早齡期低鈣粉煤灰基地聚物混凝土拉伸徐變特性

趙人達，成正清，文甜，徐騰飛，原元，李健

(西南交通大學 土木工程學院，成都 610031)

與普通水泥混凝土類似，低鈣粉煤灰基地聚物混凝土的抗拉強度僅有其抗壓強度的1/15～1/20，加之存在與普通水泥混凝土相似的早期收縮特性[7-8]，導致其早期開裂風險大，對地聚物混凝土結構的使用壽命產生不利影響，阻礙其工程應用。目前，對混凝土結構早期應力的預測及對開裂風險的評估是工程界廣泛關注的問題[9-11]，而混凝土的拉伸徐變特性是影響混凝土早期開裂的重要因素之一[12]。徐變可以使被約束混凝土的拉應力得以松弛，緩解開裂趨勢，只有當產生的凈拉應力達到混凝土的抗拉強度極限時，開裂才會發生[13-15]。有研究指出，粉煤灰基地聚物混凝土相比較普通水泥混凝土擁有更小的早期收縮與受壓徐變[16-17]，高溫密封養護同樣能夠減小地聚物混凝土的早期收縮量[18]，這無疑有利于地聚物混凝土結構的早期抗裂，但由于目前尚缺乏對地聚物混凝土拉伸徐變特性的研究，因此仍不能全面掌握地聚物混凝土結構的早期抗裂性，阻礙地聚物混凝土在實際工程中的推廣應用。

通過自制混凝土拉伸徐變試驗裝置，建立了混凝土拉伸徐變試驗方法，進行了低鈣粉煤灰基地聚物混凝土早齡期拉伸徐變試驗，探討了不同初始加載齡期對其拉伸徐變的影響。同步進行普通水泥混凝土拉伸徐變試驗，對比兩類混凝土拉伸徐變特性。采用掃描電鏡技術(SEM)對低鈣粉煤灰基地聚物混凝土及普通水泥混凝土進行微觀結構觀測分析，以便更加深刻地認識低鈣粉煤灰基地聚物混凝土拉伸徐變特性。

1 試驗

1.1 原材料

1)粉煤灰、礦渣及水泥 粉煤灰(FA)產自四川成都博磊資源循環開發有限公司，I級，45 μm篩余為7.5%，燒失量2.3%；礦渣(SL)作為鈣源，調節地聚物混凝土凝結時間并促進其早期強度發展；普通水泥混凝土用水泥(C)采用拉法基P.O.42.5R水泥。粉煤灰與礦渣的化學成分如表1所示。

表1 粉煤灰和礦渣化學成分Table 1 Chemical composition of fly ash and slag %

2)堿激發劑 堿激發劑采用水玻璃(Na2SiO3)與氫氧化鈉(NaOH)的復合激發劑。水玻璃產自廣東佛山科凝新材料科技有限公司，為無色黏稠液體，模數2.43，其檢測結果如表2所示。 氫氧化鈉產自四川成都科龍化工試劑廠，為純度≥98.0%的固態圓形顆粒，通過加入城市自來水配置成12 mol/L的氫氧化鈉溶液。

3)集料 粗集料采用5～16 mm連續級配碎石，細集料采用Ⅱ區中粗機制砂。

表2 水玻璃檢測結果Table 2 The test results of sodium silicate solution

1.2 制備方法與養護工藝

表3 混凝土配合比設計Table 3 Mix design of LCFA-GPC and OPC kg/m3

低鈣粉煤灰基地聚物混凝土的制備方法與養護工藝：預先制備復合堿激發劑，將氫氧化鈉溶液與水玻璃充分混合；將粉煤灰、礦渣、粗細集料倒入經過潤濕的混凝土攪拌機，攪拌90 s，使其充分混合；繼續邊攪拌邊加入復合堿激發劑，攪拌90 s；繼續攪拌兩次，每次90 s。將拌合物裝入試模并振動密實兩次，每次120 s。試件澆筑完畢后，首先于室溫下密封靜置24 h，24 h后脫模并使用鋁箔紙包裹試件后放入烘箱，再于80 ℃密封養護24 h。前期試驗研究結果表明，高溫密封養護可以極大地加速低鈣粉煤灰基地聚物混凝土的強度發展，一天內即可達到最終強度的90%左右，且在高溫養護前先將試件于常溫靜置一段時間，可較好地解決地聚物混凝土后期強度發展不穩定的問題。養護結束后，將試件置于實驗室環境中。普通水泥混凝土采用標準養護方法進行養護。

