1、石粉类型及掺量对机制砂混凝土早龄期热膨胀系数影响摘要：随着目前实际工程中机制砂的广泛使用，机制砂混凝土的早期开裂问题也越来越得到重视，石粉是机制砂混凝土中特殊而又十分重要的成分，研究石粉类型及掺量对机制砂混凝土早龄期热膨胀系数影响，揭示机制砂混凝土早龄期热膨胀系数变化规律，对预防机制砂混凝土早期开裂，提高结构寿命等都具有重要意义。采用自主研发设计的混凝土早龄期热膨胀系数测量装置，对机制砂混凝土早龄期热膨胀系数进行了研究。研究发现，机制砂混凝土早龄期热膨胀系数随着石灰石粉、硅质石灰岩石粉掺量增大而增大，随着凝灰岩石粉掺量增大热膨胀系数变化不明显。石粉的种类及掺量会对混凝土孔隙率产生影响，进而影响
2、混凝土热膨胀系数。但总体而言，机制砂混凝土早龄期热膨胀系数受石粉种类及掺量影响较小。此外，机制砂混凝土热膨胀系数受机制砂热膨胀系数影响，机制砂热膨胀系数越大，混凝土热膨胀系数也更大。关键字：热膨胀系数、机制砂、石粉、早龄期StandardUsageofSoftwareinScientificSmallPaperJiTao,ZhouFeng(CollegeofCivilEngineering,FuzhouUniversity,Fuzhou,FujianProvince350108,China)Abstract:Withthewidespreaduseofthecurrentpracticalen
3、gineeringmechanismssand,themechanismssandconcreteearlycrackingproblemhasbeenmoreattention,thepowderisaspecialandveryimportantingredientintheSandConcreteResearchpowdertypeanddosageofSandConcreteinfluenceofearlyagethermalexpansioncoefficientrevealssandConcreteatEarlyAgeofThermalexpansioncoefficientofv
4、ariation,andtheearlyagecrackingofconcretesandpreventionmechanismstoimprovethestructureoflifeandsoisofgreatsignificance.ThecoefficientofthermalexpansionofconcreteonindependentR&DdesignmeasuringdeviceearlyageSandConcretecoefficientofthermalexpansion.Thestudyfoundthatthemechanismssandconcreteearlyageth
5、ermalexpansioncoefficientincreases,alongwithlimestonepowder,thesiliceouslimestonepowderdosageincreasesdidnotchangesignificantlywiththetuffpowderdosageincreasesthecoefficientofthermalexpansion.Typesofstonedustandashwouldaffecttheconcreteporosity,therebyaffectingthecoefficientofthermalexpansionofconcr
6、ete.Overall,however,theSandConcreteearlyagecoefficientofthermalexpansionbypowdertypeanddosageoflessimpact.Inaddition,thethermalexpansioncoefficientofSandConcreteinfluencedmechanismssandthermalexpansioncoefficient,thegreaterthemechanismssandthermalexpansioncoefficient,andthecoefficientofthermalexpans
7、ionofconcrete.Keywords:coefficientofthermalexpansion(CTE);manufacturedsand;stonepowder;earlyage1前言目前在施工过程当中，时常发生混凝土早期开裂的现象，这会导致混凝土内部钢筋锈蚀及房屋渗水，进而影响建筑的使用安全及使用寿命，故如何有效预防混凝土的早期开裂已成为工程界重点关注的问题之一。RILEM（国际材料与结构测试研究协会）曾举行了三次国际会议，旨在研究混凝土结构早期开裂机理口一叫会议讨论结果认为，热膨胀系数是混凝土早期开裂问题的关键因素之一。而随着目前实际工程中机制砂的广泛使用，机制砂混凝土的早期开
