文摘

超高性能纤维混凝土的早期收缩(UHPFRC)在干燥,密封,浸泡养护系统的测量。早期收缩计算模型理论的基础上建立了胶结材料的收缩。根据结果的相对湿度,水化程度、孔隙结构、和硬化砂浆的弹性模量、收缩计算模型在不同养护条件下校准。结果表明,早期收缩的UHPFRC可以分为三个部分:化学收缩、自收缩引起的干燥,干燥收缩引起的外部干燥。基于水化程度,化学收缩模型成立。基于孔隙结构、水化程度和硬化砂浆的相对湿度,自收缩模型建立了通过引入有效孔隙系数。干燥收缩模型建立了基于内部湿度。根据浸泡样品的收缩,化学收缩的计算值在密封和干燥条件下校准。本研究提供了理论支持UHPFRC的结构设计和工程应用。

1。介绍

超高性能纤维混凝土(UHPFRC),一个特殊的水泥基复合材料,可以用作结构或防护材料在严酷的环境下长期服务的重要项目,由于其优良的力学性能和耐久性。近年来,它已经成为研究的热点1,2,有很多的工程应用。在中国,UHPFRC现在用于路面系统,显著提高了复合桥面体系的力学性能和耐久性。UHPFRC还用于预制组件,如电缆沟盖板,在高速铁路风屏障,汽车站,市区和休息凉亭里,等等。UHPFRC通常是由水泥、矿物掺合料、钢纤维、细骨料、化学外加剂(3]。UHPFRC设计与紧凑包装模型,消除粗骨料,采用超低水灰比,增加的粘合剂,将活性掺合料。硅灰等活性掺合料与水泥的早期反应UHPFRC,从而优化孔结构,极大地降低了硬化水泥浆的内部缺陷(4]。活性掺合料和超低水灰比确保优良的力学性能和耐久性,同时也带来了大量早期收缩,这可能会导致一个重要的开裂风险。现有的研究结果显示的总收缩值UHPFRC 3 d(天)可以高达1600人με(5](微米ε),而养护条件对材料的收缩有显著的影响。现有的研究主要集中在普通混凝土的早期收缩(OC)和建立一个完美的收缩计算模型对自收缩和干燥收缩(6]。然而,早期收缩发展规则和UHPFRC的微观机制尚未阐明7少,计算模型也参与这项研究。石田et al。8]试图使用混凝土收缩开裂模型计算silica-doped混凝土的早期收缩开裂非常低水灰比。结果表明,OC的收缩模型不能准确地计算UHPFRC的收缩值。此外,一些研究集中在规律的早期收缩UHPFRC基于现有的收缩度的测量方法9,10,他们提议的收缩机制也有显著的差异。

因此,UHPFRC的收缩机理研究,建立了早期收缩计算模型,可为结构设计提供理论依据和工程应用UHPFRC。在这个调查中,早期收缩UHPFRC测试在不同养护条件下进行,材料早期收缩发展的浸泡,密封,干燥条件是澄清。基本理论的基础上,化学收缩、自收缩和干燥收缩的OC,本文讨论了分类和定义的早期收缩UHPFRC和澄清的主要影响因素不同的收缩。通过测量内部相对湿度、水化程度、弹性模量、不同年龄材料和孔隙结构特征在不同养护条件下,基于水泥基材料早期收缩理论出发,建立了多因素影响的计算模型,它提供了理论支持UHPFRC结构设计和工程应用。

2。材料和方法

2.1。材料

一个普通硅酸盐水泥(细度3400厘米³/ g;最初的160分钟,最后220分钟,28 d标准强度42.5 MPa)用于胶结材料。其熟料矿物组成如表所示1。微硅粉平均粒径为0.31μ米,ⅰ级粉煤灰、和S95矿物粉作为补充胶结材料。的化学成分如表所示2。石英砂粒径0.16 -1.25毫米作为细骨料。捷径钢纤维的直径0.22毫米,长度13毫米,抗拉强度2800 MPa作为增强材料。PCE 29%的减水率和31%固体含量用作强塑剂。

