（材料學專業(yè)論文）閘室墻高性能混凝土抗裂和耐撞磨性能的研究.pdf

摘要 摘要 船閘閘室墻混凝土由于其結(jié)構(gòu)和所處環(huán)境的特殊性 混凝土的塑性收縮 干燥收縮和溫 縮是引起的閘室墻開裂的主要原因 考慮船舶對閘室墻的撞擊和磨損作用 要求閘室墻混凝 土具有良好的耐撞磨性能 然而 關(guān)于混凝土抵抗船舶耐撞磨性能的研究報道很少 且尚無 現(xiàn)成的研究方法 因此 進行船閘閘室墻混凝土的抗裂性和耐撞磨性能研究對提高混凝士的 安全性和耐久性能具有十分重要的意義 本文結(jié)合京杭運河皂河三線船閘工程的建設(shè) 采用摻t 級粉煤灰 p v a 纖維和聚羧酸類 超塑化劑的三摻技術(shù)配制了閘室墻抗裂耐撞磨高性能混凝土 研究了 三摻技術(shù) 對閘室墻 混凝土的工作性能 力學性能和長期耐久性能的影響 并重點研究了對混凝土的收縮開裂性 能和耐撞磨性能的影響規(guī)律 試驗結(jié)果表明 采用 三摻技術(shù) 配制的閘室墻混凝土工作性良好 力學性能均滿足設(shè) 計指標 抗裂性和耐撞磨性良好 抗裂等級達到i i 級以上 平板法 抗沖磨強度達到3 8 h k g m 2 5 0 0 次撞磨損失率不超過2 0 抗裂性和耐撞磨性能良好 抗?jié)B等級達到p 1 0 抗凍等級達到f 1 5 0 碳化壽命5 0 年以上 氯離子擴散系數(shù)小于8 0 1 0 1 2 m 2 s 具有良好的 耐久性 適量i 級粉煤灰摻入混凝土中 由于其細化混凝土的 l 結(jié)構(gòu) 改善混凝土界面粘結(jié)的作 用 可使混凝土抗裂性 力學性能 耐撞磨性能和抗?jié)B性能提高 有機臺成纖維在均勻分散 的前提下 可提高混凝土抗裂性能 耐撞磨性能 抗?jié)B性能和抗凍性能 相同體積摻量下 高強高模p v a 纖維由于其親水性 與基體的界面粘結(jié)更好 在增強 阻裂效果方面要優(yōu)于 p p 纖維 p v a 摻量從o 6 k g m 3 增至1 2 k g m 3 增強混凝士抗裂效果隨摻量增加而增大 聚 羧酸類超塑化劑摻入到混凝土中 由于其緩凝和降低溶液的表面張力的作用 能大幅度改善 混凝士工作性 提高混凝土的強度 抗裂性 耐撞磨性能和耐久性能 其效果要優(yōu)于萘系減 水劑 本文首次采用洛杉磯磨耗法進行閘室墻混凝土耐撞磨性能的測定和評價 結(jié)果表明抗壓 強度是影響混凝土耐撞磨性能的主要因素 抗壓強度越大 混凝土耐撞磨性能越好 混凝土 的撞磨質(zhì)量損失率和其抗壓強度的關(guān)系可以表示為y 1 8 7 3 x o 3 關(guān)系 相關(guān)系數(shù)達到 0 9 3 混凝土的耐撞磨性能和抗沖擊性能 抗沖磨性能具有較好的一致性 此外 本文還應 用大圓環(huán)并輔電阻應變片測量技術(shù)的方法進行了約束狀態(tài)下混凝土的收縮開裂敏感性評價 取得了較好的效果 三摻技術(shù) 在京杭運河皂河三線船閘工程中得到了成功的應用 可以為其它船閘工程 或大體積混凝土工程所借鑒 具有較好的可行性和實用性 關(guān)鍵詞 閘室墻混凝土粉煤灰p v a 纖維聚羧酸類超塑化劑三摻技術(shù)抗裂性耐 撞磨性 東南大學碩士學位論文 a b s t r a c t l o c k c h a m b e r r a l ic o n c r e t ei sp r o v i d e dw i t hp a r t i c u l a rs t r u e t u r ea n de n v i r o n m e n t t h e c r a c k i n go fl o c k c h a m b e rw a l lc o n c r e t ei s o f f e ni n i t i a t e db yt h ep l a s t i cs h r i n k a g e d r y i n g s h r i n k a g ea n dt h ec h a n g e so fc i r c u m s t a n t i a lt e m p e r a t u r e c o n s i d e r i n gt h ei m p a c t i n ga n da b r a s i o n e f f e c to fw a t e r c r a f to l lt h el o c k c h a m b e rw 甜1 l o c k c h a m b e r 瑚1c o n c r e t es h o u l dh a sg o o d i m p a c t i n ga n da b r a s i o nr e s i s t a n c e h o w e v e r t h e r ea r ef e wr e d o 凼o nt h ei m p a c t i n ga n da b r a s i o n r e s i s t a n c eo fl o p k c h a m b e rw 融1c o n c l e t e a n dw i t hn or e a d y m a d et e s t i n gm e t h o d t h e r e f o r e t h es t u d yo nt h ea n t i c m c k i n gp e r f o r m a n c e i m p a c t i n ga n da b r a s i o nr e s i s t a n c eo fl o c k c h a m b e r w a l lc o n c r e t ei ss i g n i f i c a n tf o ri t ss e c u r i t ya n dd u r a b i l i t