混凝土早期力學(xué)性能試驗(yàn)研究

趙聯(lián)楨，楊 平，劉 成

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

混凝土作為土木工程建設(shè)最基本的材料，其各項(xiàng)性能直接影響到結(jié)構(gòu)空間的安全穩(wěn)定;而力學(xué)性能又是混凝土諸多性能中最基本的性能［1］，進(jìn)一步的研究表明混凝土早期力學(xué)性能對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性具有至關(guān)重要的意義［7］.因此，混凝土專(zhuān)家開(kāi)展了此領(lǐng)域的研究，并取得了一些初步成果.研究［2－6］發(fā)現(xiàn):當(dāng)混凝土的早期強(qiáng)度和極限拉伸值過(guò)低時(shí)，混凝土在早期溫度應(yīng)力、干縮應(yīng)力和自收縮應(yīng)力作用下產(chǎn)生微裂縫的概率會(huì)大大增加，這些微裂縫將是大裂縫產(chǎn)生的前提條件，大的裂縫一旦產(chǎn)生將會(huì)給結(jié)構(gòu)工程造成難以估量的損失.江影［7］通過(guò)摻粉煤灰混凝土的早期抗裂力學(xué)性能試驗(yàn)，分析了粉煤灰在混凝土強(qiáng)度改善過(guò)程中的化學(xué)機(jī)理，并認(rèn)為合理的粉煤灰摻量能改善混凝土早期力學(xué)性能和抗裂性能.錢(qián)曉倩［8］通過(guò)試驗(yàn)研究了偏高嶺土對(duì)高強(qiáng)混凝土抗拉性能的影響:當(dāng)偏高嶺土的摻量小于15%時(shí)，能改善混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度(以下簡(jiǎn)稱(chēng)軸拉強(qiáng)度)、抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度，且摻量越高改善效果越明顯.楊揚(yáng)等［9］使用自行設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置對(duì)混凝土1 d以前的抗拉性能做了研究.就粉煤灰摻量對(duì)混凝土力學(xué)強(qiáng)度的影響問(wèn)題，嚴(yán)捍東［10］進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明:粉煤灰的摻入對(duì)水泥基材料早期強(qiáng)度(28 d以前)的影響較大;抗壓強(qiáng)度受粉煤灰影響較小;抗彎、抗剪、劈裂抗拉強(qiáng)度受到的影響較大.李栓民［11］研究了磷渣細(xì)度和摻量對(duì)水泥早期力學(xué)性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)磷渣細(xì)度對(duì)強(qiáng)度的決定性作用發(fā)生在后期.

以往的材料專(zhuān)家在混凝土早期力學(xué)性能方面做了大量的工作，但是由于混凝土力學(xué)性能早期測(cè)量的復(fù)雜性，目前對(duì)混凝土前7 d，尤其是前3 d齡期力學(xué)性能的關(guān)注和研究較少.鑒于混凝土早期力學(xué)性能對(duì)工程耐久性的重大影響，本文就混凝土在前7 d齡期的力學(xué)性能開(kāi)展了試驗(yàn)研究.

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 原 材 料

水泥為烏蘭水泥廠的P·O 42.5水泥，其化學(xué)成分和相關(guān)性能見(jiàn)表1，粉煤灰為托電I級(jí)粉煤灰和肥城I級(jí)粉煤灰，相關(guān)化學(xué)成分和性能見(jiàn)表2.

表1 水泥的物理力學(xué)性能和化學(xué)成分Tab.1 Cement's physical and mechanical property and chemical composition

表2 粉煤灰品質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果Tab.2 The quality test results of fly ash

試驗(yàn)選用的減水劑為JM－PCA(1)型減水劑(聚羧酸)和山東的HPC－GYJ高效引氣減水劑(萘系)，HPC－GYJ高效引氣減水劑，JM－PCA(1)型減水劑和引氣劑按照《混凝土外加劑》［12］進(jìn)行檢驗(yàn).經(jīng)檢驗(yàn)，均滿足要求.本試驗(yàn)的骨料為二級(jí)配，試驗(yàn)用水為南京自來(lái)水，具體的材料用量見(jiàn)表3.

