CN102183626A - 一种预测水泥砂浆材料塑性收缩开裂方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种预测水泥基材料塑性收缩开裂方法，先将水灰比(Wc)；灰砂比(Cs)；纤维掺量(Fc)和纤维长度(F1)四种水泥基材料组成参量、水分蒸发速度(Er)、水泥基材料的分层度(Dd)和约束度(Rd)代入如下公式：K＝13.8822-14.0949Wc-2.8247Cs+0.5293Fc+0.0022F1-17.0650Er+0.2582Dd+0.9436Rd进行计算，K为抗裂指数。当K值大于1.41时，水泥基材料试件不开裂；当K值小于0.99时，试件开裂；当K值介于0.99和1.41之间时，试件以一定概率开裂；本发明选用对水泥基塑性收缩开裂影响较大的参数构建了砂浆塑性收缩开裂的多元本构方程，能较准确地预测水泥基材料早期塑性收缩开裂的趋势，可广泛应用于砂浆塑性收缩开裂的早期预测。

Description

一种预测水泥砂浆材料塑性收缩开裂方法
技术领域
本发明涉及一种水泥基材料塑性收缩开裂方法。可用于水泥砂浆材料塑性收缩开裂趋势的早期定性预测。属于材料科学与工程学科领域。
技术背景
水泥混凝土是世界上用量最大，使用最广泛的建筑材料之一。由于水泥混凝土具有适用范围广，价格便宜，易浇注成型，比较耐久，可有效利用一些工业固体废料制作节能环保型建筑材料等优点，在二十一世纪内仍将是我国现代工程建设无法替代的主要建筑材料。
但不可否认，水泥混凝土存在自重大、抗拉强度低、极限拉应变小、抗冲击强度差、易于塑性失水收缩开裂等缺点。当混凝土处于自由状态，混凝土因某种原因引起收缩不会导致什么不良后果，但实际上混凝土结构由于基础、钢筋或内部相邻部分的牵制而处于不同程度的约束状态，混凝土收缩因受到约束会引起拉应力，况且混凝土的抗拉强度不高，因而混凝土收缩容易引起混凝土开裂。水泥混凝土在凝结之前的收缩为塑性收缩。一般塑性收缩发生在新拌混凝土成型后最初的若干小时内，当早期水分蒸发越快，塑性收缩表现越明显，也越容易发生塑性收缩开裂。
马一平等曾撰文对水泥基材料的塑性收缩开裂机理进行初步探讨，认为水泥基材料浇注成型后，由于水与水泥基材料的亲润性，水分蒸发时表层材料毛细管中形成凹液面，其凹液面上表面张力的垂直分量形成了对管壁间材料的拉应力，此时材料处于塑性阶段，材料自身的塑性抗拉强度较低，若材料表层毛细管失水收缩产生的拉应力σ毛细管与材料塑性抗拉强度f塑满足式(1)：
σ毛细管＞f塑-----------------------------------------(1)
则材料表层出现开裂现象。
当改变水泥基材料组成及其所处环境条件时，一方面可使材料抵抗开裂的塑性抗拉强度发生变化，另一方面也可使毛细管失水收缩形成的毛细管张力发生改变，从而使σ毛细管与f塑满足式(2)时：
σ毛细管≤f塑----------------------------------------(2)
材料表层的开裂状况得以减轻，甚至消失。
在对水泥砂浆塑性收缩抗裂判据进行了初步的研究后表明：塑性毛细管收缩应力应在试件表面发展建立，并根据试件表面实际的塑性毛细管收缩应力应该大于或至少等于塑性抗拉强度时试件才会开裂提出了临界作用深度hcr和抗裂指数K，给出了它的计算公式：
K＝f塑/σ毛细管
在此理论基础上，马一平等自行设计水泥基材料的塑性抗拉强度、塑性收缩率、塑性毛细管收缩拉应力等测试方法，开展水泥基材料塑性收缩开裂问题的研究。并运用数学方法，分步构建水泥基材料塑性收缩开裂的一元本构方程。同时通过试验积累水泥基材料塑性收缩开裂的抗裂指数，运用逻辑分析得到是否开裂的分段判据。但是，至今为止还没有能给出一个包含水泥基材料组成、环境条件、初始结构参数及约束条件的塑性收缩开裂多元本构方程，从而期望用于砂浆塑性收缩开裂的早期预测。
发明内容
本发明的目的在于公开一种包含水泥基材料材料组成、环境条件、初始结构参数及约束条件的塑性收缩开裂多元本构方程，用于砂浆塑性收缩开裂的早期预测。
为了达到上述目的，本发明在上述研究基础上，构建了包含水泥基材料材料组成、环境条件、初始结构参数及约束条件的塑性收缩开裂多元本构方程：
K＝13.8822-14.0949Wc-2.8247Cs+0.5293Fc+0.0022F1-17.0650Er+0.2582Dd+0.9436Rd
其中K指水泥基材料的抗裂指数，结合下列收缩开裂分段判据判断水泥基材料是否开裂；
