陶粒內養護高性能混凝土抗裂性能研究

韓 松，安明喆，郭 瑞，劉 高

（1.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044；2.中交公路規劃設計院有限公司 公路長大橋建設國家工程研究中心，北京 100088）

中國大量工程處于西北干燥地區，夏季炎熱和冬季嚴寒的氣候環境導致高強混凝土的早期養護難以保證.公路、鐵路、橋梁的墩臺箱梁部位以及大型結構基礎多采用高強混凝土大體積澆筑，混凝土設計強度不斷提高，對現場養護的要求也越來越嚴苛，養護不當造成的混凝土早期開裂現象將導致其耐久性顯著劣化［1－2］，嚴重影響工程質量.因此如何解決混凝土的早期開裂現象常常成為工程現場的關鍵施工技術問題［3］.

內養護技術從材料角度為混凝土在惡劣施工環境下的養護問題提供了解決途徑.其通過在混凝土中內摻預吸水材料，在混凝土澆筑后的一段時間內吸水材料釋放水分，使硬化中的水泥石得到養護［4］.現有內養護材料包括有機和無機兩種，有機材料主要為吸水樹脂等超吸水材料［5］，無機材料則主要為多孔陶粒［6］.目前研究多關注超吸水樹脂內養護混凝土的力學性能和耐久性能的變化規律［7］，但多孔陶粒有其獨特的優勢［8］.與超吸水樹脂不同，陶粒為無機材料，與混凝土界面結合較好，還可以一定比例替代粗骨料來降低結構自重［9］，其抑制高性能混凝土早期自收縮效果優于超吸水樹脂［10］.早期的內養護研究較多關注預吸水輕質陶粒和陶砂，著重研究無機內養護材料對混凝土力學性能、體積穩定性的影響規律及其作用機理［11］，對混凝土早期抗裂性能關注不足，且使用的多為強度C50以下的混凝土材料，摻和料用量也普遍較低，與目前橋梁與軌道交通等大型結構工程中使用的高強高性能混凝土在原材料和配合比設計上有一定差距［12］.

本研究選取強度等級為C30和C60的2種大摻量礦物摻和料混凝土，使用預吸水陶粒進行內養護.在配合比設計保證和易性和力學性能的前提下，使用平板開裂試驗來研究內養護作用對混凝土早期抗裂性能的影響規律，并結合混凝土早期收縮試驗、絕熱溫升試驗和內部濕度變化，討論陶粒內養護作用提高混凝土早期抗裂性能的微觀機理，為橋梁和鐵路工程中陶粒內養護技術的應用提供理論支持.

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

C30混凝土采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積340m2／kg，初凝時間160min，終凝時間220min，標準稠度用水量27%（質量分數，文中涉及的含量、水膠比等除特別說明外均為質量分數或質量比），燒失量0.5%.C60混凝土采用P·Ⅱ52.5R硅酸鹽水泥，比表面積379 m2／kg，初凝時間122min，終凝時間160 min，標準稠度用水量29%，燒失量0.61%.配合比設計中的礦物摻和料包括：硅灰，密度2.214g／cm3，平均粒徑0.31μm，比表面積14 310m2／kg；Ⅰ級粉煤灰，密度2.1g／cm3，比表面積350m2／kg；S95級礦粉，密度2.9g／cm3，比表面積461m2／kg；細骨料為普通河砂，細度模數2.6，表觀密度2.62g／cm3，堆積密度1.62g／cm3；粗骨料為5～20 mm 連續級配的碎石，表觀密度2.68g／cm3，堆積密度1.50g／cm3.減水劑采用氨基磺酸鹽系高性能減水劑［13－14］，減水率29%，含固量31%，1h無坍落度損失.拌和水采用自來水.陶粒選取黏土陶粒，堆積密度298kg／m3，筒壓強度2.1MPa，飽和吸水率25.54%.參照工程中較為普遍的大摻量礦物摻和料的混凝土配合比，進行C30與C60混凝土配合比設計.其中C30混凝土膠材總量360kg／m3，水膠比0.39，礦物摻和料用量40%，m（粉煤灰）∶m（礦粉）＝3∶1；C60混凝土膠材總量520kg／m3，水膠比0.25，礦物摻和料用量40%，m（粉煤灰）∶m（硅粉）∶m（礦粉）＝2∶1∶1.采用飽水陶粒等體積替代部分粗骨料配制內養護混凝土，其體積分數分別為10%，20%和30%；通過減水劑摻量調節拌和物的和易性，使混凝土坍落度大于150mm，并盡量減少骨料上浮以滿足泵送要求.具體配合比設計見表1.