混凝土混合料配合比设计是根据公式计算UHPFRC常用的在这个研究小组,包括水泥706公斤/米³,石英砂1255公斤/米³,硅灰160公斤/米³,强塑剂74公斤/米³、水122公斤/米³和钢纤维122公斤/米³。UHPFRC的抗压强度标准养护和蒸汽养护115 MPa和165 MPa,分别。化学结合水,水星入侵porosimetry法(MIP)和其他微量样品的使用消除石英砂可以遵守样品制备的要求在最大的程度上。

2.2。测试方法

早期收缩测试代码引用当前中国GB / t50082 - 2009(普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准)。指定的样本大小是100 mm×100 mm×400 mm,固化在25°C温度浸泡,密封,分别和干燥固化。高精度的振动线传感器(jmzx - 215的帽子类型)用于连续测量UHPFRC的收缩。收缩值读取每24小时直到28 d。根据这个研究小组的先前的研究,该方法可以准确地测量早期收缩的标本在特殊养护条件下11]。SHT75温湿度传感器埋在中心的标本(100 mm×100 mm×100 mm)是用来衡量内部湿度变化;的内部湿度硬化水泥浆与SCTH2001读数据收集器从浇注时间每24小时。根据当前中国代码GB / t50081 - 2002(标准的普通混凝土力学性能试验方法),弹性模量进行了测试使用100 mm×100 mm×300 mm棱镜标本ya - 2000电液压力试验机的密封和干燥条件。

水化热的水化程度进行了测试和化学结合水测试。TAM航空公司多通道水化热测量仪,用于混合水泥浆在TAM设备计量槽,可以连续测量的水泥浆水化温升率7 d。化学结合水的样品测试选择1、3、7、14和28 d。真空干燥恒重后60°C, 10 g样本准确称重(精度:0.1毫克)和干在1050°C恒重。计算出的样本的化学结合水两个重量差异。

3所示。结果和讨论

3.1。早期收缩的UHPFRC

UHPFRC的早期收缩与选择混合在不同养护条件下测量,如图1。的收缩UHPFRC显示早期的快速发展阶段,逐渐放缓。在浸泡和干燥条件下,材料收缩之前迅速发展6 d,然后收缩曲线趋于温和。根据机制,硬化砂浆的收缩在28 d可分为三个部分(12:化学收缩()由于水化的胶结材料,干燥收缩()由外部干燥引起的,和自收缩()由于干燥效果由水化引起的。

化学收缩取决于材料的水化程度,和干燥收缩取决于孔隙结构和硬化砂浆内部相对湿度,而自收缩是由水化程度、孔隙结构和内部相对湿度。因此,考虑到影响材料收缩的主要因素,内部相对湿度,水化程度、孔隙结构分布,和硬化砂浆的弹性模量测定在不同养护条件下,在图所示的结果2。很明显的组成材料收缩将会在不同养护条件下也不同。UHPFRC的收缩主要是化学收缩浸泡条件。根据图2(一个),尽管早期混凝土内部水分并没有完全沉浸,湿度曲线仍表现出明显的下降,这说明部分自收缩的存在,而内部湿度增加缓慢,当水分逐渐达到7 d后的标本。在密封条件下,材料收缩包括化学收缩和自收缩的排斥外部干燥。然而,收缩组成的化学收缩、自收缩、干燥收缩在干燥的条件下。胶结材料的收缩理论的基础上,建立了计算模型,不同的收缩。值得注意的是,收缩的UHPFRC密封条件甚至高于干燥条件后11天。这个规则是与OC的收缩发展相反,一直讨论这个研究小组前期工作(13]。收缩值在密封条件下将不断增长,甚至高于干燥条件后,将有效孔隙含量和刚度变化的差异。