8、裂问题也越来越得到重视，石粉是机制砂混凝土中特殊而又十分重要的成分，但关于石粉对机制砂混凝土早龄期热膨胀系数的影响的研究，更是少之又少。研究石粉类型及掺量对机制砂混凝土早龄期热膨胀系数影响，揭示机制砂混凝土早龄期热膨胀系数变化规律，对预防机制砂混凝土早期开裂，提高结构寿命等都具有重要意义。2试验概况2.1 试验试样水泥采用福建炼石牌42.5R普通硅酸盐水泥，表观密度PC为3050kgm3,粉煤灰采用宁德II级粉煤灰，表观密度PF为2120kgm3o粗骨料采用闽侯苏洋采石场所产碎石，参照建设用碎石卵石（GB/T14685-2011）图7.13.2、7.14.2规定的方法测得紧密堆积密度PGT为1
9、540kgm3,饱和面干吸水率%为0.2%o细骨料采用一种闽江河砂和三种机制砂。将三种机制砂进行编号，分别为MSI、MS2、MS3o采用统一的颗粒级配如图1所示。使用摇筛机和0.075mm方孔筛分别对三种机制砂进行筛分。收集小于0.075mm的筛下物，即为石粉。经EDAX能谱分析试验得知，MSl及其石粉母岩为纯石灰岩，MS2及其石粉母岩为凝灰岩，MS3及其石粉母岩为硅质石灰岩。外加剂为高效减水剂，采用福建建工建材科技开发有限公司生产的“建研”牌高效减水剂（缓凝型）。型号规格为TW-4。减水率15%20%,推荐掺量为水泥的2.0%。混凝土拌合用水采用自来水，表观密度pw为1000kgm3o砂的表
10、观密度按GB/T146842011国进行测试；石子的表观密度按GB/T1468520114进行测试；石粉的表观密度按GB/T20894进行测试；砂石比表面积采用文献m提供的方法进行测试，采用北京金埃谱科技有限公司生产的比表面积及孔径分布测试仪V-Sorb2800P测量石粉比表面积。测试结果见表1所示。表1表观密度与比表面积石子天然砂MSlMS2MS3MSl石粉MS2石粉MS3石粉表观密度（kgm3）26702620270327202700273627632732比表面积（Itf0.39590.71144.18117.07122.89531559582kg)图1统一采用的筛分曲线g条四七哪2.2
11、 试验方案2.2.1 试件及浇筑模具采用波纹管作为浇筑模具测量混凝土早龄期热膨胀系数，波纹管实物如图2（八）所示。（八）波纹管(b)圆形铁片(c)带热电偶线的铁片装入波纹管底部(d)不锈钢圆管图2浇筑模具各组成部件波纹管具有如下优点B9：1 .由于波纹管的形貌效应，波纹管在很小力作用下，便容易伸缩，和圆柱型或长条形模具相比，波纹管对混凝土的自由膨胀与收缩阻碍较小。2 .波纹管和内部水泥基材料易为同一变形整体，且波纹管厚度仅为O.2mm左右，无须考虑波纹管试模的温度膨胀系数造成的变形对水泥基材料变形的影响。3 .由于波纹管厚度只有0.02mm,导热时间也就大大减短，不会阻碍热量的传导，符合试验温
12、度变化周期所要求的条件。4 .波纹管密封性极好，避免了外界湿度的影响。此外按照横截面积可把试件分为大试件和小试件：横截面积在4cm2左右的都属于小试件，横截面积在425cm2属于中试件，横截面积在25cm2以上的都属于大试件。危鼎刖发现中、小试件的“滞后变形”都非常明显，这可能与小试件变温速率快、内部较易发生很大湿度变化有关。在工程实际中构件的变温速率都较小，且由于水泥基材料的渗透性很小实际构件中的湿度一般也不易发生较大变化，因此虽然中、小试件比较容易实现试件温度的变化与变形的测量,但大试件在温度变化时表现出来的性状更接近于实际构件的真实情况且基本没有“滞后变形”。因此本文使用长度为50cm,
13、直径为Ioem的波纹管试件进行试验。为了密封住波纹管两端，加工直径为100mm左右，厚度为2mm左右的圆形铁片，在铁片的一面圆心处焊一根长为80mm,带螺纹的铁棒，如图2(b)所示，这样浇筑时铁片能插入刚拌好的混凝土内，使得铁片和波纹管能形成一个整体；在铁片上钻一个小孔，便于热电偶线的穿入，把热电偶线焊锡块那端缠在铁棒上，装入波纹管底部，如图2(C)所示。同时，由于波纹管较软，在混凝土浇筑过程中，会发生侧向弯曲，为防止这一情况发生,加工制作了直径为110mm,长度为50Omm的不锈钢圆管，如图2(d)所示。2.2.2试验装置采用自主研发设计的装置测量机制砂混凝土早龄期热膨胀系数，装置如图3所示
