聚丙烯(PP)纤维0.0kg/m3与0.6kg/m3制成表观密度为160kg/m3的大板,对比纤维对其收缩开裂性能的影响。
由图10(a)可知,随着表观密度的降低(1593~270kg/ m3),水泥基材料的开裂权重值降低,当表观密度在570~270 kg/m3范围内,均没有出现塑性收缩开裂现象;一定范围内, 随表观密度降低,水泥基材料的开裂权重值逐渐降低,较低的表观密度有利于抑制其塑性收缩开裂现象。由图10(b)可知,随着表观密度的继续降低(270~80kg/m3),水泥基材料的开裂权重值急剧上升,收缩开裂现象严重。在表观密度为1593~270kg/m3的范围内,塑性收缩开裂程度降低的原因在于水泥基材料塑性收缩率随密度降低而降低,可能使塑性浆体收缩拉应力明显降低;随着密度降低,可能出现塑性毛细管收缩拉应力小于其塑性抗拉强度的情况,从而出现随密度降低塑性收缩开裂情况明显减少。在表观密度为276~80 kg/m3的范围内,塑性收缩开裂程度上升的原因是在速凝剂和早强剂的作用下,水泥活性下降较快,水泥的需水量较大, 导致试件的收缩增大;密度降低至一定程度时,可能出现塑性毛细管收缩拉应力大于其塑性抗拉强度的情况,从而导致开裂严重。
由图11可知,表观密度为160kg/m3,掺PP纤维0.0 kg/m3的收缩开裂权重值为682cm,掺PP纤维0.6kg/m3的收缩开裂权重值为73.5cm,表明掺加PP纤维可有效降低超低表观密度水泥基材料的塑性收缩开裂性能。
3结论
(1)综合不同发泡剂的发泡倍数、泡沫沉降距与1h泌水量,及不同发泡剂成型出的表观密度为210kg/m3的试块的孔径观察和强度对比,HTQ-Ⅰ动植物复合发泡剂的发泡效果及其与水泥基材料的相容性最好。
(2)CaCl2和PCS-2对水泥基材料调凝及增强都有一定的正面影响,本实验选用CaCl2掺量2.0% 和PCS-2掺量8%。但PCS-2的掺量要根据水泥基材料密度的变化进行相对调整。当水灰比增加到0.3时强度最高,表观密度较低。
(3)随水泥粒度(19.2~10.89μm)的降低,轻质试件的抗压强度略微变化。从实验结果与成本考虑,选用水泥粒径为19.2μm。
(4)掺入木质纤维对轻质水泥基材料的抗压强度影响不大。
(5)制得的低密度水泥基材料28d表观密度为85.9kg/ m3时,抗压强度为0.063MPa;28d表观密度为97.7kg/m3时,抗压强度为0.077MPa;28d表观密度为113kg/m3时, 抗压强度为0.12MPa;28d表观密度为144.5kg/m3时,抗压强度为0.25MPa。
(6)一定范围内,随表观密度降低,水泥基材料开裂权重值逐渐降低,较低的表观密度有利于抑制水泥基材料的塑性收缩开裂现象,但随着表观密度的继续降低(270~80kg/ m3),收缩开裂现象严重。
开裂性能 篇5
1 项目概况
教来河大桥是赤通高速通辽境内最长的一座水泥混凝土桥,全长906.0 m。上部结构为25 m部分预应力混凝土连续箱梁,基础为钻孔灌注桩,桥台、桥墩桩基直径为1.50 m,桩长40.50～49.00 m。大桥地处北温带大陆性半干旱季风气候区,春季干旱多大风;夏季湿热,雨热同期;秋季短暂而霜早;冬季漫长而寒冷。每年1月最冷,最冷月平均气温为-13.1 ℃,最低温度-29.7 ℃;7月最热,最热月平均气温为23.6 ℃,最高温度41 ℃,最大冻深为152 cm。
2 有限元模型
2.1 基本假定
根据水泥混凝土桥面沥青铺装层的实际情况,做如下假定:1)水泥混凝土桥面体系、沥青混凝土是均匀的连续的各向同性的弹性材料;2)铺装层与桥面板之间层间分为完全连续状态、部分连续状态、完全光滑状态考虑。
