混凝土抗壓強度與其早期熱膨脹系數相關性試驗研究

黃 杰 帥映勇 趙 林

(1泰州職業技術學院建筑工程學院，江蘇 泰州 225300；2江蘇省江建集團有限公司，江蘇 揚州 225200)

1 引 言

混凝土的抗壓強度是表征混凝土材料力學性能最直觀和最常規的參數，而熱膨脹系數是混凝土重要的早期熱、力學計算參數之一。抗壓強度的影響因素較多，主要因素是膠凝材料本身和水膠比，粗骨料強度是次要因素；熱膨脹系數的影響因素中，由試驗可知，粗骨料自身的熱膨脹系數[1]影響較大；同樣，膠凝材料的熱膨脹系數影響較大，在經歷相同溫度變化時，由于其間的熱膨脹系數不同，會產生溫度自應力，從而影響混凝土的抗壓強度。因此，建立抗壓強度和熱膨脹系數之間的聯系，對于深入了解基本概念并從本質上掌握兩個重要指標具有現實意義。

2 熱變形與抗壓強度試驗

2.1 試驗方案

混凝土材料早期熱變形試驗考慮的因素有粗骨料種類、粉煤灰摻量、外加劑種類及摻量等，澆筑模具和熱變形測量相結合[2]，試件的尺寸為100mm×100mm×500mm的長方體；在制作熱變形試驗試件時，同時制作抗壓強度試驗所需的邊長為150mm的立方體試塊。粗骨料選擇了7種，分別為2種石灰石（骨料a-6.07和b-4.20）、2種花崗巖（骨料d-4.60和e-6.23）、1種片麻巖（骨料c-5.47）、1種石英石（骨料g-8.34）和1種卵石（骨料f-9.51），括號中的數字為其熱膨脹系數，單位×10-6/℃，水灰比均為0.48。粉煤灰摻量選擇了4種，分別為15%、30%、45%和60%，水灰比均為0.48；外加劑種類選取了5種和2個水平摻量，均來源于南京博特新材料有限公司，為2種高效減水劑(JM-A和JM-PCA(Ⅰ))，泵送劑(JM-Ⅷ)、引氣劑(JM-2000C)以及膨脹劑(JM-ⅢC)各1種。綜上，試件共21組，如表1所示。熱變形試驗采用了自主研發的試驗系統[2]，在混凝土初凝前即可開始試驗，測量混凝土早期熱變形，從而計算熱膨脹系數αc。抗壓強度試驗在混凝土澆筑后28d進行。

表1 試件基本情況表

2.2 試驗結果

21組試件抗壓強度試驗后，結果保留2位小數，如表2所示。混凝土早期熱變形試驗完成后，得到了試件內部溫度變化值和外部變形值，經計算后得到熱膨脹系數。試驗證明：混凝土早期熱膨脹系數αc是變化的，而非定值。在影響因素變化時，穩定后的αc有規律性[3]。混凝土早期熱膨脹系數隨齡期變化的規律性是相似的，圖1所示是粉煤灰摻量為水泥質量30%時即編號為Hnt-13的混凝土αc的變化規律，初凝前αc快速上升，在初凝至終凝之間，αc快速下降至最小值，而后緩慢上升至相對穩定的值。

表2 混凝土28d抗壓強度

圖1 混凝土早期熱膨脹系數時變曲線

3 相關性分析

3.1 粗骨料種類

粗骨料不同的7組混凝土試件澆筑時，澆筑溫度在26.0℃與30.6℃之間，自然養護時混凝土試塊的內部溫度有小幅升高。已知的是，砂漿基體熱膨脹系數大于粗骨料的熱膨脹系數，養護早期砂漿基體的彈性模量遠小于粗骨料的彈性模量，并可認為粗骨料是嵌入在砂漿基體中的。溫度升高時，基體膨脹大于粗骨料，故交結面上有拉應力產生；此后，混凝土溫度降低到室溫20.0℃，而基體的熱膨脹系數降低且粗骨料的熱膨脹系數不變，兩者的交結面上存在自應力。當基體熱膨脹系數變化的差值和粗骨料熱膨脹系數最接近時，交結面上的自應力最小，故整體的抗壓強度最大。在圖2中，當粗骨料熱膨脹系數在5.5×10-6/℃左右時，抗壓強度有最大值。

圖2 抗壓強度與粗骨料熱膨脹系數的關系

3.2 粉煤灰摻量

在摻加粉煤灰的混凝土中，單位抗壓強度的熱膨脹系數隨著粉煤灰摻量的增加而線性增加，如圖3所示。這是因為混凝土抗壓強度隨著粉煤灰摻量的增加而減小，是一次函數；而熱膨脹系數隨著粉煤灰摻量的增加先增加后減小，是二次函數。兩者相比，顯示出一次函數的性質，即為線性。

根據線性關系較強的摻粉煤灰混凝土的變化規律，擬合得到的單位抗壓強度的混凝土熱膨脹系數與粉煤灰摻量的關系，如式1所示，相關系數0.9663。

圖3 單位抗壓強度的熱膨脹系數與粉煤灰摻量的關系

3.3 外加劑

從編號Hnt-12至Hnt-21的10組混凝土試件28d抗壓強度的試驗結果可知，外加劑的摻量和種類對混凝土28d抗壓強度影響較大，如表2所示。10組試件用水灰比、水泥種類、粗骨料種類等均一致，而28d抗壓強度在28.27-45.60MPa之間變化。

圖4 混凝土抗壓強度與熱膨脹系數關系圖

穩定后熱膨脹系數αc與同配合比混凝土28d抗壓強度之間的對應關系，得到的關系圖如圖4所示。由圖4可知，除個別數據外，混凝土穩定后的熱膨脹系數隨著28d抗壓強度的增長而呈現下降的趨勢。在摻外加劑混凝土中，混凝土的抗壓強度越高，其熱膨脹系數有減小的趨勢，即兩者成反比關系。

4 結 語

文中試驗研究了21組不同配合比混凝土早期熱膨脹系數及對應的28d抗壓強度，通過比較研究得到以下結論。

1）相同配合比下，粗骨料熱膨脹系數對混凝土抗壓強度有影響，當粗骨料熱膨脹系數在5.5×10-6/℃左右時，抗壓強度有最大值。

2）摻加粉煤灰混凝土中，單位抗壓強度的熱膨脹系數與粉煤灰摻量呈線性關系。

3）摻加外加劑混凝土中，28d抗壓強度越高，其熱膨脹系數有減小的趨勢，即兩者成反比關系。

[1]黃杰,吳勝興,沈德建.不同粗骨料混凝土早期熱膨脹系數試驗研究[J].結構工程師，2010，26(3):154-158.

[2]河海大學,江蘇順通建設工程有限公司.水泥基材料早齡期線性變形的測量裝置[P].中國專利:CN201247042,2009.

[3]黃杰,袁學鋒,帥映勇,徐軼安.不同水灰比混凝土早期熱膨脹系數試驗研究[J].工業建筑,2017,47(4):127-129,147.

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