1.3 基本力學性能

為充分了解低鈣粉煤灰基地聚物混凝土的基本力學特性、確定拉伸徐變試驗荷載參數以及計算混凝土彈性應變，按國家標準GB/T 50081—2002測試低鈣粉煤灰基地聚物混凝土與普通水泥混凝土2、7、14、28 d齡期的立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度，描繪其強度發展趨勢；測試2、28 d齡期的軸心抗壓強度和壓縮彈性模量；拉伸彈性模量則是由拉伸徐變試驗中的彈性應變階段推算獲得。

1.4 單軸拉伸徐變試驗

1.4.1 試驗參數 低鈣粉煤灰基地聚物混凝土最早在2 d齡期時即具備較高的抗拉強度，單軸拉伸徐變試驗的荷載水平以混凝土2 d齡期的劈裂抗拉強度為參考，采用應力強度比為0.5。普通水泥混凝土的抗拉強度隨齡期增長，其試驗荷載水平以各加載齡期的劈裂抗拉強度為參考，采用應力強度比為0.5。初始加載齡期分別選取2、3、4 d 3個齡期，加載至各試件達到28 d齡期時停止試驗，研究低鈣粉煤灰基地聚物混凝土的早齡期拉伸徐變特性。整個加載和持荷過程均在溫度(21±1)℃、相對濕度50%±5%的環境中進行。

1.4.2 單軸拉伸應變測試 為保證試件在持荷過程中截面受力均勻，設計啞鈴型單軸拉伸試件，試件拉力均勻段的截面尺寸為35 mm×70 mm，長400 mm。單軸拉伸試驗裝置由加載裝置和測量裝置兩部分組成，通過反力架固定拉伸試件，頂部萬向安全扣保證試件處于單軸拉伸狀態，通過彈簧加載方式控制荷載穩定，彈簧下的壓力傳感器控制荷載水平；由于荷載水平相對較低，單軸拉伸試件變形量較小，考慮到試驗測量精度要求較高、數據采集量較大，采用應變片測量試件平均拉伸應變，應變片分別粘貼于拉伸試件中部兩側，由TST3826F-L靜態應變測試分析系統自動記錄數據，采集周期為10 min。由于試件應變增長速率隨持荷時間的增長逐漸放緩，數據處理的時間間隔可逐漸增大，試驗初期每2 h選取一點，試驗后期每0.5 d選取一點。拉伸徐變試驗裝置如圖1所示。

圖1 拉伸徐變試驗裝置 (單位：毫米)Fig.1 Test set-up of tensile creep (unit: mm)

試驗過程中，試件外表面與空氣直接接觸，測量地聚物混凝土在單軸拉力作用下的總徐變應變。考慮到地聚物混凝土試件的徐變會導致應力松弛，持荷過程中需注意調整彈簧上部螺母以保證荷載恒定。每個加載齡期的徐變應變由3個平行試件的平均值反映，保證試驗數據的可靠性。

拉伸徐變試驗開始前進行預加載，獲得試驗設計荷載水平下的混凝土彈性應變，并計算其拉伸彈性模量。預加載結束后將拉力完全卸載，并重新加載至試驗設計荷載，保持荷載穩定后開始試驗。

1.4.3 非荷載作用下自由收縮應變測試 加載過程中試件除發生徐變外，會同時發生非荷載作用下的自由收縮。為了獲得拉力作用下的徐變應變，必須從總應變中扣除非荷載作用下的自由收縮應變。無荷載作用試件的尺寸、養護條件以及數據采集方法與拉伸試件一致。

拉力作用下的徐變應變按式(1)計算。

εcr=εtotal-εsh-εe

(1)

式中：εcr為拉伸徐變應變；εtotal為總應變；εsh為自由收縮應變；εe為彈性應變。

2 結果與討論

2.1 早齡期基本力學性能

低鈣粉煤灰基地聚物混凝土與普通水泥混凝土的基本力學性能及其抗壓強度、抗拉強度發展曲線如表4和圖2所示。

表4 混凝土基本力學性能Table 4 Mechanical properties of the LCFA-GPC and OPC

表4中：fcc為立方體抗壓強度；fts為立方體劈裂抗拉強度；fcp為軸心抗壓強度；Ec為壓縮彈性模量；Et為拉伸彈性模量。

圖2 低鈣粉煤灰基地聚物混凝土強度發展曲線Fig.2 Strength development curve of the

經過高溫密封養護的低鈣粉煤灰基地聚物混凝土材料強度發展迅速，短時間內即可獲得穩定的壓、拉強度與彈性模量。如表4所示，標準養護條件下的普通水泥混凝土早期強度發展明顯慢于低鈣粉煤灰地聚物混凝土，在28 d齡期時，其劈裂抗拉強度可基本達到與地聚物混凝土相同的水平。通過對比地聚物混凝土的壓縮彈性模量和拉伸彈性模量，發現其拉伸彈性模量與壓縮彈性模量基本相同，且不隨混凝土齡期而變化。

