影响超高性能混凝土UHPC结构收缩的

收缩是UHPC结构中常见的问题,也是现阶段学术界和工程界讨论比较多的热点问题。收缩导致的结构变形和开裂,影响UHPC结构的稳定性和耐久性。此外,收缩引起的应力集中,导致UHPC局部的破坏和裂缝扩展,进而可能会降低UHPC结构的初始强度和刚度,影响结构的承载能力。最后,收缩还会影响UHPC结构的美观度和使用寿命,对结构的保护和维护带来困难。因此,必须采取措施来控制UHPC结构的收缩,以保证结构的安全和可靠性。而很多因素都会影响UHPC的收缩,比如水灰比、水泥类型、龄期、养护温度和湿度、粗骨料含量、减水剂的类型和用量等。

控制UHPC收缩是一项非常重要的任务,它可以通过两类措施来实现:调整收缩反应时间和调整收缩应力大小。对于前者,如减缓水化反应速度、加快结构强度增长速度都可以有效地延缓UHPC的收缩过程。而对于后者,选用粗骨料或高强骨料增加受力骨架强度、增添纤维等措施提高材料内部抵抗力、减少结构外形的几何约束和内部约束或者增加预应力等措施可降低收缩应力水平,合理养护等措施可防止UHPC表面水分损失或温度差异导致的内部应力集中,这些都有助于减小UHPC的收缩应力。由于影响UHPC收缩的因素众多,可调控的手段和方法也很多,因此UHPC的收缩控制是一个非常复杂的问题。在设计和施工过程中,需要充分考虑这些因素,并采取合理的措施来减小收缩所带来的不利影响。常见的影响UHPC收缩的因素包括以下方面:

施工养护

混凝土养护对减少混凝土收缩变形具有重要的作用。在养护期间,混凝土水分的损失可以被控制在合理的范围内,从而减少混凝土收缩的幅度和速率。同时,适当的养护措施可以提高混凝土的强度和耐久性,从而减少混凝土发生收缩裂缝的概率。常用的混凝土养护方法包括水养护、湿布养护、喷雾养护、覆膜养护、蒸汽养护等。在养护期间,需要注意混凝土的保温、保湿、保护养护环境不受外界影响等,以达到最佳的养护效果。

内养护

添加到混凝土中的物质,可以在混凝土内部产生保湿和缓释作用,以延长混凝土内部的水泥水化反应时间,提高混凝土强度和密实度。这是通过延缓水和水泥颗粒的接触时间,降低水化反应速度的方式,控制UHPC的收缩。常用的吸水率高的骨料有珍珠岩、蛭石、膨胀珍珠岩等。这些材料都能够吸收水分,并缓慢释放水分,从而保持混凝土内部的湿度,促进混凝土的早期水化反应,提高混凝土的强度和耐久性。

碱激发剂

碱激发剂能够促进混凝土早期强度的发展,使混凝土早期获得一定的强度,从而减缓混凝土的收缩。碱激发剂通过调节混凝土中的化学反应,加速水泥的水化反应,促进硬化过程中产生的钙硅石(C-S-H)凝胶的生成,从而提高混凝土的早期强度。这样可以在早期形成一定的强度,从而减缓混凝土的收缩速率,减小收缩变形。常见的碱激发剂包括氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氨水、硅酸盐、纳米二氧化硅、硫铝酸盐、钛酸盐等。

水灰比

适当的水灰比是减少UHPC收缩的关键之一。如果水灰比过小,收缩会更严重。为了控制收缩,可以采用掺入粉煤灰等掺料的方法减少水泥用量,增加水灰比;也可以选择适当的减水剂来控制水的用量;此外,通过加冰来降低水化反应的温度,减缓水泥的水化反应速度,也能够控制收缩的程度。

水泥

不同类型的水泥品种对UHPC的收缩也有较大的影响。收缩较大的水泥类型有高早强水泥、硅酸盐水泥、矾酸盐水泥、膨胀水泥等。收缩小的水泥类型有聚合物改性水泥、缓凝高性能水泥、高炉矿渣水泥、粉煤灰水泥等水泥种类。

减水剂

合理选择减水剂类型和用量也是控制收缩的关键因素。收缩小的减水剂类型有弹性聚合物减水剂、纤维素盐酸盐减水剂、脲基减水剂、羟基磷酸盐减水剂、聚羧酸盐减水剂。收缩大的减水剂类型有氯化钠型减水剂、氯化钾型减水剂、硝酸盐型减水剂、硫酸盐型减水剂。

