混凝土早期变形行为研究及开裂风险评估

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蒸汽养护作为预制构件生产最常用的技术手段,在提高工程效率的同时降低了产品能耗。混凝土中掺入粉煤灰和矿粉使工业废渣得到充分利用,减少了水泥熟料的使用量,适应现代低碳绿色化建筑潮流。蒸养混凝土与标养混凝土相比有不同的收缩开裂特征,而矿物掺合料的掺入使蒸养混凝土的变形机制更加复杂。本文主要研究了不同掺量粉煤灰和矿粉对蒸养混凝土变形及开裂性能的影响,主要研究内容及结论如下:
  (1)采用立方体抗压、劈裂抗拉和超声波试验研究了矿物掺合料对蒸养混凝土早期抗压强度、抗拉强度和弹性模量发展规律的影响。试验结果表明:蒸汽养护可以显著地提高混凝土的早期强度。蒸养结束时,相较于标准养护,掺25%矿粉蒸汽养护混凝土的抗压强度、抗拉强度和弹性模量分别提高了60%、91%和4%;掺25%粉煤灰蒸汽养护混凝土的抗压强度、抗拉强度和弹性模量分别提高了43%、44%和11%;掺30%矿粉20%粉煤灰蒸汽养护混凝土的抗压强度、抗拉强度和弹性模量分别提高了26%、89%和10%。矿粉与粉煤灰的掺入降低了蒸养混凝土早期的力学性能,导致蒸养混凝土抵抗开裂的能力变弱。但后期强度有所补偿,强度基本与纯水泥混凝土相同。
  (2)采用毛细管负压仪测量了蒸汽养护过程中混凝土的毛细管负压的发展情况。研究发现:从开裂风险角度来看,与选取终凝时间作为收缩零点相比,选取膨胀峰作为收缩开裂零点更加合理。在蒸汽养护过程中,混凝土的膨胀主要发生在升温阶段,粉煤灰和矿粉的掺入使膨胀峰值出现的时间略微延后;在恒温阶段,混凝土内部温度变化减小,水泥水化消耗水分使混凝土内部相对湿度开始下降,自收缩产生;降温阶段,温度降低使水化消耗水分速度减缓,自收缩速度减小,此时钙矾石重新生成导致混凝土产生二次膨胀。
  (3)采用应变计和温湿度传感器对混凝土浇筑完成后收缩-温湿度一体化研究,通过密封与半密封试验研究了混凝土蒸汽养护结束后的自收缩和干燥收缩。试验结果发现:蒸养过程中,混凝土呈现出“膨胀-收缩-膨胀”的变化规律。蒸养混凝土随着粉煤灰掺量的增加,收缩逐渐减小,而矿粉则表现出相反的发展规律。以60天为例,含50%矿粉混凝土自收缩相较于100%水泥混凝土增加了11%,而含45%粉煤灰混凝土自收缩下降了22%。另外,矿粉蒸养混凝土早期收缩速率远远高于粉煤灰蒸养混凝土。在后期,干燥收缩逐渐大于自收缩,是收缩的主要方式。以60天为例,含25%矿粉混凝土总收缩是自收缩的3.5倍;含25%粉煤灰混凝土总收缩是自收缩的3.9倍。观察收缩与ln(RH)的关系曲线,发现蒸养混凝土收缩与相对湿度变化有高度的同步性和相依性。通过低场核磁共振试验发现矿粉和粉煤灰的掺入对蒸养胶凝材料早期孔结构有不利影响,但后期会逐渐细化孔隙。
  (4)通过微量热试验研究了水泥基材料在不同温度下的水化曲线。高温明显的提高了水泥基材料的水化速率,但会降低后期的水化速率。同时,矿粉的掺入会提高水泥基材料早期的水化程度。根据Arrhenius公式和等效龄期公式,以水化度为衡量标准,蒸汽养护比在20℃下养护可以节约24.3h。根据Klevin-Laplace方程,对蒸养混凝土收缩模型进行推导,优化收缩模型中的计算参数,误差在15%左右,模拟结果良好。根据收缩应力与抗裂能力的发展变化,对蒸养混凝土进行开裂风险评价,发现在蒸养混凝土开裂风险有两头高,中间低的发展特点,粉煤灰的掺入可以有效的抑制开裂。
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