超高摻粉煤灰混凝土早齡期自生收縮研究

趙志方，章 斌，李 超

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310023；2.浙江省工程結(jié)構(gòu)與防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310023)

粉煤灰代替波特蘭水泥摻入大體積混凝土中，不僅起到了綠色環(huán)保的作用，還大大改善了混凝土的各項(xiàng)性能[1]。但目前對(duì)超高摻粉煤灰混凝土的研究尚少[2]。此外，混凝土開(kāi)裂問(wèn)題一直以來(lái)是建筑工程界密切關(guān)注的問(wèn)題[3-4]。德國(guó)Springenschmid教授[5]研制的開(kāi)裂試驗(yàn)架用于研究混凝土早齡期的開(kāi)裂敏感性。2002年，我國(guó)學(xué)者覃維祖教授課題組研發(fā)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)[6]，用于研究混凝土早期開(kāi)裂敏感性的影響因素。隨后的研究表明，自生體積變形是影響混凝土開(kāi)裂的重要影響因素之一[7]。

混凝土的自生體積變形主要包括化學(xué)收縮和自生收縮兩部分。當(dāng)拌制的混凝土仍處于半液半固態(tài)時(shí)化學(xué)收縮基本表現(xiàn)為自生收縮。而在初凝前后，水泥石骨架逐漸形成，大量孔隙結(jié)構(gòu)形成，化學(xué)收縮遠(yuǎn)大于自生收縮[8]。自20世紀(jì)90年代起，向混凝土中摻入各種礦物摻合料和化學(xué)添加劑以提高混凝土的性能，這一舉措使得自生收縮現(xiàn)象凸顯出來(lái)。自生收縮主要發(fā)生于早齡期，該時(shí)期混凝土的各項(xiàng)力學(xué)性能還不穩(wěn)定，自生收縮引起的約束應(yīng)力不利于混凝土的抗裂性。研究表明水膠比、溫度等是影響混凝土自生收縮的主要因素[9-10]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者結(jié)合自生收縮影響因素建立一些混凝土自生收縮預(yù)測(cè)模型：日本JIS技術(shù)委員提出的模型考慮了水膠比對(duì)自生收縮的影響[11]，文獻(xiàn)[10]提出的自生收縮模型考慮了溫度對(duì)自生收縮的影響。超高摻粉煤灰混凝土是一種有發(fā)展前景的綠色高性能混凝土[2,12]，目前還沒(méi)有對(duì)此自生收縮變形的研究。為便于工程應(yīng)用對(duì)比，筆者以粉煤灰摻量為80%的超高摻粉煤灰混凝土和粉煤灰摻量為35%的基準(zhǔn)混凝土兩種大壩混凝土為研究對(duì)象進(jìn)行溫度應(yīng)力試驗(yàn)，基于此研究?jī)煞N混凝土的自生收縮變形，綜合考慮主要的影響因素，提出兩種混凝土的自生收縮模型，為預(yù)測(cè)超高摻粉煤灰混凝土的自生收縮和開(kāi)裂敏感性提供參考。

1 溫度-應(yīng)力試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)原材料及配合比

本試驗(yàn)采用與某大壩一致的筑壩原材料：水泥采用湖北華新水泥廠生產(chǎn)的華新P.O-42.5普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料和粗骨料均采用同一壩料場(chǎng)生產(chǎn)的人工砂和人工碎石；粉煤灰采用是荊門(mén)Ⅲ級(jí)粉煤灰；引氣劑采用山東銀凱生產(chǎn)的NOF-AE引氣劑；試驗(yàn)所用水采用實(shí)驗(yàn)室普通自來(lái)水。

本次試驗(yàn)共配制了粉煤灰摻量為35%和80%的兩種混凝土。其中摻量為35%的基準(zhǔn)粉煤灰混凝土(以下用“FA”表示)采用的減水劑為萘系減水劑，摻量為80%的超高摻粉煤灰混凝土(以下用“UHVFA”表示)采用的減水劑為馬貝聚羧酸X404高效減水劑。兩種不同粉煤灰摻量的混凝土配合比如表1所示。

表1 粉煤灰混凝土配合比Table 1 Mix proportion of fly ash concrete

1.2 試 驗(yàn)

采用溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)(TSTM)對(duì)兩種不同粉煤灰摻量的混凝土進(jìn)行溫度應(yīng)力試驗(yàn)(TST)。試件的實(shí)際尺寸如圖1所示，有效尺寸為150 mm×150 mm×1 500 mm。

圖1 試件尺寸(單位：mm)Fig.1 Sample size (unit: mm)

