雙膨脹水泥混凝土的膨脹性能

論文類別:工學論文 > 水利工程論文
論文作者: 陳胡星1 王尚賢2
上傳時間:2006/2/20 10:33:00

摘要:雙膨胀水泥是在中熱和低熱礦渣硅酸鹽水泥基礎上,同時利用了钙礬石與氧化鎂二者的膨脹。本文對此種水泥拌制的混凝土的自生體積變形、在鋼筋約束下的膨脹應力以及約束試件的强度進行了試驗。結果表明,双膨脹水泥混凝土具有較好的微膨脹性,在早期與後期均能产生一定的膨脹,在鋼筋約束條件下能夠產生比較穩定的預壓應力,約束試件的強度比沒有約束時有所提高,適用於具有一定約束條件的水工混凝土。

關鍵詞:雙膨脹 混凝土 自生体積變形 預压應力

  雙膨胀水泥,包括雙膨脹中熱矽酸鹽水泥與雙膨脹低熱礦渣硅酸鹽水泥,其主要特點是,在中熱或低熱礦渣矽酸鹽水泥的基础上,同時利用了水泥中鈣礬石與水镁石兩者膨脹,鈣礬石膨脹主要發生在早期,水鎂石膨脹主要發生在後期,兩者取長補短,以獲得適宜的膨脹量與膨脹分布[1]。因此,雙膨脹水泥不僅保留了中熱或低熱礦渣矽酸鹽水泥低水化热等的全部優點,同時又具備較好的微膨脹性能,適合於在電工程中基礎約束區、導流洞及导流底孔回填等具有一定約束條件的部位中應用。

  在浙江大學實驗室研究的基礎上,湖南特種水泥廠生產了一批雙膨脹水泥,並由長江科學院進行全面的混凝土性能方面的試驗,本文主要介紹雙膨脹水泥混凝土的自生體積變形、約束條件下的膨脹应力及其強度的試驗情況。

1 試验過程

1.1 配制混凝土的原材料 (1)525双膨脹中熱水泥和425雙膨脹低热礦渣水泥,由湖南特種水泥廠19974月生產,這兩種水泥都符合中热矽酸鹽水泥和低熱矿渣矽酸鹽水泥的國家標準GB200-1989,同時熟料中的MgO含量和水泥中石膏(SO3)摻量較高,其中熟料中的MgO接近5.0%,水泥中石膏(SO3)的摻量接近3.5%.該水泥強度、水化熱與凈漿自由膨脹率见表1.(2)粗骨料采用三峽工程使用的花崗巖人工骨料,密度為2.72g/cm3,骨料級配為三級配,大∶中∶小=502030.(3)細骨料以砂為主,再摻11%的石粉,密度為2.63g/cm3,細度模數為2.71.(4)外加劑,采用三峽工程使用的減水劑ZB-1和引气劑DH9S.

1.2 混凝土配合比 分別用雙膨脹中熱水泥和双膨脹低熱礦渣水泥配制90d齡期標號為250200的混凝土,配合比見表2,减水劑摻量為0.7%,引氣剂摻量為0.5/萬。

1.3 试驗方法 自生體積變形試验按《混凝土試驗規程》SD105-82進行,試件尺寸為20cm×50cm的圓柱體。常規測试的養護溫度為20±1。另外考慮到氧化鎂水化反應與溫度關系密切,為了了解較高溫度下的膨脹性能,又作了一組前後兩種溫度的養護的試驗,龄期40d前為20±1,之後為38±1

1 雙膨脹水泥強度与膨脹率


抗折強度/Mpa

抗压強度/Mpa

水化熱/(J/g)

凈漿膨脹率/(10-6m/m)

水泥名稱


3d

28d

3d

28d

3d

7d

7d

28d

90d

180d


525雙膨胀中熱水泥

6.2

9.2

30.8

58.9

231

265

610

920

1140

1380

425雙膨脹低熱水泥

4.5

8.2

18.9

44.3

181

213

730

880

960

1010


2 雙膨脹混凝土配合比


混凝土材料用量/(kg/m3)

代號

設計標號

水泥品种

水灰比

砂率(%)


塌落度/cm

含气量(%)

水泥


M250

R90=250

525中熱

0.50

31

200

100

648

1494

5

4.0

L200

R90=200

425低熱

0.55

31

178

98

651

1506

5

4.5


  鋼筋約束膨脹應力的試件为Φ15cm×45cm的圓柱体,中部對稱布置兩根鋼筋,鋼筋两端與限制膨脹的鋼板相連,在兩根鋼筋之間放置一电阻應變計。養護溫度為20±1。當混凝土膨脹时,試件全端面受到两端壓板的約束,試件中鋼筋、混凝土與應變計三者基本一致,這樣應变計測得的應變可以代表鋼筋的應變,由此可推算钢筋的拉應力與混凝土的預壓应力。