2.2 材料参数
根据施工图纸以及《公路沥青路面设计规范》(JTJ 014—97)、《混凝土设计规范》(GB 50001—2001)。其具体材料参数如表2所示。
2.3 计算荷载
车辆荷载采用标准车型BZZ-100,轴重100 kN,轮压为0.7 MPa,双轮间距28.9 cm。为方便有限元计算分析,按面积等效的原则将双轮荷载转换为正方形,车轮与路面的接触面理想化为18.9 cm×18.9 cm的正方形,接触面积为357.21 cm2,保持两轮中心间距1.8 m不变,如图1所示。
2.4 计算模型
结合上述假定和参数的设定,教来河大桥有限元模型如图2所示。
3 计算结果
3.1 分析区域的选取
在轮载作用下,常温拉应力最大值仅分布在轮胎作用面积附近,表现出很强的局部效应(见图3)。为减小工作量并保证分析的有效性。研究选取轮胎作用面积附近的几个特征点(轮隙中间A点、轮胎正下方B点、轮胎前缘10 cm处的C点以及轮胎边缘10 cm处的D点,见图4)。经大量点位计算比较,证明这些特征点可基本反映车载作用下常温拉应力的分布规律。因此,在常温拉应力分析中,将围绕以上各特征点进行。
3.2沥青铺装层常温拉应力沿厚度方向分布规律
随着使用年限增加,沥青桥面铺装层和桥面板之间粘结力的逐渐减小,其相应的层间连续状态也由初始的完全连续状态经部分连续状态逐渐向完全光滑状态转变。因此,分析将考虑上述3种连续状态。我国沥青路面结构设计中,对沥青混合料疲劳性能的验算取15 ℃的材料参数,因此,该文在抗疲劳性能分析时,只对15 ℃时沥青路面内的应力进行分析。
3.2.1 完全连续状态下常温应力的变化
当沥青混凝土桥面铺装层与桥面板层间的连续状态为完全连续时,A点正应力沿厚度方向的分布呈现出拉压共存的状态。B点在整个铺装层内部均受承受压力作用:在路表压应力最大,在厚度为0～5 cm区间内表现为逐渐下降趋势,于5 cm处达到最大值,之后又逐渐上升至铺装层底部为止。C点处正应力沿厚度变化规律与A点类似,在整个铺装层厚度范围内既有拉应力也有压应力出现。在D点,常温正应力的分布规律为:在厚度1 cm处为拉压分界点,最大拉应力发生在路表处, 最大压应力发生在距路表5 cm处,如图5所示。
3.2.2 部分连续状态下常温应力的变化
当沥青混凝土桥面铺装层与桥面板层间的连续状态为部分连续时,A点正应力沿厚度方向的分布呈现出拉压共存的状态。B点在整个铺装层内部依然承受压力作用。在路表压应力最大,在厚度为0～5 cm区间内表现为逐渐下降趋势,于5 cm处达到最大值,之后又逐渐上升至铺装层底部为止。C点处正应力在整个厚度范围内均为拉应力。在D点处,常温正应力的分布规律为:以厚度为1 cm处为拉压分界点,最大拉应力发生在路表处, 最大压应力发生在距路表5 cm处。如图6所示。
3.2.3 完全光滑状态下常温应力的变化
当沥青混凝土桥面铺装层与桥面板层间的连续状态为完全光滑时,A点的常温应力在整个厚度范围内均表现为拉应力,最小值位于由铺装层底部。而后逐渐增大,并于铺装层顶部达到最大值。B点正应力沿厚度方向的分布此时呈现出拉压共存的状态,以厚度为4.8 cm处为拉压变化点,往上压应力逐渐增大并在路表处达到最大值,同时拉应力也逐渐向下延伸,并于路底达到最大压应力。C点处正应力在整个厚度范围内均为拉应力。在D点处,常温正应力的分布规律为:以厚度为2 cm处为拉压分界点,最大拉应力发生在路表处,最大压应力发生在距路表5 cm处。如图7所示。
3.3铺装层厚度的变化对抗疲劳开裂性能影响分析
