雙摻高性能混凝土早齡期收縮性能研究

宋鵬程

（甘肅鐵一院工程監理有限責任公司，甘肅730000）

雙摻高性能混凝土早齡期收縮性能研究

宋鵬程

（甘肅鐵一院工程監理有限責任公司，甘肅730000）

采用新研制的智能型非接觸式微位移傳感器法對加摻合料高性能混凝土從成型后6h到3d齡期內的自生收縮和單面干燥條件下的總收縮進行試驗研究，同時測量了不同齡期混凝土的強度和試件的重量損失。結果表明：摻入硅灰會略微增加混凝土早期自生收縮，而對早期干燥收縮影響不大；粉煤灰的摻入能大幅度地減小混凝土早期自生收縮，但使早期干燥收縮增加；磨細礦渣只有在摻量較多時才能明顯降低早期自生收縮，卻對早期干燥收縮不利。同水膠比加摻合料混凝土的早期自生收縮與抗壓強度之間有很好的線性關系。

高性能混凝土；摻合料；自生收縮；干燥收縮；早齡期

混凝土收縮的研究一直受到國內外學術界和工程界的重視，因為實際工程中處于不同約束狀態下的混凝土結構往往因收縮大而產生開裂，從而對結構安全性和耐久性構成威脅[1～3]。過去，人們都認為收縮是一個長期性能，國標中對收縮的測量一般都是從標養3d后開始的；近年來，隨著水泥和混凝土技術的進步，水泥標號和細度越來越大，混凝土強度和密實度大為提高，混凝土的后期收縮相對減小，更多的收縮發生在早期，從而引發了工程中越來越多的早期開裂現象。尤其對于低水膠比的高性能混凝土來說，因其自生收縮大且主要發生在早期，對于早期收縮的研究可能比隨后測到的收縮更為重要[4]。

加入礦物摻合料代替部分水泥是配制高性能混凝土最常用方法，而關于礦物摻合料對高性能混凝土早齡期收縮的影響的研究還不多，一些研究結果間還存在明顯分歧，這主要與不同學者采用不同的測試方法和不同的養護制度相關。本文將采用新研制的智能型非接觸式微位移傳感器法[5]，測量加入不同摻合料高性能混凝土從6h（相當于初凝）時開始到3d齡期內的自生收縮與單面干燥條件下的總收縮，以及在此干燥條件下混凝土試件的重量損失。

1 試驗部分

1.1 原材料

水泥為牡丹江水泥廠生產的P·O42.5普通硅酸鹽水泥。摻合料使用挪威埃肯公司生產硅灰，哈爾濱電廠Ⅰ級粉煤灰和鞍山鋼鐵集團產磨細礦渣粉。粗骨料采用石灰巖質碎石，Dmax=20mm，連續級配，壓碎指標為4.9%，含泥量＜1.0%；砂子為松花江江砂，細度模數為2.82，屬中砂、Ⅱ區級配。減水劑采用萘系高效減水劑M100，減水率為25%～35%。

1.2 混凝土配合比

試驗中僅考慮摻合料等質量取代部分水泥單一因素作用，所有配比的混凝土膠凝材料總用量固定為520kg/m3，水膠比固定為0.3，砂率固定為0.38，通過減水劑用量使新拌混凝土坍落度控制在180～220mm范圍內，共設計了基準混凝土（Control）、摻入硅灰 5%（SF5）和10%（SF10）、摻入粉煤灰20%（FA20）和 40%（FA40）、摻入磨細礦渣粉 20%（SL20）和40%（SL40）七個配比的混凝土，具體配合比及相對應的坍落度、抗壓強度值見表1。

1.3 試驗方案

對于混凝土早期收縮的測量，各國還沒有統一標準可依，本文采用新研制的智能型非接觸式微位移傳感器法收縮測量儀，具體試驗方法見文獻[5]。測量的初始齡期選為混凝土澆筑成型6h（接近初凝），這是由于低水膠比的混凝土在初凝后便開始產生自生收縮，而在此之前混凝土因收縮而產生的裂縫可通過二次抹面等措施消除，但在初凝后混凝土中如果出現宏觀裂縫就很難消除，即初凝后的收縮為有害收縮。采用試件尺寸為100mm×100mm×400mm，每種混凝土同時成型6個這樣的試件，兩個測量密封條件下的收縮（室溫20±0.5℃，完全密封與外界無濕度交換）、兩個測量干燥環境下的收縮（只將試件成型面暴露于干燥環境中，即20±0.5℃，RH=50%±5%）；另外兩個分別用來測量混凝土在密封、干燥環境中內部溫度變化情況，假設混凝土溫度膨脹系數為10×10-6/℃，結合以上幾個測量值即可換算出恒溫條件下混凝土的早期自生收縮和總收縮值[6]。同時還測量了混凝土在密封及單面干燥條件下的重量損失情況。