添加纤维材料

添加纤维材料可以改善混凝土的力学性能和耐久性,同时也会对混凝土的收缩产生影响。纤维材料可以通过以下几种方式影响混凝土的收缩性能:(1)纤维材料可以改变混凝土的内部结构,形成连通的纤维网络。这个网络可以限制混凝土收缩时的变形,从而减少混凝土的总收缩量。(2)纤维材料可以吸收混凝土中的水分,从而减缓混凝土的干燥收缩。这是因为纤维材料具有一定的亲水性,可以吸附混凝土中的水分并将其释放到混凝土的孔隙中。(3)纤维材料可以改变混凝土的内部应力分布,减小混凝土的内部应力集中程度,从而降低混凝土的裂缝倾向性。

常见的纤维材料包括钢纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维、碳纤维等。纤维材料可以通过不同的方式添加到混凝土中,常见的包括:(1)直接拌入混凝土中:将纤维与混凝土配合材料一起投入搅拌机中进行拌和。(2)粘贴添加:将纤维粘贴在钢筋上,再将其放入混凝土中。(3)混凝土预制件中的添加:将纤维与混凝土配合材料一起放入模具中制作混凝土预制件。(4)纤维网格添加:将纤维网格放置在混凝土层之间,或与混凝土同时浇筑,形成纤维增强混凝土。总之,纤维材料的添加可以通过多种途径改善混凝土的收缩性能,提高混凝土的耐久性和性能。

粗骨料

粗骨料对混凝土的收缩有一定影响。一方面,粗骨料本身形成的骨架结构可以抑制混凝土的收缩;另一方面,粗糙的骨料表面能够促进水分的运移,从而影响混凝土的收缩。同时,粗骨料的热膨胀系数也会对混凝土的收缩产生一定影响。因此,在混凝土的配合设计中,需要综合考虑粗骨料的选择和用量对混凝土收缩的影响。

适当的结构设计和施工措施

在结构设计方面,合理的几何外形和配重可减少约束程度,避免突出部分和锐角,从而减少收缩。施工方面,采用分段浇筑、逐层施工等措施可以减少收缩,避免过早的约束。另外,采用预应力技术也是有效的减少收缩的手段。然而,在使用预应力技术时,需要考虑混凝土的收缩特性,并确定合理的预应力水平,以避免过度预应力引起的损失。

密集的钢筋网可以增加结构的约束,但同时也能够防止收缩变形的发展。这种约束可能导致混凝土产生内部应力,当这些应力超过混凝土的承受能力时,就会引起开裂。因此,需要根据具体情况选择合适的钢筋网密度,避免过于密集的钢筋网导致混凝土排气困难,进而产生空鼓、裂缝等问题。

外加剂

在混凝土施工中,采用外加剂是常见的减少收缩的方法之一。常见的膨胀剂包括氧化铝粉、铝粉等,这些膨胀剂可以增加混凝土的体积,减轻混凝土内部的应力,从而有助于减少收缩。早凝剂可以促进混凝土早期强度的发展,减少混凝土的收缩。此外,针对收缩问题,还研发出了一些专用外加剂,如收缩剂、收缩补偿剂等,它们可以减少混凝土收缩的幅度和速率。选择外加剂时应根据具体情况进行合理选择,以达到最佳的减缩效果。

此外,改性剂也是一种可以改变混凝土性能的外加剂,聚合物改性剂、硅酸盐改性剂等是常见的改性剂类型,它们可以改善混凝土的性能,如提高抗裂、抗渗等性能,同时减少混凝土的收缩变形。因此,在实际工程中,可结合混凝土的具体情况和使用要求,选择合适的外加剂和改性剂以达到最佳效果。

注意事项

需要注意的是,这些因素并不是独立存在的,它们之间会相互影响,具体情况需要根据具体材料和结构的情况综合考虑。综上所述,控制混凝土收缩需要考虑多个因素,并综合采取相应的措施以达到最佳效果。

作者观点

UHPC是一种水泥基建筑材料,由于其较小的水灰比,收缩应变相对较大,从而导致收缩应力集中和收缩裂缝等问题更加凸显。当UHPC作为接缝材料时,过大的收缩应变将导致接缝不密实,出现冷缝现象,从而削弱接缝处钢筋的耐久性。尽管UHPC施工流动性较好,能够适应外形更加复杂、受力更加复杂的结构形式,但是过大的收缩应变会导致更大的应力集中,进而发展更多的收缩裂缝,影响结构美观和耐久性。这些因素表明,控制UHPC收缩问题非常复杂。

因此,改进UHPC收缩的方法需要从材料端、设计端和施工端共同考虑。要想将UHPC的优点发挥到极致,需要配合完善的材料配比、合理的设计方案以及规范的施工过程。只有通过材料、设计和施工一体化的解决方案,才能更好地利用UHPC,并使其发挥更大的优势。




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