綜上，高溫養護可以使低鈣粉煤灰基地聚物混凝土力學性能迅速發展，在2 d齡期后可基本保持穩定；標準養護普通水泥混凝土力學性能隨齡期增長變化較大。因此，在拉伸徐變試驗階段，試驗參數均以地聚物混凝土2 d齡期時的基本力學性能測試值為基準進行設定，普通水泥混凝土以各加載齡期時的基本力學性能測試值為基準進行設定。各試件初始加載應力如表5所示。

表5 單軸拉伸試件初始加載應力Table 5 Initial stress of uniaxial tensile test specimens

2.2 非荷載作用下的自由收縮

為保證與拉伸徐變試驗的最早加載齡期相同，自由收縮應變自混凝土2 d齡期時開始測量。試驗以2 d齡期混凝土試件為收縮初始狀態，取2 d齡期時混凝土的收縮應變為0。低鈣粉煤灰基地聚物混凝土的自由收縮應變如圖3所示。

圖3 低鈣粉煤灰基地聚物混凝土自由收縮應變的經時變化Fig.3 Time dependent change of free shrinkage

為獲取更優的地聚物混凝土基本力學性能，采用了高溫密封養護方式。密封養護導致試件在試驗開始階段為含水狀態，當試件暴露在實驗室環境中后，失水迅速，發生較快速的干燥收縮，如圖3所示，其收縮應變峰值約50 με，在7 d齡期時達到，這一值遠小于常見的普通水泥混凝土的自由收縮應變(200～700 με)。7 d齡期后，地聚物混凝土試件發生收縮恢復現象，28 d齡期時，基本可恢復到試件的初始狀態，個別試件甚至發生膨脹。

2.3 拉伸徐變

2.3.1 初始加載齡期對拉伸徐變的影響 采用比徐變(Specific creep)與徐變系數(Creep coefficient)進行徐變效應的描述。其計算方法為

C(t,τ) =εcr/σ(τ)

(2)

φ(t,τ) =C(t,τ) ·E(τ)

(3)

式中：t為混凝土齡期；τ為混凝土初始加載齡期；C(t,τ)為比徐變；σ(τ)為初始加載應力；φ(t,τ)為徐變系數；E(τ)為初始加載齡期時混凝土的彈性模量。

如圖4所示，初始加載齡期對低鈣粉煤灰基地聚物混凝土的拉伸徐變影響顯著，初始加載齡期越大，拉伸徐變越小。2 d齡期加載試件的比徐變最大可達到100×10-6MPa，3 d及4 d齡期加載試件的徐變特征較2 d齡期加載試件有明顯衰減，其最大比徐變為55×10-6MPa和34×10-6MPa。由于2 d齡期加載的試件從高溫環境中取出后短時間內即施加荷載，在試件降溫階段，內部聚合反應仍在進行，相比較3 d和4 d齡期已在實驗室環境放置至完全冷卻的試件，2 d齡期加載的試件材料處于不完全穩定狀態，拉伸徐變變形十分明顯，且出現較長的線性變化段。相比較普通水泥混凝土可以看出，相同的初始加載齡期下低鈣粉煤灰基地聚物混凝土比徐變明顯大于普通水泥混凝土，但二者的拉伸徐變規律相似，試驗初期階段比徐變增長較快，試驗后期階段比徐變增長十分緩慢，比徐變曲線接近水平。

圖4 比徐變的經時變化Fig.4 Time dependent change of specific

低鈣粉煤灰基地聚物混凝土的拉伸徐變應變與初始加載齡期呈現出較明顯的非線性。取持荷時間為14 d的試件比徐變，其計算方法為

C14=C(τ+14,τ)-C(τ,τ)

(4)

