水工混凝土早齡期收縮發(fā)展規(guī)律及影響因素試驗研究

(1.水利部科技推廣中心, 北京 100038; 2.建華建材投資有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江212000；3.長江科學院 科技成果推廣中心, 湖北 武漢 430010)

水工混凝土早齡期收縮發(fā)展規(guī)律及影響因素試驗研究

谷金鈺1陶永明2林育強3

(1.水利部科技推廣中心, 北京 100038; 2.建華建材投資有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江212000；3.長江科學院 科技成果推廣中心, 湖北 武漢 430010)

討論分析了在不同水泥品種、不同水膠比、不同摻和料摻量及其復摻組合情況下，混凝土早齡期收縮變形的變化規(guī)律。試驗研究分析結(jié)果表明，混凝土早齡期收縮變形隨齡期延長而增加，但收縮變形速度減緩，且在某一齡期附近明顯減緩，故混凝土收縮變形主要發(fā)生在早齡期；水膠比對混凝土早齡期收縮變形影響較大，但增加水膠比可以減小混凝土早齡期收縮變形；摻加摻和料可降低混凝土早齡期收縮變形。

混凝土；齡期；干縮；開裂時間；早齡期收縮變形；收縮變形速度

1 研究背景

水工混凝土的早期收縮問題已逐漸受到工程界的廣泛重視。隨著水泥和混凝土技術(shù)的進步，水泥顆粒越來越細，混凝土強度和密實度也不斷提高，混凝土的后期收縮相對減小，早期收縮不斷增多，這使得混凝土早齡期裂縫日益嚴重[1]。混凝土一旦開裂，極易形成深層裂縫或貫穿性裂縫，影響工程安全，縮短工程服役壽命。我國水利水電工程建設正處于蓬勃發(fā)展階段，金沙江、雅礱江、瀾滄江等流域的一大批大型和超大型水利水電工程相繼興建，都將面臨這一技術(shù)難題的嚴峻挑戰(zhàn)。

混凝土早齡期裂縫的研究與控制技術(shù)離不開對混凝土早齡期特性的研究。然而，已有的研究、計算、設計及施工控制均依賴于硬化混凝土的性能與技術(shù)指標。受傳統(tǒng)測試技術(shù)的制約，除了強度可以得到相應的重視和測定以外，在混凝土早齡期的收縮變形規(guī)律方面缺乏有效的試驗手段及系統(tǒng)研究，從而嚴重影響了對混凝土早齡期性能規(guī)律的總體把握及深入了解。

本文結(jié)合典型水利水電工程，以預防混凝土早齡期裂縫的產(chǎn)生、發(fā)展及控制為目的，系統(tǒng)研究約束條件下混凝土早齡期的收縮變形發(fā)展規(guī)律，為水工混凝土結(jié)構(gòu)的設計、施工和運行提供科學技術(shù)支持。

2 原材料及混凝土收縮試驗方案

2.1 試驗原材料

試驗采用3種水泥，分別為42.5華新中熱水泥、42.5華新低熱水泥、42.5天山普硅水泥，骨料采用灰?guī)r人工砂和人工碎石，外加劑選用江蘇博特高效減水劑JM-II和引氣劑GYQ。檢測結(jié)果顯示，上述材料除人工砂細度模數(shù)偏大外(2.93)，其他性能指標均滿足相應規(guī)范的技術(shù)要求。摻和料分別采用曲靖I級粉煤灰、礦渣粉和灰?guī)r石粉，摻和料相關(guān)品質(zhì)檢測結(jié)果見表1～3。

表1 粉煤灰品質(zhì)檢測結(jié)果

表2 礦渣粉品質(zhì)檢測結(jié)果

表3 石灰石粉檢測檢驗結(jié)果

2.2 混凝土收縮試驗方案

參照SL352-2006《水工混凝土試驗規(guī)程》成型一級配混凝土，骨料為小石，砂率為42%，配置成C30混凝土。采用相同水膠比下不同摻和料及不同水泥品種的方案，分別比較相同水膠比條件下各種膠凝材料組合及相同膠凝材料條件下不同水膠比的混凝土早齡期收縮變形規(guī)律，具體試驗方案見表4。

表4 混凝土收縮試驗方案

3 混凝土早齡期收縮變形試驗

混凝土早齡期收縮變形試驗試件尺寸為100 mm×100 mm×500 mm，混凝土試件成型后，直接移入標準養(yǎng)護室直接采用NJ-NES型非接觸式測定儀進行收縮變形測試。該儀器適用于測定自成型后任意時段的自由收縮變形，也可用于無約束狀態(tài)下早齡期混凝土與外界隔絕濕交換的條件下自收縮變形測定。