表1 混凝土配合比及性能

2 結果與分析

2.1 自生收縮

各混凝土的自生收縮測量結果如圖1所示，可見，摻硅灰對混凝土1d內自生收縮基本無影響，而1d后摻硅灰混凝土收縮開始加快，超過了基準混凝土，到3d時摻5%、10%硅灰使混凝土自生收縮分別增加了6.8%和10%。這是因為1d齡期內硅灰主要發揮細顆粒物理填充作用，化學活性并不顯著；而1d之后這兩種效應共同作用的結果。

與基準混凝土相比，隨著粉煤灰摻量的增多，混凝土早期自生收縮明顯減小。粉煤灰摻量20%、40%使混凝土1d時自生收縮分別減小了29.7%、45%，3d時自生收縮減小率分別為20.5%、38.1%。可見摻入粉煤灰對早齡期內自生收縮的降低作用顯著，這將有利于防止或減輕混凝土早期開裂。

圖1 礦物摻合料對混凝土早期自生收縮的影響

圖2 混凝土早期自生收縮與抗壓強度值間關系

通常認為細度大于4000cm2/g的磨細礦渣摻入后會增大混凝土自生收縮[7]，但試驗結果是從1d齡期開始測量得到的。從本試驗結果看，由于礦渣的摻入對混凝土有一定的緩凝作用，在開始測量的幾個小時里，摻礦渣混凝土自生收縮值小于基準混凝土，且摻量越多收縮越小；1d后摻量20%的混凝土自生收縮值開始超過基準混凝土，而摻量40%的混凝土由于產生泌水現象，開始時的收縮值非常小甚至有微膨脹現象[8]，其自生收縮在整個測量期間均遠小于基準混凝土；到3d時摻入礦渣20%、40%的混凝土自生收縮值分別為基準混凝土的110.6%、54.6%。

由以上分析可見，各摻合料對混凝土早期自生收縮的影響比較復雜，與摻合料種類、摻量和齡期等因素相關。而抗壓強度能在一定程度上反映出膠凝材料的水化程度，Eurocode prEN提議用混凝土抗壓強度來預測混凝土自生收縮值[9]。為了能用一個簡單變量預測出摻合料對同水膠比混凝土自生收縮的影響，將同一齡期的加摻合料混凝土與基準混凝土的抗壓強度比與自生收縮值比進行回歸分析。如圖2中所示，發現兩者之間有很好的線性關系：

式中 εa、εa0——加與不加摻合料時混凝土的自生收縮值（10-6）；

fc、fc0——加與不加摻合料混凝土的抗壓強度值（MPa）。

2.2 干燥條件下的總收縮

由于實際工程中早期養護不當的混凝土絕大多數只是處于單面干燥狀態下，因而本試驗中只是將混凝土試件成型面置于干燥環境中，其它側面密封的條件下測量棱柱體試件沿中心軸向的收縮值。從試驗結果圖3可見，在整個試驗期間，摻與不摻硅灰混凝土總收縮值相差僅在10%范圍內，到3d時摻硅灰混凝土總收縮值比基準混凝土大約6%左右，因此說摻硅灰對混凝土早期干燥條件下的總收縮值影響不大。

由于明顯地減小了早期自生收縮，摻粉煤灰混凝土的總收縮值均低于基準混凝土；但由于粉煤灰混凝土強度發展較慢，混凝土早期密實度低于基準混凝土，因而其在干燥條件下的水分散失率較大，使得其對總收縮值的降低不如自生收縮明顯，到3d時，摻40%粉煤灰混凝土總收縮值僅比基準混凝土降低5.4%左右。

在開始測量的6～8h里，摻礦渣混凝土的總收縮值小于基準混凝土，而且摻量越大的混凝土收縮值越小，這是由于在此期間礦渣混凝土自生收縮值較小，同時因其表面泌水能夠及時地補充水分蒸發，從而混凝土內部往外的水分遷移和由此帶來的相對濕度降低還不明顯。隨后，由于強度發展緩慢且礦渣的保水性不好，摻礦渣混凝土中水分的不斷散失以及相對應自生收縮增長速度的加快使總收縮值增長速率加快，逐漸超過了基準混凝土。1d齡期時，摻量20%、40%礦渣混凝土的總收縮值比基準混凝土均高約13.7%左右；3d齡期時，分別高出18.7%和32.6%。