y t h er e s e a r c hc o m b i n e dw i t i lt h ep r o j e c to fz a o h et h r e e l i n el o c ko nt h ej i n g h a n gc a l l a l i n t f l i sr e s e a s c i lh i g b p e r f o r m a n c ec o n c r e t ef o rl o c k c h a m b e rw a l lw a sp r e p a r e db yt h r e e m i x t u r e t e c h n o l o g y n a m e l yt h ei n t r o d u c t i o no fg r a d e1f l ya s h p o l y c a r b o x y l i ca c i da d d i t i v ea n dp f i b e r i tw a sa l s or e s e a r c h e dt h a tt h ee f f e c tt ow o r k a b i l i t y m e c h a n i c a ip r o p e r t i e sa n dl o n g p e f i o d d u r a b i l i t y d i s t i n g u i s h i n g l yt h ea n t i c r a c k i n gp e r f o r m a n c e i m p a c t i n ga n da b r a s i o nr e s i s t a n c eb y t h r e e m i x t u r et e c h n o l o g y t h er e s u l t si n d i c a t et h a t h p c sp r e p a r e db yt h r e e m i x t u r et e c h n o l o g yh a dg o o dw o r k a b i l i t y t h a i rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sc o u l dm e e td e s i g nr e q u i r e m e n lw i t hf a v o r a b l ea n t i c r a c k i n g p e r f o r m a n c ea n di m p a c t i n ga n da b r a s i o nr e s i s t a n c e a n t i c r a c k i n gg r a d ec o u l da c h i e v et o1 1 s l a b t e s t a n t i s c o u r i n gs 仃e n g t hc o u l da c h i e v e3 8 h k g m 1 t h e5 0 0t i m e sm a s sl o s sr a t e so f i m p a c t i n g a n da b r a s i o nr e s i s t a n c ed i dn o te x c e e d2 0 a n dp e r m e a b i l i t yg r a d er e a c h e dt op 1 0 f r o z e n t h a w r e s i s t a n c er e a c h e dt of 15 0 1 i f co fc a r b o n i z a t i o ne x c e e d e d5 0y e a r s c h l o r i d ed i f l u s i o nt o e 仿c i e n t c o u l db e1 a s st h a n8 o x1 0 z m s p r o p e ra d d i t i o no f 盯a d eif l ya s ht oc o n c r e t ec a nl e a d t ot h i np o r es t r u t t u r ea n dg o o d i n t e r f a c i a lb e n d w h i c hm a k e st h ea n t i c r a c k i n gr e s i s t a n c e m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e i m p a c t i n g a n da b r a s i o nr e s i s t a n t ea sw e l la sp e r m e a b i l i t yr e s i s t a n c eb e t t er o nt h ep r e m i s eo fe n s u n n g u n i f o r m l yd i s p e r s a n c y b yi n t r o d u c i n gs y n t h e t i cf i b e r s t h ec r a c k i n gr e s i s t a n c e i m p a c t i n ga n d a b r a s i o nr e s i s t a n c e p a r m a a b i l i t ya n df r o z e n t h a wr e s i s t a n c ec a r lb ei m p r o v e de f f e c t i v e l y u n d e r t h es a m ev o l u m ef r a c t i