CN109738618A - 一种水泥基材料塑性收缩开裂的初步预警方法 - Google Patents

Abstract

一种水泥基材料塑性收缩开裂初步预警方法，涉及一种可用于水泥砂浆材料塑性收缩开裂的预测判断，属于材料科学与工程学科技术领域。将两种本构方程组合连续协同应用，使发现水泥砂浆塑性收缩开裂和防止水泥砂浆塑性收缩开裂两者不再分割进行，而是一并完成。先用未掺纤维本构方程及其开裂判据进行水泥砂浆的塑性收缩开裂预测，若为不裂，则可以进行施工；若为开裂，则不能施工，需采取防裂措施才能施工；防裂措施用掺加纤维的水泥砂浆塑性收缩开裂的本构方程及其开裂判据预测，若为不裂，则可进行施工；若仍为开裂，则调整纤维参数进行再次预测，直至为不裂时才可进行施工。本发明可减少浪费，保证工程质量、使用寿命。

Description

一种水泥基材料塑性收缩开裂的初步预警方法

技术领域

本发明涉及一种水泥基材料塑性收缩开裂的初步预警方法，可用于水泥砂浆材料塑性收缩开裂的预测判断，属于材料科学与工程学科技术领域。

背景技术

水泥基材料是目前世界上土木工程中用量最大，应用最广泛的建筑材料之一。我国新型城镇化建设的步伐不断加快，在各项基础设施的建设中，因适用范围广、价格便宜、易浇注成型、比较耐久等优点，对砂浆混凝土等水泥基材料的需求量日益增大，其仍然是现代工程建设中无法替代的主要建筑材料。但与此同时，水泥基材料因其存在着自重大、抗拉强度低、极限拉应变小、抗冲击强度差、易于开裂等缺陷，在实际工程中的应用又存在着许多问题。其中，广泛存在的开裂问题严重制约了水泥基材料的发展，成为土木工程材料领域的世界性问题一直困扰着工程界。水泥基材料一旦开裂，轻则在工程施工阶段因直接影响工程外观质量而造成大量返工，重则影响建筑物结构安全及其物理力学及耐久性能，最典型的危害即为造成钢筋混凝土内部钢筋的锈蚀，最终导致混凝土使用寿命缩短，过早地退出服役。而且，水泥基材料收缩开裂后的修复很困难，每年我过用于修复的费用超过2000亿元，所以，有人将水泥基材料收缩开裂称为水泥基材料的“癌症”，急需研究加以解决。

水泥基材料的收缩主要包括干燥收缩、自收缩、化学减缩、塑性收缩、温度收缩和碳化收缩六种。水泥基材料的塑性收缩开裂是影响其耐久性的重要因素，且混凝土的高性能化使得塑性收缩开裂问题逐渐突出。塑性收缩裂缝为有害物质提供了有效的通道，相比硬化混凝土，此时有害物质更易渗入，且塑性收缩裂缝若被带入工程使用阶段将会影响水泥基材料的抗渗、抗冻、抗化学介质侵蚀、抗钢筋锈蚀等性能，造成其使用寿命大大缩短，且修复困难，费用巨大。同时，塑性收缩裂缝为后期其他收缩提供了开裂的基础。这都将导致水泥基材料的强度、耐久性以及外观受到影响。因此，水泥基材料的塑性收缩开裂问题多年来一直是工程界研究的热点，控制水泥基材料的塑性收缩开裂是缩短工程周期，提高工程耐久性，延长建筑物寿命的有效方法之一，对解决砂浆混凝土的开裂问题具有重要的意义。

总之，水泥基材料的塑性收缩开裂是水泥基材料凝结硬化前，也即于施工阶段就发生的收缩开裂，其严重制约了水泥基材料本身的应用及发展。许多学者针对此问题开展了水泥基材料塑性收缩开裂的研究。Gupta Rishi等研究了纤维增强水泥基复合材料塑性收缩开裂趋势与早期拉伸的本构关系，结果表明，开裂后早期残余抗拉强度与约束收缩引起的总裂纹面积成反比。