  所有試件都進行了密封處理,試驗過程中保持絕濕狀態。所用電阻应變計的型號為DI-25,以1d齡期的測試值為基準值。

  對兩種混凝土在約束條件下養護與無約束条件下養護的抗壓和劈拉強度進行對比試驗,养護齡期有28d90d,試件尺寸為10cm×10cm×10cm立方體,約束方式為特制大鋼度試模,約束試件成型後帶模養護至測試齡期拆模。

免費論文下載中心 http://www.hi138.com

2 試验結果

2.1 自生體積變形1M250L200的自生体積變形隨時間和養护溫度的變化情況。由图可見,兩者在2d齡期內自生體積膨脹率發展都較快,而後膨脹速率明顯降低,養護溫度提高,膨脹速率都明顯加快。但較早齡期的膨脹,M250L200要小些,而40d180d齡期間的膨脹增量,20℃時M250L200略小,38℃時M250L200明顯要大。

2.2 鋼筋約束膨脹應力2為含筋率在2.0%2.6%的條件下M250L200的預压應力曲線。M250L200在最初的2d齡期內都產生一個相對較大的預压應力,之後一段時間中預壓應力略有下降,在1015d左右走入低谷,過後又逐漸回升。但兩者也存在差別,L200形成的低谷比M250深,走出低谷後形成的预壓應力,也比M250明顯要小。以含筋率都為2.6%的情況为例,M250在早期2d齡期產生的預壓应力為0.089MPa10d左右預壓應力最低,約為0.082MPa,而後逐漸回升,到28d90d180d齡期時,預壓應力分別達到0.1000.1480.158MPaL200在前2d齡期產生的預压應力與M250大致相同,15d左右走入低谷,其預壓应力只有0.063MPa,在28d90d180d齡期預壓應力分別回升至0.0860.0920.096MPa,明顯比M250小。

双膨胀水泥混凝土的膨胀性能

双膨胀水泥混凝土的膨胀性能

1 雙膨脹混凝土的自生體積變形曲線

2 雙膨脹混凝土的預壓應力曲線

2.3 約束試件的強度3M250L200,在28d90d兩個齡期时,約束與無約束試件的抗壓與劈拉強度,由表3可見,约束試件強度,比之於非约束試件的強度,均有不同程度的提高,抗壓強度提高約15%,劈拉強度提高約9%.

3 雙膨胀水泥混凝土的強度


28d抗压強度/Mpa

90d抗壓強度/MPa

28d劈拉强度/MPa

90d劈拉強度/MPa

混凝土代號


無约束

約束

無約束

約束

無約束

約束

無約束

約束


M250

29.0

33.7

37.8

43.1

2.02

2.23

2.77

3.04

DWL200

22.4

28.3

31.5

36.7

1.69

1.84

2.60

2.77


3 討論

  雙膨脹水泥同時對鈣礬石膨脹與氧化鎂膨脹加以積極利用,早期主要是水泥中石膏与含鋁礦物反應形成钙礬石產生的膨脹,後期主要是熟料中氧化鎂水化形成水鎂石產生的膨脹[1]。雙膨脹混凝土的自生體積變形的試驗結果,也反映了早期鈣礬石與後期氧化鎂這二者的膨脹。鈣礬石膨脹發揮很快,特別是在2d以內,2d以後雖然鈣礬石膨脹還继續發揮作用,但從趨勢上看,緩慢的氧化鎂的膨脹實際上已逐漸開始起主導作用。

  方鎂石轉变為水鎂石的反應對溫度十分敏感,養護溫度提高,其反應速度明顯加快,由此而產生的膨胀也就明顯加快[1]。這與雙膨脹混凝土在前後兩種溫度養護的自生体積變形對比試驗結果是一致的,溫度提高後,双膨脹混凝土膨脹速率明顯提高。由於M250采用雙膨脹中熱水泥,而且水泥用量也多,因此它的氧化鎂含量比L200高,養護溫度從20℃提高到38℃時,40d180d齡期間膨脹增量,M250明顯高於L200.混凝土膨脹速率随著溫度升高而加大的特點,在實際應用時應加以註意,因為大壩混凝土的溫度場總是不均勻的,尤其是表層混凝土,內外溫差一般有十幾度甚至幾十度,用在这種部位,就有可能出現表面膨脹量小、內部膨脹量大的不均勻膨脹,从而可能加大表面的拉應力。

  以混凝土的膨脹變形來補償其收缩變形,當兩者同步時,其效果最好。雙膨脹混凝土組合了鈣矾石與水鎂石兩者膨胀,其膨脹變形與大壩等大體積混凝土收縮變形[2]的匹配上,比只有單一的钙礬石或氧化鎂膨脹的情況要好。

