摻礦渣的高強混凝土早齡期拉伸徐變試驗研究

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(1.浙江工業大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310014；2.浙江省工程結構與防災減災技術研究重點實驗室，浙江 杭州 310014；3.浙江華威建材集團有限公司，浙江 杭州 310018)

摻礦渣的高強混凝土早齡期拉伸徐變試驗研究

楊楊1,2，陳瑨1，樓曉天1，倪彤元1,2，王章夫3

(1.浙江工業大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310014；2.浙江省工程結構與防災減災技術研究重點實驗室，浙江 杭州 310014；3.浙江華威建材集團有限公司，浙江 杭州 310018)

對含活性礦物摻合料高強混凝土早齡期拉伸徐變特性的研究，能夠為服役期高強混凝土的高精度應力解析及開裂預測提供重要參數.以0.3水膠比、50%礦渣摻量的高強混凝土為對象，利用本研究團隊自行設計的早齡期拉伸基本徐變試驗裝置，對在不同加載應力強度比(0.2，0.3，0.4)和不同加載齡期(1，2，3，5，7 d)情況下的混凝土早齡期拉伸徐變進行了試驗研究.結果表明：2 d及之后的加載齡期下不同應力強度比的比徐變經時變化曲線基本重合，比徐變表現出較明顯的線性特征.加載齡期對于徐變的影響在3 d之前加載時特別明顯，7 d及之后加載齡期對徐變基本無影響.

拉伸徐變；早齡期；礦渣；高強混凝土

高強混凝土早期體積變化大，容易發生早期開裂已經成為研究人員的共識[1].混凝土開裂的評價要素包括體積變化(脹縮區分、數值大小和發展速度)，約束程度(周邊結構、基層種類和應變梯度)，以及力學性能(抗拉強度、彈性模量、極限應變和拉伸徐變)等.其中早齡期拉伸徐變是評價早齡期開裂的一個重要指標[2].現有研究發現：對于結構中受約束的混凝土，尤其是對早齡期混凝土，徐變能夠松弛其60%以上體積變化造成的拉應力，即徐變在緩解拉應力，延緩開裂方面起著重要作用[3].而目前關于高強混凝土早齡期拉伸徐變的研究較少[4]，研究含活性礦物摻合料高強混凝土的早齡期拉伸徐變更是寥寥[5]，對早齡期拉伸徐變的評價大多數直接應用成熟混凝土的壓縮徐變研究成果，其誤差較大[6-7].可見：在摻合料廣泛使用的現今[8]，研究含活性礦物摻合料的高強混凝土早齡期拉伸徐變特性具有重要的理論與實踐意義.

筆者以0.3水膠比、50%礦渣摻量的高強混

凝土為研究對象，在與外界無水分交換條件下，試驗探究不同加載應力強度比(0.2，0.3，0.4)和不同加載齡期(1，2，3，5，7 d)的早齡期拉伸徐變特性，也即不考慮干燥影響的拉伸徐變(拉伸基本徐變).

1 試驗概要

1.1 原材料與配合比

采用42.5級普通硅酸鹽水泥，密度3 100 kg/m3；細骨料為機制砂，細度模數2.40，密度2 630 kg/m3；粗骨料為碎石，粒徑5～31.5 mm，密度2 950 kg/m3；減水劑為聚羧酸系高效減水劑；礦渣為S95級礦渣.混凝土的水膠比為0.3，拌合物的坍落擴展度控制在(530±20) mm以滿足高流動性要求.混凝土的配合比如表1所示.

表1 混凝土配合比1)Table 1 Mix proportions of the concrete

注：1) C為P.O.42.5普通硅酸鹽水泥；W為水；S，G分別為砂、石；BS為S95級礦粉；A=S+G；2) SP為聚羧酸高效減水劑.

1.2 試驗方法

由于在徐變測定的同時，混凝土會發生非荷載引起的變形(如自收縮和溫度變形)，為得到準確的徐變值必須將這種變形扣除.因此，本研究對自由收縮和拉伸徐變同時進行測定.兩種試件來自同一批次混凝土，試件的尺寸統一為100 mm×100 mm×400 mm，每組均采用2個平行試件.混凝土入模后即時包裹塑料薄膜，放置在溫度為(20±1) ℃的室內，并覆蓋潮濕無紡布養護.

自由收縮試件拆模后依次用塑料膜和鋁箔膠帶密封，保證試件與外界無水分交換，齡期為12 h時開始測量自由收縮.拉伸徐變試件成型至1 d加載齡期前拆模，同樣用塑料膜和鋁箔膠帶將其密封，對應加載齡期前在試件兩側需粘貼應變片處先薄涂膠粘劑，待其硬化后在其上粘貼應變片.至所設定的加載齡期(1，2，3，5，7 d)時施加對應應力強度比(0.2，0.3，0.4)的拉伸荷載，同時測定上述條件下的總應變.自由收縮的測定系統和拉伸徐變的加載測量裝置均采用了本研究團隊自行設計的方法[9-10].該裝置由加載和量測兩部分構成，可對上述2試件同時實現水平方向拉伸加載.加載部分的油泵、千斤頂控制加載速度和荷載大小，壓縮彈簧用以維持荷載恒定，試件兩端與試件之間通過萬向軸承連接以保證軸心受拉，這部分在槽鋼上實現自平衡.量測部分由設置在試件兩端的荷載傳感器、試件兩側粘貼的電阻應變片、試件中埋設的熱電偶、數據采集儀和計算機構成，并予以監控和數據采集.