o n p af i b e rw i t l lh i 吐s t r e n g t ha n dh i g hm o d u l u si sb e t t e rt h a np pf i b e ri n t h ee f f e c to fe n h a n c i n gs t r e n g t ha n da n t i c r a c k i n gp e r f o r m a n c e w h i c hi sm a i n l yo w i n gt oi t s h y d r o p h i l i c i t ya n d9 0 0 di n t e r f a c i a l b o n d t h ec o n c r e t ei n c o r p o r a t e dw i t hm a s sf r a c t i o no f o 6 k g m t o1 2 k g m t h em o r e n c o r p o r a t i o n t h eb e t f e rt h ee 虢c to fa n t i c r a c k i n g t h e i n t r o d u c t i o no fp o l y c a r b o x y l i ca c i da d d i t i v ec a l lr e t a r d e dc o n d e n s a t i o no fc o n c r e t ea n dr e d u c ei t s i n t e r f a c i a lt e n s i o n i r e p r o v et h ew o r k a b i l i t y s t r e n g t h a n t i c r a c k i n gr e s i s t a n c e i m p a c t i n ga n d a b r a s i o nr e s i s t a n c ea sw e l la sd u r a b i l i t yo fc o n c r e t eo nal a r g es c a l e t h ee 位c to f l y c a r b o x y l i e a c i da d d i t i v ew a sb e t t e rt h a nn a p h t h a l e n e b a s e dw a t e rr e d u c e r i tw a st h ef i r s tt i m ef o rr e f e r r i n gt ol o sa n g e l e sa b r a s i o nt e s tt od e t e r m i n ea n de v a l u a t et h e i m p a c t i n ga n da b r a s i o nr e s i s t a n c eo fl o c k c h a m b e rw a l li nt h i sp a p e r a n dt h er e s u l t si n d i c a t e d t 1 1 a ti m p a c t i n ga n da b r a s i o nr e s i s t a n c eo fc o n c r e t ei sm a i n l yd u et oi t sc o m p r e s s i v es t r e n g t h t h e m o r et h ec o m p r e s s i v es t r e n g t h t h eb e t t e rt h ei m p a c ta n da b r a s i o nr e s i s t a n c e t h er e l a t i o n s h i po f i m p a c t i n ga n da b r a s i o n o fc o n c r e t ea n di t s c o m p r e s s i v es 仃e n g t hc a l lb ed e s c d b e da s y 18 7 3 x o 5 t 1 1 ei n t e r r e l a t e dt o e f f i c i e n ti s0 9 3 t h ei m p a c t i n ga n da b r a s i o nr e s i s t a n c ei s v e r yg o o dc o n s i s t a n tw i t l li t sa n t i i m p a c tr e s i s t f f n c ea n da n t i s c o u r i n gr e s i s t a n c e b e s i d e s b i g c i r c u l a rr i n gt e s tc o m b i n i n gw i t l lt h ee l e c t r i c r e s i s t a n c es t r a i ng a u g ew e r es u c c e s s f o l l yu s e dt o d e t e r m i n et h es h r i n k a g es e n s i t i v i t yo f c o n c r e t e t h et h r e e m i x t u r et e c h n o l o g yw e r es u c c e s s f o l l ya p p l i e di nt h ep r o j e c to fz a o h et h r e e l i n e l o c ko nt h ej i n g h a n gc