14、b)1-1剖面图(c)2-2剖面图图3自制的波纹管装置示意图(单位：mm)2.2.3试验步骤1 .采用直径为100三的波纹管，截取其长度为500mm。2 .把热电偶线焊锡块那端缠在铁棒上，装入波纹管底部，如图2(c)所示。3 .将波纹管和铁片装入不锈钢圆管(图2(d)内，放置于振动台上，然后把拌好的混凝土分批次装入波纹管内，具体操作方法为：波纹管内混凝土每升高5cm,插入捣棒，沿螺旋方向从外向中心均匀插捣25次以保证混凝土密实；当拌好的混凝土装至波纹管中部时，另取一条热电偶线，将热电偶线焊锡块那端插入波纹管圆心附近，埋好，再接着装填混凝土；最后当拌好的混凝土快装满至波纹管顶部时,再取一根热
15、电偶线，把热电偶线焊锡块那端埋入波纹管圆心附近，继续装填混凝土至填满波纹管，将中部和端部埋入的热电偶线，都穿过圆形铁片的小孔，然后将铁片带螺纹铁棒那面，插入混凝土内，盖住波纹管。用手扶住不锈钢圆管并使波纹管混凝土试件保持不动，开启振动台振动，进一步让试件密实。把试件两端用保鲜膜包住，用橡皮筋箍住保鲜膜达到密封波纹管试件的效果。4 .把装有试件的不锈钢圆筒平放，抬入试验室内，把试件从圆筒内推出，在开始试验前测量试件长度Lo将波纹管混凝土试件吊起放入铁箱内。5 .用位移传感器顶住波纹管混凝土试件两端，用铁块固定住位移传感器，每2分钟记录一次位移传感器数值。把热电偶线接入温度采集箱，每2分钟记录一次
16、温度值。6 .在铁箱上方盖上铁板，插上电炉和摆头风扇插头，进行升温，拔掉电炉插头，即进行降温。7 .由电脑自动采集记录试件温度及位移数据，假设时刻试件内部温度为工，试件两端位移传感器记录的位移为Sj、S2；f2时刻试件内部温度为石，试件两端位移传感器记录的位移为S3、S4,则根据式(1),即可测得试件各时段的热膨胀系数。AL(S3-S1)+(S4-S2).CATL(T2-Tx)-L2.3试验配合比基于最少浆体理论设计的试验配合比如表2所示。表2试验配合比C单位:kgm3)编号水泥砂子普通石子粉煤灰石粉水减水剂Al353652113239.19701827.056Bl383567116442.5
17、201977.6558B2368567116443.78826.2731927.356B3352567116445.14154.1701867.042B4336567116446.60083.8801806.710Cl372606115541.35301927.443C2358606115542.58925.5541877.155C3343606115543.91952.7021816.851C4327606115545.35281.6331766.531Dl376590115841.72901937.511D2361590115842.96325.7781887.218D3345590115
18、844.29053.1481836.909D4329590115845.71982.2941776.5833试验结果3.1 初凝时间和抗压强度各组试件初凝时间如表3所示，抗压强度如表4所示。表3各组试件初凝时间号初凝时间(min)号初凝时间(min)1529152225202537350735314504453415332528519511341526表4立方体抗压强度试验结果号3feu(1)(MPa)feu(3)(MPa)feu(7)(MPa)feu(28)(MPa)1A9.21622.09834.98249.3541B11.02224.58635.89653.0722B12.40226.6
19、3938.23853.8623B14.08628.41940.18456.0454B14.68229.93641.03855.8241C12.33125.80036.55350.8542C10.98525.11036.88053.2833C10.56025.08337.53055.0854C10.35924.98237.24057.0361D10.35423.62435.03851.1082D11.5524.92636.62552.0043D11.80326.08738.03754.3814D13.23727.81840.34355.9273.2 机制砂混凝土早龄期热膨胀系数试验结果以时间为横
20、坐标，以水泥与水接触时刻为O时刻，以热膨胀系数为纵坐标，绘制的热膨胀系数随时间发展曲线见图4o5101520253035404550时间（三）(b)C组热膨胀系数随龄期发展曲线76543210987(P/90一凝顺当逊辕时间（三）654321098(Q9,OI阳张油蒸（八）B组热膨胀系数随龄期发展曲线5101520253035404550时间（三）(C)D组热膨胀系数随龄期发展曲线图4各组试件热膨胀系数随龄期发展曲线4试验结果分析以Bl试件热膨胀系数试验值作为基准，定义热膨胀系数基准差幺如式(2)所示，计算B组各时段热膨胀系数基准差。同理以Cl试件、Dl试件的热膨胀系数试验值为基准，计算C组、