由图8、图9中可见,无论是上面层厚度的增加,还是下面层厚度的增加,铺装层内的常温拉应力都随之不断减小。表3可以看出,当铺装上层厚度由3 cm逐渐变化到7 cm时,相应的铺装层内部常温应力也由最初的0.115 2 MPa减小至0.050 5 MPa,减小幅度达56.2%;而铺装下层厚度由4 cm逐渐变化到8 cm时,相应的铺装层内部常温应力也由0.115 2 MPa减小至0.079 0 MPa,减小幅度达31.4%。可见,铺装层厚度的改变,对铺装层内部常温拉应力的影响程度是比较可观的,并且铺装上层厚度的改变比下层厚度的改变对常温拉应力的影响相对大些。因此,可通过增加铺装层的厚度来改善恰面铺装层的抗疲劳性能,其中,增大铺装上面层的厚度更为积极有效。
4 结 论
a.高寒地区水泥混凝土桥面沥青铺装层深度0～2 cm区域可作为铺装层内部常温拉应力的峰值分布区域。
b.高寒地区水泥混凝土桥面沥青铺装层内的常温拉应力均随着上面层/下面层厚度的增加而减小;
c.可通过增加高寒地区混凝土桥面沥青铺装层的厚度来改善恰面铺装层的抗疲劳性能。
参考文献
[1]卢哲安,易贤仁,杨星云.高速公路桥涵桥面铺装层力学性能的试验研究[J].武汉工业大学学报,1998,20(4):92-95.
[2]王虎,胡长顺,王秉纲.简支梁桥梁端处桥面连续铺装层结构计算分析[J].西安公路交通大学学报,2000,20(4):1-3.
开裂性能 篇6
关键词：HDPE,共混改性,亚微相态,力学性能,耐应力开裂性能
HDPE 是目前我国发展速度最快的塑料品种之一, 它性能优良, 如良好的物理机械性能, 较高的使用温度, 优良的耐寒性等。但是HDPE最大的缺点是其耐环境应力开裂性差, 极大的影响了管材的使用寿命[1]。
对HDPE共混改性可以显著的提高其耐环境应力开裂性能。LDPE是常用的共混剂, 由于其分子链的柔性结构, 与HDPE混合后可显著增加后者的断裂伸长率和韧性, 进而可提高耐环境开裂性[2,3,4,5]。弹性体SBS也是一种很好的共混剂, 与LDPE不同的是, SBS以分散相存在于HDPE基体中, 形成海-岛结构。分散的SBS相可以起到增韧的作用, 从而改善HDPE的耐环境开裂性能[3]。本实验采用HDPE/LDPE/SBS三元混合, 以希望获得比单一改性剂更好的耐环境开裂性。同时研究HDPE/LDPE/SBS不同配比时的微观相态与力学性能, 以期找出两者之间的关系, 为进一步提高HDPE的性能提供理论指导。
1实验部分
1.1仪器
CH-10型高速混合机, 上海机床仪器厂制造;双辊筒炼塑机, SK-160B型, 上海橡胶机械厂制造;XLL-250型拉力试验机, 中国广州材料试验机场制造;偏光显微镜, Leitz, SM-LUX-POL, 西德制造。
1.2实验方法
共混:共混时, 先将两辊温度升至140℃, 辊隙:0.5～1mm, 加料顺序是:HDPE-LDPE-SBS。混炼2min左右, 再加入CaCO3、硬脂酸, 2, 6, 4, PDS混炼3min左右, 共5min左右, 出料厚度约1～1.5mm, 编号0#～10#, 原料配方如表1所示。
机械性能分析 (拉伸性能) :拉伸速度:50mm/min, 实验温度:10℃左右。
应力开裂性能分析:采用GB1842-80测试标准。
断口形态分析:断面切下, 置于扫描电镜下观察。
注:1#～5#SBS为变量, LDPE基本不变;6#～10#的共LDPE为变量, SBS基本不变
2结果与讨论
2.1共混体系拉伸性能考察