a n a l w h i c hc a nb eu s e db yo t h e rp r o j e c to fl o c kf o rr e f e f e n c e w i t hg o o d f e a s i b i l i v ya n dp r a c t i c a b i l i v y k e yw o r d s l o c k c h a m b e rw a l lc o n c r e t e f l ya s h p v af i b e r p o l y c a r b o x y l i ca c i da d d i t i v e t h r e e m i x t u r et e c h n o l o g y a n t i c r a c k i n gp e r f o r m a n c e i m p a c t i n ga n da b r a s i o nr e s i s t a n c e i i 東南大學學位論文獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得 的研究成果 盡我所知 除了文中特別加以標注和致謝的地方外 論文中不包含 其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果 也不包含為獲得東南大學或其它教育機構(gòu) 的學位或證書而使用過的材料 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均 已在論文中作了明確的說明并表示了謝意 研究生簽名 漁墨垃 日期 2 1 竺堡塹 望主婦 東南大學學位論文使用授權(quán)聲明 東南大學 中國科學技術(shù)信息研究所 國家圖書館有權(quán)保留本人所送交學位 論文的復印件和電子文檔 可以采用影印 縮印或其他復制手段保存論文 本人 電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致 除在保密期內(nèi)的保密論文外 允許論 文被查閱和借閱 可以公布 包括刊登 論文的全部或部分內(nèi)容 論文的公布 包 括刊登 授權(quán)東南大學研究生院辦理 厶 研究生簽名 墨蔓紛師簽名 紐日 期 主 鱟經(jīng) 旦5 日 第一章緒論 1 1 課題背景與研究目的 第一章緒論 船閘是利用向兩端有閘門控制的航道內(nèi)灌 泄水 以升降水位 使船舶能克服航道上的 集中水位落差的廂形通航建筑物 船閘的主要功能是保證船舶的通航 其所用的原理是水的 浮力和連通作用 圖卜l 為船舶通過船閘示意圖 圈卜1 船舶通過船閘示意圖困1 2 三峽三線五緞船閘竣工 近幾年 隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)步伐的加快 水利工程的建設(shè)如火如萘 如著名的長江三峽 工程 南水北調(diào)工程 京杭運河擴容工程等 在這些重大工程中 大量的船閘工程得到建設(shè) 幽1 2 京杭運河擴容工程在宿遷就有四座大型三線船閘丁程 其中宿遷三線船閘已經(jīng)通 航 皂河三線船閘 泅陽三線船閘和劉老澗三線船閘正相繼開工 這四座船閘的建成通航將 會極大地改善整個蘇北運河的船閘通過能力 進一步提升蘇北運河作為 北煤南運 水運主 通道的功能 使蘇北運河成為名副其實的 水上高速公路 對江蘇經(jīng)濟發(fā)展具有十分重要的 意義 船閘閘室的主體部位包括閘室底板和閘室墻 閘室墻由于結(jié)構(gòu)復雜 體積大 易產(chǎn)生各 類裂縫 裂縫的存在會影響閘室墻的外觀質(zhì)量 還會嚴重降低閘室墻混凝士的抗?jié)B性能 船 閘運行過程中不僅受到介質(zhì)的沖磨作片j 和船舶的撞擊磨損作用 尤其是船舶的撞擊磨損作 用 這會嚴重影響到閘室墻混凝土的外觀質(zhì)量和安全性 此外 閘室墻混凝土由于處于潮濕 的水位變動區(qū)域 會受到干濕交替和凍融循環(huán)作用 碳化以及鋼筋銹蝕作用 從而影響到閘 室墻混凝土的耐久性能 在這些船閘丁程建設(shè)中 混凝土作為主要建筑材料得到了大量的使用 在船閘主體部位 應采用抗裂耐撞磨高性能混凝土 以提高其結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性 具有重要意義 本文結(jié) 合京杭運河皂河三線船閘工程的建設(shè) 對船閘閘室墻高性能混凝土的配制技術(shù) 抗裂性能和 耐撞磨性能做了系統(tǒng)的研究 1 2 船閘混凝土收縮與開裂的研究現(xiàn)狀 1 2 1 船閘混凝土的開裂特征 混凝士的裂縫分類有多種 按照裂縫的深度分類有 l l 1 表面裂縫 2 深層裂縫 3 貫穿裂縫 按裂縫的變化分為 1 死裂縫 2 活裂縫 3 增長裂縫 按裂縫產(chǎn)生的原因 分為 1 干縮裂縫 2 溫度裂縫 3 鋼筋銹蝕裂縫 4 堿 骨料反應裂縫 5 超載裂 東南大學碩士學位論文 縫 船閘混凝士的開裂現(xiàn)象較為普遍 例如 研究人員曾在已建成的觀音寺閘底板發(fā)現(xiàn)1 2 7 條裂縫 其中2 4 條貫穿性裂縫 j 沙穎河鄭埠口樞紐工程節(jié)制閘閘墩發(fā)現(xiàn)4 5 條裂縫 經(jīng)分 析溫度應力是引起裂縫的主要原因p i 以后在新河大閘 發(fā)涸閘和石粱河水庫新建泄洪閘均 發(fā)現(xiàn)大量危害性裂縫 其產(chǎn)生的原因有溫度裂縫和沉降裂縫1 4 京杭運河諫壁二線船閘閘 室端由于混凝土的溫縮和干縮也產(chǎn)生了若干條裂縫州 黃浦江上游紫石涇水利樞紐工程中 已經(jīng)施工完成閘室擋土墻也出現(xiàn)了垂直裂縫 經(jīng)過專家研究分析 混凝土干縮和溫縮是產(chǎn)生 