Banthia,N等研究了纤维增强水泥基材料塑性收缩裂缝评价的试验方法，结果表明，该方法能够以合理的精度表征裂纹，同时也证明纤维在水泥基材料的减裂方面效果显著。

目前在水泥基材料工程施工前，无法得知实际浇筑后试件在塑性阶段是否会开裂。但是，一旦发生开裂，将会造成巨大损失。为此，发明人对此进行了长期深入的研究，前期研究出了水泥基材料收缩开裂的抗裂指数与其所处的失水速率的本构关系，该方程可预测水泥基材料在施工环境下是否会发生开裂，但它无法回答若预测为开裂则该如何应对；后来，为了应对此种预测出的开裂问题，发明人又专门研究了掺加纤维的水泥基材料的抗裂指数与其所处环境的失水速率的本构方程，该方程可回答掺纤维的水泥基材料抗裂指数与纤维参数、失水速率的关系，并可预测其开裂问题。然而，在实际工程中，人们总是在先不掺纤维情况下进行施工，以节省费用。等到用不掺纤维的本构方程预测为开裂时，才会考虑采用掺纤维进行防裂处理。这种预测是迟后的。因为在水泥基材料工程施工前，无法得知实际浇筑后的试件在塑性阶段是否会开裂，如果能够预测开裂情况，则可在浇筑前采取减裂措施，这样的一个包括预测和进行减裂处理的体系，称之为水泥砂浆塑性收缩开裂预警机制。本发明旨在建立水泥砂浆塑性收缩开裂的预警机制。

发明内容

本发明的目的在于公开一种水泥砂浆塑性收缩开裂的初步预警方法。

为了达到上述目的，本发明从保证工程避免发生塑性收缩开裂的角度出发，将以上两种方程组合在一起应用，这样可以保证所施工的工程避免发生塑性阶段收缩开裂，对提高工程质量、保证工程服役寿命具备重要意义。有鉴于此，本发明将实验采用的试件(914X610X20mm)看做实际工程中的一种特定构件，尝试初步建立了其塑性收缩开裂的预警机制，试图为后续建立更具广泛性的预警机制打开突破口。通过3-5个、或十几个、或更多个有限实验点构建水泥砂浆的抗裂指数与各参数间(参数是指水分蒸发速率、纤维参数等)的本构方程，用它来预测未经实验点的水泥砂浆塑性收缩开裂状态。若预测为不裂，则可施工；若预测为开裂，则进行减裂处理。

具体步骤如下：

包括未掺纤维的水泥砂浆塑性收缩开裂的本构方程和掺加纤维的水泥砂浆塑性收缩开裂的本构方程的分别获得，其特征是：将两种本构方程组合连续协同应用，使发现水泥砂浆塑性收缩开裂和防止水泥砂浆塑性收缩开裂两者不再分割进行，而是一并完成；

先采用未掺纤维本构方程及其开裂判据进行水泥砂浆的塑性收缩开裂预测，若为不裂，则可以进行施工；若为开裂，则不能施工，需采取防裂措施才能施工；防裂措施采用掺加纤维的水泥砂浆塑性收缩开裂的本构方程及其开裂判据进行水泥砂浆的塑性收缩开裂预测，若为不裂，则可进行施工；若仍为开裂，则调整纤维参数进行再次预测，直至为不裂时才可进行施工；

上述未掺纤维的水泥砂浆是采用普通水泥P.O.42.5，、中砂、自来水，按重量比称取水泥：砂：水：＝1:1:0.5的配比，混合而成；

上述未掺纤维的水泥砂浆塑性收缩开裂的本构方程在水分蒸发速率为0.01-0.51kg·(m 2·h)^-1时为：

K＝0.4241v^-0.709 (1)

