摩擦对水泥基材料收缩开裂的影响.pdf

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4低温建筑技术2014年第1期(总第187期)摩擦对水泥基材料收缩开裂的影响赵志勇，朱涵，李浩然，薛凯(1．天津大学建筑m程学院，天津300072；2．天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津300072)【摘要】外方内圆偏心约束法是研究水泥基材料抗裂性能的有效方法，文中采用数值分析和试验分析验证了外方内圆偏心约束方法的底板摩擦力对净浆和砂浆收缩开裂影响的问题。结果表明，模具底板摩擦力的存在能够缩短水泥净浆或砂浆收缩的开裂时间，并且水灰比越大，具有底板摩擦力的试件开裂越快。【关键词】摩擦力；收缩开裂；水泥净浆；砂浆【中图分类号】TU528，45【文献标识码】A【文章编号】1001—6864【2014)O1—00—0STUDYONTHEAFFECTIoNoFFRICTIoNONTHECEMrENTPASTEANDMORTARSHRDKAGECRACKINGZHAOZhi—yong，ZHUHan，LIHao—ran，XUEKai·(1．DepartmentofCivilEngi．，TianjinUniv．，Tia-jin300072，China；2．KeyLaboratoryofCoastCivilStructureSafety(TianjinUniv．)，MinistryofEducation，Tianjin300072，China)Abstract：Theoutersquareandinnercircleeccentricconstraintmethodisaneffectivewaytostudytheanti—crackingperformanceofcement—basedmaterials．Forthequestionoffrictioninthetestingproce—dures，usingANSYSwiththeoreticalnumericalanalysis，outersquareandinnercircleeccentricconstraintmethodisusedtoverifyfriction’Sefectondiferentwater—cementratioofcementpasteandmortar．Theresultsshowthatthepresenceoffrictioncanreducecementpasteormortarshrinkagecrackingtime，thespecimenswithfrictioncracksquicklyasthewater—cementratioincreases．Keywords：friction；shrinkagecracking；cementpaste；mortar0引言ParvizSomushian的研究小组采用的一种弯起钢板约水泥的发明使得土木工程得到了前所未有的发束的平板式试验装置⋯，德国慕尼黑技术大学建筑材展，然后水泥基材料却面临着一个巨大的问题—早期料和构件检测研究所采用的棱柱体法，美国麻省理收缩开裂，特别是混凝土的开裂对结构的耐久性有着工学院的RoyCarlson于1942年提出的圆环法，天巨大的影响，修复这些问题所产生的费用常常是惊人津大学朱涵教授和胡芯国的外方内圆偏心约束法。的。因此，开裂问题早已引起了广泛的关注。此外，尽管国内外对水泥基材料收缩开裂性能的研究为了直接评价水泥净浆等的收缩开裂，许多研究较多，但研究重点大多是在环境温湿度、矿物掺合料、人员做了大量的工作，形成了一系列检测混凝土早期养护措施、水灰质量比等因素对收缩开裂的影收缩开裂的方法，综合起来有：美国密西根州立大学响“，不管是哪种方法都没有研究过底板摩擦力对[基金项目】国家自然科学基金项目(51078261)O●OO●0O●Oo●OO●OO●OO●OO●OO●Oo●OO●OO●OO●OO●oO●OO●OO●OO●OO●OO●Oo●OO●OO●OO●O0●O0●cO●OO●OO●OO●OO●OO●O0●OO●OO●O0●O0●OO●OO●O0●OO●OO●OO●OO●OO●Oo●O[17]K~ksalF，OsmanG，UnalB，eta1．Durabilitypmpe~esofconcrete[20]梅国栋，李继祥，刘肖凡，等．混杂纤维混凝土抗弯性能及混杂reinfomedwithsteel—polypropylenehybridfibem[J]．Scienceand效应试验研究[J]．混凝土，2013，(2)：21—24．EngineeringofCompositeMaterials，2012，19(1)：19—27．