該裂縫的主要原因 j 圖l 3 為某閘室墻混凝土的一處縱向裂縫 圖1 3 開裂的聞室墻混凝土 大量工程實例表明 船閘混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因為塑性收縮 干燥收縮和溫度變化 引起的裂縫 下面分別針對混凝土塑性開裂 干縮開裂和溫度變化引起的開裂的機理的進行 闡述 并總結(jié)目前閘室墻混凝土收縮開裂性問題的研究動向 1 2 2 船閘混凝土的開裂機理 1 塑性收縮裂縫 混凝土拌制一段時間內(nèi) 水泥的水化反應激烈 分子鍵逐漸形成 出現(xiàn)泌水和體積縮小 現(xiàn)象 這種體積收縮稱塑性收縮 塑性收縮多發(fā)生在混凝土拌和后約3 1 2 h 以內(nèi) 邵在終 凝前比較明顯 這種收縮導致骨料受壓 水泥膠結(jié)體受拉 故既可與水泥骨料結(jié)合緊密 又 可能使水泥石產(chǎn)生裂縫h j 塑性收縮又包括塑性干燥收縮和塑性沉降收縮 1 塑性干縮裂縫 塑性干縮的原因歸結(jié)于毛細管應力差 在發(fā)生干燥前 新拌制的混凝土顆粒空隙原本 是被水充滿的 干燥開始后混凝土表層水分蒸發(fā)使水從漿體中遷移走 岡此 漿體內(nèi)空隙水 形成復雜的彎月面形 產(chǎn)生毛細管負壓 導致漿體的體積發(fā)生緊縮 漿體中毛細管負壓不斷 增加直至到達一個臨界壓力 在此過程中 漿體中水不再均勻分布在漿體中 而是重排成一 些不連續(xù)的水分區(qū) 彼此間存在空隙 塑性收縮在毛細管壓力達到臨界壓力前就已達到最大 值 之后不再發(fā)生塑性收縮p j 用水量越大 棍凝土的塑性收縮越大 氣溫 相對濕度與風速等環(huán)境條件影響水份蒸發(fā) 量 對塑性收縮有重大影響 其中尤以相對濕度的影響最為主要 相對濕度越小 其塑性收 縮越高 2 塑性沉降裂縫 在新拌混凝土中 骨料顆粒懸浮在一定稠度的水泥漿體中 漿體的重量密度較低 對于 水灰比0 6 的漿體而言大概只有骨料重量密度的一半 所以骨料在漿體中有f 沉趨勢 而漿 體中的水泥顆粒義遠重于水 使得新拌混凝土中的水份向上轉(zhuǎn)移 即發(fā)生 沉降 與 泌水 現(xiàn)象 泌水使混凝十的多余水份減少 有利于提高硬化后的混凝土強度 但是泌水和沉降所 帶來的害處更大 骨料的下沉和水份的上升會在水平鋼筋的底部形成空隙并積聚水分 圖 l 4 a 為銹蝕留下隱患 當垂直下沉的固體顆粒遇到水平設(shè)置的鋼筋或緊固螺栓等埋設(shè)件 或受至i 側(cè)面模板的摩擦阻力時 就會受到阻攔并與周同的混凝土形成沉降差 結(jié)果在混凝土 頂部表面處造成塑性沉降裂縫 圖1 4 b 塑性收縮形成可見裂縫的寬度 長度和數(shù)目 最大程度上表征了混凝土因抵抗塑性收縮 2 第一章緒論 力的大小 實際工程表明 塑性收縮引發(fā)的微裂縫 雖目不可測 但將影響到混凝土長期的 耐久性能 圈l 4 塑性沉降引起的裂縫 0 1 美國s a nj o s es t a t eu n i v e r s i t y 的p a u le k r a a i 教授在1 9 8 5 年拉表的一篇 設(shè)計試驗研 究混凝土干縮開裂 的文章中首次采用平板法對混凝土澆筑成型后晟初4 5 h 內(nèi)閣收縮引起 的裂縫進行觀測 在平板四邊鋪設(shè)彎成直角的金屬絲網(wǎng)帶以約束混凝土收縮 促使裂縫出現(xiàn) 提出了評估裂縫開裂的權(quán)重計算方法 1 9 9 0 年u n i v e r s i t yo f m i a m i 的r o n a l df z o l l ou 塒教授設(shè)計了一種將平板與圓環(huán)相結(jié)合的 模具研究人造纖維對波特蘭水泥砂漿 混凝土體積穩(wěn)定性的影響 中心的圓環(huán)可以提供沿環(huán) 徑向的均勻約束 圓環(huán)內(nèi)不填料 將砂漿或混凝土連模具一同放入風箱中干燥 1 2 h 后 可以看到自圓環(huán)外罔四邊輻射的多條裂縫 1 6 h 后測量裂縫寬度 長度 計算開裂面積 評 價不同人造纖維摻量對同一基體的砂漿 混凝土 早期塑性收縮開裂的影響 九十年代初國外學者采崩另外一種平板模具研究纖維增強混凝土的早期塑性收縮裂縫 混凝土澆筑模具后 底板上預先設(shè)置的凸起在混凝士內(nèi)產(chǎn)生尖端應力 引發(fā)裂縫 構(gòu)造一個 環(huán)境箱 綜合風速 溫度 相對濕度等條件促使混凝士在塑性階段產(chǎn)生約束收縮裂縫 在國內(nèi) 通常按照j c t 9 5 1 2 0 0 5 的平板法進行混凝土早期塑性開裂的試驗研究 2 干縮開裂 混凝士的干燥收縮是有水泥石的干燥收縮引起的 對于干燥收縮的機理 目前普遍接受 的觀點是干燥收縮是由毛細管張力 拆開壓力 表面能以及層間水的移動造成的 關(guān)于這四 種現(xiàn)象的相對重要性 認識尚不一致 干燥收縮是混凝土的固有特性 影響混凝土干燥收縮 的因索有 u l 1 水泥品種及混合材料 一般情況 c a 含量大 細度較細的水泥干縮較大 火山灰質(zhì)混合材料的內(nèi)比表面積的大小是影響干縮的主要囡素之一 2 混凝十配合比 在 原材料一定的條件卜i 單位用水量 水泥用量 水灰比 砂率及灰漿率等參數(shù)對混凝土的干 縮有較大的影響 干燥收縮隨水泥用量 用水量 水灰比的增大而增大 砂率的影響較小 圖i 5 為水灰比對水泥漿干燥收縮率的影響 3 骨料 骨料種類 含量及彈性模量對混凝 土干縮有影響 砂巖骨料混凝土的干縮最大 石英巖和石灰?guī)r骨料的最小 4 外加劑 具 有引氣或者緩凝效果的外加劑一般都會導致混凝十的干縮率增加 5 周圍的介質(zhì)條件 相 對濕度越小 混凝土的干縮就會越丈 空氣溫度越高 水泥石中c s h b 的層間水失去越多 