式中：K为抗裂指数；V为水分蒸发速率kg·(m²·h)^-1

开裂判据为：当抗裂指数K<1.08时，砂浆开裂；

当抗裂指数K>1.79时，砂浆不开裂；

当抗裂指数K位于1.08和1.79之间时，砂浆试件以一定概率开裂。

上述掺加纤维的水泥砂浆塑性收缩开裂的本构方程在水分蒸发速率为0.26～0.49kg/(m²·h)^-1，纤维长度为9～18mm，纤维掺量为0.5～1.5kg/m³时如下：

K＝1.964×0.99^Fl×1.31^Fc×0.107^V (2)

式中：K为抗裂指数；Fl为纤维长度，mm；Fc为纤维掺量，kg·m^-3；V为水分蒸发速率Kg·(m ²·h)^-1

开裂判据为：当抗裂指数K<0.906时，砂浆开裂；

当抗裂指数K>1.2时，砂浆不开裂；

当抗裂指数K位于0.906和1.2之间时，砂浆试件以一定概率开裂。

本发明具有以下优点：

1，由于本发明将两种本构方程组合连续协同应用，使发现水泥砂浆塑性收缩开裂和防止水泥砂浆塑性收缩开裂两者不再分割进行，而是一并完成，因此，经过本发明预警机制预测后为不裂，则可放心施工，可保证工程不出现塑性收缩开裂，进而保证工程质量、使用寿命。

2，经过本发明预测后为开裂，则不能施工，可减少浪费，或避免危害工程质量；

3，在不掺纤维下预测为开裂情况下，掺加本发明采用的纤维进行防裂处理时，经本发明预警机制预测为不裂，则可认为此种纤维防裂技术方案是有效的，可于前述不掺纤维预测为开裂的条件下放心施工，可保证工程不出现塑性收缩开裂，从而保证工程质量、使用寿命；

4，在不掺纤维下预测为开裂情况下，掺加本申请采用的纤维进行防裂处理时，经本发明预警机制预测为仍开裂，则可认为此种纤维防裂技术方案是不够的，于前述不掺纤维预测为开裂的条件下不能施工，可减少浪费，或避免危害工程质量；

5，在不掺纤维下预测为开裂情况下，掺加本申请采用的纤维进行防裂处理，经本发明预警机制预测为仍开裂时，调整纤维参数，再次应用本发明的预警机制进行开裂预测，直至预测为不裂，可于前述不掺纤维预测为开裂的条件下放心施工，可保证工程不出现塑性收缩开裂，从而保证工程质量、使用寿命；为避免工程出现塑性收缩开裂找到了一条可靠且可行的途径。

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本发明。

实施例1

施工前，采用普通水泥P.O.42.5，中砂，自来水，按水泥：砂：水：＝1:1:0.5的配比，混合均匀，于施工环境下采用小尺寸(260mm×200×20mm)、同材料、同配比的试件进行水分蒸发速率V的测试；采用的测定方法是先用小面积容器平板法，测得小面积容器的失水速率(水分蒸发速率)，再按照

y＝0.0002x+0.736

其中y指平板砂浆与小面积砂浆水分蒸发速度的比值，x指时间，单位min换算成平板失水速率。实际测出水分蒸发速率V为0.461kg·m-2·h-1，将其代入(1)式K＝0.4241v^-0.709＝0.73，即计算其抗裂指数K为0.73，将其与(1)式关联的开裂判据比对，其值<1.08可预测其为开裂，不能进行施工。

实施例2

采用与实施例1相同的材料和配比，并实际测出水分蒸发速率为0.32kg·m-2·h-1，采用式(1)计算其抗裂指数为0.95，将其与(1)式关联的开裂判据比对，其值<1.08可预测其为开裂，不能进行施工。

实施例3

在实施例2的情况下，采用本发明采用的纤维进行防裂处理，若采用纤维长度为18mm，纤维掺量为1.5kg/m³，进一步采用式(2)K＝1.964×0.99^Fl×1.31^Fc×0.107^V计算掺纤维后的抗裂指数为1.23，将其与(2)式关联的开裂判据比对，其值＞1.2，预测其为不裂，可进行施工。