[18]SoeaKT，ZhangYx，ZhangLc．MaterialpmperliesofaHewhy—bridfibre—reinforcedengineredcementitiouscomposite[J]．Con—[收稿日期]2013一lO一29stmctionandBuildingMaterials，2013(43)：399—407．[作者简介]李习波(1988一)，男，湖南浏阳人，硕士研究生，[19]王凯，陈梦成，杨洋．S—P混杂纤维对混凝土长期性能与耐久从事高强与高性能混凝土研究。性影响[J]．哈尔滨工业大学学报，2009，41(10)：206-209． 赵志勇等：摩擦对水泥基材料收缩开裂的影响5水泥基材料早期收缩开裂的影响。摩擦力是加快还(即环向拉应力)比无摩擦力试件的第一主应力大。是减慢收缩开裂速度以及对收缩开裂的影响大小，是试件最薄弱部分为2cm，从内边缘到外边缘的第需要我们清晰认识的问题。一主应力的变化如图4所示。文中采用外方内圆偏心约束法，探索了实验过程中底板摩擦力对收缩开裂的影响，分析底板摩擦力对净浆和砂浆早期收缩开裂中的影响，为抑制收缩及收缩引起的裂缝提供理论依据。＼、q外澶底i-一1数值分析1．1试验方法及试验装置由于外方内圆偏心约束法可以预知开裂位置，方便裂缝观测，且该方法开裂敏感性好，加快了试件的开裂，缩短了试验周期，故文中采用外方内圆偏心图2有摩擦力试件第一主应力分布图约束法进行分析研究。外方内圆偏心约束法采用的试验模具除内部约束为钢材外，其余全为有机玻璃制作。模具成型的试令件边长为170mm，内部圆环直径为100ram，试件高25ram，内圆中心距试件上下边的距离均为85ram，内圆中心距试件左右两边的距离分别为100ram、70mm。试验模具形状与尺寸如图1所示。底座外模图3无摩擦力试件第一主应力分布图试件图1模具形状与尺寸一是1．2ANSYS模拟分析1．2．1ANSYS模型计算方案由于在等温条件下，混凝土湿度分布的方程是一个热方程¨，收缩开裂与热的作用过程十分相似，可距离／cⅢ以采用温度应力来近似取代干燥过程中产生的应力，+有摩擦力—-一无摩擦力从而用来模拟混凝土在干燥收缩过程中产生的应力。文中对净浆及砂浆圆环试件在有摩擦力和无摩擦力图4第一主应力随距离变化曲线收缩开裂条件下进行有限元分析。从图4可以看出，靠近内钢环约束处应力最大，试有限元程序ANSYS分析基本假设和参数设置如件外部应力最小，且随着距离的变化，有摩擦力的试下：有限元分析采用三维实体单元SOLID45，单元由8件均比无摩擦力试件受到的应力大。个节点结合而成，每个节点有xyz三个方向的自由度；由于圆环试件干燥收缩受内部刚性约束的限制，泊松比取为0．3；弹性模量E=3．05×10N／mm，试件试件将在环向产生拉应力，当应力增长到超过其极限弹性模量取为内钢环的1／10；净浆或砂浆试件与内钢抗拉强度时，试件将发生收缩开裂H。有摩擦力的试环接触面取为固定约束；试件径向温度变化范围为10~(2件和无摩擦力试件在同一时间其极限抗拉强度是相，即对试件施加下降10T：的温度荷载；无摩擦力同的，因此，前者总是先于后者达到极限抗拉强度，因试件摩擦力取为0，有摩擦力试件摩擦力取为无穷大。1．2．2ANSYS模型求解此有摩擦力试件总是先于无摩擦力试件先开裂，所以摩擦力对开裂有促进作用。图2和图3分别为ANSYS模拟的外方内圆偏心圆环试件在有和无摩擦力条件下的第一主应力分布2试验论证情况。从图中可以看出，有摩擦力试件的第一主应力2．1试验材料 6低温建筑技术2014年第1期(总第187期)(1)水泥：天津市水泥实业公司(原天津市水泥泥净浆或砂浆，振实后抹平上表面，在室内静置至试厂)生产的骆驼牌P．042．5级普通硅酸盐水泥。件终凝。试件成型后，拆除外模，其中6个取下底座，6(2)砂子：河砂，最大粒径5mm，连续级配，细度个保留。连接自动检测装置，校正闹钟时间。然后将模数2．55，表观密度2650kg／m。试件置于温度20、相对湿度50％的室内环境中。每(3)导电漆：速干型纯银导电银漆，其技术数据隔12h看一次闹钟并记下闹钟停止时间。见表1。3试验结果及分析按照如上试验方法，根据记下的闹钟停止时间，表1导电漆技术数据计算各组各试件的开裂时问，并绘制开裂时间曲线图。水泥净浆试件采用0．35、0．4和0．45三种常用水灰比，绘制开裂时间曲线图如图5一图7。(4)闹钟：普通闹钟。(5)水：普通自来水。厘譬(6)电池槽。隶2．2试验配合比水泥净浆试件采用三种水灰比，砂浆试件采用两种水灰比，其中灰砂比不变，其配合比见表2和表3。试件编号表2水泥净浆试验材料配合比kg·m+0．35无摩擦力l0．35有摩擦力图5水灰比0．35净浆开裂时问宣岔表3水泥砂浆试验材料配合比kg·m试件编号+0．4无摩擦力+0．哺摩擦力图6水灰比0．4净浆开裂时问2．