2.3 干燥收縮

對于低水膠比的高性能混凝土來說，不能將其在干燥條件下的收縮簡單地歸為干燥收縮，而是自生收縮與干燥收縮共同作用的結果。盡管早期干燥引起的水分散失會在一定程度上影響到混凝土自生收縮，也就是說這時混凝土的實際自生收縮值小于密封條件下的自生收縮[6,10]。但通常還是用測量到的混凝土在干燥條件下的總收縮εt與密封條件下的自生收縮值εa相減來評價干燥收縮εd：

圖4為用上述方法換算出的各混凝土干燥收縮值。可見，干燥收縮主要發生在開始的6～10h內，之后隨著混凝土密實度的提高和強度的增長，收縮逐漸趨于平穩；由于摻40%礦渣的混凝土早期強度發展很慢，結構不致密，且保水性差，因而其干燥收縮發展速度很快，直到1d后才逐漸趨于緩和。各摻合料混凝土與基準混凝土相比，摻硅灰混凝土干燥收縮與基準混凝土基本相同；摻粉煤灰混凝土早期干燥收縮大于基準混凝土30%～40%，而兩種不同摻量的混凝土相比差別不大；摻礦渣混凝土早期干燥收縮明顯高于基準混凝土，且摻量越大收縮越大，3d時摻量20%、40%的礦渣混凝土干燥收縮比基準混凝土分別高出30%、130%，其中摻礦渣40%的混凝土由于泌水量較多，而且出現明顯地緩凝現象，因而早期干燥收縮異常地大。

3 結論

1)硅灰的加入不會增加混凝土早期干燥收縮，但對早期自生收縮略有增大作用；粉煤灰的摻入能大幅度地降低混凝土早期自生收縮，但也會降低混凝土早期強度，從而增大了早期干燥收縮，使其對干燥條件下混凝土的總收縮值降低并不明顯。因而工程中宜采用復合摻入的方式以抵消單一摻合料帶來的負面影響。

2)磨細礦渣對混凝土早期收縮的影響與摻量、齡期等有關，摻量較小時會增加1d后自生收縮，摻量較多時因強度發展緩慢，能明顯降低自生收縮，但卻對早期干燥收縮不利，使得混凝土在干燥條件下的總收縮值反而大于基準混凝土，因而應對此類混凝土加強早期保濕養護。

3)與同水膠比的基準混凝土相比，加摻合料混凝土早期自生收縮比與其抗壓強度比之間存在很好的線性關系。

[1]MEHTA P K, BURROWS R W. Building Durable Structures in the 21st Century[J]. Concrete International, 2001, 23 (3):57-63.

[2]巴恒靜, 高小建. 約束條件下高性能混凝土的早期開裂[J]. 混凝土, 2002, (5): 3-6.

[3]高小建, 巴恒靜. 混凝土結構耐久性與裂縫控制中值得探討的幾個問題[J]. 混凝土, 2001, (11): 12-13.

[4]TAZAWA E, MIYAZAWA S. Influence of Cement and Admixture on Autogenous Shrinkage of Cement Paste[J].Cement and Concrete Research.1995, 25(2): 281-287.

[5]巴恒靜, 高小建, 楊英姿. 高性能混凝土早期自收縮測試方法研究[J]. 工業建筑, 2003, 33(8):1-4.

[6]高小建, 巴恒靜, 祁景玉. 混凝土水灰比與其早期收縮關系的研究[J]. 同濟大學學報, 2004, (1): (已錄用).

[7]LIM S N, WEE T H. Autogenous Shrinkage of Groundgranulated Blast-Furnace Slag Concrete[J]. ACI Materials Journal, 2000, 97(5): 587-593.

[8]BREUGEL K V. Numerical Modeling of Volume Changes at Early Ages—Potential, Pitfalls and Challenges[J]. Materials and Structures, 2001, 34(5): 293-301.

[9]宮澤伸吾, 黒井登起雄, 川合雅弘. コンクリートの自己収縮に及ぼすセメントの種類の影響[J]. コンクリート工學年次論文集, 2002, 24 (1): 429-434.

[10]ISHIDA T, CHAUBE R P, KISHI T, MAEKAWA K. Mycrophysical Approach to Coupled Autogenous and Drying Shrinkage of Concrete[J]. Concrete Library of JSCE, 1999,(33): 71-81.

宋鵬程，男，監理工程師，甘肅鐵一院工程監理有限責任公司，京滬高速鐵路1標段監理部實驗室主任。