鋼纖維摻量對陶粒混凝土早期自收縮的影響

張彬彬，季韜，林旭健

(福州大學土木工程學院，福建福州 350116)

0 引言

近年來在橋梁工程和高層、超高層建筑中輕骨料混凝土的應用日益廣泛，隨著輕骨料混凝土的廣泛應用，早期開裂問題成為了土木工程界所面臨的共同難題，且輕骨料混凝土的早期開裂問題更為嚴重．對于如何降低輕骨料混凝土早期開裂的可能性，提高輕骨料混凝土的抗拉強度，改善其易脆的缺陷，國內外學者提出了在輕骨料混凝土中加入鋼纖維的解決辦法［1－2］．

國內外學者對摻鋼纖維的輕骨料混凝土的研究主要集中于對摻鋼纖維后輕骨料混凝土基本力學性能的研究，而對于摻纖維輕骨料混凝土的收縮變形，尤其是早期收縮研究較少．現有對摻纖維混凝土的收縮問題的研究主要集中于干燥收縮［3－5］，研究表明，摻入鋼纖維之后，混凝土的干燥收縮顯著減少．輕骨料陶粒具有吸水返水特性，故陶粒混凝土的自收縮與普通粗骨料混凝土不同，研究表明，吸水率較大的碎石型陶粒混凝土的自收縮小于普通粗骨料混凝土，而吸水率較小的頁巖圓球型陶粒混凝土的自收縮大于普通粗骨料混凝土［6］．吸水飽和的輕骨料等體積取代普通粗骨料可以降低混凝土自收縮，且降低幅度隨取代率的增加而增加［7］．

然而，現有的研究缺乏鋼纖維對于輕骨料混凝土早齡期(1 d以內)自收縮影響的研究．本文以鋼纖維陶粒混凝土為研究對象，通過自制的自收縮裝置，測量摻鋼纖維陶粒混凝土的早期自收縮，并進一步分析了鋼纖維摻量對陶粒混凝土早期自收縮的影響．

1 試驗方案

1．1 原材料及陶粒混凝土的配合比

水泥采用福建煉石牌42．5R普通硅酸鹽水泥，表觀密度3 050 kg·m－3，28 d抗壓強度為45 MPa．鋼纖維采用浙江海寧博恩金屬制品有限公司生產的剪切型鋼纖維，鋼纖維的各項技術指標如表1所示．陶粒采用湖北宜昌高強頁巖圓球形陶粒，陶粒的各項性能指標如表2所示．細骨料采用細度模數為2．5的閩江河砂，堆積密度1 481 kg·m－3，表觀密度2 590 kg·m－3，所選用河砂的級配如表3所示．水采用福州地區的自來水．減水劑采用福建建筑科學研究院生產的TW－JS聚羧酸高效減水劑，減水率15% ～18%，陶粒預濕1 h，陶粒混凝土配合比如表4所示．

表1 鋼纖維性能指標Tab．1 Performance index of steel fiber

表2 陶粒的性能指標Tab．2 Performance index of ceramsite

表3 河砂級配表Tab．3 Gradation of fine aggregates

表4 陶粒混凝土配合比Tab．4 Mix proportion of ceramsite concrete

2 試驗內容

2．1 總收縮試驗

采用波紋管作為模具，可以將混凝土試件的體積應變轉化為長度方向的應變，進而實現自澆筑成型開始對混凝土自收縮的測量，且可以有效避免重力、溫度變化等對試驗結果的影響［8］．利用波紋管作為模具制成自收縮裝置，利用該裝置可以測量混凝土1 d齡期內的自收縮［9］，并有較好的試驗精度．原裝置所用波紋管管壁較厚，對混凝土硬化前自收縮變形的約束較大，且波紋管試件與裝置有摩擦，這會影響試驗精度．課題組對波紋管作為模具制成自收縮裝置進行改進．改進后的裝置采用管壁更薄的波紋管作為模具，減少波紋管對混凝土自收縮變形的約束，并把波紋管試件懸吊起來，減少摩擦．改進后的裝置具有更好的試驗精度，其示意圖見圖1，實物圖見圖2．改進后的裝置由波紋管、千分表、鐵箱、T型熱電偶線、溫度采集系統等組成．每組混凝土澆筑1個波紋管試件，試件澆筑后靜置一段時間，在混凝土攪拌1．5 h后把波紋管試件按圖1中所示用細線懸掛起來(用以消除摩擦)并固定千分表裝置，從2 h(0．083 3 d)開始讀取數據，至1 d內，每0．5 h讀取一次數據．溫度采集同時進行，每0．5 h采集一次．