3试验方法(1)概述。为了清楚认识底座摩擦力对水泥净浆和砂浆收缩开裂的影响，本实验采用了不同的水灰7060比进行验证。其中净浆三组，砂浆两组，每组用l2个5O叵柏外方内圆偏心圆环模具。试件拆模时，去掉外方框后，其中6个试件去掉底座，6个试件不拆除底座，所囊10有试件均在相同环境条件下养护。0(2)自动检测装置。如果人工定时观察、记录试件编号开裂时间，特别是当试件在晚上开裂的时候，不但费时费力，试验结果的精度也难以保证。因此，一个好+0．45无摩擦力‘O．45有摩擦力的观测裂缝开裂时间的方法就显得尤为重要。图7水灰比0．45净浆开裂时间文中采用一种新方法观测开裂时间：在开裂位置附近涂上导电漆，导线、导电漆与闹钟相连形成闭合从图5～7可以看出，不同水灰比下有摩擦力的水回路，试件开裂时导电漆随之断裂，电路断开，闹钟停泥净浆试件均比无摩擦力水泥净浆试件所需要的开止。这样准确记录了试件开始出现裂缝的时间。裂时间短。实际上，取每组6个试件开裂时间的平均(3)试验方法。浇注按设计配比搅拌均匀的水值，所得结果如表4所示。 赵志勇等：摩擦对水泥基材料收缩开裂的影响7表4水泥净浆开裂时间平均值h擦力的存在阻止了试件向径向收缩变形，相当于多了一种类似内钢环的无形的“约束”，因而有摩擦力的试件比无摩擦力试件开裂要快。4结语(1)试件靠近内钢环约束处应力最大，外部应力最小，裂缝首先在试件内侧产生，然后向外扩展。水泥砂浆试件采用0．5、0．6两种水灰比，其中灰(2)摩擦力对水泥净浆和砂浆均有促进收缩开砂比均为1：2．5，绘制开裂时间曲线图如图8、图9。裂的作用，摩擦力的存在缩短了试验周期。(3)摩擦力的促进作用随着水泥净浆或砂浆水灰比的增大而增大。=苎厘‘鲁碟参考文献[1]ParvizSoroushian，SiavoshRavanbakhsh．ControlofplasticShrink—ageCrackingwithspecialtyCelluloseFibers[J]．ACIMaterials试件编号Journal，1998，4(7—8)：429—435．[2][奥地利]H．索默编．高性能混凝土的耐久性[M]．冯乃谦，+0．5无摩擦力．．-O．5有摩擦力丁建彤，等译．北京：科学出版社，1998．图8水灰比0．5砂浆开裂时问[3]RichardBurrows．TheVisibleandInvisibleCrackingofCon—crete[M]．ACIInternationa1．AmericanConcreleInstituteMono-graphNo．11．1998：1-5．[4]胡芯国，朱涵，骆斌，等．研究水泥净浆和砂浆收缩开裂性能的新方法[J]．三峡大学学报(自然科学版)，2012。34(3)：80厘—82．翟i8；[5]亢景付，张平祖．废旧轮胎橡胶颗粒对水泥浆和砂浆抗裂性能的影响[J]．天津大学学报，2006，38(9)：1026—1030．[6]管宗甫，李小颖，李世华，陈湘湘，王云浩．矿物掺合料和聚丙烯纤维对混凝土塑性收缩开裂的影响[J]．硅酸盐通报，2013，试件编号(5)：794—798．[7]高小建，巴恒静，祁景玉．混凝土水灰质量比与其早期收缩关．4-0．6：TC21~擦力+o．6~-f摩擦力系的研究[J]．同济大学学报(自然科学版)，2004，(1)：67图9水灰比0．6砂浆开裂时同—71．[83覃维祖．混凝土的收缩、开裂及其评价与防治[J]．混凝土，2001，(7)：3—7．表5水泥砂浆开裂时间平均值h[9]陈德鹏，钱春香．赵洪凯，高桂波．内养护措施改善混凝土收缩开裂性能[J]．特种结构，2007，(1)：57—6o．[1O]高春勇．化学外加剂对混凝土收缩开裂的影响[D]．北京：中国建筑材料科学研究院，2004．[11]鞠成，赵淑金，孙鹏飞，张杨，石春艳，李海涛．影响保温砂浆早期收缩开裂因素的研究[J】．佳木斯大学学报(自然科学从图8、图9可看出，不同水灰比下有摩擦力的水版)，2011，(2)：256—258．泥砂浆试件均比无摩擦力的所需要开裂时间短。取[12]谢震，橡胶集料混凝土抗折性能及圆环试验改进方法的研究每组6个试件开裂时间的平均值，得表5。[D]．天津：天津大学硕士学位论文，2008．[13]骆斌，橡胶集料混凝土抗裂性能及弯曲韧性研究[D]．天津：比较有、无摩擦力平均开裂时间的差值发现：水天津大学，2009．灰比越大，平均开裂时间相差越大。以上试验结果充分说明摩擦力对水泥砂浆试件收缩开裂的促进作用。通过以上理论分析和试验验证，摩擦力对水泥净[收稿日期]2013—10—25浆和砂浆均有促进收缩开裂的作用，且促进作用随着[作者简介】赵志勇(1988一)，男，石家庄人，硕士研究生，研究方向：水泥基材料和橡胶混凝土的抗裂性能。水灰比的增大而增大。造成收缩裂缝的主要原因是水分的散失导致干燥收缩变形¨，笔者认为，由于摩