水泥石的收縮越大 圖1 6 為水泥漿體的失水量和干縮的關(guān)系 水泥漿體失水越嚴重 其干 縮值越大 6 結(jié)構(gòu)特征因素 混凝土的干縮率隨體積與比表面積的增加而直線下降 混凝 土的干縮會隨鋼筋的增多而減小 國內(nèi)外有許多關(guān)于干燥收縮的研究方法 k i mjk i 1 曾用t 5 0 m m x 3 0 0 m m x 3 0 0 m m 棱柱 體 除干燥面外 其它面用蠟封 貼應變的方法進行混凝土干縮率的測量 我國目前仍采用1 0 0 m m x l 0 0 m m x 5 1 5 r a m 的棱柱體 兩端預埋測頭并采用千分表立式收 縮儀 測量混凝土干縮率 這種方法所測的干縮率實際為混凝土干縮率和自收縮率之和 3 東南大學硬士學位論文 蔚麓 先 圖1 5 水灰比對水泥漿干締串的影響 l o 智1 6 水泥漿體的干縮與失水量關(guān)系 1 0 3 溫度裂縫 混凝土澆筑后 水泥在水化凝結(jié)過程中要散發(fā)大量的水化熱 因而使混凝土體積膨脹 混凝上是一個熱的不良導體 隨著熱量向外部介質(zhì)散發(fā) 產(chǎn)生一個溫差 內(nèi)部熱的混凝土約 束外部冷混凝土的收縮 還可能由于混凝土先后澆筑的時間不同 散熱條件和水泥崩量不同 等原因 都將會使混凝土內(nèi)部出現(xiàn)非線性溫度分布 產(chǎn)生溫度應力 在施工期間和長時間的 運行中 由于混凝土必須澆筑在基巖或老混凝土上 不但它們的初始溫度條件不同 物理力 學特性也有差別 混凝士的溫度變形在基巖面上要受基巖約束 因而也要產(chǎn)生溫度應力基巖 的約束條件和內(nèi)部非線性溫度場的約束條件 決定了溫度應力的產(chǎn)生和大小 當其超過混凝 土的極限抗拉強度 將會在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生表面裂縫 深層裂縫或基礎(chǔ)貫穿裂縫 根據(jù)溫度應力 的形成過程可分為以下三個階段i l 1 早期自澆筑混凝土開始至水泥放熱基本結(jié)束 一般約3 0 d 這個階段的兩個特征 一 是水泥放出大量的水化熱 二是混凝上彈性模量的急劇變化 由于彈性模量的變化 這一時 捌在混凝土內(nèi)形成殘余應力 2 中期自水泥放熱作用基本結(jié)束時起至混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度時止 這個時期中 溫度 應力主要是由于混凝土的冷卻及外界氣溫變化所引起 這些應力與早期形成的殘余應力相疊 加 在此期間混凝上的彈性模量變化不大 3 晚期混凝土完全冷卻以后的運轉(zhuǎn)時期 溫度應力主要是外界氣溫變化所引起 這些應 力與前兩種的殘余應力相疊加 根據(jù)溫度應力引起的原囡可分為兩類 1 自生應力邊界上沒有任何約束或完全靜止的結(jié)構(gòu) 如果內(nèi)部溫度是非線性分布的 由于結(jié)構(gòu)本身互相約束而出現(xiàn)的溫度應力 例如 船閘閘室墻 結(jié)構(gòu)尺寸相對較大 混凝土 冷卻時表面溫度低 內(nèi)部溫度高 在表面出現(xiàn)拉應力 在中間出現(xiàn)壓應力 2 約束應力結(jié)構(gòu)的全部或部分邊界受到外界的約束 不能自由變形而引起的應力 如箱梁頂板混凝土和護欄混凝土 這兩種溫度應力往往和混凝土的干縮所引起的應力麩同作 用 要想根據(jù)已知的溫度準確分析出溫度應力的分布 大小是一項比較復雜的工作 它和混 凝土的尺寸 導熱系數(shù) 導溫系數(shù)和絕熱溫升都有很大的關(guān)系 在大多數(shù)情況下 需要依靠 仿真計算或模型試驗 混凝土的徐變使溫度應力有相當大的松馳 計算溫度應力時 必須考 慮徐變的影響 1 2 3 船閘混凝土開裂的改善措施 針對裂縫出現(xiàn)的原因 國內(nèi)外學者提出了許多有效控制裂縫的方法和措施 主要歸結(jié)為 四個方面 1 改善早期養(yǎng)護措施 混凝士的水泥水化速度快 如果持續(xù)有外來水分供應水化反應 則混凝土內(nèi)毛細管將 不會形成彎月面 因此消除了自生收縮 好的早期養(yǎng)護方法可以起到展大程度避免自生收縮 和干燥收縮發(fā)生的目的 在混凝土養(yǎng)護的后期 即使發(fā)生一定干燥 則因為泄凝土本身已具 有足夠高的抗拉強度 減小了混凝土因收縮而發(fā)生的可能 i 陳肇元 提出了減少混凝土 開裂的基本原j j l 就包括改善早期養(yǎng)護措施 1 減少混凝土的總體收縮及不均勻收縮 2 4 第一章緒論 減少混凝十所受的約束程度 要達到這個目的首先要在原材料上嚴格選擇配制良好性能的混 凝土 然后從配比 攪拌 運輸 振搗 養(yǎng)護等各個環(huán)節(jié)加以保證是大限度地減少收縮和約 束 3 同時也要合理利用混凝土凝結(jié)硬化過程其力學性能 如強度 彈模及徐變等 的變 化 使其朝著有利于防裂的方向發(fā)展 2 摻入礦物摻和料 李相國 i 等研究了摻有少量熟料 高摻量工業(yè)廢棄物制各的高摻量廢渣水泥配制綠色 高性能水工混凝土的工作性能 力學性能 熱學性能 變形性能 抗?jié)B性能 結(jié)果表明 高 摻量廢渣水泥代替中熱硅酸鹽水泥配制綠色高性能泵送水工混凝十能夠顯著改善拌合物的 和易性 降低混凝土的絕熱溫升值 增加早期和后期強度 提高抗?jié)B性 并能降低開裂敏感 性的危害 l i us h u h u a 1 等研究了粉煤灰對水工混凝土抗裂性的影響 發(fā)現(xiàn)在混凝土中摻入 粉煤灰能減少混凝的脆性 彈性模量 收縮 水化溫度 體積變形性 說明粉煤灰的摻入能 提高水工混凝土的抗裂性能 三峽二階段混凝土技術(shù)特點是兩摻一低的技術(shù) 即摻粉煤灰 摻高效減水劑和降低水膠 