防輻射混凝土早期收縮性能研究

董匯標(biāo)1，王晶2，陶元洪3

(1.北京建筑大學(xué)，北京 100044；2.中國建筑科學(xué)研究院，北京 100013；

3.中國路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100011)

摘要：試驗采用重晶石和鐵礦石兩種重礦石骨料和配重鋼骨料配制了強(qiáng)度等級C30防輻射混凝土，研究不同種類骨料對防輻射混凝土的早期收縮性能影響。結(jié)果表明混凝土早期收縮主要發(fā)生在加水拌合后的24 h內(nèi)，收縮量達(dá)72 h總收縮的90%；用鐵礦石配制的防輻射混凝土早期收縮大于重晶石配置的防輻射混凝土早期收縮；鋼骨料自身彈性模量大且不吸水，摻入到混凝土中可以降低早期塑性收縮。

關(guān)鍵詞：防輻射混凝土；早期收縮；強(qiáng)度；重晶石；鐵礦石

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.03.011

Abstract:The strength grade C30 radiation protection concrete was made by barite, iron ore, steel grit as aggregate.The results show that: the early shrinkage of concrete mainly occurs in the mixed with water within 24 hours, the shrinkage of 24 hours account for 90% of the 72 hours total shrinkage.Iron ore caused by early shrinkage is greater than the barite to cause early shrinkage of radiation protection concrete.Steel grit of elastic modulus is larger than other aggregate and it is not bibulous, when mixed into concrete it can reduce the early plastic shrinkage.

收稿日期：2015-04-27.

作者簡介：董匯標(biāo)(1989-)，碩士生.E-mail:rovesoul@126.com

Early Shrinkage Performance of Radiation

Protection Concrete

DONGHui-biao1,WANGjing2,TAOYuan-hong3

(1.Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 100044,China;2.China Academy of

Building Research,Beijing 100013,China;3.China Road and Bridge Corporation,Beijing 100011,China)

Key words:radiation protection concrete;early shrinkage;strength;barite;iron ore

防輻射混凝土的耐久性是核電站輻射安全的重要保證的重要前提，核電站防輻射混凝土在成型澆筑和后期使用過程中保證不開裂是杜絕核泄漏的重要前提。當(dāng)混凝土成型后置于低濕度空氣中會產(chǎn)生收縮，收縮包括：干燥收縮、化學(xué)收縮、自收縮、碳化收縮、溫度收縮等。造成收縮的因素包括混凝土中水分蒸發(fā)、水泥孰料水化、水化前后混凝土整體溫度變化、水泥石與空氣中二氧化碳反應(yīng)等[1]。其中水泥顆粒因為與水反應(yīng)后自身產(chǎn)生體積變化，造成化學(xué)收縮；當(dāng)混凝土凝結(jié)過程中由于水分蒸發(fā)量大于混凝土的泌水量時造成塑形收縮；由于水化的不斷深入，毛細(xì)孔中的水分逐漸減少并因此產(chǎn)生毛細(xì)壓力造成自收縮，上述3種收縮主要發(fā)生在混凝土硬化早期[2]，當(dāng)收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于外部約束應(yīng)力時即產(chǎn)生裂縫[3]。就目前研究成果來講，影響早期收縮的因素包括骨料種類、骨料粒徑大小、骨料級配、水膠比、膠凝材料用料等多重因素[4-6]。當(dāng)今核電站建設(shè)數(shù)量正在上漲，但防輻射混凝土國內(nèi)目前缺乏相關(guān)研究，本實驗結(jié)合高性能混凝土相關(guān)知識，采用重晶石和鐵礦石兩種骨料和配重鋼骨料配制了強(qiáng)度等級C30防輻射混凝土，研究了防輻射混凝土早期收縮性能。