圖1 自收縮裝置示意圖(單位:mm)Fig．1 Schematic diagram of autogenous shrinkage device(unit:mm)

圖1中所示的T型熱電偶線在試件的左、中、右分別測量波紋管試件內部的溫度變化，然后取平均值．T型熱電偶線一端埋入試件橫斷面正中心的位置處，另一端與溫度采集系統相連;圖1和圖2中固定千分表的鐵片在混凝土塊下的尺寸可以根據試件的實際尺寸調整，以便千分表探頭與試件間接觸可靠;圖1和圖2中懸掛波紋管試件所用的細繩為常用的棉線繩，鐵桿為直徑10 mm的普通實心鐵桿．

圖2 自收縮裝置Fig．2 Autogenous shrinkage device

直接讀取的應變值為混凝土試件的總應變(含自收縮和溫度應變):

式中:εst(t)為在齡期t時的總應變，t從混凝土攪拌完成時算起;L0為混凝土試件在開始讀取數據時的初始長度(mm);Lt為在齡期t時所對應的混凝土試件的長度(mm)．

2．2 溫度應變采集試驗

溫度采集系統包括溫度應變采集箱、采集讀取數據的計算機和T型熱電偶線三部分．T型熱電偶線有兩種:一種是一端埋入試件內部，用來測試件內部的實際溫度;另一種是一端插入冰水混合物中(溫度為0℃)，用來測量基準溫度．

鋼纖維陶粒混凝土的熱膨脹系數按下述取值:鋼材的熱膨脹系數(CTE)為12×10－6℃，而混凝土的熱膨脹系數在1 d以后為7×10－6～12×10－6℃，二者相差不多，因此這里忽略鋼纖維的摻入對陶粒混凝土的熱膨脹系數的影響．采用文獻［9］的鋼纖維陶粒混凝土熱膨脹系數，在1d齡期的熱膨脹系數為8×10－6℃，在2 d齡期的為9×10－6℃，之后保持不變．對于1 d齡期內的熱膨脹系數，根據文獻［10］:對于剛澆筑完成的混凝土來說，其熱膨脹系數的初始值比較高，大約為20×10－6℃左右．因此假定陶粒混凝土的初始熱膨脹系數也為20×10－6℃，且假定混凝土的熱膨脹系數是按線性變化的，故之后按線性降至1 d齡期時的8×10－6℃，熱膨脹系數從測量開始時(0．083 3 d)隨齡期的變化如圖3所示．則鋼纖維陶粒混凝土的溫度應變為:

式中:εtd(t)為從測量開始(0．083 3 d)至齡期t時混凝土的累計溫度應變;α(t)為隨齡期變化的鋼纖維陶粒混凝土熱膨脹系數;ΔT(t)為時間變化d t所對應的鋼纖維陶粒混凝土溫度變化量．

采用溫度采集系統測得各組相對于測量開始時(0．083 3 d)的混凝土內部溫度．利用熱膨脹系數(圖3)和采集得到的溫度變化值(圖4)，即可對式(2)進行數值化求解．分別計算每隔半小時的溫度變化與對應時間段內熱膨脹系數平均值，乘積后進行累加，進而得到溫度應變隨齡期的變化曲線(圖5)．

圖3 陶粒混凝土熱膨脹系數與齡期的關系Fig．3 Relation between CTE and age of ceramsite concrete

圖4 各組鋼纖維陶粒混凝土的溫度變化Fig．4 Temperature variation of steel fiber reinforced ceramsite concrete

圖5 各組鋼纖維陶粒混凝土的總應變、溫度應變及自收縮Fig．5 Total strain，temperature strain and autogenous shrinkage of steel fiber reinforced ceramsite concrete

3 結果與分析

3．1 試驗結果

混凝土的實際自收縮值不包括由于水化熱產生的溫度變形值，因此，混凝土的實際自收縮εsh(t)(autogenous shrinkage)為試驗測得的總應變εst(total strain)扣除溫度應變εtd(t)(thermal strain)，即:式中:εsh(t)為齡期t時混凝土的自收縮;εst(t)為齡期t時所測得的總應變;εtd(t)為齡期t時混凝土的累計溫度應變．