表3 混凝土的材料用量Tab.3 Mix proportion of concrete

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)參照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》［13］進(jìn)行，且礦物摻合料摻和方式為內(nèi)摻.混凝土立方體抗壓試件和劈裂抗拉試件的尺寸相同，均為150mm×150mm×150mm.軸心抗拉試件尺寸和軸心抗壓試件尺寸分別為100mm×100mm×515mm，150mm×150mm×300mm.進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，試件的承壓面應(yīng)為試件側(cè)面，加載速度為0.3～0.5mPa/s.針對(duì)軸拉試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備有2種，1 d時(shí)采用的試驗(yàn)機(jī)為數(shù)字拉力機(jī)(型號(hào)為AGS－J)，其余齡期采用的試驗(yàn)機(jī)器為液壓試驗(yàn)機(jī)(型號(hào)為WE－1000)，電子設(shè)備實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù).為防止由于混凝土早期強(qiáng)度過(guò)低造成的試件和鋼模之間的粘結(jié)損壞，在成型1 d和2 d的混凝土試件時(shí)需在模具內(nèi)鋪設(shè)聚乙烯薄膜.其他齡期的試件強(qiáng)度較高不會(huì)發(fā)生粘結(jié)破壞，因此就不必鋪設(shè)薄膜.抗壓和劈裂抗拉試驗(yàn)機(jī)為液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)為YE－2000.

2 混凝土立方體試件抗壓強(qiáng)度結(jié)果與分析

試驗(yàn)在研究混凝土前7 d力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，探討了礦物摻合料對(duì)早期強(qiáng)度及開(kāi)裂的影響.

立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1，在4組試驗(yàn)中，混凝土抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律基本相同:混凝土的強(qiáng)度發(fā)展呈現(xiàn)先快后慢的趨勢(shì)，前3 d的強(qiáng)度增長(zhǎng)率呈線性，且是3—7 d平均增長(zhǎng)率的4.1倍，3 d齡期的抗壓強(qiáng)度是1 d抗壓強(qiáng)度的6倍，7 d強(qiáng)度是1 d強(qiáng)度的8.4倍;在7 d齡期內(nèi)，萘系減水劑對(duì)強(qiáng)度發(fā)展的促進(jìn)作用要稍高于聚羧酸減水劑;3 d齡期以前，托電粉煤灰對(duì)抗壓強(qiáng)度發(fā)展的促進(jìn)作用低于肥城粉煤灰;選用萘系減水劑時(shí)，1 d和2 d立方體抗壓強(qiáng)度分別降低25%和5%;選用聚羧酸減水劑時(shí)，1 d和2 d立方體抗壓強(qiáng)度則分別降低24%和4%.3—7 d齡期，托電粉煤灰對(duì)抗壓強(qiáng)度發(fā)展的促進(jìn)作用高于肥城粉煤灰;選用萘系減水劑和聚羧酸減水劑時(shí)分別高7%和4.3%.

圖1 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度Fig.1 Compressive strength of concrete

3 混凝土立方體試件劈裂抗拉強(qiáng)度結(jié)果與分析

混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2.可見(jiàn)，劈裂抗拉強(qiáng)度在前3 d的平均增長(zhǎng)速率是后4 d平均增長(zhǎng)速率的9.1倍，劈裂抗拉強(qiáng)度在前3 d的發(fā)展速率明顯高于立方體抗壓強(qiáng)度;3和7 d的劈裂抗拉強(qiáng)度分別是1 d劈裂抗拉強(qiáng)度的4.8倍和5.6倍.當(dāng)選用萘系減水劑時(shí)，3 d齡期以前，與肥城粉煤灰相比，托電粉煤灰的使用會(huì)不同程度降低混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，1和2 d齡期分別降低3%和7%;3—7 d齡期，摻托電粉煤灰組的劈裂抗拉強(qiáng)度高于摻肥城粉煤灰的組別，3，5，7 d齡期提高幅度分別為7%，11%和10%.而選用聚羧酸減水劑時(shí)，與肥城粉煤灰相比，1，2，3，5和7d齡期托電粉煤灰的使用會(huì)導(dǎo)致劈裂抗拉強(qiáng)度分別降低30%，13%，4%，6%和15%.

