摻合料高強高性能混凝土自收縮的實驗研究

楊超越，陳 波，楊 楊，2，江晨暉

YANG Chaoyue1，CHEN Bo1，YANG Yang1，2，JIANG Chenhui3，4

(1.浙江工業(yè)大學(xué)建筑與工程學(xué)院，浙江 杭州310014;2.浙江省工程結(jié)構(gòu)與防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)研究重點實驗室，浙江 杭州310014;3.浙江工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州310014;4.浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州311231)

隨著混凝土技術(shù)的進(jìn)步與工程建設(shè)的需要，高強高性能混凝土在工程中被越來越普遍的應(yīng)用。使用高標(biāo)號的水泥、增加膠凝材料的用量、摻入活性礦物摻合料(如礦渣粉、硅粉等)、添加超塑化劑以降低水膠比等技術(shù)措施，是目前配制高強高性能混凝土的主要技術(shù)途徑［1］。然而，這些措施致使高強高性能混凝土的硬化特點及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)同傳統(tǒng)的普通混凝土相比有著很大的差異，隨之帶來的是:早期體積穩(wěn)定性差、容易開裂等問題。研究表明，高強高性能混凝土的早期開裂問題，自收縮是其中的主要原因之一［2］。

早在1940年，Davis 就認(rèn)為混凝土的自身體積變形(自收縮)應(yīng)定義為因其內(nèi)部本身的物理和化學(xué)轉(zhuǎn)化而引起的體積變形［3-4］。雖然國內(nèi)外學(xué)者采用的自收縮定義仍未完全統(tǒng)一，但普遍認(rèn)為自收縮不包括因物質(zhì)的損失或侵入，溫度的變化或外部力量或限制物的應(yīng)用引起的體積變形［5-7］。本文旨在通過實驗研究，討論分析摻30%粉煤灰、50%礦渣微粉的常用高強高性能混凝土的自收縮特性，并與不摻摻合料的基準(zhǔn)水泥混凝土進(jìn)行了對比。同時，考察混凝土自收縮值與強度之間的關(guān)聯(lián)性。

1 實驗概況

1.1 原材料及混凝土配合比

本研究中配制混凝土所選用原材料的基本物理性質(zhì)見表1。所用混凝土的水膠比為0.30，為提高其工作性，混凝土攪拌時摻入HG-PCA600 聚羧酸系高效減水劑，拌合而成的混凝土的坍落擴展度控制在500～550 mm。混凝土配合比、拌合物的特性及強度見表2。粉煤灰的摻量為30%，礦渣的摻量為50%(均為膠凝材料總質(zhì)量百分?jǐn)?shù))，所用骨料的含水狀態(tài)為飽和面干［8-10］。

表1 原材料的基本物理性質(zhì)

表2 混凝土的配合比和基本性能

1.2 實驗方法

本研究實驗條件溫度為(20 ±2)℃，相對濕度均為(60 ±5)%。

抗壓強度測試采用邊長為100 mm 的立方體試件，參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50081—2002)》進(jìn)行。為考察強度的經(jīng)時變化規(guī)律，設(shè)定的測試齡期為0.5、1、3、7、28 d。

自收縮的測量采用高精度位移傳感器結(jié)合自動數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行，位移傳感器的測量范圍為5.000 mm，測量精度為0.001 mm。試件尺寸為100 mm ×100 mm ×400 mm，因此自收縮應(yīng)變分辨率可達(dá)到2.5 微應(yīng)變。混凝土溫度由埋在試件中心的熱電偶測定。測定裝置見圖1，數(shù)據(jù)采集時間間隔設(shè)定為30 min。試件用保鮮膜和鋁箔膠帶密封以避免水分進(jìn)出。本研究通過混凝土中預(yù)埋約束鋼筋的預(yù)備實驗測得混凝土自收縮應(yīng)力發(fā)生的時刻，以此作為自收縮的起始測試時點。本研究的結(jié)果約為齡期0.5 d。

圖1 自收縮測定裝置和TDS-530 數(shù)據(jù)采集儀示意圖

通過位移傳感器獲得的混凝土總的自由變形后 按下式求得自收縮應(yīng)變值:

式中:εag—自收縮應(yīng)變;

εtotal—總收縮應(yīng)變;

εT—溫度應(yīng)變;

α—熱膨脹系數(shù)(取值為10 ×10-6/℃);

ΔT—測試時溫度與起始溫度的差值(℃)。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 抗壓強度

不同摻合料的混凝土的抗壓強度經(jīng)時變化規(guī)律見圖2。對比圖2 中的三條曲線，BS 組和FA 組早期的抗壓強度要小于PO 組的抗壓強度，但是BS 組和FA 組在7 d 及7 d 以后實現(xiàn)了對PO 的反超。這樣的結(jié)果表明:礦渣微粉和粉煤灰的摻入使混凝土早期的抗壓強度減小了，但是增加了7 d 及其后的抗壓強度。