比的技術(shù)實現(xiàn)了較低的絕熱溫升 有效地控制了混凝土的溫度裂縫 i q 3 摻入抗裂纖維 盛松濤 l 研究了聚丙烯纖維 p p f 在水工高性能混凝士中的作用 發(fā)現(xiàn)適量的聚丙烯纖 維加入 能改善混凝士的脆性破壞特征 減少混凝土的收縮裂縫 提高混凝土的韌性 抗沖 耐磨性 還能提高混凝土的抗?jié)B 抗凍等特性 v b i n d i g a n a v i l e t j 等用一種卸重沖擊儀來測試素混凝土和纖維增強混凝土在沖擊下的 抗裂性 發(fā)現(xiàn)在準靜態(tài)荷載下素混凝土和纖維增強混凝土對裂縫擴展都有較好的阻礙作用 在靜態(tài)和沖擊條件f 纖維都起到了阻裂作用 但鋼纖維的作用要好于聚丙烯纖維 這種現(xiàn) 象在沖擊力越大的情況下表現(xiàn)得越明顯 m a s a n j u a n d l 2 0 1 等在鋼筋混凝土中摻入聚丙烯纖維 p p f 進行試驗 發(fā)現(xiàn)低摻量的聚丙 烯纖維確實能起到控制裂縫擴展的作用 聚丙烯纖維被爿j 于三峽工程 來抑制混凝土的干縮和塑性收縮裂縫 取得了明顯的效果 2 1 l 九曲河水利樞紐套閘為大二二型水工建筑物 其混凝土制備采用了摻入p p 纖維 1 級粉 煤灰和緩凝高效減水劑的技術(shù)來提高混凝土早期的抗裂能力b 4 其他方法 減縮荊由于能降低水溶液的表面張力 從而有效減小了膠凝材料的收縮 在許多工程中 得到了較好的應用 例如 劉加平介紹了江蘇博特生產(chǎn)的新型聚羧酸類超塑化劑j m p c a 配制出的低收縮 低水化熱的大體積混凝土成功應用于三峽三期工程 龍灘水電站和溪落渡 等工程 很好的解決了混凝土的水化熱和開裂問題 此外 近兩年 國外學者采用在水泥基材料中加入一種超吸附的聚合物顆粒 s u p e r a b s o r b e n tp o l y m e r 縮為s p a 達到了減小自生收縮的目的 j 1 3 船閘混凝土抗沖磨和耐撞磨的研究現(xiàn)狀 1 3 1 船閘混凝土沖磨與撞磨破壞的現(xiàn)象與特征 引發(fā)水工建筑物剝蝕破壞的主要原因有 空化 磨損和化學侵蝕 空化是指流體內(nèi)有氣 泡形成或出現(xiàn)空腔 在水工建筑物中流體指水 空腔里充滿了水蒸汽和空氣 在空腔 或氣 泡 形成的地方 當局部壓力降到使水汽化時 空腔就形成 空蝕是空穴泡將會不斷生長并 隨水流運動到高壓區(qū)域而潰滅 空蝕就會在氣泡潰滅的地方發(fā)生 當空穴泡在緊靠或?qū)χ?體表面漬滅或壓破時 在極短的瞬間將產(chǎn)生非常大的壓力作用于固體表面極微小的表面積 上 這種不斷的高能量撞擊作用幾乎能使任何固體材料遭到破壞 在船閘工程中 通常船閘 進口邊墻洞容易產(chǎn)生空蝕現(xiàn)象 圖1 7 是美國蒙大納州y e l l o w t a i la f t e r b a y 大壩消力池邊墻 和底極遭到空蝕破壞后的照片 5 東南大學碩士學位論文 圖l 7 消力池底扳和邊墻的空蝕破壞佇司 混凝土表面的磨蝕主要是水工建筑物表面在運行期間受到流體中夾帶的研磨劑如泥沙 碎石 石塊 冰塊或其它沉渣的反復摩擦而造成的破壞 雖然閘室墻附近水流平緩 渴凝土 受水流磨蝕的程度較小 但從混凝土長期耐久性上考慮 這種作用也不容忽視 有資料顯示 洪水通過閘室下瀉時巖石進入支道廊 石塊會引起混凝土的磨損破壞 圖1 8 船閘充滿 和放空的常規(guī)操作也使那些石塊或泥沙來回滾動而使混凝土遭到磨損破壞 囝i 8 美國最大納州y e l l o w t a i ld i v e r s i o n 壩泄水 道邊墻和底板部位的琨凝土的磨損破壞m i 混凝土的化學侵蝕是指水 多種鹽類和酸性溶液對水泥混合物的化學侵蝕作用 它和混 凝土滲透性 耐腐蝕性能等耐久性能有關(guān) 船閘工程中往往有一個被忽視的問題 船閘是水利樞紐工程的主要通航建筑物 混凝土 閘室是船閘的主要設(shè)旖之一 船閘放行時 來往船舶難免會對閘室墻表面混凝土產(chǎn)生沖撞和 磨損作用 圖1 9 a 通常把放輪胎船舷邊緣以防止船舶的鋼體直接與混凝士表面產(chǎn)生接觸 盡管如此 閘室墻混凝土還是經(jīng)常遭受沖撞和磨損 如圖1 9 b 這不僅會影響閘室墑的外 觀 且會導致混凝土表面嚴重破壞 甚至影響到船閘的安全運行 因此 有必要提高船閘閘 室墻混凝土抵抗船舶撞擊和磨損的性能 以f 簡稱耐撞磨損性能 而采用耐撞磨混凝土是配 制船閘閘室墻混凝士的有效途徑 圖1 9 閘室墻混凝土受到船舶的撞磨作用 6 第一章緒論 綜上所述 造成船閘混凝土磨損破壞的的原因主要有 首先是船舶在閘室墻部位的撞磨 作用 其次是水流及介質(zhì)在閘首和閘尾及水廊道等部位的沖磨作用 閘室墻渴凝土沖磨和撞 磨破壞的機理是怎樣的 有何改善措施 下面分別介紹沖磨和撞磨破壞機理及其改善措施 1 3 2 船閘混凝土沖磨和撞磨破壞的機理 1 沖磨破壞 工程運行實踐和室內(nèi)實驗研究表明 清水慢速流過混凝土表面 對混凝土基本上沒有破 壞作用 水工混凝 磨蝕的外界條件主要有兩個 一是水流中挾帶有一定量的固體顆粒 二 是在穩(wěn)定流態(tài)前提下挾帶固體顆粒的水流要具有一定的流速 這個流速至少能夠啟動水流挾 帶的沙石并達到一定的速度 水流速度是影響混凝土磨蝕磨損的關(guān)鍵 固體顆粒的粒徑越大 要求的起動速度就越大 超過起動速度而仍然處于較低流速時 固體顆粒滾過或者滑過混凝 土表面 對混凝土將造成摩擦損耗或微切削作用 超過起動速度并且流速很高時 固體顆粒 有可能會快速滾動或跳躍前進 這樣即使是很小的顆粒也會對混凝土產(chǎn)生較大的沖擊破壞 所以 推移質(zhì)及懸移質(zhì)沙石的磨損 都可以概括為以不同沖角作用于材料表面的流體力學磨 粒磨損 即 推移質(zhì)及懸移質(zhì)磨損 都同時存在著沙粒微切削和沖擊變形磨損 