1試驗方法

早期非接觸收縮實驗依據(jù)國標(biāo)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》中的非接觸收縮實驗方法進(jìn)行?；炷翉臄嚢杓铀介_始測試時間控制在20 min內(nèi)，測試時長為72 h，儀器每5 min自動測量并記錄一次此刻收縮位移量和溫、濕度。實驗儀器及方法見圖1。試驗中混凝土強(qiáng)度測量依據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》中抗壓強(qiáng)度方法測量。混凝土表干密度測量方法為將28 d混凝土試塊在105 ℃烘干至恒重m0，用游標(biāo)卡尺測量長寬高計算出體積V0，從而得到干表觀密度ρ表干=m0/ V0。

2試驗方案

2.1　原材料

水泥采用金隅PO 42.5水泥。粉煤灰為鄒城電廠產(chǎn)Ⅰ級粉煤灰，按GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》檢測結(jié)果為燒失量≤5%，需水量比≤95%，45 μm篩余13.4%。試驗中粗骨料為普通石灰石、重晶石、鐵礦石3種，其性能見表1；細(xì)骨料為河砂、重晶石破碎的機(jī)制砂和鐵礦石破碎的機(jī)制砂三種，物理性能見表2。另用到配重鋼骨料為直徑2.5 mm 高3 mm的圓柱形鋼絲切丸，密度7.9 g/cm3。重晶石、鐵礦石及鋼骨料見圖2。

表1　粗骨料物理性能

表2　細(xì)骨料物理性能

2.2　配合比

防輻射混凝土屏蔽輻射的能力和其密度有很大關(guān)系，試驗根據(jù)不同的骨料密度設(shè)計了不同密度等級的C30防輻射混凝土，并對不同骨料系列的混凝土的早期收縮性能進(jìn)行了研究。不同骨料種類的防輻射混凝土配合比見表3。

表3　防輻射混凝配合比　/(kg·m -3)

注：編號中F代表防輻射混凝土、30代表設(shè)計強(qiáng)度等級、P代表石灰石、T代表鐵礦石、Z代表重晶石、G代表鋼骨料。

3實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1　鐵礦石、重晶石、鋼骨料對混凝土強(qiáng)度影響

各組混凝土28 d抗壓強(qiáng)度及混凝土試塊干表觀密度見表4，結(jié)合柱狀圖3、圖4數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論：通過體積法用重晶石、鐵礦石配制密度等級3 000 kg/m3以上的防輻射混凝土在計算及實驗結(jié)果驗證上可行。用鋼骨料部分取代鐵礦石配制密度等級4 000 kg/m3以上的防輻射混凝土也可以滿足密度的要求。

表4　混凝土28 d抗壓強(qiáng)度和表干密度

通過圖3可以明顯看出組中F30Z的28 d抗壓強(qiáng)度低于F30P和F30T。導(dǎo)致重晶石組強(qiáng)度低的原因為：在試驗中可以明顯地觀察到重晶石質(zhì)地相對脆的特性，且斷面光滑，通過壓碎指標(biāo)測定可知重晶石的壓碎值為27.9%，重晶石骨料缺陷較多。

鐵礦石組強(qiáng)度稍高于石灰石組，結(jié)合表1骨料吸水率數(shù)據(jù)可知，鐵礦石吸水率高于石灰石、重晶石，在混凝土拌制過程中，鐵礦石可將自身周圍水泥漿中的水分吸走，這使骨料周圍水泥漿的水膠比降低從而使骨料-水泥石界面過度區(qū)強(qiáng)度增加[7]。鐵礦石質(zhì)地堅硬粗糙，與漿體機(jī)械咬合力強(qiáng)。綜合致使鐵礦石充當(dāng)骨料的混凝土28 d抗壓強(qiáng)度高于其他兩組。