把根據式(2)計算得到的溫度應變εtd(t)及按照式(1)得到的對應齡期總應變εst(t)代入到式(3)即可得到對應齡期時的自收縮εsh(t)．各組鋼纖維陶粒混凝土的溫度應變、總應變及自收縮隨齡期的變化規律如圖5所示．

3．2 分析與討論

由圖5中總應變、溫度應變、自收縮三者的關系可知，在1 d齡期以內的混凝土的總應變和自收縮很大，而溫度應變相對較小．在1 d齡期內，混凝土內部有明顯的水化反應，水化反應放出熱量使混凝土內部溫度升高，進而發生熱膨脹，溫度應變為正的應變．測得的總應變為負值，摻鋼纖維陶粒混凝土的自收縮也為負值，故自收縮大于總變形．由于溫度應變的絕對值相對于總應變和自收縮較小，因此自收縮略大于總應變，自收縮曲線在總變形曲線的下方．

各組鋼纖維陶粒混凝土的自收縮如圖6所示，由圖6中自收縮值的發展曲線可知，1 d齡期內混凝土的自收縮在初始的0．5 d內自收縮增長很快，0．5 d之后自收縮增長變慢，但仍有較為明顯的增長，在0．7 d以后摻鋼纖維陶粒混凝土的自收縮增長開始變得緩慢，自收縮曲線趨于平穩．在1 d齡期的初始階段，當混凝土處于流態時，化學收縮為自收縮，自收縮增長很快．當混凝土初凝以后混凝土內部逐漸形成骨架，抵抗化學收縮產生的部分變形，故只有一部分化學收縮為自收縮，另一部分化學收縮轉化為孔隙．在0．7 d以后，混凝土內部骨架剛度進一步增大，成為自收縮的化學收縮進一步減少，故自收縮值增長緩慢，自收縮曲線趨于平穩．

鋼纖維摻量不同對陶粒混凝土的自收縮有明顯影響，鋼纖維的摻入可以明顯減少1 d齡期內的陶粒混凝土的自收縮，且鋼纖維摻量越大，其1 d齡期的自收縮越小，但是自收縮的減少與鋼纖維摻量的增加并非呈現線性關系．對于未摻鋼纖維的陶粒混凝土，其1 d齡期的自收縮可達到892×10－6，當鋼纖維摻量為0．5%時，陶粒混凝土的自收縮值減少到760×10－6，減少了132×10－6;而當鋼纖維的摻量為1%時，陶粒混凝土的自收縮值為704×10－6，比摻鋼纖維為0．5%的陶粒混凝土減少了56×10－6，減少值小于鋼纖維摻量從0%增加到0．5%時的減少值;而當鋼纖維摻量繼續增加1%即增加到2%時，其自收縮為633×10－6，自收縮減少了71×10－6，小于56×10－6的兩倍．當鋼纖維摻量較少時，鋼纖維與混凝土的平均粘結應力較大，平均每根鋼纖維對減少自收縮的作用較大;當鋼纖維摻量增加時，鋼纖維與混凝土的平均粘結應力較小，平均每根鋼纖維對減少自收縮的作用較小，因此當鋼纖維摻量從0．5%繼續增加時，鋼纖維摻量對陶粒混凝土早期自收縮減少的程度會逐漸降低．

圖6 各組鋼纖維陶粒混凝土的自收縮Fig．6 Autogenous shrinkage of steel fiber reinforced ceramsite concrete

4 結論

1)鋼纖維陶粒混凝土1 d齡期內的自收縮值在0．5 d內的增長很快，之后增長速率開始隨著齡期增長不斷變慢，0．7 d之后自收縮曲線基本為直線．這與初凝以后混凝土內部逐漸形成骨架，只有部分化學收縮產生的宏觀體積變形有關．

2)鋼纖維的摻入可以顯著降低陶粒混凝土1 d齡期內的自收縮，且隨著鋼纖維摻量的增加，陶粒混凝土1 d齡期內自收縮逐漸減小，但鋼纖維摻量對1 d齡期內自收縮減少的程度隨著摻量的增加而減小．

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