高性能混凝土抗裂性能及其机理的研究

【摘要】： 近二十年来，国内外高度重视高性能混凝土的研究和开发。传统混凝土的设计主要考虑强度指标，忽视了混凝土的耐久性。工程实例表明，很多混凝土过早破坏的原因是因为耐久性差。然而，混凝土的开裂、渗漏是引起混凝土耐久性不良的最重要因素之一。目前，解决混凝土开裂的方法是综合的，我们调查研究了混凝土开裂的原因，开发研制了高性能抗裂外加剂，优化混凝土的设计和施工方法，并通过补偿收缩达到混凝土体积稳定，提高抗裂强度，满足混凝土拌和物高工作性能的要求。本研究采用多种测试技术，应用表面物理化学、结构化学、固体化学、复合材料学、断裂力学等多学科的理论与方法，从不同的角度进行深入的研究和探讨。 通过调查研究建筑工程中出现的混凝土开裂、渗漏问题，发现混凝土在非荷载作用下开裂主要是由混凝土的自收缩、干燥收缩、温度收缩、塑性收缩、碳化收缩等各种收缩变形引起的。各种收缩变形叠加后，混凝土的限制收缩值超过极限拉伸率导致裂缝的产生。混凝土浇筑初期开裂主要是温度变形和自收缩引起，后期开裂则主要是因干缩所致。 本文讨论了粉煤灰、矿渣、杜拉纤维对混凝土膨胀性能的影响，在补偿收缩混凝土中，掺合料使其膨胀率减低，杜拉纤维可以提高混凝土的体积稳定性，显著提高劈拉强度。施工和养护对混凝土抗裂防渗性能有重要影响；对于复合抗裂防水高性能混凝土，湿养护时间不宜低于14天。 为了全面地考虑原材料、施工、养护、抗拉强度和极限拉伸率等因素对混凝土抗裂性能的影响， 利用数学概率分析方法，引入体积开裂概率的概念评估混凝土的抗裂性能。 应用材料复合技术，无机-有机多组份复合，研制出一种新型复合抗裂材料，提高混凝土的抗裂防渗性能，且满足混凝土的强度和工作性要求。同时，提出一套完整的制备抗裂高性能混凝土的技术方法。通过系统深入的理论分析，运用多种现代分析测试手段，从材料各组份间的物理化学作用入手，系统研究材料中各组分与结构性能之间的关系，各相之间化学反应和各相分布状态，在已知的化学反应动力学和反应机理的基础上，探明材料增强和抗裂原理， 胡建勤：高性能混凝土抗裂性能及其机理的研究 实现材料性能可设计的目的。 无机增强抗裂材料WJ 掺入普通混凝土中，在水化硬化过程中 生成一定量的微膨胀结晶体，降低空隙率，改善混凝土中孔结构分 布。其膨胀驱动力是凝胶尺寸的晶体钙矾石吸水肿胀和结晶状钙矾 石对孔隙产生膨胀压的共同作用。当WJ掺量为8％一12儿 在钢筋和 邻位的限制下，使混凝土产生0．02％——一0．06％的膨胀率，可在结构 内建立自应力值 a／ 0．2－0．6 MP a，抵消了混凝土因各种收缩变形造成 的拉应力，使混凝土内部的拉应力值降低，从而改善了混凝土的应＿ 力状态，体积稳定性和抗裂能力显著提高。 有机减水保塑剂YJ，提高混凝土拌和物的工作性，降低坍落度 经时损夫，提高强度和抗渗性能，并降低混凝土早期水化温升，推 迟水化热高峰出现，有效地防止早期温度收缩裂缝。 混凝土中掺入复合抗裂材料KLFS 可大幅提高混凝土的抗裂防 渗能力，混凝土渗透高度比为19％，28d 劈拉强度由基准混凝土的 2．81MPa 提高到 3．28 MPa；28d 抗压强度比 为 135％；拌和物工作 性能优良。应用KLFS，成功配制出C50－C70复合抗裂防渗高性能混 凝土，并在实际工程中得到应用。 复合抗裂防渗高性能混凝土的抗裂防渗机理： … （1）复合抗裂材料KLFS 中的含铝相材料与水泥水化产物氢氧 化钙反应形成钙矾石，在限制条件下产生体积膨胀，起补偿收缩作 用，并使混凝土密实： （2）KLFS 中的无机物质 人与氢氧化钙反应缓慢形成大量微小 晶体，填充孔隙，增大密实性； （3）KLFS中＊组分具有高效减水保塑作用，使高性能混凝土 获得满意的工作性能： （4）纤维在混凝土三维乱向分布，形成交错的网状结构，约 束混凝土体积的改变； （5）优化各原材料间的相对比例，增大混凝土密实性，改善各 相界面的结构和孔结构。