  如果早期膨脹變形來補償後期溫降收縮,只有膨脹變形在約束條件下產生預压應力,應變部分才能起补償作用。由於自生不均勻降溫產生的收縮應力應變,均勻膨脹變形對它的補償效果差,甚至有可能加大某些部位的拉應力,若在局部區域增加约束條件,如布置鋼筋對膨脹變形進行約束,使之產生預壓應力以防止出現過大的拉應力,可起到增強補償效果的作用。

  雙膨脹混凝土在鋼筋約束下的膨脹應力曲線,与相應的自生體積變形曲线是一致的。2d以内產生相應較大的預壓應力,来自對應時段內的鈣矾石膨脹,之後膨脹速率減小,預壓應力引起的徐变變形較大,超過膨脹變形而使預壓應力減小。隨後徐變變形減小,而膨脹變形速率相對穩定,使預壓應力逐步回升或保持相對穩定。M250方鎂石含量較高,強度也高,2d以後形成的預壓應力很明顯,除補償初期預压應力松馳外,還增加了约40%的預壓應力(見圖2).L200方鎂石含量較低,強度也較低,在2d以後產生的預壓應力,只能起到補償初期預壓應力因徐變松馳而損失的那部分。

  雙膨脹混凝土中膨脹的根源是鈣礬石與水鎂石,這兩者的形成產生的“膨脹能”,可以表現為:(1)補償收缩和產生外體積膨脹;(2)产生預加壓應力;(3)對混凝土內部孔隙的壓縮和遷移,使之致密化。在不同的水化硬化階段,以及在不同的外部條件,其表現形式可以有很大的差別。雙膨脹混凝土在彈模較高時,外體積膨脹作用就相對較小。而在約束條件下,膨脹能就會表現為產生预壓力應力以及對內部孔隙變移和致密化時,其強度就當有所提高[3]。雙膨脹混凝土中,利用“膨脹能”的產生預加壓應力以及致密化的作用,對改善其性能來說是十分重要的。

  雙膨脹混凝土有初期膨脹,也有后期膨脹,在約束條件下能產生比較穩定的預壓應力,能夠比較有效地補償大體積混凝土的收縮。同時,雙膨胀水泥也完全符合中、低熱水泥的现行國家標準,保留著中、低熱水泥的優點,因而可在大壩工程,尤其是基礎約束區、导流洞及導流底孔回填等具有一定約束條件的部位中應用。

  另外,從試驗結果上看,雙膨脹混凝土存在總的膨脹量偏小,以及鈣礬石膨脹發展過快,而氧化鎂膨脹又顯得過於緩慢的不足之處。雙膨脹混凝土膨脹量偏小,只是體現了微膨脹性,只能部分補償大壩等大体積混凝土的收縮。鈣矾石膨脹過早,由於此时混凝土彈模較低,徐变度過大,膨脹變形產生的補偿應力相對地較小,而且容易被松馳。而如果氧化鎂膨脹期過長,則補償收縮的作用較小且不易控制。因此,推遲钙礬石膨脹,加快氧化鎂膨脹,增加總的膨脹量,是雙膨胀水泥以後值得繼續研究和完善的重要內容。

4 結論

  (1)雙膨脹混凝土的自生體積隨齡期的變化均表現為膨脹,具有較快的形成鈣礬石產生的膨脹和緩慢的方鎂石水化產生的膨脹。(2)氧化鎂膨脹对溫度比較敏感,養護溫度提高,膨脹速率明顯增大,在實際应用時應適當註意不均匀溫度場而引起的不均勻膨脹應力。(3)雙膨脹混凝土在鋼筋約束條件下,會產生比較穩定的預壓應力。(4)雙膨脹混凝土在約束條件下的強度,與無約束条件下的強度相比,有比較明顯的提高。(5)總而言之,雙膨脹混凝土具有較好的的膨脹特性,能夠比較有效地補償大壩等大體積混凝土的收縮,適用於具有一定約束條件的混凝土。

參 考 文 獻:

[1] 樓宗漢,等。熟料中氧化鎂的水化及其膨脹性能[J]。矽酸盐學報,199826(4).

[2] 中國水電科學研究院材料研究所。大體積混凝土[M]。北京:水電出版社,1990年。

[3] 沈威,等。水泥工藝學[M]。武漢:武漢工業大學出版社,1991年。

免費論文下載中心 http://www.hi138.com
下载论文

論文《雙膨脹水泥混凝土的膨脹性能》其它版本

水利工程論文服務

網站聲明 | 聯系我們 | 網站地圖 | 論文下載地址 | 代寫論文 | 作者搜索 | 英文版 | 手機版 CopyRight@2008 - 2017 免費論文下載中心 京ICP备17062730号