1.2 試驗方法

混凝土力學性能試驗依據GB／T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行；混凝土抗裂性能選取平板約束早期塑性開裂試驗，參照GB／T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行，采用尺寸為800mm×600mm×100mm 的平面薄板型試件，內設7根裂縫誘導器，每組2個試件.保持環境溫度為25℃，相對濕度為60%.試件成型30 min 后，用電風扇吹表面，風速8m／s，觀察試件24h內開裂情況，記錄第1條裂縫出現時間以及各條裂縫出現時間，并在澆筑后24h時，使用讀數顯微鏡讀取各條裂縫的開裂寬度和長度，計算總開裂面積.

表1 C30和C60內養護混凝土配合比Table 1 Mix proportions of C30and C60self－curing concrete kg／m3

配合平板開裂試驗，進行內養護混凝土的早期收縮測量.由于混凝土塑性裂縫主要由混凝土澆筑后24h內收縮引起，而常規收縮測量方法往往從初凝之后開始，無法與平板開裂試驗進行比對，因此使用了鋼弦式應變傳感器來測量混凝土材料的早期收縮，測量結果包含了初凝前的早期塑性收縮值.保持環境溫度為25 ℃，相對濕度為60%，成型100mm×100mm×400 mm 的棱柱體試塊，選用內埋的JMZX－215HAT 高精度鋼弦式應變傳感器，從澆筑時刻起即開始測量，每6h記錄1次傳感器的應變值.該傳感器的響應壓力小于1N，可以確保與混凝土共同收縮，因此測量結果包含混凝土早期的塑性收縮值，與平板開裂試驗結果可以進行比對.

使用混凝土絕熱溫升試驗表征內養護作用對大體積澆筑混凝土的影響.依照DL／T 5150—2002《水工混凝土試驗規程》，采用NJ－JRWS混凝土絕熱溫升試驗系統，測量內養護混凝土96h的絕熱溫升變化.成型100mm×100mm×100mm 的立方體試塊，選取SHT75溫濕度傳感器在試件中心內埋，使用SCTH2001數據采集器，從澆筑時刻起連續測量內養護混凝土的內部相對濕度變化.

2 試驗結果與分析

2.1 陶粒內養護混凝土的力學性能

測定各配合比混凝土的坍落度和抗壓強度，結果見表2.隨著陶粒摻量（體積分數，下同）的增加，C30和C60 混凝土抗壓強度均有一定降低.其中，C60－3混凝土抗壓強度明顯低于C60其他兩組，這說明C60混凝土中飽水陶粒摻量達到30%時，材料抗壓強度下降十分迅速，已不能滿足混凝土強度的要求.因此在后續試驗中，C60混凝土中飽水陶粒最大摻量僅取到20%.

2.2 預吸水陶粒內養護混凝土的抗裂性能

使用平板開裂試驗研究各配合比混凝土試件的早期抗裂性能.參照GB／T 50082—2009，每組配合比成型2個試件，記錄試件24h裂縫出現時間、最終寬度和最終長度，結果如表3 所示.試驗發現C30－2與C60－2混凝土在24h內未出現裂縫.陶粒內養護混凝土24h開裂面積和第1條裂縫出現時間對比情況如圖1所示.對于帶有裂縫誘導器的混凝土試件，澆筑后吹風24h條件下，大部分試件均有不同程度的開裂.對于C30混凝土，隨著陶粒替代粗骨料比例的增加，混凝土早期開裂受到顯著抑制，表現為開裂面積減小，初始開裂時間延后；C30－2試件在24h內未出現裂縫，但C30－3試件又出現了單條的貫穿裂縫，這表示飽水陶粒替代粗骨料存在最佳比例.一方面，由于陶粒會不可避免出現一定程度的上浮，當飽水陶粒體積分數達到30%時，上浮陶粒可能使表層混凝土性質發生較大改變，導致混凝土在平板開裂試驗中重新出現表面開裂現象；另一方面，結合表2 中混凝土抗壓強度變化規律，發現內養護陶粒降低了混凝土的強度發展，過高摻量的陶粒導致材料強度降低，也可能加劇早期收縮引起的開裂.對于C60混凝土，飽水陶粒也顯著抑制了混凝土的早期開裂，摻有飽水陶粒的C60內養護混凝土早期開裂面積明顯下降，開裂時間延后.摻量為20%的飽水陶粒能夠使混凝土早期不出現開裂，內養護作用明顯.