由图1可看出, 随着SBS含量的增加, 屈服应力有明显下降。这表明弹性体含量的增加进一步破坏了球晶的生长, 形成许多的缺陷, 如孔隙、不均匀区域等。当材料受到拉伸时, 这些缺陷会首先引起球晶的破坏, 因此更容易屈服。再看断裂应力则恰恰相反, 共混高分子合金的断裂应力都比纯HDPE要高, 且1#～5#没有多大变化。这说明它们屈服后都在拉伸方向取向、重结晶, 具有相同的断裂机理。
由图2可看出, 随着LDPE含量的急剧增加, 屈服应力和断裂应力都有明显的下降。这说明加入强度较低的LDPE产生了明显的效果。
由图3、图4可看出SBS含量在6%时的伸长率最大, 高于或低于这个值均有所减小。所以加入的弹性体并非越多越好, 只有适量加入才能获得较大的伸长率。LDPE含量在7.7%～20.1%时的伸长率还比较大, 而一旦LDPE含量大于20%, 伸长率急剧下降, 这是其断裂强度急剧下降所致。
由图5和图6可看出, 拉伸功的变化曲线与相应的断裂应力变化曲线完全一致。
2.2拉伸断口形态的分析
从断口扫描电镜照片 (图7、图8) 上可以看出, 1#～10#都是韧性断裂, 沿拉伸方向都有细丝状物。1#～4#丝状都比0#细, 而且1#～4#丝状越来越细。这是加入弹性体后, 加强了平行于拉伸方向的高分子链间的相互作用, 使之受到外力时, 先产生银纹, 再发展成裂缝, 最后断裂。从银纹到断裂的过程, 就是高分子链取向的过程。图中可以看出4#的丝已经很细了, 然而SBS含量最多的5#的丝却变粗但垂直于拉伸方向有许多白花纹, 这在4#中也可看到, 而1#～3#没有。这是因为屈服时产生了剪切形变, 白花纹即剪切带。SBS含量的增加加强了垂直于拉伸方向高分子链的取向。表现为4#、5#的伸长率减小, 拉伸性能下降。
再看6#～10#, 丝状越来越粗。6#、7#LDPE含量在7.7%～14.4%之间, 与3#的情况类似, 丝很细。8#、9#的LDPE含量增加, 在20%～30%之间, 出现与4#、5#类似的白花纹, 丝渐粗, 这是加入了比HDPE强度低的LDPE所致。
2.3共混物的结晶形态考察
从共混物的偏光显微图片 (图9) 我们发现, 由于加入了SBS, 5#球晶尺寸比纯HDPE增大, 而球晶与球晶之间的界限变得模糊, 结晶变得不完整。而7#, 8#球晶尺寸变小, 球晶形状也变得不规则, 这应该是加入的LDPE强烈的破坏了HDPE的球晶生长造成的。
2.4共混体系耐环境应力开裂性能的考察
耐环境开裂性能按照GB1842-80方法测试。为方便观察, 以10个样开裂5个记录时间。由实验结果可看出, 耐环境开裂性能5#、7#、8#、6#较好, 均在500小时以上。1#、2#、10#最差, 甚至不如纯HDPE。通过共混体系亚微形态和力学性能研究, 我们从球晶的大小、完整性及拉伸强度就不难分析应力开裂的情况。1#～4#的耐环境开裂性能不如5#, 是由球晶的亚微形态决定的。它们的球晶都比较完整、规则, 所以材料缺乏韧性, 易受应力而开裂。
注:其中5#, 1296h未开裂;7#, 1296h开裂1个;8#, 1296h开裂4个。其余皆为开裂5个样片的时间。
而9#、10#的球晶很小且不完整, 耐环境应力开裂性能却很差, 这是因为其拉伸强度和断裂伸长率本身就很小, 无法抵御较大应力的破坏。所以耐环境应力开裂性能是由球晶大小和材料的强度共同决定的。
3结论
(1) 由耐应力开裂性能实验结果表明, 共混体系耐应力开裂性能比纯HDPE有很大提高, 耐应力开裂时间能超过1296h。
(2) 由亚微观形态分析和力学性能的考察可得出:耐应力开裂性能较好的材料 (应力开裂时间>700h) 既要有较高的强度, 又要有很小、不完整的球晶。