總磨損量由 此兩種磨損量的疊加而成口 1 懸移質(zhì)破壞 細粒徑的懸移質(zhì)泥沙 在高速水流中與水的質(zhì)點充分摻混 形成近似均勻的網(wǎng)液兩相流 懸移質(zhì)對水流邊壁的沖刷 主要由紊動猝發(fā)現(xiàn)象的渦旋所造成 具有紊動結(jié)構(gòu)的高速水流 在平滑的水流邊壁附近 也發(fā)生縱向和橫向渦旋流體 這些渦旋不斷地重復著由小到大爾后 消失的過程 隨著渦旋的形成 擴大和消失 水流中的泥沙顆粒以較小的角度 5 0 1 5 沖擊 流道表面 對邊壁施以切削作用和沖擊作用 從而造成建筑物表面的磨損 2 推移質(zhì)破壞 推移質(zhì)對建筑物表面的破壞機理與懸移質(zhì)不同 懸移質(zhì)使建筑物壁面因摩擦作用而產(chǎn)生 磨損破壞 推移質(zhì)以滑動 滾動及跳動的方式在建筑物表面運動 除了摩擦及切削作用還有 沖擊作用 建筑物表面不僅受到推移質(zhì)泥沙滑動 滾動摩擦力的破壞 而且還受到泥沙沖擊 力的破壞 如建筑物表面a 點處 見圖1 1 0 口 受到質(zhì)量為m 速度為v 的砂石的沖擊 垂 直沖擊力按動能原理分析應為 忽略水的阻力 2 m 面v c o s a t 1 1 石子在水流的作用下 以速度v l 沖擊建筑物壁面 假設(shè)它又以同樣的速度v 反彈來 由于沖擊壁面的時間 t 很短 其值很小 則f 值很大 石子在反作用力下彈跳來后又會 再次下落沖擊壁面 這樣反復的結(jié)果 相對建筑物a 點來講 會遭受反復次的摩擦 切削 與沖擊 當材料強度達到極限值或疲勞極限值時 則會發(fā)生破壞 表現(xiàn)為表面剝落 并繼續(xù) 向縱深擴展 推移質(zhì)對建筑物表面的破壞較復雜 不僅與推移質(zhì)滑動 滾動 沖擊形式有關(guān) 而且與砂石本身的顆粒形狀 質(zhì)量 數(shù)量和水流速度 狀態(tài) 沖擊角度 過流時間等有密切 關(guān)系 一般認為石子粒徑越大 水流流速越大 過流時間越長 對水工建筑物的破壞越大 此時石子可以躍起 產(chǎn)生巨大的沖磨破壞 j 弋 一 7 a r 圖l 1 0 砂石沖擊示意圈 2 刀 東南大學碩士學位論文 現(xiàn)行 水工混凝土試驗規(guī)程 s d j l 0 5 8 2 混凝土抗含砂水流沖刷試驗 方法 系仿 照美國 己被廢除 早年的試驗方法 經(jīng)試用多年已被我國許多研究單位棄置 其主要缺點 是試件尺寸太小 試驗時間太短使骨料與骨料及骨料與水泥漿體界面黏結(jié) 這些主要影響混 凝土沖蘑性能的因素在試驗中難以反映 出現(xiàn)其對高強度等級混凝土反映不夠敏感的情況 美國陸軍工程兵團經(jīng)過多年研究 于1 9 8 0 年推出一種新型抗沖磨試驗方法一水下鋼球 法 其表面沖磨沖磨破壞狀態(tài)與現(xiàn)場混凝土沖磨破壞狀態(tài)很相似 此方法一經(jīng)推出 即被列 為美國陸軍工程兵團的混凝土抗沖磨試驗方法 編號為c r d c 6 3 8 0 1 9 8 9 年又被a s t m 正式編為混凝土抗沖磨標準試驗方法a s t m c l l 3 8 8 9 沿用至今 國內(nèi)已有多個單位擁有該 種仿制設(shè)備 除了水下鋼球沖磨法外 國內(nèi)還有噴砂槍沖磨試驗法 氣流噴砂法等試驗混凝 土的抗沖磨性能 2 撞磨破壞 來往船舶對閘室墻混凝土是一種既沖擊又磨損的破壞方式 閘室墻受船舶撞磨作用的結(jié) 構(gòu)示意圖1 1 l 船舶的沖擊荷載f 以一定的角度口 一般 7 07 89 7 0 7 2 3 王塑墊生圭絲l 型 塹 墊 1 2 鑾童奎羔塑圭蘭些望蘭 2 1 3 集料 a 1 級粉煤灰 目2 1 粉煤灰粒程分布圖 b i i 級粉煤灰 圈2 2 級粉煤灰1 5 0 0 倍的掃描電鏡圖像 細集料采用駱馬湖中砂 細度模數(shù)為2 9 粗集料采用質(zhì)地堅硬的的石灰?guī)r碎石 5 4 0 r a m 連續(xù)級配 依據(jù)g b t 1 4 6 8 5 2 0 0 1 等標準測試砂子和石子的表觀密度 泥含量和泥塊 含量 有機物含量和堿集料反應等 并加以評定與分析 試驗結(jié)果列于表2 4 中 表2 4 砂 石的性能 量 一 堡一 果 標果 1 表觀密度 k g m 3 2 5 0 0 2 6 2 0 一 荔面r 一 萬雨 一 2 堆積密度 k g m 3 1 3 5 013 9 7 1 3 5 0j 5 3 3 3 空隙率 4 746 7 474 3 5 4 含泥量 2 0 1 5 1 0 0 4 5 泥塊含量 1 00 5 1 00 1 6 有機物音量合格合格 臺格合格 7 堿集料反應 合格臺格 合格合格 8 壓碎值 一3 3 m p a j t j 0 4 1 2 0 0 0 規(guī)定術(shù)1 1 5 乞n 2 混凝土工作性 泌水率低 可泵性好 坍落度t 1 0 0 1 4 0 m m 1 h 坍損 2 5 3 抗裂性能 c c e s 0 1 2 0 0 4 混凝土平板法達到i i 級以上 4 耐撞磨性能 c 2 5 混凝土 試件直徑1 0 0 m m 1 0 0 m m 標養(yǎng)2 8 d 其5 0 0 次磨耗率 不大于2 0 相當于水下鋼球法抗沖磨強度不小于0 7 5 h k g m 2 5 抗?jié)B透性能 水壓法抗?jié)B性能達到p 8 電滲法5 6 d 電量指標小于1 2 0 1 2 或2 8 d 氯離 子擴散系數(shù)小于8 1 0 2m 2 s 6 抗凍融性能 水位變動區(qū)的鋼筋混凝士抗凍等級不低于f 1 5 0 7 碳化性能 2 8 d 混凝土標準碳化深度不大于3 8 m m 8 鋼筋銹蝕性能 破型法測定混凝土鋼筋銹蝕性能 標準試驗結(jié)果要求鋼筋基本光亮 無明顯銹蝕 2 2 2 閘室墻高