圖2 三種混凝土抗壓強度經(jīng)時變化規(guī)律

2.2 自收縮特性

不同摻合料下混凝土的自收縮發(fā)展曲線見圖3。PO、30%FA、50%BS 三組試件28 d 齡期的自收縮應(yīng)變均值分別為-315、-285、-216με。可見，28 d 相同齡期下，隨著粉煤灰和礦渣微粉的摻入，混凝土的自收縮應(yīng)變值隨之減小，但是從曲線的發(fā)展趨勢看，BS 組自收縮值會在28d 以后超過PO組的自收縮值。其中，摻FA 組自收縮減小的幅度比較明顯，幅度接近PO 總值的1/3;摻BS 的自收縮與PO 的自收縮值比較接近，差距不到1/10。說明摻入粉煤灰對混凝土自收縮有較好的抑制作用。這是因為粉煤灰的火山灰活性需要水泥的水化產(chǎn)物才能激發(fā)，在早期粉煤灰對體系的水化抑制作用非常明顯，從而也抑制了混凝土的自收縮。

圖3 三種不同摻料混凝土的自收縮發(fā)展曲線圖

當(dāng)比較三種混凝土3 d 齡期后的自收縮(圖4)時，PO、30%FA、50%BS 三組試件的自收縮應(yīng)變值分別為-123、-130、-200με。可見，3d 后摻30%FA 組和PO組收縮值很接近，而摻50%BS 組的收縮值則比PO 組要大得多，達(dá)到了基準(zhǔn)混凝土的1.6 倍。

圖4 3d 開始三種不同摻料混凝土的自收縮發(fā)展曲線圖

為了進(jìn)一步分析不同時期自收縮的發(fā)展?fàn)顩r，圖5展示了PO、30%FA、50%BS 三組試件的自收縮在不同齡期段的發(fā)展速率(圖中速率的“-”表示收縮)。不難發(fā)現(xiàn):在不同齡期階段，無論是何種混凝土，其自收縮發(fā)展速率差異性比較大。均表現(xiàn)為早齡期的自收縮發(fā)展速率較快，尤其是1 d 以內(nèi)，發(fā)展速率最大;隨著齡期間隔的往后推移，其自收縮發(fā)展速率越來越小。7 d 及其以后的自收縮速率變化很小。

圖5 三種不同摻料混凝土自收縮在不同齡期間隔時發(fā)展速率對比圖

對比三組試件的自收縮速率，3 d 內(nèi)PO 組的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于FA 組和BS 組的速率。但是3 d 以后的幾個齡期段中，F(xiàn)A 組自收縮速率與PO 組基本接近，而BS 組自收縮速率實現(xiàn)了對PO 組的反超。因此，可以認(rèn)為粉煤灰和礦渣微粉對自收縮的抑制作用主要體現(xiàn)在早期，礦渣微粉的摻入反而會加大混凝土的后期自收縮。

2.3 自收縮和抗壓強度的關(guān)系

考慮到混凝土自收縮和抗壓強度隨齡期變化有類似規(guī)律，本文將0.5、0.75、1、3、7、28 d 等不同齡期的混凝土抗壓強度與其對應(yīng)齡期的自收縮值之間相關(guān)聯(lián)，其結(jié)果見圖6。可見，兩者間存在顯著的相關(guān)性，而且三種混凝土的自收縮值和抗壓強度成較好的二次拋物線關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均在0.95 以上。此結(jié)果揭示了用簡單易得抗壓強度值推定自收縮值的可能性。

圖6 不同摻料混凝土自收縮和抗壓強度的關(guān)系

3 結(jié) 語

在本研究范圍內(nèi)，綜合上述研究結(jié)果可以得出以下結(jié)論:

(1)摻入30%粉煤灰或50%礦渣的高強混凝土，早期的抗壓強度不及基準(zhǔn)水泥混凝土，但是7 d及其后的抗壓強度都超過了基準(zhǔn)水泥混凝土。

(2)在不同齡期段，混凝土的自收縮發(fā)展速率差異性較大。混凝土的自收縮在1 d 齡期內(nèi)迅速發(fā)展，其速率隨著齡期的增長而減小。7 d 及其以后的自收縮速率變化很小。

(3)粉煤灰和礦渣微粉對混凝土自收縮的抑制作用主要體現(xiàn)在早期，礦渣微粉的摻入反而會加大混凝土的后期自收縮。

(4)混凝土的自收縮和抗壓強度之間成較好的二次拋物線關(guān)系，由強度值推定自收縮存在可能性。

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