如圖5所示，低鈣粉煤灰基地聚物混凝土在持荷時間相同的情況下，初始加載齡期越大，比徐變越小，且比徐變的減小速度也在衰減。試件在2 d齡期加載時比徐變最大，約為4 d齡期加載試件的3倍左右。與普通水泥混凝土進行比較，初始加載齡期對兩種混凝土比徐變的影響規律相同，但地聚物混凝土的早齡期拉伸徐變明顯大于普通水泥混凝土，比較2 d齡期加載的試件，地聚物混凝土的比徐變約為普通水泥混凝土的3倍。隨初始加載齡期的增長，地聚物混凝土的比徐變減小速度更快，比較4 d齡期加載試件的比徐變，地聚物混凝土僅有普通水泥混凝土的1.5倍左右。需要注意的是，對于地聚物混凝土，高溫密封養護導致其強度迅速發展，彈性模量也迅速穩定，因此，對于不同初始加載齡期的試件，其比徐變與徐變系數的比值是相同的；但對于普通水泥混凝土，由于在較早齡期階段，其強度與彈性模量均在不斷發展，因此，在不同加載齡期情況下，其比徐變與徐變系數的比值是不同的。

圖5 低鈣粉煤灰基地聚物混凝土與普通水泥混凝土的比徐變對比 (持荷時間：14 d)Fig.5 Comparison of specific creep between LCFA-GPC

2.3.2 初始加載齡期對拉伸徐變增長速率的影響 為系統評價加載齡期對拉伸徐變的影響，定義徐變增長速率(Creep growth rate)為地聚物混凝土試件在單位持荷時間(d)內所完成的比徐變。選取3個試驗階段：0～3 d、4～14 d及15 d～卸載，比較其每個階段內的平均徐變增長速率。如圖7所示。初始加載齡期對試驗初期階段的徐變增長速率影響較大，2 d齡期加載試件的初期徐變增長速率達28×10-6/(MPa·d)。隨著初始加載齡期的增大，徐變增長速率的減小速度也在衰減。另一方面，圖4中3條比徐變曲線在試驗后期階段互相平行，圖7中的試驗后期階段平均徐變增長速率曲線也近乎一條無斜率直線，表明初始加載齡期主要影響試驗初期階段的徐變增長速率，而對試驗中期階段及后期階段的徐變增長速率影響不大。

圖6 初始加載齡期對低鈣粉煤灰基地聚物混凝土拉伸徐變增長速率的影響Fig.6 Effect of initial loading age on tensile creep

2.4 微觀分析

采用掃描電鏡技術(SEM)對初始加載齡期為2 d的低鈣粉煤灰基地聚物混凝土與普通水泥混凝土進行微觀結構觀測分析，如圖8所示，可以清晰地看到地聚物混凝土界面存在尚未反應的粉煤灰球狀玻璃體，堿激發粉煤灰產生的“N-A-S-H”凝膠[1]包裹在粉煤灰玻璃體周圍，形成較為致密的界面結構，可以看出地聚物混凝土微觀結構與普通水泥混凝土存在較明顯的差別。同時，在地聚物砂漿與骨料結合面存在交界面裂縫等缺陷，這可能是高溫養護導致的快速失水以及溫度變化導致的骨料、砂漿變形性能差異引起的。膠凝結構的不同使得低鈣粉煤灰基地聚物混凝土的拉伸徐變機理與普通水泥混凝土有較大的區別，混凝土的自身缺陷也會加速受拉損傷的發展，從而導致了低鈣粉煤灰基地聚物混凝土在試驗初期階段的拉伸徐變增長速率較快，相同初始加載齡期下，地聚物混凝土拉伸徐變大于普通水泥混凝土的現象。

圖7 掃描電鏡圖

3 結論

1)低鈣粉煤灰基地聚物混凝土經過高溫密封養護后，短時間內即可獲得較高的壓、拉強度與穩定的彈性模量。其拉伸彈性模量與壓縮彈性模量幾乎相同，且不隨混凝土齡期變化。

2)初始加載齡期對低鈣粉煤灰基地聚物混凝土的拉伸徐變影響顯著，初始加載齡期越小，拉伸徐變越大。2 d齡期加載試件的比徐變明顯高于3 d和4 d齡期加載的試件，且比徐變與初始加載齡期呈現出較明顯的非線性。

3)低鈣粉煤灰基地聚物混凝土的拉伸徐變特性與普通水泥混凝土相似，但低鈣粉煤灰基地聚物混凝土的拉伸徐變明顯較大。試驗初期階段的徐變應變近線性變化，隨著持荷時間的增加，徐變增長速率迅速衰減，發展至28 d齡期時徐變增長速率幾乎為零。

4)初始加載齡期對拉伸試驗初期的徐變增長速率影響較大，初始加載齡期越小，試驗初期階段徐變增長速率越大；初始加載齡期對試驗后期階段徐變增長速率幾乎沒有影響，不同初始加載齡期試件的比徐變曲線在試驗后期階段接近平行。