表2 內養護混凝土力學性能Table 2 Mechanical properties of self－curing concrete

表3 混凝土24h早期裂縫匯總Table 3 Early shrinkage cracks of concrete in 24h

圖1 各組混凝土24h開裂面積Fig.1 Early shrinkage cracks of each concrete in 24h

由表3可見，陶粒內養護能夠顯著改善混凝土早期的抗裂性能，但當陶粒摻量達到30%以上，不僅對混凝土抗壓強度造成較大不利影響，還會出現抗裂性能下降的趨勢.對于C30 和C60 混凝土，20%的飽水陶粒是比較合理的內養護摻量，能夠明顯抑制混凝土的早期開裂，減少塑性裂縫的產生.

2.3 預吸水陶粒內養護混凝土的早期收縮

配合平板開裂試驗進行內養護混凝土的早期收縮測量.本研究使用鋼弦式應變傳感器來測量初凝前混凝土的早期塑性收縮值，結果如圖2所示.由圖2可見，隨著成型時間的推移，各組混凝土試件的收縮值不斷增加，初始收縮增加速率較快，24h后，收縮速率開始有所緩和，48h時，混凝土早期化學減縮基本完成，后期的干燥收縮發展速率較為緩慢.從收縮曲線來看，隨著飽水陶粒摻量的增加，C30和C60混凝土96h的收縮量均有明顯降低，而且在48h之后的收縮速率（后半段曲線的斜率）也有一定下降.說明飽水陶粒不僅能夠減緩混凝土早期的化學減縮，也明顯抑制了混凝土初凝之后的干燥收縮發展速率，顯著降低了混凝土的早期收縮值.對于C30混凝土，C30－2和C30－3這2 個配合比混凝土的收縮曲線相差較小，說明當飽水陶粒摻量達到20%之后，再增加飽水陶粒進行內養護，對早期收縮的抑制作用不大.因此，20%即為飽水陶粒對粗骨料較合適的替代量.對于C60 混凝土，20%飽水陶粒也是一個較合適的替代量.在飽水陶粒替代20%粗骨料進行內養護的作用下，C30混凝土96h內的收縮值從370×10－6降至170×10－6；C60混凝土96h內的收縮值從600×10－6降至250×10－6.這一結果與平板開裂試驗結果較吻合.因此，飽水陶粒的摻入能夠通過內養護作用減緩混凝土的化學減縮，抑制干燥收縮，從而明顯降低混凝土早期收縮值，降低材料早期的開裂風險，提高混凝土的抗裂性能.

圖2 各組混凝土的早期收縮Fig.2 Early shrinkage of each concrete

2.4 預吸水陶粒內養護混凝土的內部濕度

基于飽水陶粒的內養護機理，配合抗裂和收縮試驗結果，測量混凝土材料內部相對濕度隨混凝土齡期的變化.采用各個配合比同齡期的立方體試件內埋濕度傳感器，試驗結果如圖3所示.

圖3 各組混凝土內部相對濕度變化Fig.3 Internal relative humidity change of each concrete

由圖3可見，混凝土從澆筑時刻起，試件內部相對濕度呈現快速下降趨勢，C30 混凝土在澆筑后15d降至最低值，約為76%；而C60 混凝土在澆筑9d后即降至最低值，約為73%.由于C60混凝土配合比中膠凝材料用量高，試件早齡期內部相對濕度降低速率較快，降低幅度較大，也說明其膠凝材料早期水化引發的自干燥作用較強烈，與抗裂試驗的結果能夠相互印證.

隨著飽水陶粒替代粗骨料比例的增加，試件內部相對濕度的降低幅度與下降速率不斷減小，在C30混凝土中，摻量為30%的飽水陶粒能夠在15d內提高試件內部7%的相對濕度；而在C60混凝土中，摻量為20%的飽水陶粒能夠在9d內提高試件內部5%的相對濕度.在48h之內，飽水陶粒也能夠明顯提高材料的內部濕度場，抑制膠凝材料水化引起的自干燥作用，改善水泥漿體早期的水化環境，內養護效果十分明顯.