3.1 水泥品種對早齡期收縮變形的影響

相同水膠比下，不同水泥品種的混凝土早齡期收縮變形試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同水泥品種混凝土早齡期收縮率隨時間的變化

從圖1可知，水泥品種對混凝土收縮變形有較大影響。混凝土早齡期收縮變形隨齡期延長而逐漸增加，且變形增加趨勢減緩，20 h齡期后收縮變形速度明顯減小；華新低熱水泥混凝土的收縮變形小于華新中熱水泥，天山普硅水泥最小；華新中熱水泥混凝土的收縮變形速度大于其他兩種水泥，天山普水泥混凝土收縮變形最為緩慢。

華新中熱水泥的比表面積最大，而表面積越大，水泥石中以吸附溶劑層形式存在于亞微觀晶體表面的吸附水就越多，在干燥過程中水泥石的收縮變形就越大[2]。較粗的熟料顆粒水化不完全有抑制混凝土收縮的作用。細顆粒的熟料水化較完全，細顆粒多時，水化速度快，水化凝膠產(chǎn)生得更多，收縮增加。水泥中S03不足時，也會增加混凝土的收縮[3]。

3.2 水膠比對早齡期收縮變形的影響

不同水膠比對華新中熱水泥的混凝土早齡期收縮變形的影響規(guī)律如圖2所示。

圖2 不同水膠比的混凝土早齡期收縮率隨時間變化

從圖2可知，隨著水膠比增加，混凝土早齡期收縮變形總量明顯減小；低水膠比混凝土收縮變形速度大于高水膠比混凝土收縮變形速度，且低水膠比混凝土收縮變形速度變緩時間略微提前。

水膠比降低而其他因素不變時，混凝土內(nèi)總用水量減少，內(nèi)部濕度隨之降低，空毛細孔率愈大，自干燥現(xiàn)象愈嚴重；而且水膠比降低使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實，孔隙細化，混凝土中產(chǎn)生毛細管張力增大，導致混凝土早期自收縮隨水膠比的減小而增大[4]。

3.3 粉煤灰摻量對早齡期收縮變形的影響

不同粉煤灰摻量對華新中熱水泥的混凝土早齡期收縮變形的影響規(guī)律如圖3所示。

圖3 不同粉煤灰摻量的混凝土早齡期收縮率隨時間變化

從圖3可知，隨著粉煤灰摻量增加，混凝土早齡期收縮變形呈減小趨勢；且混凝土的收縮隨齡期增加而增加的趨勢變得平緩。但粉煤灰摻量在15%～25%變化時，其摻量變化對混凝土收縮變形總量和速率影響不明顯。

摻入粉煤灰后，水泥用量相對減少，降低了早期的混凝土硬化速度，相對減弱了內(nèi)部自干燥程度，自收縮減少。混凝土的自收縮隨粉煤灰摻量的增加而降低，特別是早期收縮降低得非常明顯。在相同水膠比下，粉煤灰的摻量不超過20%時，對混凝土性能的影響不大，只是混凝土的溫升稍有降低。只有摻量超過25%時，粉煤灰對混凝土的性能才會有明顯的改善[5-7]。

3.4 礦渣粉摻量對早齡期收縮變形的影響

不同礦渣粉摻量對華新中熱水泥的混凝土早齡期收縮變形的影響規(guī)律如圖4所示。

從圖4可知，隨著礦渣粉摻量增加，混凝土收縮變形量呈減小趨勢。礦渣粉摻量在25%～35%變化時，前60 h的收縮量變化不大，但60 h后，摻25%礦渣粉混凝土的收縮變形量明顯上升，摻35%礦渣粉混凝土的收縮變形量明顯下降。

圖4 不同礦渣粉摻量的混凝土早齡期收縮率隨時間變化

磨細礦渣對混凝土早期收縮的影響與摻量、齡期等有關(guān)。摻量較多時因強度發(fā)展緩慢，能明顯降低自身收縮，但卻對早期干燥收縮不利，有可能使混凝土干燥條件下的總收縮值反而大于基準混凝土，因此，應對此類混凝土加強早期保濕養(yǎng)護。

3.5 石粉摻量對早齡期收縮變形的影響

不同石粉摻量對華新中熱水泥混凝土的早齡期收縮變形的影響規(guī)律如圖5所示。

從圖5可知，隨著石粉摻量增加，混凝土早齡期收縮變形呈減小趨勢，20 h前收縮變形速率也隨著石粉摻量的增加而減小，20 h后其收縮變形量變化不大。摻35%的石粉混凝土在100 h后，其收縮變形量還略有降低。