組中F30T的28 d抗壓強(qiáng)度為43.2 MPa，而F30TG強(qiáng)度為37 MPa，即摻入鋼骨料后強(qiáng)度損失14%；造成混凝土摻入鋼骨料后強(qiáng)度降低的因素可歸結(jié)為鋼骨料的特殊性:1)鋼骨料具有光滑的外表面，與水泥石產(chǎn)生機(jī)械咬合力弱，易產(chǎn)生脫粘現(xiàn)象[8]，在受壓過程中與水泥石界面分離；2)骨料界面過渡區(qū)薄弱[9]削弱混凝土強(qiáng)度；3)選用鋼骨料粒徑小，且粒徑單一，當(dāng)鋼骨料同時取代粗細(xì)骨料，混凝土中骨料的級配變差，骨架作用體現(xiàn)不充分。

3.2　鐵礦石、重晶石、鋼骨料對混凝土早期收縮影響

通過實驗3 d收縮數(shù)據(jù)可知，混凝土前14 h內(nèi)處于迅速收縮期，通過表5可以看到24 h之內(nèi)，各組的收縮量便達(dá)到全部收縮的80%。在混凝土入模后的初始階段，收縮迅速發(fā)生并完成80%～90%的收縮；在24～72 h里，各組混凝土完成剩下的90%～100%收縮，且收縮量呈現(xiàn)平穩(wěn)增長或稍有降低，總體保持穩(wěn)定。

表5　72 h總收縮率及完成80%收縮率對應(yīng)時間

圖5是C30配合比四組非接觸收縮曲線匯總圖，通過曲線間對比可以發(fā)現(xiàn)，用鐵礦石充當(dāng)混凝土粗細(xì)骨料的混凝土產(chǎn)生收縮快、收縮率大，達(dá)到最大收縮時在18 h左右。同樣容重的重晶石組混凝土產(chǎn)生收縮慢、收縮率小，達(dá)到最大收縮在30 h左右。當(dāng)用鋼骨料部分取代鐵礦石粗細(xì)骨料后，混凝土產(chǎn)生收縮的時間延長、收縮率下降，最大收縮時間在24 h左右，比鐵礦石組達(dá)到最大收縮滯后6 h，這是由于摻入鋼骨料后，降低了鐵礦石及其機(jī)制砂對自由水的吸附作用。

推測鐵礦石組收縮大原因為：1)鐵礦石骨料為顎破機(jī)制石，存在石粉，MB值為2.75。2)骨料吸水率高于石灰石和重晶石的吸水率，鐵礦石吸水率為2.91%，因此在混凝土凝結(jié)過程中除去混凝土表面水分蒸發(fā)外有部分水份被鐵礦石吸收到內(nèi)部，造成混凝土的整體失水大于其他三組，通過計算，鐵礦石粗細(xì)骨料用量共2 563 kg，理論上完全吸水量為74 kg，占總水量的38%，但在實際操作中，水與膠凝材料形成水泥漿，包裹在骨料外邊，鐵礦石骨料有吸水潛能，但不能將全部水分吸走。外部蒸發(fā)的水體減少和內(nèi)部骨料吸水引起混凝土有較大的收縮量。

對比表1、表2粗細(xì)骨料物理性能可知，河砂的MB值是重晶石的6倍，且砂的細(xì)度模數(shù)僅為1.9，小于重晶石砂細(xì)度模數(shù)2.6，另外重晶石粗骨料粒徑偏大，重晶石骨料對膠凝材料的收縮起到一定的抑制作用。通過文獻(xiàn)也可知骨料中含泥量和石粉含量越大混凝土收縮量越大[10]、骨料粒徑越大混凝土的收縮越小[11]。因此綜合細(xì)骨料細(xì)度、粗骨料中石粉含量、骨料大小三因素導(dǎo)致石灰石骨料收縮率大于重晶石組。

當(dāng)鐵礦石摻入大量鋼骨料后，整體骨料的吸水能力大大降低，鋼骨料對粗細(xì)骨料取代率分別是0.46和0.41。取代后這部分不吸水使?jié){體中的水損失減小，這一因素抵消了因鐵礦石骨料吸水造成的收縮。