(3) 随SBS含量增加, 1#～5#球晶尺寸逐渐增大, 而结晶越不完整;随LDPE含量的增加, 6#～10#的球晶尺寸逐渐减小, 而结晶越不规则。
(4) 随着SBS含量增加, 拉伸强度总体基本不变, 而屈服应力逐渐下降;当LDPE含量增加时, 拉伸强度和屈服应力均急剧下降。
参考文献
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开裂性能 篇7
我国是世界上最大的水稻种植国家之一, 据统计, 2009年全国和宁夏稻谷产量分别为19 550万t、64.6万t, 按照稻壳一般占稻谷质量的20%计算, 全国年产稻壳约3 910万t和宁夏年产13万t, 稻壳资源十分丰富。尽管稻壳有许多实际的或潜在的工业用途, 但目前在大多数碾米企业中, 都是自然堆放或焚烧, 既占用土地资源, 又污染周边环境;同时存在潜在的火灾隐患, 是环保部门和稻米加工企业面临的难题之一。研究发现在600℃以下进行控制焚烧得到的低温稻壳灰是由纳米尺度的SiO2凝胶粒子 (约50nm) 疏松地粘聚而成[1]。因此在胶凝材料中引入的纳米级稻壳灰不仅可以发挥物理填充效应 (微颗粒效应) , 改善胶凝材料系统的颗粒粒径分布, 使系统的颗粒堆积更紧密合理;而且其高化学活性促进二次水化反应, 增加凝胶体数量并使水化产物在整个界面过渡层内分布趋于均匀, 从而提高混凝土性能。在亟待解决混凝土耐久性的今天, 充分利用纳米级的低温稻壳灰, 从结构上改善混凝土抗冻性能不失为一种良策。
因此, 本课题探索利用具有优异特性的纳米稻壳灰和作为工业废弃物的煤矸石改性混凝土, 增强混凝土强度和提高混凝土抗冻性能, 期望能够推动稻壳灰和煤矸石资源的开发和利用。
1 试验材料和试验方法
1.1 试验材料
(1) 水泥:采用宁夏赛马水泥厂生产的42.5MPa普通硅酸盐水泥, 经检测满足国家标准的要求。
(2) 骨料:采用宁夏镇北堡产山砂, 细度模数3.0的中砂, 表观密度2.60g/cm3, 堆积密度1.50 g/cm3, 含泥量1.5%;人工碎石, 粒径5～20mm, 连续级配, 压碎指标6.5%。
(3) 煤矸石:宁夏石嘴山石炭井自燃煤矸石, 其密度为2.71g/cm3, 比表面积为560m2/g, 化学成分详见表1;
(4) 稻壳灰:湖南弋阳县恒隆保温材料有限公司产无碳白稻壳灰, 化学成分详见表1;
(5) 减水剂:采用北京慕湖生产的FDN高浓型萘系高效减水剂。
(6) 水:拌和水、养护水均为自来水, 满足规范对水品质的要求。
1.2 试验方法
混凝土水胶比0.35和0.4, 纳米稻壳灰按1%, 2%和3% (质量分数) , 煤矸石按20%和25% (质量分数) 等量取代水泥, 掺加高效减水剂使混凝土坍落度保持在60～100mm之间, 混凝土配合比详见表2所示。
混凝土的拌和、成型养护、抗压强度试验方法依据《普通混凝土力学性能试验方法》 (GB/T50081—2002) 的规定实施, 采用100mm×100mm×100mm的模型, 试件标准养护龄期为28d。
混凝土抗裂性能试验采用平板法的要求研究混凝土的抗裂性。通过模具边框中双排栓钉对混凝土形成约束, 通过底部表面粗糙的钢板与混凝土的直接粘结形成底部约束。
2 试验结果
2.1 掺合料对混凝土抗压强度的影响
混凝土抗压强度试验结果详见表2所示。