2 結果與討論

2.1 自收縮應變

密封狀態下混凝土試件的自由收縮應變包括了自收縮和溫度應變，通過測得的自由收縮應變扣除對應溫度應變得到自收縮應變.圖1為非荷載作用下自收縮應變從0.5～28 d的經時變化曲線.由圖1可知：摻50%礦渣高強混凝土的自收縮在3 d內發展較快，自收縮應變達到216×10-6，占28 d自收縮應變的54.1%，尤其在1 d內自收縮發展得十分迅速，自收縮應變達到120×10-6，占到28 d應變值的30.0%，3 d齡期往后自收縮速率開始逐漸減緩，最終28 d時自收縮應變達到約400×10-6.由自收縮試件的溫度變化曲線可以看出：摻50%礦渣的高強混凝土水化的溫升最高點出現在齡期為14 h左右，且于2 d左右回落至養護溫度.

圖1 自收縮應變的經時變化Fig.1 Time dependent change of autogenous shrinkage strain

相同水灰比下，葉德艷[5]在不含摻合料的高強混凝土自收縮研究中發現：1 d的自收縮應變達到85×10-6，占30 d自收縮應變的26%.通過對比發現：摻礦渣的1 d自收縮不僅應變值大而且速率也快，礦渣早期能加劇收縮.楊超越、陳波等在摻粉煤灰、礦渣的高強高性能混凝土自收縮特性研究中也得出過摻礦渣混凝土自收縮速率的類似結論[11].這可能是由于較細的礦渣微粉的二次水化反應引起的毛細孔負壓和內部相對濕度的降低一定程度上加劇了早期自收縮.

2.2 基本拉伸徐變

拉伸徐變試件的全應變包括了彈性應變、自收縮應變、溫度應變和基本徐變應變.由圖2中自由收縮試件和拉伸徐變試件的內部溫度對比可以看出：加載后兩者的溫差在0.5 ℃內，即兩者之間的溫度應變相差甚小.因此，為得到基本徐變只需從測得的全應變中扣除測得的自由收縮應變和加載時的彈性應變即可，可忽略溫度應變的影響.

圖2 混凝土試件內部溫度經時變化曲線Fig.2 Time dependent change of internal temperature of concrete specimens

圖3(a)是加載齡期為1 d時，三個不同應力強度比情況下的基本徐變經時變化曲線.可以看出：應力強度比越大，拉伸基本徐變值也越大，鑒于其他四個齡期也有相同結論.可以認為：摻50%礦渣的高強混凝土在同一加載齡期時，應力強度比越大，基本徐變越大.圖3(b)是應力強度比為0.3時，不同加載齡期情況下的基本徐變曲線，從圖3中可以發現：加載齡期為1 d時基本徐變最大，2 d其次，7 d時最小.但1，2 d加載時的基本徐變應變在加載后期差別不大，而3，5，7 d加載時的基本徐變應變則較為接近；在齡期為28 d時，前者(1，2 d加載)的基本徐變值約是后者(3，5，7 d加載)的2倍，0.2，0.4應力強度比情況下同樣有這種現象.這可能是由于1，2 d加載齡期時，混凝土內部結構尚未密實，內部的可移動凝膠水較多[12]，表現出了較大的徐變能力；隨著礦渣的二次水化的進行，3 d齡期以后混凝土內部結構日趨致密，內部可移動的凝膠水較少，徐變能力較小，因而加載齡期對徐變的影響減弱.

圖3 拉伸基本徐變Fig.3 Basic tensile creep

2.3 拉伸徐變特性

為描述拉伸徐變變化規律，通常通過分析比徐變、徐變系數和徐變速度等基本特征參數對徐變進行評價.首先從比徐變(單位應力作用下的徐變應變)這一特征參數來研究應力強度比和加載齡期對拉伸徐變的影響.圖4為不同加載齡期和不同應力強度比情況下的比徐變經時變化曲線，可以看出：摻50%礦渣的高強混凝土在加載齡期為1 d時不同應力強度比的比徐變差異較其之后的加載齡期稍大，在2 d及以上齡期加載時，不同應力強度比下的比徐變經時變化曲線基本重合，比徐變表現出較明顯的線性特征，可認為在2 d及以上齡期加載時，應力強度比對比徐變基本無影響.基于成熟齡期普通混凝土壓縮徐變的Davis-Granville法則認為：當加載應力強度比為0.4以內時，徐變與作用應力成線性關系，即任意加載齡期下的混凝土比徐變曲線應重合[12].由以上分析，可認為Davis-Granville法則對摻加50%礦渣的高強混凝土拉伸徐變在2 d及以上齡期加載的情形下也是基本適用的.