圖2 混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度Fig.2 Splitting tensile strength of concrete

4 混凝土軸拉強(qiáng)度試驗(yàn)

抗拉試驗(yàn)研究的參數(shù)有軸拉強(qiáng)度、軸拉彈性模量、極限拉伸值.

4.1 混凝土的軸拉強(qiáng)度試驗(yàn)

軸拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3.可見(jiàn)，軸拉強(qiáng)度增長(zhǎng)呈現(xiàn)先快后慢的趨勢(shì)，前3 d的平均增長(zhǎng)率是3—7 d平均增長(zhǎng)率的8.6倍，這說(shuō)明軸拉強(qiáng)度在前3 d的發(fā)展速度要大于抗壓強(qiáng)度的發(fā)展速度;3 d齡期的軸拉強(qiáng)度是1 d齡期的5.9倍，7 d齡期的軸拉強(qiáng)度是1 d齡期的6.9倍;選用萘系減水劑時(shí)，在前3 d齡期內(nèi)，2種粉煤灰對(duì)軸拉強(qiáng)度的影響程度基本相同，而在5 d和7 d兩個(gè)齡期，托電粉煤灰對(duì)軸拉強(qiáng)度的促進(jìn)作用比肥城粉煤灰高9%.選用聚羧酸減水劑時(shí)，在1 d和2 d兩個(gè)齡期，與托電粉煤灰相比，肥城粉煤灰的摻入會(huì)使軸拉強(qiáng)度分別提高13%和6%;3 d時(shí)兩者相等;而在5 d和7 d兩個(gè)齡期，摻托電粉煤灰組別的軸拉強(qiáng)度比摻肥城粉煤灰組別的軸拉強(qiáng)度分別高9%和8%.

圖3 軸心抗拉強(qiáng)度Fig.3 Axial tensile strength

從圖1～3可以看出:在1，2，3，5和7 d齡期，混凝土的軸拉強(qiáng)度比劈裂抗拉強(qiáng)度分別高0%，18%，30%，34%和32%，這是因?yàn)檩S拉試樣的截面積小于劈裂抗拉試樣的截面積，所以軸拉試樣包含結(jié)構(gòu)缺陷的概率會(huì)降低，因此其強(qiáng)度會(huì)有所提高;在7 d齡期內(nèi)，抗拉強(qiáng)度(包括軸心抗拉強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度)的發(fā)展速度要高于立方體抗壓強(qiáng)度的發(fā)展速度，而抗拉強(qiáng)度在3 d齡期以后發(fā)展很緩慢，抗壓強(qiáng)度卻會(huì)保持較快增長(zhǎng)，這是由于在混凝土終凝后各組成微粒的位置已經(jīng)相對(duì)固定，相互之間的黏聚力已充分發(fā)展造成的.

4.2 混凝土的軸拉彈性模量

軸拉彈性模量試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4.可見(jiàn)，混凝土軸拉彈性模量在前3 d以及3—7 d的增長(zhǎng)均呈線性，且前3 d的增長(zhǎng)率為3—7 d增長(zhǎng)率的3.6倍，所以前3 d是控制混凝土開(kāi)裂的關(guān)鍵時(shí)期.3 d齡期的軸拉彈模是1 d的2.2倍，7 d軸拉彈模是1 d的2.9倍;選用萘系減水劑時(shí)，摻肥城粉煤灰組別的軸拉彈模在1，2，3，5和7 d齡期比摻托電粉煤灰的組別分別低25%，25%，3%，5%和3%;選用聚羧酸減水劑時(shí)，摻托電粉煤灰組別的軸拉彈模在1，2，3，5和7 d齡期比摻肥城粉煤灰的組別分別高13%，21%，11%，9%和7%.以上分析表明，摻肥城粉煤灰對(duì)混凝土早期抗裂性能的改善要優(yōu)于摻托電粉煤灰.