21、D组各时段热膨胀系数基准差。计算结果如图5所示。otaac100%(2)式中：怎一一基准的试件热膨胀系数;a；对比试件的热膨胀系数。B2B3，B450-508642086420211111s)Sssx8-6-420246802-11（八）B组各时间点热膨胀系数基准差(b)C组各时间点热膨胀系数基准差(C)D组各时间点热膨胀系数基准差(d)以Al为基准的热膨胀系数基准差图5各组试件热膨胀系数基准差由2.1可知，B组试件粗骨料采用花岗岩，细骨料采用石灰岩，石粉采用石灰石粉；C组试件粗骨料采用花岗岩，细骨料采用凝灰岩，石粉采用凝灰岩石粉；D组试件粗骨料采用花岗岩，细骨料采用硅质石灰岩，石粉采用硅质石
22、灰岩石粉。比较图5（八）三条曲线，发现总体而言，B4曲线在最上方，B2曲线在最下方，B3曲线在中间，也就是说，总体而言，B4热膨胀系数基准差最大，B2最小。由式(2)可知，热膨胀系数基准差越大，则热膨胀系数越大，故B组试件在相同时刻的热膨胀系数大小排序大致为：B4B3B2B1,B组试件早龄期热膨胀系数随着石灰石粉掺量增大而增大；同理，比较图5(b)三条曲线，C组的热膨胀系数基准差除早期8h、10h、Ilh三个时间点外，大致在0附近波动。且各试件基准差相差不大，三条曲线大致重合。故可知C组试件热膨胀系数在早期(8llh)随着石粉掺量增大而有所减小，随后大致上在相同时刻的热膨胀系数基本相等；由图5
23、c)可知，D组试件热膨胀系数变化规律和B组试件类似，通过比较图5（八）和图5(c),B组试件四条热膨胀系数随龄期发展曲线间距较大，D组四条曲线较为重合，故可知D组试件早龄期热膨胀系数随着硅质石灰岩石粉掺量增大而增大，但增幅较B组试件而言，不显著。究其原因，多位学者34的研究都表明，热膨胀系数受孔隙率影响，孔隙率越小，混凝土热膨胀系数越大。关于孔隙率对热膨胀系数影响的机理解释为：当孔隙率较大时，由于孔隙可容纳材料的热变形,较多孔隙的水泥石在热膨胀过程中为其各组分的膨胀提供了较大的缓冲空间均；当孔隙率较小时，由于孔隙中含有水，水是混凝土组成材料中膨胀能力最大的，水的热膨胀系数约为210X10-6
24、/。，比水泥石的热胀系数高一个数量级”6,故受热以后,由于水和试件的膨胀变形不一致，试件内的水膨胀时会受到试件对其的约束力，同时由于作用与反作用的关系，试件会受到水由于膨胀对其作用的力，孔隙率越小，孔径越小，水膨胀时便越容易受到约束，且受到的约束力也会越大，则试件受到的膨胀力也会越大，故试件的热膨胀系数也会越大。此外，由于试件均处于密封条件下，故含水率变化不大，早龄期热膨胀系数主要受孔隙率影响。取各组试件Id孔隙率试验结果和Id热膨胀系数试验结果作图，如图6所示。图6所示曲线验证了孔隙率越小，混凝土热膨胀系数越大的规律。孔隙率（%）11j4勿勿BCD1图6各组试件Id孔隙率和Id热膨胀系数关系
25、对B组试件而言，石灰石粉具有填充效应,回、成核效应和活性但如，故随着石灰石粉掺量的增大，水化产物增多，试件内部孔洞越来越少，孔径越来越小，混凝土内部组成密实度越高，孔隙率越小，则热膨胀系数越大。同理，对C组试件而言，由于C组试件密实性变化不大，孔隙率变化不大，故石粉掺量变化对C组试件热膨胀系数影响不大。D组试件分析机理和B组类似，由于和B组石灰岩石粉相比，D组硅质石灰岩石粉CaO含量较低，而成核效应与CaO含量有关，CaO含量越高，其成核效应越显著，混凝土越密实,孔隙率越小，故D组试件热膨胀系数增幅较B组试件而言，不显著。东南大学的朱晨峰面对粉煤灰掺量范围060%,配合比设计时保持砂体积含量固
26、定和水胶比固定为0.4的砂浆进行了早龄期热膨胀系数研究，其试验结果表明粉煤灰掺量从0变化至60%时，砂浆试件3d的热膨胀系数从11.O1X1(7C变化至10.41X10，。，热膨胀系数仅减小了0.6义107Co同济大学的姚武教授网按绝对体积法设计配合比，胶凝材料只为水泥，设计了保证用水量不变，通过改变水泥用量改变水灰比的试验来研究混凝土Id的热膨胀系数，其试验结果表明，当固定配合比中用水量为169kg11?,水灰比从0.32变化至0.48,混凝土Id的热膨胀系数从9.82Xl(f7C变化至9.34XlO47c,仅减小了0.48107Co本文B组试件的热膨胀系数随着石粉掺量的增大而增大得最多，但