上述水分蒸发速率V是水泥砂浆试件失水蒸发时在其表层材料的毛细管中形成凹液面。水分蒸发速率越大，毛细管凹液面的曲率越大，蒸发作用导致的塑性收缩越大，毛细管收缩应力增长越快。一旦塑性毛细管收缩应力超过了同时段砂浆的塑性抗拉能力，砂浆试件就会开裂。

上述水泥砂浆抗裂指数K采用K＝fp/σc(fp：水泥砂浆的塑性抗拉强度；σc：毛细管收缩应力)，在基准配比(水灰比为0.5，灰砂比为1)下，通过调节砂浆试件上方光照，改变风速，使用除湿机，使基准配比砂浆水分蒸发速率V改变，实验时的每个实验点环境参数、各项实验数据均至少重复三次，且能通过拉伊达准则检验。对不同实验条件下的抗裂指数K和开裂状况，将其对应的K值画于数轴，并标出相应的开裂状态。将所有实验数据进行归类，可得到本实验条件下砂浆塑性收缩开裂的开裂判据。

上述K＝1.964×0.99^Fl×1.31^Fc×0.107^V利用Excel中统计函数LOGEST函数，对掺加纤维后的砂浆抗裂指数与纤维长度、纤维掺量、失水蒸发速率进行回归分析，得到砂浆抗裂指数K基于纤维长度、纤维掺量及失水蒸发速率的三元本构方程。式中：F_l为纤维长度；F_c为纤维掺量；V为失水蒸发速率。

上述实施例3所使用的纤维见表1纤维物理力学性能。

表1纤维物理力学性能

Claims (1)

1.一种水泥基材料塑性收缩开裂初步预警方法，包括未掺纤维的水泥砂浆塑性收缩开裂的本构方程和掺加纤维的水泥砂浆塑性收缩开裂的本构方程的分别获得，其特征是：将两种本构方程组合连续协同应用，使发现水泥砂浆塑性收缩开裂和防止水泥砂浆塑性收缩开裂两者不再分割进行，而是一并完成；

先采用未掺纤维本构方程及其开裂判据进行水泥砂浆的塑性收缩开裂预测，若为不裂，则可以进行施工；若为开裂，则不能施工，需采取防裂措施才能施工；防裂措施采用掺加纤维的水泥砂浆塑性收缩开裂的本构方程及其开裂判据进行水泥砂浆的塑性收缩开裂预测，若为不裂，则可进行施工；若仍为开裂，则调整纤维参数进行再次预测，直至为不裂时才可进行施工；

上述未掺纤维的水泥砂浆是采用普通水泥P.O.42.5，、中砂、自来水，按重量比称取水泥：砂：水：＝1:1:0.5的配比，混合而成；

上述未掺纤维的水泥砂浆塑性收缩开裂的本构方程在水分蒸发速率为0.01-0.51kg·(m²·h)^-1时为：

K＝0.4241v^-0.709

式中：K为抗裂指数；V为水分蒸发速率kg·(m²·h)^-1

开裂判据为：当抗裂指数K<1.08时，砂浆开裂；

当抗裂指数K>1.79时，砂浆不开裂；

当抗裂指数K位于1.08和1.79之间时，砂浆试件以一定概率开裂。

上述掺加纤维的水泥砂浆塑性收缩开裂的本构方程在水分蒸发速率为0.26～0.49kg/(m²·h)^-1，纤维长度为9～18mm，纤维掺量为0.5～1.5kg/m³时如下：

K＝1.964×0.99^Fl×1.31^Fc×0.107^V

式中：K为抗裂指数；Fl为纤维长度，mm；Fc为纤维掺量，kg·m^-3；V为水分蒸发速率Kg·(m²·h)^-1

开裂判据为：当抗裂指数K<0.906时，砂浆开裂；

当抗裂指数K>1.2时，砂浆不开裂；

当抗裂指数K位于0.906和1.2之间时，砂浆试件以一定概率开裂。