稻壳灰和煤矸石单掺对混凝土抗压强度的影响详见图1。稻壳灰掺量的增加, 混凝土28d抗压强度增加。水胶比为0.4时, D1组、D2组和D3组28d抗压强度较JZ1组提高6.8%、16.7和15.1%;128d抗压强度较JZ1组提高7.9%、15.2和19.3%。从经济性的角度, 稻壳灰掺量2%时最优。
随着煤矸石的掺加, 混凝土28d抗压强度有降低的趋势, 但长期强度与基准组混凝土相差不多。水胶比为0.4, 28d龄期时, M1组和M2组强度较JZ组降低2.9%和6.4%;128d龄期时, M1组和M2组强度较JZ组增加2.9%和1.0%。产生这种现象的主要原因是由于前28d时煤矸石的“二次水化反应”的效果还没有充分发挥, 随着时间的增长煤矸石的活性逐步显现的缘故。
稻壳灰和煤矸石复掺时对混凝土强度的影响详见图2。水胶比为0.4, 28d龄期时, DM1组和DM3组强度较JZ组提高8.9%和4.2%;128d龄期时, DM1组和DM3组强度较JZ组提高7.2%和9.2%。28d龄期时, DM2组和DM4组强度较JZ组提高12.5%和4.9%;128d龄期时, DM1组和DM3组强度较JZ组提高5.2%和12.1%。因此稻壳灰掺量为2%时, 煤矸石的掺量不能超过25%, 稻壳灰和煤矸石复合掺加, 混凝土28d和128抗压强度增加。
2.2 混凝土早期开裂试验
混凝土早期开裂试验结果详见表3。
掺加20%煤矸石时, M1组混凝土开裂时间较JZ1组混凝土延长103%, 最大裂缝宽度减小55%, 单位面积混凝土内裂缝面积减少45%。掺加2%的稻壳灰时, D1组混凝土开裂时间较JZ1组混凝土缩短25%, 最大裂缝宽度增大60%, 单位面积混凝土内裂缝面积增大43%。稻壳灰和煤矸石复掺时, DM1组混凝土开裂时间较JZ1组混凝土延长65%, 最大裂缝宽度减小25%, 单位面积混凝土内裂缝面积减少33%。
3 机理分析
纳米稻壳灰的颗粒非常微小 (达到纳米级) , 一方面在水泥中表现为填充作用、级配调节作用和调节水化产物分布的“晶核作用”, 提高固体颗粒混合物体系的密实度, 有效地降低水泥凝胶体的孔隙率 (详见图3和图4) [2,3,4]。另一方面稻壳灰中的纳米SiO2颗粒粒径微小, 其比表面积和表面原子数急剧增加, 具有较高的活性, 很容易与混凝土中的Ca (OH) 2发生二次水化反应, 生成产生强度的水化硅酸钙。这样在水泥硬化浆体原有网络结构的基础上又建立了一个新的网络, 它是以超微细颗粒为网络的结点, 并键合成三维网络结构, 改善了水泥石的微观及亚微观结构, 可大大地提高水泥硬化浆体的力学性能[5,6,7,8]。但是在提高强度的同时由于水化反应的速度较快, 混凝土早期自生收缩较大, 在自生收缩和干燥收缩的共同作用下, 混凝土的早期开裂严重。
煤矸石本身没有或极少有火山灰活性, 但其粉末状态在有水存在时, 所含的SiO2能与Ca (OH) 2在常温下发生化学反应, 生成具有胶凝性的组分水化硅酸钙 (二次水化反应) , 同时这些反应产物填充硬化水泥石的过渡层及混凝土空隙, 改善了微观结构, 提高了混凝土性能, 但由于时间较短, 其活性没有完全发挥。
4 结论
(1) 煤矸石掺量的增加, 混凝土28d抗压强度有降低的趋势, 最佳掺量为20%。
(2) 稻壳灰掺量的增加, 混凝土28d抗压强度增加。水胶比为0.4, 28d龄期时, D1组、D2组和D3组抗压强度较JZ1组提高6.8%、16.7%和15.1%, 掺量2%时最优。
(3) 稻壳灰加剧了混凝土的早期开裂, 煤矸石有助于减轻混凝土的早期开裂危害。
参考文献
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