圖4 軸拉彈性模量Fig.4 Axial tensile elastic modulus

4.3 混凝土的極限拉伸值

混凝土前7 d的極限拉伸值如圖5所示.可見(jiàn)，極限拉伸值的發(fā)展在試驗(yàn)所在的齡期內(nèi)呈現(xiàn)先快后慢的趨勢(shì)，混凝土極限拉伸值在3—7 d的發(fā)展速率僅是前3 d的1/6;3 d的極限拉伸值為1 d的1.7倍，而7 d的極限拉伸值僅為1 d的1.9倍;在選用肥城粉煤灰的前提下，摻聚羧酸減水劑組別的極限拉伸值在1，2，3，5和7 d齡期比摻萘系減水劑組別的分別降低3%，4%，3%，3%和4%;當(dāng)選用托電粉煤灰時(shí)，摻萘系減水劑組別的極限拉伸值在1，2，3，5和7 d齡期比摻聚羧酸減水劑的組別分別高9%，11%，11%，7%和8%.上述分析表明，萘系減水劑對(duì)混凝土早期抗裂性能的改善作用要優(yōu)于聚羧酸減水劑.

圖5 混凝土極限拉伸值Fig.5 Ultimate tensile strain of concrete

4.4 混凝土的早期壓拉比

壓拉比即混凝土抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值.作為衡量混凝土開(kāi)裂的重要參數(shù)，本文通過(guò)試驗(yàn)研究2種粉煤灰和減水劑對(duì)壓拉比的影響.

4.4.1 以劈裂抗拉強(qiáng)度為基準(zhǔn)的壓拉比 以劈裂抗拉強(qiáng)度為基準(zhǔn)的壓拉比試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6.以劈裂抗拉強(qiáng)度為基準(zhǔn)的壓拉比在 1，2，3，5 和 7 d 齡期的平均值分別為 8.90，8.85，10.83，12.75 和 13.03，且以劈裂抗拉強(qiáng)度為基準(zhǔn)的壓拉比在1—2 d齡期內(nèi)呈下降趨勢(shì)，在2—7 d齡期內(nèi)總體上呈緩慢上升趨勢(shì)，但是增長(zhǎng)速率越來(lái)越小，因此2 d齡期時(shí)出現(xiàn)壓拉比的最小值，7 d的壓拉比約是2 d的1.5倍;在選用萘系減水劑的基礎(chǔ)上，摻肥城粉煤灰組別的壓拉比在1，3，5和7 d齡期比摻托電粉煤灰組別的分別高30%，5%，1%和2%;而選用聚羧酸減水劑時(shí)，較之摻肥城粉煤灰組別的壓拉比，摻托電粉煤灰組別的壓拉比在2，3，5和7 d齡期分別高10%，10%，8%和23%.上述分析表明，從改善混凝土早期抗裂性能的角度來(lái)看，肥城粉煤灰要優(yōu)于托電粉煤灰，這是由于肥城粉煤灰細(xì)度更小，較好地填充了微粒之間空隙，增強(qiáng)了微粒之間的黏聚力.

圖6 以劈裂抗拉強(qiáng)度為基準(zhǔn)的壓拉比Fig.6 Pressure ratio based on splitting tensile strength

4.4.2 以軸拉強(qiáng)度為基準(zhǔn)的壓拉比 以軸拉強(qiáng)度為基準(zhǔn)的壓拉比試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示.以劈裂抗拉強(qiáng)度為基準(zhǔn)的壓拉比在1，2，3，5 和 7 d 齡期的平均值分別為 8.28，7.70，8.38，9.55和9.85，且以軸拉強(qiáng)度為基準(zhǔn)的壓拉比和以劈裂抗拉強(qiáng)度為基準(zhǔn)的壓拉比在1—7 d期間的發(fā)展規(guī)律基本類(lèi)似.在1—7 d齡期內(nèi)壓拉比呈先減小(到2 d時(shí)為止)后緩慢上升趨勢(shì)，7 d的壓拉比約是2 d的1.3倍;在選用肥城粉煤灰的基礎(chǔ)上，摻聚羧酸減水劑組別的壓拉比在1，2，5和7 d齡期上比摻萘系減水劑組別的分別低30%，5%，1%和2%;而選用托電粉煤灰時(shí)，較之摻聚羧酸減水劑組別的壓拉比，摻萘系減水劑組別的壓拉比在1，2，5和7 d齡期分別高10%，10%，8%和23%.