3.2。化学收缩的计算方法

胶结材料的水化是化学收缩的直接原因。目前,水泥水化程度和化学收缩的关系度研究了系统(14,15),认为它们之间存在线性关系的早期收缩。那里的水泥水化程度的定量分析指标可能被视为化学收缩。

相对湿度测试的结果显示,内部湿度UHPFRC总是接近100%在1 d密封状态。它可以看到内部孔隙基本上饱和,这意味着干燥收缩和自收缩的影响可以忽略不计。因此,UHPFRC的收缩主要是化学1 d内收缩,收缩曲线可以配备水化程度之间的关系获得UHPFRC的水化程度和化学收缩。它也被用来校准的比例在不同条件下化学收缩。通过水化热测试来确定早期的水化程度,混凝土的水化程度的胶结材料被定义为 在哪里水化热释放量在时间吗和是总释放的水化热。

水化程度和24天内收缩应变的计算是通过线性拟合得到 在哪里α胶结材料的水化程度,单位%。

化学收缩之间的线性关系和水化程度如图3。线性关系的斜率突然改变时,水化程度达到5%左右(换句话说,水化时间约17 h),表明在分裂点浆的微观结构发生了巨大的变化。根据UHPFRC的早期水化放热曲线在图2 (c),17 h砂浆水化加速期的开始,水泥浆凝结的时间。泥浆从塑料无塑性的。在塑性阶段,化学收缩砂浆塑性收缩的形式,但在那一刻,泥浆的化学收缩引起收缩骨架的一部分,另一部分形成内部孔隙,导致内部毛孔开始形成;所以,两阶段化学收缩发展成立。根据线性关系,化学收缩值可以计算化学结合水测试获得的水化程度在不同条件下的28天。到目前为止,我们计算的化学收缩UHPFRC与材料在不同养护条件下的水化程度和结果如图所示4。

3.3。计算自收缩

的基础上掌握化学收缩、自收缩的UHPFRC进一步分离。在这项研究中定义,自收缩引起的干燥效果不同的混凝土自收缩的传统概念。自收缩的传统概念是指使用密封标本开始测量初凝时间的收缩值,包括化学收缩和干燥收缩引起的self-dry水化;在这次调查中,化学收缩将被分离,和其余叫自收缩。UHPFRC,自收缩的主要影响因素是湿度变化引起的胶结材料的水化和硬化砂浆的孔隙结构。收缩机制可以看作是干燥收缩引起的干燥。因此,self-shrinkage预测模型的建立是基于毛细管张力理论。在密封条件下,收缩UHPFRC主要是化学收缩和自收缩25°C。由于水分不能消散,干燥收缩引起的外部干燥是排除。基于自收缩值,化学收缩在密封条件下,孔隙大小分布的参数相结合,内部相对湿度、水化程度、和弹性模量,UHPFRC的自收缩模型,建立了自收缩的比例在干燥条件下计算。

根据权力毛细管张力理论(16),该模型是基于两个表面物理化学的基本方程,即开尔文方程和Yang-Laplace方程。根据开尔文定律,当混凝土的湿度开始减少,易挥发的水和气态水的热力学平衡。相对湿度之间的关系RH和曲率半径r的毛细管孔隙半月板如下:

的公式,毛细管内壁的表面张力,7.28×10吗⁻²N / m;水的摩尔质量,0.01802公斤/摩尔;是固液表面的接触角;是水的密度,1×10³公斤/米³;摩尔气体常数,8.314 J /摩尔·K;是绝对温度。

最初的新鲜UHPFRC内部相对湿度为100%。随着水泥的快速水化,相对湿度逐渐降低。毛孔内达到热力学平衡时,毛细水的相对湿度与曲率半径 。此时在系统内,与孔隙直径大于毛孔里面没有液态水产生毛细张力,但孔隙与孔隙直径小于是完全相反的。因此,混凝土大孔中的水分开始干首先,逐渐过渡到锁眼,相对湿度也同时降低。根据开尔文方程和Yang-Laplace方程,曲率半径的毛细管孔隙半月板在一定的相对湿度如下:

基于Yang-Laplace方程,液相之间的压力差,气相是由毛细水的半月板。因此,产生的收缩应力毛孔可以计算

造成的压力可以通过毛细管孔隙压力

其中,是UHPFRC的泊松比;的弹性模量是在毛细管微矩阵;弹性模量E Es的比例通常是3至3.5 (E/E_年代为低威力混凝土和= 3E/E_年代对高强混凝土= 3.2);和有效孔隙系数。

在密封条件下,相对湿度降低,水化程度增加水化的不断的进步。虽然毛细管孔隙的比例在10 - 100 nm增加,有效孔隙减少的数量与相对湿度的下降。有效孔收缩的影响不能被忽略,因此一个有效孔隙系数介绍了自收缩预测模型的修正。有效孔隙的数量是影响相对湿度和孔隙含量10 - 100纳米的范围;所以,有效孔隙系数应与这两个因素的函数作为因变量。参照现有的水泥基材料收缩计算模型、幂函数是用来配合。有效孔隙系数之间的关系和相对湿度和孔隙内容是由(7)。公式中的系数可以由混凝土收缩的反演数据,和分别是0.57和0.77。用不同的年龄计算孔隙度系数(7)(6在不同的年龄)收益率收缩变形。图5显示不同年龄的对比模型计算值和测量值减去化学收缩后,这表明计算结果与实测结果吻合良好。

自收缩计算模型的基础上,根据早期收缩UHPFRC在干燥条件下的测量值和自收缩计算模型中,材料的自收缩在干燥条件下可以分离。在干燥条件下,有两个原因UHPFRC内水分流失;其中之一是,胶结材料的水化消耗水,另一个是连续输给了环境。胶结材料的水化减少了水分,这是材料内部的湿度下降的根本原因。因此,胶结材料的水化程度之间的关系,建立了材料内部的相对湿度变化。28天的水化程度与相对湿度在密封条件下非线性拟合,如图6。替换的水化程度不同年龄在干燥条件下,相对湿度变化的值对应于水化程度可以计算,计算结果如表所示3。

在表的相对湿度值3被带进(6)在干燥条件下,获得自收缩值和自收缩计算值与总收缩值,如表所示4。在干燥条件下,自收缩的比例更高。随着年龄的增加,尽管自收缩值有一个小的增加,自收缩的比例作为一个整体呈下降趋势。根据模型计算结果和前面的理论分析,很明显存在的自收缩和干燥收缩和限制在干燥条件。胶结材料的水化反应和水损失同时进行早期的年龄相对明显的收缩引起的。的密度结构,限制了水损失,干燥收缩的发展是居住在某种程度上;同时,大量微孔的形成,自收缩逐渐发达。水化反应逐渐慢了下来,水不断失去后,有限的自收缩的发展。从收缩发展图1,它表明,干燥收缩后28天成为了主要因素。

4所示。结论

密封、浸泡和干燥条件下,收缩UHPFRC显示了一个快速发展的早期阶段,后期逐步放缓。根据机制、早期收缩UHPFRC分为三个部分:化学收缩引起的水化,自收缩引起的干燥,水和干燥收缩引起的损失。基于水化和毛细管张力的基本理论,关键控制因素和计算方法化学收缩、自收缩,分别提出和干燥收缩。

基于UHPFRC的水化程度的测定结果,化学收缩模型建立。基于硬膏的孔隙特征,水化程度,和相对湿度的测定结果,建立了自收缩模型通过引入有效孔隙系数。总收缩自收缩的比例是基本稳定在45%和49%之间28 d固化。根据测量浸泡标本的收缩,收缩值在浸泡,密封,干燥条件是校准。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究受到了中国国家自然科学基金(51408037和51408037),重大科技项目的沟通部(2011318494160),和中国通信建设研发项目(2013 - zjkj - 11)。