由于鋼骨料不具備吸水性能，更多的水分用于水泥水化，通過用鐵礦石組收縮率減去鐵礦石+鋼骨料收縮率差值可得到圖6，0～2 h內(nèi)收縮率均先增大，這是因為摻鋼骨料組漿中水的增多使水化更充分，化學(xué)收縮增大，2～24 h區(qū)間內(nèi)鐵礦石與鐵礦石加鋼骨料收縮差值先變大后減小，這是因為到80%收縮的時刻不同造成。24 h后兩組收縮均達(dá)到穩(wěn)定，鋼骨料減少收縮的性能體現(xiàn)。

由于本實驗從混凝土初盤后20 min內(nèi)開始測量，因此整體收縮數(shù)據(jù)包含了混凝土早期的塑性收縮，而這部分收縮并不引起過大的收縮應(yīng)力，在塑性階段引起混凝土開裂的主要是游離水蒸發(fā)，特別是戶外夏季刮風(fēng)等情況最易產(chǎn)生[12]。而本實驗實驗室環(huán)境為(20±2)℃，相對濕度恒定60%，因此塑性收縮階段失水收縮引起裂縫的情況相對薄弱。設(shè)定初凝時間為收縮起始點可得到圖7的收縮曲線。通過曲線可知，在初凝后各組收縮率繼續(xù)增長為150～400 μm之間。

表6　混凝土凝結(jié)時間

骨料種類凝結(jié)時間/(h:min)初凝終凝石灰石21∶1025∶35鐵礦石14∶0017∶30重晶石19∶4026∶20

4結(jié)論

a.研究的混凝土早期收縮主要發(fā)生在拌合后20 h內(nèi)或混凝土初凝前，24 h的收縮量可達(dá)3 d收縮總量的90%。

b.采用普通骨料、重晶石、鐵礦石分別配制的防輻射混凝土的早期72 h收縮值由高到低依次為鐵礦石防輻射混凝土、普通混凝土和重晶石防輻射混凝土。

c.由于重晶石粒徑較大、吸水效率較低，與鐵礦石和普通骨料相比采用重晶石配制的防輻射混凝土，塑性階段收縮值較小。

d.鋼骨料自身彈性模量大且不吸水，摻加到混凝土中能夠降低防輻射混凝土早期塑性收縮值。

參考文獻(xiàn)

[1]馮仲偉、李林香.混凝土收縮性能的若干問題研究[J].混凝土，2014(4):27-30.

[2]馬麗媛、姚燕.國內(nèi)外混凝土的收縮性能及抗裂性實驗研究方法評述[J].水泥與混凝土，2001(1):27-32.

[3]王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京，中國建筑工業(yè)出版社，1997.

[4]鄭晨.混凝土早期收縮與對策問題分析[J].科技創(chuàng)業(yè)家，2011(2):7-8.

[5]謝鵬.混凝土早期收縮和開裂的研究[J].建材裝飾，2014(6):34-35.

[6]李迎春,游有鯤,錢春香.混凝土組成成份對收縮性能的影響[J].混凝土，2003(2):40-43.

[7]陳惠蘇,孫偉,Stroeven Piet.水泥基復(fù)合材料集料與漿體界面研究綜述(二):界面微觀結(jié)構(gòu)的形成、劣化機(jī)理及其影響因素[J].硅酸鹽學(xué)報，2004(1):70-79.

[8]池建軍.鋼管混凝土界面抗剪粘結(jié)性能的試驗研究與有限元分析[D].長沙：長沙理工大學(xué)，2004.

[9]趙琳,李建波,付兵.光面鋼筋拉拔試驗細(xì)觀數(shù)值模擬研究[J]. 建筑科學(xué)與工程學(xué)報，2013(2):104-108

[10]陳飚,王稷良,楊玉輝,等.石粉含量對C80機(jī)制砂混凝土性能的影響[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2007(8)：41-43.

[11]周永紅.淺談混凝土用碎石對混凝土收縮性能的影響[J].混凝土與水泥制品，2002(5):36-38.

[12]覃維祖.混凝土的收縮、開裂及其評價與防治[J].混凝土，2011，32(15):256-257.