Wc指水泥基材料的水灰比，Cs指水泥基材料的灰砂比，Fc指水泥基材料中的纤维掺量，F1指水泥基材料中的纤维长度，此四要素为水泥基材料的材料组成参量；
Er指水泥基材料的水分蒸发速度，为水泥基材料所处的环境条件的参量；(其测定方法为本专利申请者所研究建立，即通过研究发现大平板砂浆的水分蒸发速度与小面积砂浆的水分蒸发速度之比近似成线性关系，由回归分析可得到两者关系的线性方程，据此可以用小面积砂浆模拟计算出实际平板砂浆的水分蒸发速度)
Dd指水泥基材料的分层度，为水泥基材料初始结构参数的参量；其测量方法为本发明的发明人所研究建立：首先测定砂浆拌合物的稠度，然后将砂浆拌合物一次装入分层度筒内待装满后用木锤在容器周围距离大致相等的四个不同地方轻轻敲击1-2下，如砂浆沉落到低于筒口则应随时添加然后刮去多余的砂浆并用抹刀抹平；静置30min后，去掉上节200mm砂浆，剩余的砂浆倒出放在拌合锅内拌2min，再测其稠度。前后测得的稠度之差即为该砂浆的分层度值(cm)。
对于调整初始结构参数的砂浆，当砂浆拌合物搅拌好之后，立即装入砂浆稠度仪的盛浆容器和分层度筒中，将盛浆容器和分层度筒均放置于自制的振动台上。用一定重量的砝码从振动台上方固定距离匀速落下敲击振动台，按固定频率敲击一定次数之后，测定容器中砂浆拌合物的稠度，记为初始值a1；静置30min后，去掉分层度筒上节200mm砂浆，剩余的砂浆倒出放在拌合锅内拌2min，再测其稠度，记为a2。则调整后砂浆的分层度值a＝a1-a2。)
Rd指水泥基材料的约束度，为水泥基材料约束条件的参量。(约束度测量方法为本专利申请者所研究建立：测量砂浆准自由状态下的塑性收缩率和砂浆约束状态下的塑性收缩率，然后按下式计算约束度：
约束度＝1-砂浆试件约束状态下塑性收缩率/砂浆试件准自由状态下塑性收缩率)
本方程的线性相关系数r＝0.97，表明该方程抗裂指数与各参量之间具有明显的线性相关性。
水泥砂浆塑性收缩开裂的分段判据：
当K值大于1.41时，试件不开裂；
当K值小于0.99时，试件开裂；
当K值介于0.99和1.41之间时，试件以一定概率开裂。
本发明优点：
选用对水泥基塑性收缩开裂影响较大的参数构建了砂浆塑性收缩开裂的多元本构方程，能较准确地预测水泥基材料早期塑性收缩开裂的趋势。
具体实施方式
实施例1
某一水泥砂浆水灰比Wc为0.45，灰砂比为1，纤维掺量Fc为0.9kg/m3，纤维长度F1为12mm，测得某一环境条件下该砂浆的水分蒸发速度为0.250Kg/(m2h)，分层度为0.1cm，约束度为0.66，计算得到K＝1.60，大于1.41，预测砂浆在该环境条件下不会开裂。
实际测得K值1.82，相对误差12.1％，砂浆不开裂。
实施例2
某一水泥砂浆水灰比Wc为0.40，灰砂比为0.67，纤维掺量Fc为0，纤维长度F1为0，测得某一环境条件下该砂浆的水分蒸发速度为0.296Kg/(m2h)，分层度为0.1cm，约束度为0.83，带入本构方程计算得到K＝2.11，大于1.41，预测砂浆在该环境条件下不会开裂。
实际测得K值2.33，相对误差9.44％，砂浆不开裂。
实施例3
某一水泥砂浆水灰比Wc为0.45，灰砂比为1，纤维掺量Fc为0.9kg/m3，纤维长度F1为6mm，测得某一环境条件下该砂浆的水分蒸发速度为0.30Kg/(m2h)，分层度为0.4cm，约束度为0.83，带入本构方程计算得到K＝0.97，小于0.99，预测砂浆在该环境条件会开裂。
实际测得K值1.07，相对误差9.34％，砂浆发生开裂。

Claims (1)

1.一种预测水泥基材料塑性收缩开裂方法，其特征在于：先测量包括水泥基材料的水灰比(Wc)；灰砂比(Cs)；纤维掺量(Fc)和纤维长度(F1)四种水泥基材料的材料组成参量；然后，测定水泥基材料所处的环境条件的参量即水分蒸发速度(Er)、水泥基材料初始结构参数的参量为水泥基材料的分层度(Dd)、水泥基材料约束条件的参量为水泥基材料的约束度(Rd)；最后，将上述七个参量代入如下公式，进行计算：
K＝13.8822-14.0949Wc-2.8247Cs+0.5293Fc+0.0022F1-17.0650Er+0.2582Dd+0.9436Rd；
所述的K为抗裂指数；
当K值大于1.41时，水泥基材料试件不开裂；当K值小于0.99时，试件开裂；当K值介于0.99和1.41之间时，试件以一定概率开裂。
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