1.2.1 養(yǎng)護(hù)模式

試驗(yàn)分別在絕熱模式和溫度匹配模式兩種不同的養(yǎng)護(hù)模式下進(jìn)行。進(jìn)行絕熱養(yǎng)護(hù)模式時(shí)，試件芯部和TSTM模板中循環(huán)介質(zhì)兩者的溫度差在0.3 ℃之間，當(dāng)溫度達(dá)到溫峰值后維持該溫度繼續(xù)養(yǎng)護(hù)一天，再以1 ℃/h的速率進(jìn)行降溫，冷卻至試件開(kāi)裂。進(jìn)行溫度匹配養(yǎng)護(hù)模式時(shí)，溫度養(yǎng)護(hù)的引導(dǎo)曲線的上升段通過(guò)大壩三維有限元程序計(jì)算獲得[13]，降溫段以1 ℃/h的速率降溫至試件開(kāi)裂。

1.2.2 溫度-應(yīng)力試驗(yàn)

溫度-應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)的工作原理可見(jiàn)文獻(xiàn)[14]。每組試驗(yàn)包含一根約束試件和一根自由試件。將新拌混凝土直接澆筑于TSTM試模中，澆筑的試件用塑料薄膜進(jìn)行密封包裹，避免混凝土與外界發(fā)生水分交換，從而不計(jì)干縮影響。澆筑完畢后，將溫度傳感器穿過(guò)上水板蓋插入試件內(nèi)部，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試件溫度。溫度應(yīng)力試驗(yàn)可測(cè)試獲得試件的溫度、變形和應(yīng)力的發(fā)展。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

由TSTM試驗(yàn)獲得兩種混凝土在不同養(yǎng)護(hù)模式下的溫度歷程發(fā)展曲線如圖2所示。通過(guò)TSTM測(cè)得兩種不同粉煤灰摻量的混凝土在兩種養(yǎng)護(hù)模式下自由試件的應(yīng)變隨齡期發(fā)展曲線如圖3所示。

圖2 兩種養(yǎng)護(hù)模式下混凝土的溫度歷程發(fā)展曲線Fig.2 Temperature history curves of concretes under two different curing modes

圖3 兩種養(yǎng)護(hù)模式下混凝土的應(yīng)變發(fā)展曲線Fig.3 Strain development curves of concretes under two different curing modes

2 混凝土早齡期變形分離

2.1 等效齡期

對(duì)于給定配合比的混凝土，其成熟度主要取決于養(yǎng)護(hù)溫度和齡期。Rastrup等[15]提出的等效齡期概念是將變溫養(yǎng)護(hù)條件下水泥基材料達(dá)到相同的成熟度，等效為養(yǎng)護(hù)溫度為20 ℃恒溫條件下的時(shí)間。等效齡期經(jīng)離散化處理可表示為

(1)

式中：te為等效齡期；Ti為i時(shí)刻對(duì)應(yīng)的養(yǎng)護(hù)溫度；Δti為時(shí)間間隔；R為普適氣體常數(shù)，取值為8.315 J/(mol·K)；Ea為水化反應(yīng)的特征活化能，其取值參照文獻(xiàn)[16]。

圖4為不同混凝土在兩種養(yǎng)護(hù)模式下的等效齡期和實(shí)際齡期關(guān)系圖。

圖4 兩種養(yǎng)護(hù)模式下混凝土的等效齡期轉(zhuǎn)換Fig.4 Equivalent age conversions of concretes under two differentcuring modes

2.2 熱膨脹系數(shù)擬合

測(cè)得的自由試件應(yīng)變包括自收縮應(yīng)變和溫度應(yīng)變。在兩種不同溫度歷程養(yǎng)護(hù)下，對(duì)于給定混凝土，結(jié)合等效齡期，可得如文獻(xiàn)[17]中的公式，即

ε1(te)=∑αT1(te)·ΔTi+εA1(te)

(2)

ε2(te)=∑αT2(te)·ΔTi+εA2(te)

(3)

式中：ε1(te)和ε2(te)為兩種溫度歷程下監(jiān)測(cè)到的自由應(yīng)變隨等效齡期的發(fā)展函數(shù)；αT1(te)和αT2(te)為兩種溫度歷程下混凝土熱膨脹系數(shù)隨等效齡期的發(fā)展函數(shù)；ΔTi為溫度發(fā)展增量；εA1(te)和εA2(te)為兩種溫度歷程下混凝土自收縮隨等效齡期的發(fā)展函數(shù)。

Viviani等[18]的研究指出：在一定溫度養(yǎng)護(hù)范圍內(nèi)成熟度是影響熱膨脹系數(shù)和自收縮應(yīng)變發(fā)展的唯一因素。因此可推得熱膨脹系數(shù)的表達(dá)式，即