石粉與水泥顆粒相比，其表面較為光滑，需水量較低，可以使相同水膠比條件下的水泥石漿體中保留相對較多的自由水，從而減少其收縮。另外，石灰石粉顆粒中的CaCO3可以與水泥顆粒中的C3A發(fā)生反應，生成膨脹性水化產(chǎn)物C3A·CaCO3·11H2O以補償收縮。石灰石粉的微集料效應，填充了水泥石內(nèi)部的孔隙，并且改善了孔結(jié)構(gòu)，有利于改善混凝土的早期收縮。

3.6 復摻粉煤灰-石粉對早齡期收縮變形的影響

復摻粉煤灰-石粉對華新中熱水泥混凝土的早齡期收縮變形的影響規(guī)律如圖6所示。

圖6 粉煤灰-石粉復摻組合的混凝土早齡期收縮變形

從圖6可知，相對于純水泥，復摻粉煤灰-石粉可減小混凝土早齡期收縮變形，減緩混凝土早齡期收縮變形速度，且相比于石粉，粉煤灰摻量對混凝土早齡期收縮變形影響較大。

4 結(jié) 論

本文采用混凝土早齡期收縮變形儀研究了水泥品種、水膠比、粉煤灰摻量、礦渣粉摻量、石粉摻量、粉煤灰-石粉復摻等因素對混凝土早齡期收縮變形的影響，得出結(jié)論如下。

(1) 混凝土早齡期收縮變形隨齡期延長而逐漸增加，收縮變形速度呈變緩趨勢，20 h齡期之后收縮變形速度明顯減小，由此得出，混凝土收縮變形大部分發(fā)生在1 d齡期之內(nèi)。主要原因是混凝土在1 d齡期內(nèi)水分蒸發(fā)較快，之后水分蒸發(fā)逐漸變緩，而混凝土收縮主要為干燥收縮。

(2) 低熱水泥混凝土的早齡期收縮變形低于中熱水泥的混凝土早齡期收縮變形，且低熱水泥混凝土的早齡期收縮變形速度小于中熱水泥混凝土的早齡期收縮變形速度。

(3) 水膠比增加，混凝土早齡期收縮變形減小，混凝土收縮變形速度減低，且混凝土收縮變形速度變緩時間提前。主要原因是水膠比降低時，混凝土內(nèi)總用水量減少，內(nèi)部濕度降低，毛細孔率加大，自干燥現(xiàn)象變得嚴重；而且水膠比降低使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實，孔隙細化，混凝土中產(chǎn)生毛細管張力增大，即混混凝土早期自收縮隨水膠比的減小而增大。

(4) 隨著摻和料摻量增加，混凝土早齡期收縮變形呈減小趨勢，混凝土收縮變形速度也呈減小趨勢，但摻和料摻量在25%～35%變化時，其摻量變化對混凝土早齡期收縮變形影響不明顯。所有摻和料中，粉煤灰摻量對混凝土早齡期收縮變形影響最大。主要原因是摻入摻和料后，水泥用量相對減少，降低了早期的混凝土硬化速度，相對減弱了內(nèi)部自干燥程度，自收縮減少。

[1] 袁瑛，何琳. 加摻合料高性能混凝土早齡期收縮特性[J]. 哈爾濱工業(yè)大學學報，2004，36(12)：1615-1618.

[2] 楊華全，王迎春，周世華，等．混凝土早齡期性能與開裂敏感性的測試技術(shù)[J]．混凝土，2009(5)：24-25．

[3] Wiegink K, Marikunte S, Shah S P. Shrinkage cracking of high strength concrete[J]．ACI Materials Journal.1996，(93)5：409-415.

[4] 楊全兵．高性能混凝土的自收縮機理研究[J] ．硅酸鹽學報，2000，28(S)：72-75．

[5] 安明喆．高性能混凝土自收縮的研究[D] ．北京：清華大學，1999．

[6] 翁家瑞．高性能混凝土的干燥收縮和自生收縮試驗研究[D]．福州：福州大學，2005．

[7] 高小建，巴恒靜．加摻合料高性能混凝土早齡期收縮特性[J]．哈爾濱工業(yè)大學學報，2004，36(12)：1615-1617．

2017-08-14

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFB0303601)；國家自然科學基金項目(51479011)

谷金鈺，男，水利部科技推廣中心，工程師.

林育強，男，長江科學院科技成果推廣中心，高級工程師.E-mail:113697906|@qq.com

1006-0081(2017)12-0049-04

TV431

A

(編輯：李慧)