27、当石灰石粉掺量从0变化至18%时，B组试件Id的热膨胀系数从8.062义10变化至8.327107C,热膨胀系数仅增大了0.26510oCo由上述试验结果可知，混凝土早龄期热膨胀系数受掺合料掺量变化影响较小，机制砂混凝土中石粉掺量变化会引起机制砂混凝土早龄期热膨胀系数变化，但影响较小。5结论对同一种机制砂，掺同一类型石粉，机制砂混凝土早龄期热膨胀系数随着石灰石粉、硅质石灰岩石粉掺量增大而增大，随着凝灰岩石粉掺量增大热膨胀系数变化不明显，石粉掺量相同时，由于凝灰岩热膨胀系数较大，凝灰岩机制砂混凝土热膨胀系数最大，石粉的种类及掺量会对混凝土孔隙率产生影响，进而影响混凝土热膨胀系数。但和骨料对热膨胀
28、系数的影响相比，机制砂混凝土早龄期热膨胀系数受石粉种类及掺量影响较小。参考文献1 MihashiH,WitlmannFH.ProceedingsoftheinternationalRILEMconferenceoncontrolofcrackinginearlyageconcreteC.Paris,1982.2 SpringenschmidR.ProceedingsoftheinternationalsymposiumonthermalcrackinginconcreteatearlyagesC.RILEMTechnicalCommittee119,Munich:E&FNSpon,1995.3
29、 Kovler,BenturKA.ProceedingsoftheinternationalRILEMconferenceonearlyagecrackingincementitioussystemsC.Haifa,2001.4 中华人民共和国国家技术监督局.GB/T14685-2011.中华人民共和国国家标准建设用碎石卵石S.中国标准出版社,2011.5 中华人民共和国国家技术监督局.GB/T14684-2011.中华人民共和国国家标准建设用砂S.中国标准出版社,20IL6 中华人民共和国国家技术监督局.GB/T208-94.中华人民共和国国家标准一一水泥密度测定方法S.中国标准出版社,19
30、94.7 陈开旺.基于分形理论的铁路混凝土配合比优化设计D.福州：福州大学,2008.8 陈先锋.轻骨料对高性能混凝土早期自收缩的影响机理研究D.福州：福州大学，2011.9 田倩.采用波纹管测试水泥基材料早期自收缩方法J.硅酸盐学报，2009,37(1):40-45.10 危鼎.水泥基材料早龄期热膨胀系数试验研究与理论分析D.南京：河海大学，2007.11 季韬，徐毅慧，罗蜀榕，等.基于最少浆体理论的混凝土配合比优化J.混凝土，2009,(8):12-14.12 朱晨峰.锦屏大坝混凝土集料和粉煤灰等因素对热膨胀性能的影响D南京：东南大学，2008.13 徐洪国，水中和，章瑞，等.偏高岭土对水
31、泥石热膨胀性能的影响J.硅酸盐通报，2011,30(2):278-282.14 巴恩斯.水泥的结构和性能M.北京：中国建筑工业出版社，1991.15 关振铎，张中太,焦金生.无机材料物理性能加.北京：清华大学出版社，2001.16 MindessS,YoungJF,DarwinD.ConcreteM.北京：化学工业出版社，2003.17 王雨利，周明凯，李北星，等.石粉对水泥湿堆积密度和混凝土性能的影响J.重庆建筑大学学报，2009,30(6):151-154.18 王雨利，董颖，杨玉辉，等.石粉对机制砂混凝土性能的影响J.混凝土，2006,(11) :44-49.19 蔡基伟.石粉对机制砂混
32、凝土性能的影响及机理研究D.武汉：武汉理工大学，2006.20 刘数华，阎培渝.石灰石粉在复合胶凝材料中的水化性能J.硅酸盐学报，2008,36(10):1401-1405.21 DetwilerRJ,TennisPD.Theuseoflimestoneinportlandcement:astate-of-the-artreviewM.US:PortlandCementAssociation,1996.22 UchikawaH,HaneharaS,HiraoH.InfluenceofmicrostructureonthephysicalpropertiesofconcretepreparedbysubstitutingmineralpowderforpartoffineaggregateJ.CementandConcreteResearch,1996,26(1):101-111.23 姚武，郑欣.配合比参数对混凝土热膨胀系数的影响m.同济大学学报：自然科学版，2007,35(1):77-81.
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