圖7 以軸拉強(qiáng)度為基準(zhǔn)的壓拉比Fig.7 Pressure ratio based on axial tensile strength

5 結(jié)語(yǔ)

(1)混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度發(fā)展呈現(xiàn)先快后慢的趨勢(shì)，前3 d的強(qiáng)度增長(zhǎng)率呈線性，且是3—7 d平均增長(zhǎng)率的4.1倍;在前7 d齡期內(nèi)，萘系減水劑對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度發(fā)展的促進(jìn)作用要稍高于聚酸酸減水劑，但此優(yōu)勢(shì)會(huì)隨著齡期的發(fā)展而減小.

(2)劈裂抗拉強(qiáng)度在前3 d的平均增長(zhǎng)速率是后4 d平均增長(zhǎng)速率的9.1倍，劈裂抗拉強(qiáng)度在前3 d的發(fā)展速率要明顯高于立方體抗壓強(qiáng)度;3 d，7 d的劈裂抗拉強(qiáng)度分別是1 d的4.8倍和5.6倍.

(3)軸拉強(qiáng)度增長(zhǎng)呈現(xiàn)先快后慢的趨勢(shì)，前3 d的平均增長(zhǎng)率是3—7 d的8.6倍，這說(shuō)明軸拉強(qiáng)度在前3 d的發(fā)展速度要大于立方體抗壓強(qiáng)度的發(fā)展速度.

(4)混凝土7 d齡期的軸拉強(qiáng)度均大于其劈裂抗拉強(qiáng)度，在1，2，3，5和7 d齡期分別大10%，18%，30%，34%和32%.

(5)混凝土軸拉彈模在前3 d以及3—7 d的增長(zhǎng)均呈線性，且前3 d的增長(zhǎng)率為3—7 d的3.6倍，所以前3 d是控制混凝土開(kāi)裂的關(guān)鍵時(shí)期.3 d齡期的軸拉彈模是1 d的2.2倍，7 d軸拉彈模是1 d的2.9倍;在使用相同減水劑的條件下，摻托電粉煤灰的組別在各個(gè)齡期上的軸拉彈模都要大于摻肥城粉煤灰的組別，說(shuō)明摻肥城粉煤灰對(duì)混凝土早期抗裂性能的改善要優(yōu)于摻托電粉煤灰.

(6)極限拉伸值的發(fā)展在試驗(yàn)齡期內(nèi)呈現(xiàn)先快后慢的趨勢(shì)，混凝土極限拉伸值在3—7 d的發(fā)展速率僅是前3 d的1/6;3 d的極限拉伸值為1 d的1.7倍，而7 d的極限拉伸值僅為1 d的1.9倍;在粉煤灰種類(lèi)相同的條件下，聚羧酸類(lèi)減水劑對(duì)極限拉伸值的改善作用次于萘系減水劑，所以萘系減水劑較之聚羧酸類(lèi)減水劑對(duì)混凝土耐久性的改善作用更明顯.

(7)在試驗(yàn)齡期內(nèi)，以劈裂抗拉強(qiáng)度為基準(zhǔn)的壓拉比和以軸拉強(qiáng)度為基準(zhǔn)的壓拉比都呈先減小后緩慢增大的趨勢(shì)，但是以劈裂抗拉強(qiáng)度為基準(zhǔn)的壓拉比大于以軸拉強(qiáng)度為基準(zhǔn)的壓拉比，故前者較后者而言，在評(píng)價(jià)混凝土耐久性方面偏于保守.

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