2.5 預吸水陶粒自養護混凝土的早期絕熱溫升

圖4 各組混凝土早期的絕熱溫升Fig.4 Adiabatic temperature rise of each concrete

對于大體積混凝土，早期水化溫升往往是造成其開裂的重要原因.降低絕熱溫升也是大體積混凝土抑制早期開裂的重要方面.在平板抗裂試驗和早期收縮試驗的基礎上，選取了C30和C60兩種混凝土的基礎配合比和20%飽水陶粒替代粗骨料的配合比，測定各組混凝土在96h內的絕熱溫升，結果如圖4所示.由于配合比設計的差異，C60混凝土中膠凝材料量高于C30混凝土，因此，C60混凝土96h內的絕熱溫升也明顯高于C30混凝土.對比C30－0與C60－0這2種配合比混凝土的絕熱溫升曲線可見，在澆筑10h內，兩試件的水化溫升均增長較慢；C30混凝土試件在10～60h 時內部溫度從28℃提高到了57 ℃，之后呈緩慢上升趨勢，96h內部溫度約為60 ℃；而C60 混凝土試件在10～30h內部溫度是從30℃提高到了68℃，之后趨于平穩，96h試件內部溫度約為72 ℃.對比C30 混凝土試件，C60混凝土試件的絕熱溫升增長速率較快，幅度較大，持續時間較短，大體積混凝土澆筑時，由于水化放熱溫度升高引起的開裂風險明顯高于C30混凝土.

使用20%飽水陶粒替代粗骨料，C30和C60混凝土的絕熱溫升均有明顯下降，放熱曲線向后推移，絕熱溫升增長速率有所緩和.在96h 時，C30 混凝土絕熱溫升降低了3.34℃，C60混凝土絕熱溫升降低了4.02℃.說明飽水陶粒的內養護作用能夠降低混凝土早期的絕熱溫升，延緩材料的水化放熱過程，對改善大體積混凝土早期的抗裂性能有一定的幫助.

2.6 試驗結果分析與討論

混凝土的塑性開裂主要由材料的早期收縮引起.混凝土的早期收縮包含膠凝材料水化產生的化學減縮、水分遷移引起的干燥收縮以及膠凝材料水化導致混凝土內部自干燥作用引發的次生干燥收縮［15］；對于大體積澆筑的混凝土材料，還會受到水化溫升導致的溫度變化影響.

根據試件內部相對濕度試驗結果，飽水陶粒在混凝土澆筑之后會慢慢釋放水分，減緩試件內部濕度在混凝土早齡期的快速下降，達到內部養護的效果.這一作用效果隨著陶粒摻量的增加而提高.由于混凝土早齡期內部濕度的提高，減少了由水分遷移引起的干燥收縮，也抑制了自干燥作用引發的次生干燥收縮；另一方面，內養護改變了膠凝材料的早期水化環境，從絕熱溫升結果來看，內養護能夠推遲膠凝材料早期的水化放熱峰，延緩膠凝材料早期的快速水化過程，這一作用能夠延緩膠凝材料水化產生的化學減縮，也能夠幫助抑制膠凝材料水化導致的混凝土內部自干燥作用.同時，陶粒內部水分的熱容較大延緩了溫升，也使得大體積混凝土的絕熱溫升有一定的下降，飽水陶粒內養護能夠明顯降低混凝土早期的絕熱溫升值，并延緩水泥水化加速期試件內部溫度的快速升高過程，對大體積混凝土早期抗裂有改善作用.這些作用共同導致了混凝土早期收縮的降低，與自由收縮試驗結果能夠相互印證.

飽水陶粒內養護通過減緩早齡期試件內部濕度的快速下降、改善膠凝材料水化環境的作用，降低了混凝土早期的干燥收縮和化學減縮，進而提高了混凝土材料的抗裂性能.結合平板開裂試驗結果可以發現，隨著內養護陶粒摻量的增加，內養護效果逐漸明顯，混凝土早期抗裂效果逐漸提升.結合力學性能來看，飽水陶粒替代粗骨料摻量存在最佳比例，在本研究的C30和C60兩個配合比的混凝土材料中，最佳替代比例均為20%.在此替代比例下，混凝土的力學性能略有下降，早期抗裂性能則有明顯提高，絕熱溫升和早期收縮也得到了明顯的改善.

3 結論

（1）在混凝土中使用飽水陶粒替代部分粗骨料，能夠減少混凝土材料的早期收縮，降低大體積混凝土內部的水化溫升，有效提高混凝土早期的抗裂性能，達到顯著的內養護效果.

（2）飽水陶粒通過減緩早齡期試件內部濕度的快速下降，改善了膠凝材料水化環境；同時，提高試件內部濕度有效抑制了膠凝材料水化過程引發的自干燥作用，降低了混凝土材料早期收縮，從而提高了混凝土材料的抗裂性能.

（3）存在飽水陶粒替代粗骨料的最佳比例.在本研究的C30 與C60 混凝土中，最佳替代比例均為20%.在此替代比例下，C30與C60內養護混凝土平板開裂試驗24h無裂縫產生，96h內的早期收縮減少約50%，混凝土絕熱溫升降低3～4℃，而混凝土強度略有下降.混凝土飽水陶粒內養護替代粗骨料的比例應低于30%，以避免對材料的力學性能產生較大影響.

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