(4)

由兩種不同溫度歷程下混凝土的變形差和溫度差的關(guān)系獲得混凝土早齡期的熱膨脹系數(shù)。通過(guò)繪制溫度差和變形差的坐標(biāo)點(diǎn)并擬合關(guān)系曲線，求得若干等效齡期時(shí)間段內(nèi)關(guān)系曲線的斜率即可近似估算出隨等效齡期變化的熱膨脹系數(shù)值。基于此，進(jìn)一步得出早齡期混凝土熱膨脹系數(shù)發(fā)展模型為

(5)

式中：αh為熱膨脹系數(shù)發(fā)展穩(wěn)定值；a和b為待定系數(shù)。結(jié)合溫度應(yīng)力試驗(yàn)獲得的熱膨脹系數(shù)，得到模型的擬合參數(shù)：FA的αh=7.06，a=100，b=1.7；UHVFA的αh=5.23，a=5 000，b=2.1。

2.3 自生收縮變形分離

由擬合得到的熱膨脹系數(shù)發(fā)展模型和試驗(yàn)機(jī)實(shí)測(cè)的自由試件的應(yīng)變值可分離得到自收縮應(yīng)變，即先通過(guò)熱膨脹系數(shù)發(fā)展模型求得溫度應(yīng)變，再將試驗(yàn)實(shí)際測(cè)得的自由應(yīng)變值減去該值，獲得自生收縮應(yīng)變值，即

εA(te)=εtot(te)-∑αT(te)·ΔT

(6)

3 混凝土早齡期自生收縮發(fā)展模型

在張濤和康秋波等[19-20]等自生收縮模型的基礎(chǔ)上，考慮成熟度的影響，提出粉煤灰混凝土早齡期自生收縮發(fā)展統(tǒng)一模型，即

(7)

式中：εca(te)為等效齡期te時(shí)刻混凝土的自生收縮應(yīng)變值；ε0為自收縮最終穩(wěn)定值；t0為混凝土初凝時(shí)間；μ和η為待定擬合系數(shù)。本研究FA初凝時(shí)間為8.33 h，UHVFA初凝時(shí)間為28.67 h。

兩種不同粉煤灰摻量的混凝土最大的差別在于自生收縮發(fā)展穩(wěn)定后的終值上。由于TSTM只能測(cè)得試件開(kāi)裂前的自生收縮應(yīng)變值，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)得自生收縮發(fā)展到最后的穩(wěn)定值。所以本研究在用式(7)計(jì)算自生收縮應(yīng)變時(shí)，取混凝土在等效齡期為168 h時(shí)的自生收縮應(yīng)變值為參考點(diǎn)，即讓模型計(jì)算的自生收縮應(yīng)變值與前面已分離出的168 h齡期時(shí)的自生收縮值一致。將之前變形分離出的自生收縮應(yīng)變值結(jié)合自生收縮模型帶入Origin數(shù)據(jù)分析軟件中擬合待定參數(shù)，結(jié)果為：FA的ε0=73，μ=24，η=1.2；UHVFA的ε0=35，μ=20，η=1.3。兩種混凝土自生收縮應(yīng)變發(fā)展曲線如圖5所示。

圖5 兩種混凝土自生收縮應(yīng)變發(fā)展曲線擬合Fig.4 Autogenous shrinkage development fitting curve of two different concretes

由圖5可見(jiàn)：UHVFA的自生收縮發(fā)展比FA的小，提出的兩種混凝土的自生收縮應(yīng)變發(fā)展模型與變形分離出的自生收縮應(yīng)變發(fā)展曲線吻合度較高，該模型能較為準(zhǔn)確地描述兩種不同粉煤灰摻量混凝土早齡期自生收縮的發(fā)展規(guī)律和獲得其早齡期自生收縮值，為預(yù)測(cè)混凝土的開(kāi)裂敏感性提供依據(jù)。

4 結(jié) 論

基于等效齡期，考慮溫度對(duì)成熟度發(fā)展的影響，從TSTM實(shí)測(cè)的自由試件的應(yīng)變中分離獲得溫度變形和自生收縮變形。結(jié)果表明UHVFA的自生收縮發(fā)展比FA的小。基于兩種溫度歷程下的TSTM試驗(yàn)結(jié)果，提出兩種混凝土的熱膨脹系數(shù)模型和自生收縮模型，可預(yù)測(cè)這兩種混凝土特別是新研發(fā)的超高摻粉煤灰混凝土用于工程時(shí)的變形發(fā)展規(guī)律，為估算結(jié)構(gòu)混凝土的約束應(yīng)力和評(píng)價(jià)其開(kāi)裂敏感性提供依據(jù)。