圖4 不同加載齡期和不同應力強度比的比徐變Fig.4 Specific creep at different loading ages and stress/strength rate

比較圖4中同一應力強度比(如0.3)不同加載齡期的比徐變曲線，可以發現：加載齡期為1，2 d 的比徐變較其之后齡期的比徐變大得多，比徐變數值也隨著加載齡期的推移在不斷減小，加載齡期為3，5，7 d時的比徐變曲線較為接近，可認為在7 d及其之后加載時加載齡期對于徐變基本無影響.

再通過徐變系數(徐變應變與加載時的彈性應變之比)和徐變速度(單位持荷時間內所發生的比徐變)來研究加載齡期對于拉伸徐變的影響.圖5為0.3應力強度比不同加載齡期的徐變系數經時變化曲線.可以看出：加載齡期為1，2 d時的比徐變系數較其之后齡期的差異很大，表明此加載齡期對于拉伸徐變的影響相當敏感，此時混凝土內部結構尚未密實，彈性模量較低，所以徐變系數增長較快，而3，5，7 d時內部結構基本密實，徐變差異較小.圖6是0.3應力強度比情況下的徐變速度比較，徐變速度(0～2 d)定義為加載后持荷2 d內平均每天完成的比徐變.由(0～2 d)的曲線可以看出：1，2 d加載時的徐變速度大，徐變能力較強，即加載齡期越早，徐變速度越快且徐變能力越強.隨著加載齡期的推移，3 d加載齡期時的徐變速度已經明顯減小.比較0～2，2～7，7～28 d的三條曲線可以發現：7 d加載齡期時，各個時間段徐變速度都很小且非常接近，可認為在7 d及其之后加載時加載齡期對于徐變基本無影響.其他應力強度比情況下有同樣的結果.

圖5 0.3應力強度比下的徐變系數Fig.5 Creep coefficient at stress/strength rate of 0.3

圖6 徐變速度與加載齡期關系Fig.6 Relationship between creep rate and loading age

3 結 論

通過對摻50%礦渣的高強混凝土早齡期拉伸徐變的試驗研究，并對其自收縮、拉伸基本徐變、比徐變、徐變系數和徐變速度等特性的分析，得出如下結論：摻50%礦渣高強混凝土的自收縮在3 d內發展較快，尤其在1 d內發展得十分迅速，3 d齡期往后自收縮速率開始逐漸減緩.拉伸徐變試件所施加的應力強度比越大，基本徐變越大，同時加載齡期越早，基本徐變越大，但3 d及以后加載時摻礦渣高強混凝土的基本徐變差異較小.加載齡期為1 d時不同應力強度比的比徐變差異較其之后的加載齡期稍大，在2 d及以上齡期加載時，比徐變經時變化曲線基本重合，比徐變表現出較明顯的線性特征，應力強度比對比徐變基本無影響.加載齡期對于徐變特性的影響在1，2 d時尤為顯著，其后齡期3，5，7 d加載時的比徐變和徐變系數曲線都較為接近，徐變速度也較小，7 d及其之后加載時加載齡期對徐變基本無影響.

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(責任編輯：陳石平)

Experimentalstudyontheearly-agetensilecreepofhighstrengthconcretecontainingblastfurnaceslag

YANG Yang1,2, CHEN Jin1, LOU Xiaotian1, NI Tongyuan1,2, WANG Zhangfu3

(1.College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China;2.Key Laboratory of Civil Engineering Structures & Disaster Prevention and Mitigation Technology of Zhejiang Province, Hangzhou 310014, China;3.Zhejiang Huawei Building Materials Group Co., Ltd., Hangzhou 310018, China)

Investigation on the early-age tensile creep behavior of high strength concrete containing active mineral admixtures can provide the important parameters for high-precision stress analysis and crack prediction. In this paper, the basic early-age tensile creep behavior of high strength concrete with 50% blast furnace slag and 0.3 water-binder ratio is studied experimentally. An early-age tensile basic creep testing apparatus designed by our research group is used and the effects of the stress/strength ratio (0.2,0.3, and 0.4) and the loading age (1,2,3,5, and 7 days) on the behavior of basic tensile creep are discussed. The test results show that the creep curves with linear features are substantially coincident for different stress/strength ratios when the loading age is larger than or equal to two days. The effect of the loading age on creep is particularly pronounced when the loading age is smaller than three days but is negligibly small when the loading age is larger than seven days.

tensile creep; early age; blast furnace slag; high strength concrete

2017-02-08

國家自然科學基金資助項目(51378471)

楊 楊(1962—)，男，江蘇揚中人，教授，博士，研究方向為高強高性能混凝土，E-mail:yangyang@zjut.edu.cn.

TU528

A

1006-4303(2017)06-0677-05